Клееные и паяные соединения

Клееные соединения. Клееным называется неразъемное соеди­нение составных частей изделия с применением клея. Действие клеев ос­новано на образовании межмолекулярных связей между клеевой пленкой и поверхностями склеенных материалов.

Клееные соединения применяют для соединения металлических, не­металлических и разнородных материалов, причем в настоящее время имеется тенденция к расширению применения этих соединений. Так, на­пример, клееные соединения применяют в таких ответственных конст­рукциях, как летательные аппараты и мосты.

Достоинства клееных конструкций заключаются в возможно­сти соединения практически всех конструкционных материалов в любых сочетаниях, любой толщины и конфигурации, причем обеспечивается герметичность и коррозионная стойкость соединений. В отличие от свар­ных, клееные соединения почти не создают концентрации напряжений, не вызывают коробления деталей и надежно работают при вибрационных нагрузках. По сравнению с другими клееные соединения дешевле, а клее­ные конструкции обычно легче других при прочих равных условиях.

Недостатки клееных соединений: сравнительно невысокая прочность, в особенности при неравномерном отрыве, относительно не­высокая долговечность некоторых клеев («старение»), низкая теплостой­кость, необходимость соблюдения специальных мер по технике безопас­ности (установка приточно-вытяжной вентиляции); для большинства со­единений требуется нагрев, сжатие и длительная выдержка соединяемых деталей.

Клеи делят на конструкционные (для прочностных соединений) и не­конструкционные (для ненагруженных соединений).

По природе основного компонента различают неорганические, орга­нические и элементоорганические клеи. К неорганическим клеям относят жидкие стекла, применяемые для склеивания целлюлозных материалов.

Существует большое разнообразие конструкционных клеев, отли­чающихся физико-механическими свойствами и технологией их приме­нения. Наибольшее применение в машиностроении и приборостроении имеют органические клеи на основе синтетических полимеров, например универсальные клеи БФ, технические условия на которые стандартизова­ны, и эпоксидные клеи с наполнителем и без наполнителя. При необходи­мости повышенной теплостойкости (до 1000° С) применяют элементоор­ганические клеи, обладающие сравнительно меньшей эластичностью. Клеи не являются проводниками, поэтому при необходимости обеспечить электропроводность в них добавляют порошкообразное серебро.

Для склеивания деталей требуется механическая и химическая под­готовка их поверхностей. Механическую подготовку и пригонку метал­лических деталей производят на металлорежущих станках или вручную напильником, сложные поверхности подвергают пескоструйной обработ­ке; пластмассовые детали обрабатывают резанием или зачищают наждач­ной шкуркой. Химическая подготовка заключается в очищении и обезжи­ривании склеиваемых поверхностей ацетоном, спиртом, бензином или бензолом.

Клей наносят на поверхность кистью или пульверизатором. Проч­ность клееного соединения в значительной степени зависит от толщины клеевого слоя, которая в основном определяется вязкостью клея и давле­нием при склеивании. Рекомендуются толщины клеевого слоя для раз­личных клеев в пределах 0,05—0,25 мм; при толщине клеевого шва 0,5 мм и более прочность соединения значительно снижается. Наибольшее влия­ние на прочность клееного соединения оказывает температура эксплуата­ционного режима, которая для большинства конструкционных клеев ре­комендуется в пределах от минус 60 °С до плюс 80 °С.

В прочностных клееных конструкциях наиболее распространены стыковые и нахлесточные соединения, примеры которых приведены на рис. 2.9: а — стыковое с накладкой; б — косостыковое; в — стыковое; г — стыковое соединение труб одинакового диаметра; д — нахлесточное; е — нахлесточное шпунтовое; ж — косостыковое соединение труб одно­го диаметра; з — нахлесточное (телескопическое) соединение труб разно­го диаметра.

Прочность клееного соединения зависит от площади склеивания. Наиболее прочными являются соединения, работающие на сдвиг или рав­номерный отрыв, когда напряжения по всей площади склеивания можно полагать распределенными равномерно. При работе на отдирание (нерав­номерный отрыв) прочность соединения не определяется площадью склеивания, так как оно будет разрушаться последовательными участка­ми; в таких случаях применяют комбинированные соединения — клееклепаные или клеесварные.

