VISOKA ELEZNIKA KOLA STRUKOVNIH STUDIJA ZDRAVKA ELARA 14

BEOGRAD

SEMINARSKI RAD IZ PREDMETA:TEHNOLOGIJA MATERIJALA SA ZATITOMTEMA: LEMLJENJE

Profesor: Dr Jovan Tepi, dipl. in. ma.

Student: Ivan Jovanovi Br. indeksa: 02-171

Beograd, novembar 2010. 1

SADRAJ: 1. 2. 3. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 3.9. 3.10. 3.11. 3.12. 4. UVOD .. 3 OBRADA LEMLJANJA .. 3 POSTUPCI LEMLJENJA ............................................................................ 6 Talasno lemljenje ... 6 Lemljenje u peima ...................................................................................... 7

Infracrveno lemljenje .................................................................................... 7 Indukciono lemljenje ..................................................................................... 8 Ultrazvuno lemljenje .................................................................................... 8 Lemljenje umakanjem ................................................................................... 9 Lemljenje bakarnim alatom ......................................................................... 9 Lemljenje toplim vazduhom ......................................................................... Elektronsko lemljenje .................................................................................... Gasno lemljenje, lemljenje plamenom ......................................................... Srebrno lemljenje ........................................................................................... Zavarivanje lemljenjem ................................................................................ ZAKLJUAK ................................................................................................ LITERATURA .............................................................................................. 1 0 1 0 1 1 1 1 1 2 1 3 1 4

2

1. UVOD Lemljenje je postupak kojim se metalni ili nemetalni delovi spajaju rastopljenim dodatnim materijalom u nerazdvojivu celinu. Pri lemljenju se osnovni materijal ne topi jer ima viu taku topljenja od dodatnog materijala. Uz kovako i livako zavarivanje, lemljenje je jedan od najstarijih postupaka spajanja metala. Staro je koliko i dobijanje i prerada materijala (oko 5000-6000 godina). U poetku je lemljenje korieno za spajanje delova nakita od zlata i platine, a kasnije od srebra. Danas se lemljenje koristi u masovnoj proizvodnji za spajanje elika, aluminijuma i raznih drugih materijala. iroko se primenjuje u automobilskoj, avio i elektronskoj industriji. Razvijeno je lemljenje Zr, Ti, Be, metala sa visokom takom topljenja, kompozitnih materijala, kao i meusobno spajanje keramike i metala. 2. OBRADA LEMLJENJA S obzirom na karakteristike lema razlikuju se dve vrste lemljenja: o Lemljenje mekim lemom i o Lemljenje tvrdim lemom. Meko lemljenje se izvodi lako topljivim lemovima. Od mekih lemova najvie u primeni su lemovi od kalaja (Sn) i olova (Pb). Meki lemovi imaju vrstou Rm=50-70 Mpa. Koristi se uglavnom za spojeve bez velikih napona u eksploataciji, a da pri tome radna temperatura ne prelazi 100C. Tvrdo lemljenje izvodi se sa bakarnim lemovima, pri emu se dobijaju vrlo vrsti spojevi. Od tvrdih lemova najee su u primeni elektrolitiki bakar i fosforni bakar, koji daju vrlo vrste spojeve, zatim bakarno-cinkovni, srebrni, aluminijumski i drugi lemovi za lemljenje crnih i obojenih metala i legura. Tvrdi lem ima visoku vrstou Rm=500MPa i moe se koristiti za radne temperature preko 200C. Prednosti lemljenja su: o Ekonomina izrada sloenih sklopova sa vie delova, o Povoljna raspodela napona i povoljan prelaz toplote, o Mogunost spajanja metala sa nemetalima, o Mogunost spajanja vrlo tankih na debele predmete, o Mogunost spajanja razliitih metala u spoj, o Mogunost spajanja poroznih materijala, o Mogunost spajanja vlaknastih i kompozitnih materijala, o Zbog niih radnih temperatura i svojstava dodatnih materijala kod zalemljenih spojeva su nii zaostali naponi, nema porasta zrna, obino nema kristalnih transformacija, pa su neka svojstva zalemljenih spojeva povoljnija i o Postiu se precizne proizvodne tolerancije. Nedostaci lemljenja su:

