Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług i zgodnie z Polityką Plików Cookies. Możesz określić warunki przechowywania lub dostępu do plików cookies w Twojej przeglądarce. ×
REKLAMA

TECHNOLOGIE

Naprężenia i odkształcenia własne w złączach lutowanych

Jerzy Nowacki, Michał Kawiak

prof. dr hab. inż. Jerzy Nowacki, mgr inż. Michał Kawiak
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie



Streszczenie
W artykule oceniono stan zagadnienia dotyczący naprężeń własnych w złączach lutowanych z materiałów o różnych właściwościach fizykomechanicznych oraz możliwości ich zmniejszania poprzez zastosowanie różnych technik od eksperymentu technologicznego do metod numerycznych. Analizowano wpływ poszczególnych czynników na wielkość naprężeń, a przede wszystkim wielkości szczeliny lutowniczej, grubości elementów łączonych, pola i chropowatości powierzchni lutowanych, elementów dystansujących i wkładek kompensacyjnych oraz geometrii złącza. Przedstawiono wyniki obliczeń numerycznych dwuwymiarowych modeli złączy lutowanych dla różnych wielkości lutowanych powierzchni przy stałej szerokości szczeliny lutowniczej. Szczególną uwagę zwrócono na naprężenia występujące w złączach o dużych powierzchniach lutowania.

Wprowadzenie
Optymalne wykorzystanie właściwości węglików spiekanych i cermetali często wymaga łączenia tych materiałów ze stalą z zastosowaniem lutowania twardego. Dotychczasowe wyniki prac dotyczących lutowania stali nierdzewnych z. węglikami lub cermetalami, opisanych w monografiach i artykułach, np. [1, 2, 3, 4, 5] w pewnym, choć niewystarczającym stopniu odnosi się do problemu pęknięć po lutowaniu [2, 6, 7]. Jednym z problemów obserwowanych w czasie lutowania kształtek z węglika spiekanego lub cermetalu i stali jest powstawanie w złączu lutowanym naprężeń własnych, powodujących odkształcanie się złącza, co stanowi przedmiot artykułu.

Przyczyny powstawania i skutki naprężeń własnych
Naprężenia własne powstałe w wyniku procesów produkcyjnych narzędzi i elementów maszyn równoważą się wzajemnie wewnątrz pewnego obszaru wyrobu i występują bez obciążenia zewnętrznego [8]. W procesie lutowania naprężenia własne w złączu powstają w czasie jego chłodzenia od temperatury solidusu lutu do temperatury otoczenia, między innymi jako efekt różnic wartości współczynników rozszerzalności cieplnej materiałów łączonych lub przemian fazowych zachodzących w czasie chłodzenia złącza lutowanego.
W złączach lutowanych istotnego znaczenia nabierają naprężenia cieplne, jeśli jeden z elementów łączonych jest kruchy tzn. jego odporność na pękanie, określona krytycznym współczynnikiem intensywności naprężeń KIc jest niska, jak w przypadku ceramiki, węglików spiekanych, cermetali, diamentu, grafitu i szkła. Tym bardziej, że współczynniki rozszerzalności cieplnej tych materiałów różnią się znacznie od współczynników stali z którymi są lutowane. Współczynniki rozszerzalności cieplnej węglików spiekanych są zazwyczaj około dwukrotnie niższe od współczynników stali nierdzewnych. W wyniku lutowania tych materiałów w węgliku powstają rozciągające naprężenia, lokalnie o znacznych wartościach. Wysoki poziom rozciągających naprężeń cieplnych powiązany z dużą kruchością węglików powoduje ich pękanie, co ogranicza w pewnych warunkach możliwość ich spajania.
Na ogół nie obserwuje się pękania w stalowej części złącza lutowanego węglików i stali ze względu na plastyczność i możliwość w lokalnych odkształceń plastycznych relaksujących naprężenia [9]. Nieliczne przykład pokazują jednak, że również elementy stalowe takich złączy pękają w procesie lutowania [10]. Pękają o­ne w miejscach spiętrzeń naprężeń, np. w miejscach z ostrymi krawędziami lub dużych zmian przekrojów elementu.
Lutowane elementy maszyn i narzędzi, w szczególności na dużych powierzchniach, do których wykonania użyte zostaną, np. stal i węgliki spiekane powinny być tak projektowane, aby zminimalizować wielkość naprężeń rozciągających w węglikach [1, 2]. Można to osiągnąć przez odpowiedni dobór geometrii połączenia, rodzaju spoiwa, metody i parametrów procesu lutowania, czyli w wyniku właściwego ukształtowania właściwości spojenia (właściwości cieplnych, wytrzymałości doraźnej, granicy plastyczności, udarności i podatności). W przypadku geometrii załącza, podkreśla się w szczególności znaczenie szerokości szczeliny lutowniczej, wpływającej istotnie na mikrostrukturę spojenia, wytrzymałość i plastyczność spoiny oraz poziom naprężeń własnych. Od szerokości szczeliny lutowniczej zależy również jej kapilarność decydująca o wypełnieniu szczelin lutem. Dlatego powinna o­na być projektowana w oparciu nie o jeden wybrany parametr ale przy uwzględnieniu wszystkich istotnych parametrów. Tym bardziej, że określona zmiana szerokości szczeliny w przypadku jednego z parametrów daje efekt pozytywny, w przypadku innego negatywny. Na przykład, wraz ze wzrostem szerokości szczeliny lutowniczej maleją naprężenia cieplne w złączu, ale pogarsza kapilarność i wytrzymałość na ścinanie spoiny i dodatkowo [3]. Spojenie o odpowiednio dobranej szerokości zabezpiecza płytki węglika spiekanego przed bezpośrednim stykiem z elementem stalowym. Przy małych szerokościach szczeliny w porównaniu do chropowatości powierzchni dochodzi lokalnie do takiego styku (rys. 1a). W miejscach tych może nastąpić spiętrzenie naprężeń do wysokich wartości, powodujących mikropęknięcia, których powiększanie się i łączenie może doprowadzić do zniszczenia złącza lutowanego.


