29. Способы соединения деталей

Детали и отдельные узлы можно соединять между собой, применяя в зависимости от конструктивных и технологических требований различные способы сборки. Различают два вида сборки: разъемную и неразъемную.

Разъемной сборкой называется такое соединение, которое можно нарушить без изменения размеров и повреждения материалов деталей. К разъемным в аппаратуростроении относят резьбовые, фланцевые, шлицевые соединения, а также соединения, которые осуществляются пайкой мягкими припоями или склеиванием термопластичными смолами.

Неразъемной сборкой называются соединения, которые невозможно разобрать без частичного или полного разрушения деталей и цельности материала, из которого они изготовлены. Неразъемные соединения получают сваркой, пайкой твердыми припоями, склеиванием термореактивными смолами, клепкой или соединение деталей на прессовых посадках.

Пайка

Сущность пайки заключается в соединении металлических деталей расплавленным металлом или сплавом (припоем), имеющим более низкую температуру плавления.

В процессе пайки происходит взаимное растворение и диффузия припоя и основного металла. При этом структура, форма и размеры деталей основного металла остаются постоянными.

Спаиваемые заготовки нагревают в зоне шва до температуры несколько выше температуры плавления припоя. В отличие от сварки при пайке основной металл не расплавляется.

Припои должны обладать следующими свойствами: хорошей пластичностью, жидкотекучестью, устойчивостью против коррозии, обеспечивать смачивание поверхности иметь коэффициент линейного расширения, близкий к коэффициентам линейного расширения соединяемых деталей, быть дешевым и недефицитным.

Припои разделяются на две группы: мягкие припои с температурой плавления ниже 350 С и твердые – с температурой плавления выше 400 С. Мягкие припои изготовляют на основе свинца и олова с присадками сурьмы, серебра, висмута, кадмия и др. Серебро и сурьма повышают, а висмут и кадмий понижают (до 150–170 С) температуру плавления припоя. Из твердых припоев для пайки деталей используют медные, медно-цинковые, серебряные и алюминиевые припои.

Для лучшего смачивания основного металла с расплавленным припоем, обеспечения адгезии его к соединяемым поверхностям необходимо удаление с них окисных и жировых пленок. Для удаления окислов и загрязнений заготовки перед пайкой подвергаются механической зачистке или химическому травлению. Применение флюсов предохраняет поверхности соединяемых деталей от окисления. В качестве флюсов применяют хлористый цинк, ортофосфорную кислоту, тиэтаноламин, салициловую кислоту, спирт, канифоль, буру и др.

Обычно пайкой соединяют медь, латунь, бронзу, сталь. Труднее паять алюминий, магний, вольфрам, молибден, титан, цирконий и некоторые другие металлы.

Сварка

Сущность технологического процесса сварки металлов состоит в получении неразъемного соединения путем создания условий для межатомного взаимодействия и возникновения прочных металлических связей между атомами поверхностных слоев свариваемых деталей. Для осуществления межатомного взаимодействия необходимо чтобы атомы свариваемых поверхностей находились в пределах действия межатомных сил, т.е. на расстояниях, соизмеримых с параметрами кристаллических решеток металлов. Необходимое сближение частиц соединяемых поверхностей достигается воздействием на металлы в зоне сварки тепловой или механической энергии. В зависимости от этого сварочные процессы условно делятся на способы сварки плавлением и способы сварки давлением.

Металлы с одинаковым типом кристаллической решетки, образующие друг с другом непрерывный ряд твердых растворов, хорошо свариваются методами сварки плавлением. В качестве источников энергии при сварке плавлением используют кислородно-ацетиленовое пламя, электрическую дугу, электронный луч, световой луч оптического квантового генератора, плазменную струю и др.

Металлы, не обладающие взаимной растворимостью в твердом состоянии, не свариваются плавлением, и для соединения заготовок и деталей из разнородных металлов применяют методы сварки давлением.