Расчетные формулы на сдвиг и отрыв для клееных соединений име­ют вид

τ =F/ А_к < [τ]. σ_р =F/ А_к < [σ_р],

где F — действующая сила; А_к — площадь склеивания. Допускаемое на­пряжение на сдвиг [τ] = τ_в[s], а на отрыв [σ_р] = σ_в./S, где для распро­страненных клеев предел прочности при сдвиге τ _в <60 МПа, предел прочности при растяжении σ_в < 50 МПа, а допускаемый коэффициент запаса прочности [s] = 1,2...1,5.

Паяные соединения. Пайкой называется процесс образования неразъемного соединения с межатомными связями путем нагрева соеди­няемых материалов ниже температуры их плавления и применения лег­коплавкого присадочного материала — припоя. В температуре нагрева состоит принципиальное отличие пайки от сварки. Соединение, образо­ванное пайкой, называется паяным.

В отличие от сварки пайка позволяет соединять детали из разнород­ных материалов, например, черных и цветных металлов и сплавов, стекла, керамики, графита. Кроме того, паять можно и детали с тонкостенными элементами, где применение сварки недопустимо из-за опасности прожо­га тонких стенок при сварке. Применение пайки в машиностроении воз­растает в связи с широким внедрением новых конструкционных материа­лов, в том числе высокопрочных легированных сталей, многие из кото­рых плохо свариваются. Примерами применения пайки в машинострое­нии могут служить радиаторы автомобилей и тракторов, лопатки турбин, топливные и масляные трубопроводы и др.

Пайка является одним из основных видов соединения в приборо­строении, в том числе в радиоэлектронике.

Процессы пайки сравнительно легко поддаются механизации и авто­матизации. Во многих случаях применение пайки приводит к значитель­ному повышению производительности труда, снижению массы и стоимо­сти конструкций. По прочности паяные соединения уступают сварным.

По признаку взаимного расположения и формы паяемых элементов типы паяных соединений подобны сварным и клееным и носят те же на- звания, а именно: нахлесточное, стыковое, косостыковое, тавровое, телескопическое, комбинированное. Если паяемые элементы соединены по линии или в точке, то соединение назы­вается соприкасающимся.

Многообразные способы пайки можно подразделить на два основ­ных вида (в скобках даны термины ИСО):

низкотемпературная пайка (мягкая пайка), происходящая при температуре, не превышающей 723К (450 °С),

высокотемпературная пайка (твердая пайка), происхо­дящая при температуре, превышающей 723К.

В первом случае применяют оловянно-свинцовые (мягкие) припои, во втором — медно-цинковые и серебряно-мед­ные (твердые) припои. В качестве припоев применяют как чистые ме­таллы, так и сплавы.

Для уменьшения вредного влияния окисления поверхностей при пай­ке применяют флюсы (на основе буры, хлористого цинка, канифоли); паяют в среде нейтральных газов (аргона) или в вакууме.

Нагрев припоя и деталей при пайке осуществляют паяльником, газовой горелкой, т.в.ч., в термических печах, погружением в ванну с расплавленным припоем и пр. При пайке т.в.ч. или в термической печи припой укладывают в процессе сборки деталей в месте шва в виде проволочных контуров, фольго­вых прокладок, лент, мелкой дроби или паст в смеси с флюсом.

Перед пайкой паяемые поверхности деталей обезжиривают и очи­щают от окислов. После подготовки соединяемых деталей к пайке и по­следующей сборки их обычно подогревают до температуры плавления припоя и в зазоры между ними вводят расплавленный припой.

Паяные швы из мягких припоев малопрочны, поэтому их применяют для соединений ненагруженных, малонагруженных, не подверженных действию ударных нагрузок и вибрацией. Из-за низкой температуры плавления не рекомендуется применять их для соединений, работающих при температуре выше 100 °С. Мягкие припои широко применяют в при­боростроении. Твердые припои применяют для соединений, несущих на­грузки. При статических нагрузках применяют припои на медной основе, а для соединений, воспринимающих ударные и вибрационные нагрузки, — припои на серебряной основе.

Расчет на прочность паяных соединений осуществляют по формулам для однотипных сварных и клееных соединений. Допускаемое напряже­ние на срез можно принимать для паяных швов из оловянно-свинцовых припоев [τ] = 20...З0 МПа, из медно-цинковых припоев [τ'] = 175...230 МПа. Для паяных швов из серебряно-медных припоев предел прочности при растяжении в полтора-два раза больше, чем при срезе и равен 400...600 МПа.