a) b)


Rys. 1 Schemat złącza lutowanego: a) bez elementów ustalających szerokość szczeliny lutowniczej, kółkami zaznaczono miejsca styku płytki węglikowej z korpusem stalowym, b) z siatką dystansującą: 1 – płytka węglikowa, 2 – lutowina, 3 – korpus stalowy, 4 – siatka dystansująca [3, 6]


O szerokości spoiny, w złączach bez elementów dystansujących, decydują: chropowatość powierzchni, siła docisku elementów łączonych i napięcie powierzchniowe spoiwa. Dlatego wykonanie w takich przypadkach złącza o zaprojektowanej szerokości spoiny nie jest zadaniem prostym. W praktyce otrzymywane szerokości spoin różnią się często między sobą i mniej lub bardziej odbiegają od wartości założonej. Rzutuje to bezpośrednio, np. na wyniki próby ścinania złączy lutowanych, charakteryzujące się stosunkowo dużym rozrzutem wytrzymałości na ścinanie względem wartości średniej [2, 7]. Problemy te można usunąć stosując elementy dystansujące. Dystanse, np. w postaci siatki ustalają stałą odległość pomiędzy elementami łączonymi, różniącą się lokalnie w pomijalnie małym stopniu od wartości średniej. Użycie siatek lub włókien jako elementów dystansujących jest również korzystne ze względu na podwyższenie wytrzymałości spojenia [3].
Od jednokierunkowych działań mających na celu obniżenie poziomu naprężeń cieplnych i ograniczenie występowania pęknięć w połączeniach lutowanych bardziej skuteczne są działania wielokierunkowe. Działania takie polegają, np. na jednoczesnym odpowiednim doborze szerokości szczeliny lutowniczej, materiału spoiny, stosowaniu siatek dystansujących i obróbki cieplnej po lutowaniu.
O możliwości zastosowania złączy lutowanych przesądza ich jakość, zespół cech charakteryzujących przydatność do spełnienia przeznaczenia użytkowego. Do określenia tych cech, np. niezawodności, trwałości i funkcjonalności wymagana jest znajomość naprężeń i odkształceń pojawiających się w złączach w czasie wytwarzania i eksploatacji. Chcąc podkreślić znaczenie naprężeń i odkształceń wystarczy powiedzieć, że obliczenia wytrzymałościowe każdego elementu zawierającego złącze lutowane powinno obejmować obliczenia na: naprężenia dopuszczalne, odkształcenia dopuszczalne, pełzanie, kruche pękanie oraz obliczenia zmęczeniowe [11]. W obliczeniach na naprężenia dopuszczalne, niezależnie od tego, czy warunek wytrzymałościowy zastosowano w procesie projektowania do obliczania wymiarów złącza, określenia jego nośności, czy wykorzystano go przy doborze materiałów, zawsze nominalne lub zredukowane naprężenia porównywane są z naprężeniami dopuszczalnymi. W każdym przypadku naprężenia i odkształcenia muszą być wyznaczone z możliwie największą dokładnością, dającą podstawę do minimalizacji wartości współczynników