3

o Statika i dinamika vrstoa zalemljenog spoja nie su u odnosu na zavareni spoj i o Relativno visoka cena dodatnih materijala za lemljenje. Materijali za lemlljenje su: lemovi, topitelji, zatitni gasovi (zatitna atmosfera). Lemovi su isti materijali, legure ili nemetali u obliku ice, tapa, lima, oblikovanih elemenata zrna, estica lema u topljenju. Topitelji su nemetalni materijali. Oni se nanose na povrine koje treba lemiti posle dobrog ienja, da bi se odstranili postojei oksidni slojevi i spreilo stvarnje novih, poboljala kapilarna svojstva i kvalitet spoja. Topitelji mogu biti u vrstom, tenom ili gasovitom stanju, a bitne osobine su im: o Mala gustina, da bi mogli da isplivaju na povrinu tenog lema, o Temperatura topljenja bar 20-40C nia od temperature lema. Pri lemljenju gvoa mekim lemom koriste se dezoksidatori: cink-hlorid ZnCl2 i amonijum-hlorid NH2Cl ili njihove smee. Za lemljenje bakra i mesinga kao dezoksidator upotrebljava se kalafonijum, a za lemljenje olova i lako topljivih legura - stearin. Za tvrdo lemljenje koriste se bezvodni boraks, natrijum tetraborat i borna kiselina, kao i jedinjenja na bazi fluora i hlora. Zatitni gasovi pri zagrevanju tite od oksidacije povrine spoja lema. Sa istom svrhom se primenjuje i lemljenje u vakuumu. Principi nastajanja zalemljenog spoja Pri lemljenju se javljaju razne fizike pojave: o o o o o o Difuzija materijala lema u osnovi materijala, Adhezione sile izmeu lema i povrine osnovnog materijala, Kohezione sile izmeu atoma, Kvaenje povrine lemom, Povrinski napon i Kapilarno delovanje.

Pri lemljenju se osnovni materijal zagreva, ali se ne topi. Dodatni materijal se topi, jer ima niu taku topljenja od osnovnog materijala, kvasi lemljene povrine, ulazi u zazor kapilarnim kvaenjem, rastopina se kristalie i ostvaruje zalemljeni spoj. Karakteristine temperature Radna temperatura je najnia temperatura predmeta na mestu lemljenja. Zavisi od vrste lema i via je od solidus temperature lema. Ako je radna temperatura iznad 450C, tada se govori o tvrdom lemljenju, a ako je ispod tada se govori o mekom lemljenju. Kada se lemi pri temperaturama iznad 900C, tada imamo visokotemperaturno lemljenje. Vrste zalemljenih spojeva Zalemnjeni spojevi se u pravilu izrauju tako da budu optereeni na smicanje ili bar jednim svojim delom da bude optereen na smicanje. U situacijama kada treba obezbediti

4

sueoni spoj obino se dodaju ploice. Na slici 1. prikazano je nekoliko razliitih tipova zalemljenih spojeva sa ocenom od lo do odlian.

Slika 1. Tipovi spojeva za lemljenje

Ako je neophodno da se obezbedi sueoni spoj ili ugaoni spoj, pogodna su reenja prikazana na slici 2.

Slika 2. Sueoni spoj sa jezikom i ljebom (levo) i ugaoni spoj (desno)

5

2. POSTUPCI LEMLJENJA U zavisnosti od obima proizvodnje i materijala koriste se postupci lemljenja: o o o o o o o o o o Talasno, U peima, Infracrveno, Indukciono, Ultrazvuno, Umakanjem, Bakarnim alatom, Toplim vazduhom, Elektrootporno i Gasno.

2.1. Talasno lemljenje Talasno lemljenje je postupak koji se primenjuje kod lemljenja elektronskih komponenata na tampane ploe u cilju njihovog elektrinog povezivanja. Naziv je potekao od toga to se rastopljeni lem dri u rezervoarima, a tampana ploa sa utisnutim komponentama prelazi preko rastopljenog lema koji se pumpom talasa ili tee kaskadno. Lem kvasi metalne delove tampane ploe koji nisi zatieni lakom i formira pouzdanu mehaniku i elektrinu vezu. Standardne maine za talasno lemljenje imaju etiri zone: o o o o Zona uklanjanja oksida sa povrina koje se leme, Zona predgrevanja, Zona lemljenja i Zona zavrnog ienja.

Rezervoar sa rastopljenim lemom na svojoj povini ima oblik stojeeg talasa. Kada se ploa kree preko rezervoara, lem je kvasi sa donje strane i lepi se za plou i noice elektronskih komponenata. Na slici 3. Prikazan je maina za talasno lemljenje

Slika 3. Maina za talasno lemljenje

6

2.2. Lemljenje u peima Postupak se najee odnosi na tampane ploe i elektronske komponente, a primenjuje se tako to se na tampane ploe, na kojima se nalaze elektronske komponente, nanese pasta za lemljenje. Potom se ploa konvejerom provue kroz pe. Za vreme prolaska ploe kroz zagrejanu pe metalne estice koje se nalaze u pasti se tope i povezuju za plou komponenata. Nakon hlaenja uspostavlja se jaka veza. Na slici 4. Prikazan je ureaj za lemljenje u peima...

