4.5. Основные технологии неразъемных соединений

К неразъемных соединениям относятся: заклепочные соединения, сварка, пайка, склеивание и их комбинации.

Заклепочные соединения. Клепка – рабочий процесс, при котором происходит соединение двух или нескольких деталей посредством деформирования заклепок (расклепывания стержней), вставленных в просверленные в деталях отверстия.

По степени механизации клепочных работ различают клепку: ручную, механизированную (пневматическими молотками или переносными прессами); машинную (клепка на стационарном прессовом оборудовании); автоматическую, выполняемую на специальных клепочных автоматах.

Заклепки изготовляются из алюминиевых сплавов, низкоуглеродистых сталей, латуни, меди, титановых сплавов. Заклепочные соединения широко применяются в производстве летательных аппаратов (от 25 до 40 % массы всех соединений), автомобилей и других машиностроительных изделий.

Недостатки заклепочных соединений:

- низкая производительность;

- высокая трудоемкость и материалоемкость;

- отсутствие постоянства показателей прочности;

- неравномерность распределения нагрузки по отдельным заклепкам в направлении действия усилия;

- трудность контроля.

Достоинства: высокая прочность при вибрационных нагрузках.

Сварка – процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частицами при их нагревании и (или) пластическим деформированием.

Все способы сварки можно разделить на две основные группы: сварка плавлением и сварка пластическим деформированием.

Сварка плавлением происходит в две стадии. На первой стадии происходит разогрев кромок до их оплавления. При этом разрушается кристаллическая решетка и образуется жидкая металлическая ванна, общая для двух свариваемых заготовок, называемая сварочной ванной. Возникают межатомные связи между соприкасающимися атомами жидкой и твердой фаз. На второй стадии при охлаждении происходит кристаллизация с образованием межатомных связей.

При сварке давлением сближение поверхностных атомов достигается за счет совместной пластической деформации в зоне соединения. Необходимо кратковременное механическое воздействие на заготовки для их сжатия и сближения атомов до возникновения межатомных сил связи. Сварка давлением возможна лишь при том условии, что материал способен воспринимать значительные местные пластические деформации без разрушения. Часто для повышения пластичности материала места соединения нагревают.

Сейчас известно более 70 технологических процессов сварки. Сварка, в целом, является наиболее важным способом получения неразъемных соединений.

Сваривают не только металлы, но также стекло, некоторые виды керамики и пластмасс и разнородные материалы. Современная авиация, строительство, электроника уже просто немыслимы без сварки. В судостроении, например, использование сварки вместо клепки позволило сократить цикл строительства судов в 5–10 раз и на 20–25 % снизить их металлоемкость. В строительстве предварительная подготовка крупных сварных блоков и их последующая сборка, и сварка на монтаже в 2–3 раза и более ускоряет сооружение мостов, крупных резервуаров, цементных печей, нефтеперерабатывающих установок, доменных печей. Сейчас практически все строительные металлоконструкции – сварные. Применение сварки позволяет более эффективно использовать прокат, поковки и отливки в конструкциях. Поэтому на изготовление сварных конструкций расходуется около половины выплавляемой стали, в обозримом будущем роль сварки не уменьшится.

Доминирующее положение в производстве уже около полувека занимает дуговая сварка. На нее приходится более 60 % всего объема сварочных работ.

Ручную сварку начинают зажиганием дуги путем прикосновения конца электрода к свариваемому изделию и быстрого отвода на расстояние в несколько миллиметров. Электрическая дуга горит между металлическим стержнем электрода и свариваемой заготовкой. Стержень электрода плавится, и расплавленный металл в виде отдельных капель переносится в сварочную ванну, которая образуется в результате плавления кромок заготовок. Вместе со стержнем плавится электродное покрытие, которое образует вокруг дуги газовую защитную атмосферу, температура которой 4000–6000 °С. По мере движения дуги происходит затвердевание сварочной ванны и образование сварного шва. Затвердевший шлак образует на поверхности шва твердую шлаковую корку.

Пайка – процесс получения неразъемного соединения заготовок без их расплавления путем смачивания сопрягаемых поверхностей жидким припоем с последующей его кристаллизацией. Для обеспечения растекания припоя по поверхности заготовок и хорошего смачивания заготовки нагревают, а также обрабатывают флюсами, которые растворяют и удаляют с поверхности оксиды, чем уменьшают поверхностное натяжение.

Припои представляют собой сплавы цветных металлов сложного состава. За счет изменения химического состава можно получать припои с разной температурой плавления. Паять можно углеродистые и легированные стали всех марок, твердые сплавы, цветные металлы, чугуны. При этом необходимо правильно выбрать соответствующий припой и флюс. Флюс не должен химически взаимодействовать с припоем, температура его плавления должна быть ниже температуры плавления припоя, он должен растворять и удалять окисные пленки, уменьшать поверхностное натяжение, улучшать смачиваемость и растекаемость расплавленного припоя. Применяют твердые, пастообразные и жидкие флюсы.

Способы пайки классифицируют в зависимости от используемых источников нагрева. При пайке в печах заранее собирают соединяемый узел, закладывают в него припой и наносят флюс, а затем помещают в печь. Припой расплавляется и заполняет зазоры между соединяемыми заготовками.

Пайку погружением выполняют в ваннах с расплавленными солями или припоями. На паяемую поверхность наносят флюс, припой размещают между поверхностями заготовок, заготовки скрепляют и погружают в ванну. Соленая ванна предохраняет место пайки от окисления.

Нагрев заготовок можно осуществлять токами высокой частоты, газовым пламенем, плазменной горелкой, кварцевой лампой, паяльником. Припой можно размещать заранее у места пайки или вводить его в процессе пайки вручную.

С помощью пайки можно соединить разнородные металлы, а также металлы со стеклом, керамикой, графитом и другими неметаллическими материалами, что трудно или невозможно сделать сваркой. Кроме того, при пайке можно за один прием получить много соединений, что очень удобно при изготовлении сложных узлов и при массовом производстве. Это делает пайку весьма перспективным процессом, область применения которого быстро расширяется в связи с развитием авиа- и ракетостроения, атомной техники, двигателестроения и электроники.

Склеивание – технологический процесс соединения деталей с помощью клея или растворителя, которые образуют прочную клеевую пленку, выдерживающую внешние нагрузки на деталь. В последние годы разработаны различные клеевые композиции, обеспечивающие высокую прочность, надежность и долговечность клеевых соединений. Современные клеи склеивают практически все однородные и разнородные материалы: металлы, пластмассы, резину, древесину, керамику, композиционные материалы.

Технологический процесс склеивания включает следующие основные операции:

- подготовка деталей (сборка);

- подготовка поверхности;

- нанесение клея;

- открытая выдержка;

- сборка (соединение) деталей;

- отверждение клея по заданному режиму, включающему подбор давления, температуры и времени отвердения;

- контроль качества склеивания (простукивание, вихревые токи, ультразвуковые приборы и т. д.).

Подготовка поверхности включает следующие процессы: очистка от окислов и загрязнений, обезжиривание, создание шероховатости. Клей наносится тонким слоем (чем тоньше слой, тем выше прочность соединения), не более 0,1–0,2 мм. Способы нанесения клея: кистью, штапелем, пульверизатором и т. д. Склеенные детали закрепляются в струбцинах или используются зажимы с применением давления 5–300 МПа.