bezpieczeństwa, co w końcowym efekcie daje podstawę do zmniejszenia wymiarów i masy produktu. Badanie niezawodności złączy lutowanych jest ściśle związane z poznawaniem praw powstawania w nich uszkodzeń [12]. Najczęściej uszkodzenia złączy lutowanych węglików spiekanych/cermetali przybierają formę makro i mikro pęknięć. Przykładowo złom zmęczeniowy powstaje w wyniku lokalnych odkształceń plastycznych, cyklicznego umocnienia i osłabienia materiału, zarodkowania, rozwoju i łączenia się mikropęknięć [13]. Przyczyną lokalnych odkształceń plastycznych w złączach lutowanych, przy średnich naprężeniach niższych od granicy plastyczności, jest miejscowe spiętrzenie naprężeń do wartości tej granicy. Podobnie proces inicjacji, rozwoju i łączenia się mikropęknięć jest zależny od stanu naprężenia w elemencie. Z powyższego można wnioskować, że prognozowanie pojawienia się uszkodzeń złącza lutowanego nie jest możliwe bez znajomości wartości i rozkładów naprężeń w nim występujących.
odczas prac wdrożeniowych złączy lutowanych w filierach do granulacji polietylenu zaobserwowano wielokrotnie pęknięcia spieków ceramiczno metalicznych, tworzących warstwę odporną na ścieranie na dużej powierzchni [5, 14, 15]. Efektem tych prac badawczych jest opracowanie nowoczesnego rozwiązania konstrukcyjnego filiery, w którym duża powierzchnia stalowego korpusu pokryta jest warstwą tnącą zbudowaną z kilkuset płytek z węglików spiekanych (rys. 2). Wpływ wielkości powierzchni złącza lutowanego, szerokości szczeliny lutowniczej, zastosowania dystansów między płytkami i stalą oraz wymiarów płytek na mikrostrukturę spoiny, stan naprężenia i odkształcenia a także procesy pękania nie został w zadowalającym stopniu określony. Brak jest nadal danych o charakterze podstawowym pozwalających na właściwą interpretację i minimalizację pęknięć.



Rys. 2. Powierzchnia tnąca filiery z przylutowanymi do niej płytkami z węglików spiekanych

Wyznaczanie naprężeń cieplnych

Naprężenia cieplne w modelach złączy lutowanych płytek z węglików spiekanych i płyt stalowych obliczane są między innymi za pomocą wzorów analitycznych. Naprężenia rozciągające na powierzchni zewnętrznej węglika oraz pomiędzy węglikiem i płytą stalową można obliczyć odpowiednio ze wzorów 1 i 2 [10, 16].


1)2)



gdzie:
Ew, Es – moduły sprężystości podłużnej węglików spiekanych i stali w MPa,
αw, αs – współczynniki rozszerzalności cieplnej węglików spiekanych i stali w K-1,
Δα – różnica wartości współczynników rozszerzalności cieplnej stali i węglików w K-1,
ΔT – przyrost temperatury w K-1,
Vw, Vs –współczynniki Poissona węglików i stali,
gw, gs – grubości płytek z węglików spiekanych i stali w mm,
T­s – temperatura solidusu lutu w oC.