Slika 4. Ureaj za lemenjenje u peima

2.3. Infracrveno lemljenje Infracrveno lemljenje spada u grupu postupaka koji je veoma slian sa lemljenjem u peima. Kod ureaja za infracrveno lemljenje za sagorevanje se umesto konvencinalnog sistema sa vrelim vazduhom koriste infracrveni toplotni talasi. Na slici 5. prikazano je jedno od mnogih reenja ureaja za infracrveno lemljenje. Stabilan i podesiv dra infracrvenog grejaa omoguava precizno lemljenje. Kao sredstvo za zagrevanje koristi se infracrvena halogena lampa koja omoguava temperaturu lemljenja od 0-480 C. Pregrevanje se izvodi tamnom infracrvenom lampom.

Slika 5. Ureaj za infracrveno lemljenje

7

Pored klasinih infracrvenih ureaja, postoje i mali ureaji za infracrveno lemljenje koji se koriste kao runi alati za pojedinanu proizvodnju. Oni koriste toplotu generisanu pomou koncentrisanih infracrvenih zraka. 2.4. Indukciono lemljenje Indukciono lemljenje koristi prednosti indukcionog zagrevanja, a to je brzina zagrevanja i mogunost zagrevanja samo odreene oblasti dela koji se zagreva. Za razliku od pei, indukciono zagrevanje dovodi toplotu samo gde je potrebna, u usku oblast u blizini mesta spajanja. Na ovaj nain smanjuje se potreba za ienje posle lemljenja i deformacije izazvane zagrevanjem delova. Ovim postupkom se dobijaju isti i uredni spojevi, pa se postupak koristi u elektro i elektronskoj industriji, prvenstveno za pojedinane lemove. Na slici 6. prikazan je ureaj za indukciono lemljenje.. .

Slika 6. Ureaj za indukciono lemljenje

2.5. Ultrazvuno lemljenje Ultrazvuno lemljenje je postupak koji se moe primenjivati i kod nemagnetnih materijala korienjem toplote i energije zvuka koji oslobaa ultrazvuna glava alata za lemljenje. Alat za lemljenje se moe izraivati u razliitim oblicima i veliinama. Prednosti ovakvog lemljenja su: o o o o o Povien kvalitet zalemljenog spoja, Mogunost primene lemljenja gde to drugim postupcima nije mogue, Nema prethodne pripreme povrina, Nema kontaminacije povrina i Nije potrebno naknadno zavrno ienje zalemljenog spoja. Na slici 7. prikazan je ureaj za ultrazvuno lemljenje.

Slika 7. Ureaj za ultrazvuno lemljenje

8

2.6. Lemljenje umakanjem Lemljenje umakanjem je postupak koji se koristi u veoma raznovrsnim aplikacijama. Metod se sastoji u tome da se prethodno oieni delovi potope u lonac sa istopljenim lemom, zadre odreeno vreme, a zatim izvade i ocede. Velika masa zagrejanog lema u loncu dovoljna je da podnese umakanje hladnijeg dela i da pri tome odri teperaturu lema na nivou dovoljnom za lemljenje. Proces se izvodi na najniim moguim temperaturama dovoljnim za lemljenje (40-65C). Na slici 8. prikazan je primer ureaja za lemljenje umakanjem.

Slika 8. Primer ureaja za lemljenje umakanjem

2.7. Lemljenje bakarnim alatom Lemljenje bakarnim alatom je jedan od nejeih postupaka mekog lemljenja u pojedinanoj proizvodnji. Bakarni alat moe da bude grejan elektrinom strujom ili plamenom. Na slici 9. prikazane su razliite vrste ureaja za lemljenje sa bakarnim alatom. Prve etiri slike se odnose na bakarne alate grejane elektrinom strujom, a ostale dve slike prikazuju alate koji se zagrevaju plamenom..

9

Slika 9. Lemljenje bakarnima alatom

2.8. Lemljenje toplim vazduhom Napredna tehnologija stanica sa toplim vazduhom osigurava veliku preciznost prilikom lemljenja i odlemljivanja komponenti. Mlaznice sa toplim vazduhom, sa ugraenom ploom za zagrevanje obezbeuju brzo i sigurno topljenje veznog elementa. Ugraeni vakuum podiza unutar mlaznice omoguava postavljanje i uklanjanje komponenti bez oeenja ploe i vodova (slika 10.)