Основными методами сварки давлением являются контактная сварка, диффузионная, ультразвуковая, газопрессовая, сварка трением, холодная сварка.

Для защиты металла в процессе сварки от окисления и газопоглощения сварку электрической дугой производят под слоем флюса, в среде инертных газов, в водороде и вакууме. При ручной дуговой сварке используют также электроды, покрытые защитными шлакообразующими обмазками.

В настоящее время сварка как способ неразъемного соединения широко применяется при изготовлении изделий как из металлических, так и неметаллических материалов. Однако подавляющее число конструкций аппаратов изготавливается при помощи сварки стальных соединений. Поэтому мы рассмотрим основные указания по технологичности конструкций, свариваемых из углеродистых, легированных сталей, чугуна, цветных металлов.

В результате термического воздействия высокой температуры при варке в околошовных зонах изменяются состояние и свойства металла. Наиболее важными из них, влияющими на физико-механические свойства стали и, следовательно, на свойства сварного соединения, являются изменение фазового состава, структурного состояния металла и величины зерна. Величина и характер этих изменений зависит от химического состава стали и ее состояния, обусловленного видом предварительной термической обработки, способом сварки и термической обработки.

Кроме того, местный неравномерный нагрев металла при сварке вызывает в околошовной зоне упруго-пластические деформации, не исчезающие при последующем охлаждении, что является причиной деформации изделий и возникновения остаточных напряжений.

Однако никакой другой способ соединения деталей не дает возможности достичь такой неразрывной структурной связи соединяемых частей. По сравнению с другими способами изготовления металлических конструкций сварка имеет ряд преимуществ, которые сводятся к упрощению технологии, снижению трудоемкости, экономии металлов, к созданию конструкций более совершенных форм, наиболее полно использующих свойства основного металла.

Влияние химического состава и состояния стали на технологичность сварки. При современном состоянии техники сварки можно сваривать все конструктивные стали, чугун, медь, алюминий, титан и др.

Применение высококачественных электродов, присадочного материала, флюсов, различных способов сварки и других технологических мероприятий позволяет обеспечить равнопрочность сварных соединений (для сталей с пределом прочности до 90 кг/мм² с 0,85–0,9 прочности сварного шва). Однако у сталей повышенной и высокой прочности удовлетворительные механические свойства соединений и высокая работоспособность их при эксплуатации могут быть получены в большинстве случаев лишь при проведении процесса сварки с подогревом изделия и применения после сварки термообработки. С повышением прочности стали обычно растет ее термическая чувствительность. Термическая реакция стали на процесс сварки, часто являющаяся причиной образования трещин, зависит главным образом от химического состава и структурного состояния стали, толщины стали, типа сварного соединения, расположения швов в конструкции, сечения их и длины, жесткости закрепления отдельных частей детали и др.

На термическую реакцию стали наибольшее влияние оказывает углерод, действие которого усиливается легирующими элементами. Молибден 0,2–0,8 %, ванадий 0,1–0,3 % и титан до 0,2 %, наряду с улучшением других свойств стали, улучшают ее свариваемость. Сера и фосфор, а также загрязнение металла неметаллическими включениями и растворенными газами ухудшают сварочные свойства.

Установлено, что сварочные свойства бессемеровской стали значительно хуже, чем мартеновской. «Кипящая» мартеновская сталь хуже сваривается, чем «спокойная».

Наилучшие сварочные свойства имеет сталь, находящаяся в структурно-равновесном состоянии и имеющая минимальные остаточные напряжения. Поэтому детали, изготовленные литьем, ковкой, горячей и холодной штамповкой, прокаткой, выколоткой, вытяжкой, гибкой, до сварки должны подвергаться отжигу или нормализации с последующим высоким отпуском при температуре 680–700 С. Исключение составляют малоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,25 %.

Влияние зон пониженной твердости сварного соединения возрастает с увеличением ее ширины. Эта зона зависит от твердости свариваемых сталей, ее химического состава, толщины металла и способа сварки и может колебаться от 1,0 до 30 мм.