Po podstawieniu do wzoru (1) danych liczbowych podanych w dalszej części artykułu, dla modelu złącza pokazanego na rysunku 8e otrzymano naprężenia o wartości δw = 1480 MPa. Na skutek tak dużych naprężeń rozciągających w płytkach węglikowych, po procesie lutowania, powinny pojawić się pęknięcia. Praktyka pokazuje, że po procesie lutowania przypadki pękania węglików są dużo rzadsze od przypadków połączeń bez pęknięć. Oznacza to, że wzór (1) nie daje wyników dostatecznie zgodnych z rzeczywistością i może być stosowany jedynie we wstępnych bardzo przybliżonych obliczeniach. Mała dokładność powyższego wzoru jest wynikiem przede wszystkim pominięcia w nim wymiarów i własności spoiny, przyjęcia liniowych charakterystyk dla materiałów podstawowych oraz tego, że model jest jednowymiarowy (uwzględniono tylko grubość elementów łączonych).
Badania autorów pracy [10] dowodzą (rys. 3), że rozciągające naprężenia cieplne w węgliku spiekanym połączenia lutowanego można skutecznie zmniejszyć, a nawet całkowicie wyeliminować przez odpowiedni dobór stosunku grubości elementu stalowego i płytki węglikowej. Korzystny rozkład naprężeń w złączu lutowanym otrzymuje się przy ilorazie m =3 i więcej. Występowanie naprężeń i odkształceń w obiektach materialnych jest stanem naturalnym, szczególnie w czasie eksploatacji. Oznacza to, że nie można ich w pełni wyeliminować. Można natomiast i należy, ze względu na negatywne skutki wywoływane przez naprężenia, minimalizować ich wartości i polepszać ich rozkłady. W pracy [2] poszukując rozkładów i wartości naprężeń złącza lutowane podzielono na trzy rodzaje: cylindryczne, płaskie i ostrzowe (rys. 4), według kryteriów naprężeń maksymalnych występujących na zewnętrznych powierzchniach spajanych elementów ceramicznych. Przyjęty podział pozwolił na wyznaczenie w tych złączach rozkładów naprężeń pokazanych na rysunku 4.
W zakresie prac mających na celu obniżenie naprężeń w złączach lutowanych prowadzone są badania nad ich kompensacją przez wprowadzenie wkładek z molibdenu, niklu lub specjalnych warstw ceramicznych. Rysunek 5 ilustruje jak zmieniają się rozkłady i wartości naprężeń przy zmianie grubości wkładki kompensacyjnej. Zwiększenie grubości wkładki powoduje zmniejszenie naprężeń własnych w warstwach przejściowych oraz co jest bardzo istotne w części ceramicznej złącza. Wybrany wynik obliczeń numerycznych przedstawiony na rysunku 5 pokazuje, że zwiększenie grubości wkładki może obniżyć maksymalne wartości naprężeń nawet o kilka rzędów. Badania pokazały również, że złącza z wkładkami niklowymi posiadają wyższą wytrzymałość na ścinanie i w mniejszym stopniu zależą od grubości wkładki w porównaniu do złączy z wkładkami molibdenowymi [17].



Rys. 3 Rozkłady naprężeń w złączach lutowanych o różnych ilorazach m grubości korpusu stalowego do płytki węglikowej [10]


Rys. 4. Rozkłady naprężeń w trzech modelach złączy: a – złącze cylindryczne, b – złącze płaskie, c – złącze ostrzowe [17]

a)

b)

c)


Rys. 5. Rozkłady naprężeń obliczone dla różnych grubości wkładek: a) 1,0 mm, b) 1,5 mm, b) 2,0 mm [17]

Obciążenia cieplne w złączach lutowanych
W czasie eksploatacji w połączeniu lutowanym mogą pojawić się lokalne odkształcenia plastyczne, a w kruchych jego elementach – pęknięcia, jest to tym bardziej prawdopodobne im większa jest różnica między wielkością naprężeń rzeczywistych, a obliczonych w procesie projektowania. Jednocześnie na skutek zmian struktury zmieniają się własności fizyczne i mechaniczne materiałów, z których wykonano elementy złącza: granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie, twardość, współczynnik sprężystości, tłumienia, przewodność cieplna. W wyniku tych zmian złącze może posiadać inne właściwości projektowe, co może powodować dalsze obniżenie jego ciągliwości. Problem naprężeń i odkształceń w złączach lutowanych, nadal pozostaje otwarty.
Obciążenia cieplne złączy lutowanych, ze względu na częstość występowania i wywoływane skutki, w wielu przypadkach można uznać za tak samo istotne jak obciążenia mechaniczne. Powstają o­ne w wyniku przejmowania lub oddawania ciepła przez złącze, co prowadzi do zmiany jego temperatury. W zależności od znaku przyrostu temperatury wymiary liniowe elementów złącza rosną lub maleją. Przy braku pełnej swobody odkształcania się w złączu powstają naprężenia cieplne. Powstają o­ne również przy łączeniu elementów wykonanych z materiałów o różnych współczynnikach rozszerzalności cieplnej, na skutek efektu bimetalowego (rys. 6) co może powodować uszkodzenie węglikowej.