Slika 10. Ureaj za lemljenje i odlemljivanje toplim vazduhom

2.9. Elektrootporno lemljenje Elektrootporno lemljenje se zasniva na lokalnom veoma brzom zagrevanju radnih predmeta i rastapanju lema proputanjem elektrine struje preko elektroda na radne predmete. Zbog dobrog kontakta elektroda i radnog predmeta i zbog relativno velikog poprenog preseka radnih predmeta, najvei deo toplote generie se na mestu dodira radnih predmeta koje treba spojiti. Dodatni metal dodaje se u zonu spoja, topi se i po hlaenju nastaje zalemljeni spoj. U zavisnosti od pristupanosti koriste se razliiti postupci formiranja elektrinog kola od kojih su neki prikazani na slici 11.. . . .

Slika 11. Neki primeri elektrootpornog lemljenja i ureaja

10

Prednosti elektrootpornog lemljenja su: o o o o o o o o Zagrevanje je trenutno i usmereno na zonu lemljenja, Mnogostruko je bre od zagrevanja bakarnim alatom, Delovi se posle lemljenja hlade vrlo brzo, Elektrode za lemljenje traju dva-tri puta due od konvencionalnih bakarnih alata, Nije potrebna posebna obuka lemljenja, Odlian rad u ogranienom prostoru, Efikasan i tedi struju i Manje opasan za rad od rada sa bakarnim alatom.

2.10. Gasno lemljenje, lemljenje plamenom Gasno lemljenje se ubraja u grupu postupaka tvrdog lemljenja. Kao izvor toplote koristi se spoljni omota plamena pri sagorevanju sledeih gasova ili njihovih meavina: o o o o o Acetilen, Prirodni gas, Propan, Butan i Vodonik. Sagorevanje gorivnog gasa moe se obavljati vazduhom ili uz pomo kiseonika. 2.11. Srebrno lemljenje Metalni delovi se spajaju ovim postupkom na temperaturi iznad 450 C, ali ispod temperature topljenja samih delova. Pri lemljenju se koristi dodatni materijal legura srebra po emu je postupak dobio ime. Dobiju se najbolji rezultati u pogledu nosivosti spoja, a za ostvarivanje spoja nije potreban razmak izmeu delova. Ovaj postupak se koristi za lemljenje ugljeninih, niskolegiranih i nerajuih elika, legura Al, Cu i Mg. Gorionici su isti kao za zavarivanje, a postupak moe da bude runi ili poluautomatski. Primer opreme za gasno lemljenje prikazan je na slici 12.

Slika 12. Primeri opreme za gasno lemljenje

11

2.12. Zavarivanje lemljenjem

.

Tvrdo lemljenje, koje koristi oksi-acetilenski plamen za zagrevanje od bronzane ili mesingane ice u prisustvu topitelja, primenjeno za povezivanje elinih delova naziva se zavarivanje lemljenjem. Kod ovog postupka kapilarne pojave nemaju znaaj, za razliku od srebrnog lemljenja. Temperatura lema kree se u granicama 870C-980C, to je znatno nie od temperature topljenja osnovnog materijala (npr. 1600C, za neke obine elike). Da bi se postupak zavarivanja lemljenjem realizovao, osnovni materijal na mestu spoja mora biti ist, a zazor delova moe biti do 0.5 mm. Kao topitelji obino se koriste mase bazirane na boraksu. Lemovi se isporuuju u oblik materijala za zavarivanje (ica prenika 3 mm.) iroko su rasprostranjeni sledei lemovi :.

.

o srebro-nikl, zatezne vrstoe 586 MPa, radna temperatura lemljenja 677C-950C, a koristi se za ugljenine i legirane elike i veinu metala, izuzev Al, o bronza, zatezna vrstoa 414 MPa, radna temperatura 870C, koristi se za bakar, elik, galvanizovane metale i druge metale izuzev aluminijuma i o mesing, neobloene mesingane ice, ali zahtevaju dodatne topitelje. Na slici 13. prikazan je lemljenjem zavaren spoj T spoj. Dodatni lem poveava popreni presek i ojaava ga.

Slika 13. Lemljenjem zavaren T spoj

12

3. ZAKLJUAK Ovu temu zadatak izabrao sam kako bih se vie informisao o ovoj temi i unapredio svoje znanje..

.

13

LITERATURA [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] Jovan Tepi, Materijali sa predavanja, VSS, Beograd, 2010. www.brod.sfsb.hr www.tradeindia.com www.bgstructuralengineering.com www.ftm-technologies.com www.photonage.com.au www.made-in-china.com www.zhongkeweilai.com www.gobizkorea.com

[10 www.medicaldevice-network.com ]

14