a)b)c)


Rys. 6. Ilustracja efektu bimetalowego w połączeniu lutowanym płytki stalowej i węglika spiekanego o różnych współczynnikach rozszerzalności cieplnej: schemat złącza stal-lut-węglik spiekany, b) ujemny przyrost temperatury – chłodzenie z temperatury lutowania, c) dodatni przyrost temperatury – grzanie do temperatury lutowania

Obciążenia cieplne, tak jak obciążenia mechaniczne, mogą zmieniać się w różny sposób wraz z upływem czasu. Cykliczne zmiany temperatury powodują powstawanie zmiennych naprężeń w złączach lutowanych. Dodatkowo, z powodów gradientów temperatury i niejednorodności własności fizykochemicznych faz materiałów złącza, naprężenia mają rozkłady nierównomierne. Trwające przez dłuższy czas cykliczne zmiany temperatury prowadzą do zmęczenia cieplnego materiału, objawiającego się pojawieniem na powierzchni siatki pęknięć pogłębiających się wraz z upływem czasu. W wielu przypadkach obciążenie cieplne, w początkowym okresie pracy złącza, można uznać za quasistatyczne, a po ustaleniu się zadanej wartości temperatury w całej objętości złącza za stałe równomiernie rozłożone. Obciążenia zewnętrzne maszyn, urządzeń i konstrukcji pochodzące od naporu ośrodków otaczających te obiekty, a także przekazywane na nie poprzez fundamenty, oraz siły generowane podczas realizacji procesów technologicznych (przemieszczenie ładunków, skrawanie i inne) są w większości przypadków głównym źródłem naprężeń i odkształceń w złączach lutowanych.
Analiza numeryczna dwuwymiarowych modeli złączy lutowanych
Badania własne jak i innych autorów dowodzą, że zadawalającą zgodność wyników obliczeń i badań doświadczalnych otrzymuje się w przypadku wykonywania obliczeń za pomocą systemów obliczeniowych metody elementów skończonych. Poniżej omówiono wybrane wyniki obliczeń numerycznych dwuwymiarowych modeli złączy lutowanych pokazanych na rysunku 7.
a)

b)

c)

d)

e)


Rys. 7. Dwuwymiarowy model fizyczny złącza lutowanego: a – model podstawowy, b, c, d, e – modele pomocnicze

Podstawowe badania numeryczne wykonano na modelu zbudowanym z płyty stalowej i dziesięciu płytek z węglika spiekanego połączonych lutem (rys. 7a). Badania uzupełniające przeprowadzono na modelach pomocniczych pokazanych na rysunkach 7b, c, d i e. Założono, że materiały poszczególnych ciał tworzących modele są idealne: płyta stalowa - materiał sprężysto - plastyczny z liniowym umocnieniem, lut - materiał sprężysto - idealnie plastyczny, węglik spiekany- materiał sprężysty. Do obliczeń przyjęto przyrost temperatury ΔT = -980 K i następujące dane liczbowe charakteryzujące materiały podstawowe i dodatkowe (tab. 1).
Ponadto przyjęto, że wartości powyższych parametrów są stałe w całym zakresie zmienności temperatury. Kolejne założenie upraszające przyjęto określając geometrię złącza, założono równą grubość spoin łączących ze sobą węgliki i łączących płytę stalową z węglikami. Obliczenia wykonano dla grubości spoin l2 = h2 = 0,15 mm. Dla pozostałych wymiarów modelu przyjęto dane liczbowe umieszczone w tabeli 2.

Tabela 1. Dane liczbowe charakteryzujące materiały podstawowe i dodatkowe


Tabela 2. Wymiary materiałów stali i węglika spiekanego



Rys. 8. Rozkład naprężeń cieplnych rozciągających δy w płytkach z węglika G30 przy zewnętrznej ich powierzchni wyznaczone dla modeli złączy lutowanych pokazanych na rys. 7

W przypadku jednoczesnego lutowania do płyty stalowej kilkudziesięciu płytek z węglika spiekanego trudne jest ich dokładne pozycjonowanie względem siebie jak i względem płyty [5]. Zadanie można uprościć zastępując kilka, kilkanaście małych płytek jedną większą. W modelu pokazanym na rysunku 7b dziesięć płytek o szerokości 6,5 mm zastąpiono jedna płytką z węglika o szerokości 65 mm. W przypadku kolejnych pomocniczych modeli złączy lutowanych widać, że model pokazany na rys. 8c nie ma pionowych spoin, a modele pokazane na rys. 7d i e mają po jednej płytce węglikowej o szerokości 6,5 mm. Otrzymane rozkłady rozciągających naprężeń cieplnych w płytkach węglikowych pięciu modeli, przy ich zewnętrznej powierzchni, pokazano na rysunku 8. W modelu pokazanym na rysunku 7b warstwa węglika spiekanego ma budowę ciągłą, a w modelu podstawowym (rys. 7a) dziesięć płytek oddzielonych jest od siebie pionowymi spoinami. To właśnie obecność tych spoin sprawia, że krzywe rozkładów naprężeń δy (modeli z rys. 7a i b) mają tak różną postać. Na podstawie porównania tych krzywych można uznać, że w złączach lutowanych o dużych powierzchniach lutowania nie powinno stosować się płytek o zbyt dużych wymiarach. W przypadku modelu z płytką o szerokości 65 mm naprężenia δy są duże i mogą spowodować pęknięcia płytki. Więcej informacji na temat wpływu pionowych spoin na naprężenia cieplne w badanych modelach otrzymano po wykonaniu obliczeń modelu z rysunku 7c. Skutkiem braku spoin pionowych w modelu (rys. 7c) jest obniżenie rozciągających naprężeń cieplnych δy do wartości praktycznie bliskich zeru (rys. 8). Otrzymany wynik może mieć duże znaczenie dla praktyki. W celu obniżenia poziomu naprężeń cieplnych w badanych złączach, proces ich lutowania powinien być realizowany w dwóch etapach. W pierwszym etapie należy jedynie połączyć spoiną płytki z węglika spiekanego z płytą stalową, a w drugim wypełnić lutem o niższej temperaturze topnienia, w porównaniu do lutu zastosowanego w pierwszym etapie, pionowe szczeliny między płytkami. Maksymalne naprężenia rozciągające δy w modelach pomocniczych pokazanych na rysunkach 7d i e są małe w porównaniu do odpowiednich naprężeń pojawiających się w modelu podstawowym (rys. 7a). Na tej podstawie można wnioskować, że waga problemów związanych z naprężeniami cieplnymi pojawiającymi się w czasie lutowania w złączach o dużych powierzchniach lutowania (model podstawowy z dziesięcioma płytkami węglikowymi, rys. 7a) jest szczególnie duża w porównaniu do wagi problemów dotyczących złączy, o małych powierzchniach lutowania (modele pomocnicze z jedną płytką węglikową o szerokości 6,5 mm; rys. 7d i e).

Podsumowanie
  • wielkości obciążenia cieplnego w procesie lutowania, powstające w procesie lutowania naprężenia mogące powodować lokalne pęknięcia w części ceramicznej złącza,
  • właściwości łączonych materiałów i lutu, naprężenia własne zależą przede wszystkim od granicy plastyczności spoiny i rosną wraz ze spadkiem jej wartości,
  • szerokość szczeliny lutowniczej w układzie stal – płytka, wzrost szerokości szczeliny lutowniczej zmniejsza naprężenia własne w kształtkach z węglika/cermetalu i jednocześnie obniża wytrzymałość na ścinanie spoiny,
  • wielkości łączonych powierzchni i ich przygotowanie (chropowatość, czystość itp.), chropowatość ma wpływ na szerokość szczeliny,
  • stosowanie bądź nie elementów dystansujących, stosując elementy dystansujące zapewnia się stałą szerokość szczeliny lutowniczej oraz podwyższa się właściwości wytrzymałościowe spoin,
  • stosunek grubości łączonych elementów, odpowiedni dobór grubości elementów łączonych obniża lub nawet eliminuje rozciągające naprężenia własne w płytkach węglikowych,
  • stosowanie wkładek kompensacyjnych, np. z molibdenu, niklu czy też warstw ceramicznych,
  • technologia lutowania, przede wszystkim zmiana temperatury złącza w czasie.
Badania numeryczne złącza lutowanego o dużej powierzchni lutowania, zbudowanego z płyty stalowej i dziesięciu płytek węglikowych w pełni potwierdziły spotykane w literaturze stwierdzenia i dostarczyły nowych informacji na temat rozkładów naprężeń i odkształceń w takim złączu. Na podstawie analizy wyników obliczeń metodą elementów skończonych można stwierdzić, że:
  • ekstremalne wartości naprężeń rozciągających w płytkach węglikowych złącza o dużej powierzchni lutowania nie występują w środkowej części złącza lecz w pobliżu zewnętrznych krawędzi,
  • wymiarów płytek węglikowych nie można dowolnie powiększać, zastąpienie kilku płytek o małych wymiarach jedną większą może doprowadzić do wzrostu naprężeń rozciągających do wartości niebezpiecznych, pęknięć płytek.

Literatura
[1] Nowacki J, Kawiak M.: Wpływ konstrukcji i obciążenia na naprężenia i odkształcenia w lutowanych próżniowo połączeniach. Techniki komputerowe w spawalnictwie: 42 Naukowo-Techniczna Konferencja Spawalnictwa, Warszawa, 2000, s. 82-86,
[2] Nowacki J.: Problemy jakości połączeń lutowanych próżniowo stali z cermetalami. Przegląd Spawalnictwa 2002, nr 2-3, s. 35-40
[3] Mirski Z.: Sterowanie szerokością szczeliny lutowniczej w procesach spajania materiałów różnoimiennych. Monografia, Wrocław, 2000
[4] Nowacki J., Kawiak M.: Obciążenia, naprężenia i odkształcenia w połączeniach lutowanych, Przegląd Spawalnictwa, 4/2006
[5] Nowacki Jerzy, Chudziński Marcin, Zmitrowicz Przemysław: Lutowanie w budowie maszyn. WNT 2007
[6] Mirski Z.: Wpływ szczeliny na własności mechaniczne połączeń lutowanych. Przegląd Spawalnictwa (XLII), 1990, nr 1-2, s. 10-14
[7] Nowacki J.: Struktura i właściwości połączeń lutowanych próżniowo nierdzewnych stali maraging spoiwem Au-Ni. Przegląd Spawalnictwa, 2004, nr 8-9, s. 109-112
[8] Leksykon naukowo-techniczny. WNT, Warszawa 1989
[9] Ferenc K., Golański D., Kawka M.: Analiza numeryczna i doświadczalna naprężeń termicznych w cylindrycznym połączeniu lutowanym. Przegląd Spawalnictwa (XLIII), 1991, nr 7-9, s. 10-13
[10] Mirski Z., Granat K., Barteczka Ł.: Naprężenia i odkształcenia w połączeniach lutowanych węglików spiekanych ze stalą. Przegląd Spawalnictwa 2007, nr 9, s. 45-50
[11] Niezgodziński M. E., Niezgodziński T.: Wzory wykresy i tablice wytrzymałościowe. WNT, Warszawa 1996
[12] Dietrich M.: Podstawy konstrukcji maszyn., Tom 2, Warszawa, PWN, 1988
[13] Kocańda S.: Zmęczenie i pękanie metali. WNT, Warszawa 1985
[14] Nowacki J, Kawiak M.: Wpływ konstrukcji i obciążenia na naprężenia i odkształcenia w lutowanych próżniowo połączeniach. Techniki komputerowe w spawalnictwie: 42 Naukowo-Techniczna Konferencja Spawalnictwa, Warszawa, 2000, s. 82-86
[15] Nowacki J., Świder P.: Producibility of brazed high dimensional centrifugal compressor impellers. Journal. of Materials Processing Technology, Elsevier, 5817 (2002) 1 - 7
[16] Golański D.: Modelowanie naprężeń własnych w rzeczywistych strukturach kompozytów MMC. Prace Naukowe, Mechanika, z. 215, Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej , 2006
[17] Włosiński W.: Inżynieria spajania materiałów zaawansowanych – osiągnięcia i perspektywy. Przegląd Mechaniczny LXIV, 2005, nr 1, s. 57-63

Autorzy dziękują Ministerstwu Nauki i Szkolnictwa Wyższego za finansowanie projektu badawczego MNiSW, Nr N N507 356635 nt. Wpływ geometrii złącza lutowanego o dużej powierzchni spieków cermetalicznych ze stalą utwardzaną wydzieleniowo na jego mikrostrukturę oraz stan naprężeń i odkształceń, projekt badawczy MNiSW, w ramach którego został opracowany ten artykuł.


Źródło: Przegląd Spawalnictwa

dodano: 12:15, 16.9.2009


REKLAMA
Korzystanie z bezpłatnych mechanizmów serwisu oznacza akceptację jego regulaminu.
Copyright © 2003 - 2017