JUUNIVERZITET U TUZLI

JU UNIVERZITET U TUZLIMAINSKI FAKULTETKATEDRA ZA ZAVARIVANJE I TERMIKU OBRADU TEMA 24TOPLOTNA OBRADA ZALEMLJENIH SPOJEVA(BRAZING AND SOLDERING HEAT TREATMEMENT )Puonji Milosav , student

Energetski smjerTuzla Bosna i Hercegovina

Saetak:Ovaj rad u osnovnim naznakama opisuje efekte zagrijavanja i hlaenja na finalnu strukturu spoja tokom procesa lemljenja. Dalje se bavi toplotnim obradama koje se koriste na zalemljenim spojevima Na kraju je dat prikaz nekoliko vrsta pei koje se koriste za proces lemljenja i toplotnu obradu.

Kljune rijei:Lem, Struktura, Zagrijavanje, Hlaenje, PeAbstract:Paper present basic effects of heating and cooling on brazed joints structure. Further peaper deals with heat treatments which has been used for soldering and brazing. At the end overview few types of furnance for brazing and heat treatment has given.Key words:

Solder, Structure, Heating, Cooling, Furnance.

UVOD

Proces spajanja materijala lemljenjem ukljuuje upotrebu toplote kao neophodnog elementa u cilju stvaranja nerazdvojivih veza dva ili vie materijala. Tokom ovoga procesa dolazi do promjena u stanju i strukturi lema. Nezavisno od upotrebljene metode zagrijavanja, razvijanje toplotnog modela je jedan od fundamentalnih zahtjeva za proizvodnju zadovoljevejueg lemljenog spoja.1. ONOVE PROCESA

Kada primjenimo izvor toplote (npr. plamen) na spoj njegova povrina se mnogo intenzivnije zagrijava nego njegova unutranjost. Stepen zagrijavanja unutranjosti spoja zavisi od raznih faktora, a najvie od mase komponenti, intenziteta upotrebljenog toplotnog izvora i toplotne provodnosti materijala koji grade spoj. Drugim rijeima, brzina rasta temperature u spoju direktno je povezana sa brzinom prelaza toplote sa izvora na dijelove u spoju. Tokom procesa lemljenja mora se striktno voditi rauna da nedoe do toplotnog oteenja osnovnog materijala ili evntualnog njegovog topljenja. Zbog toga je neophodno obezbjediti balansiran dovod toplote spoju. To podrazumjeva da nedovoljno zagrijavanje a takoer i pregijavanje e imati nepovoljne efekte na ostvareni spoj. Onoga trenutka kada je dodatni materijal otopljen i spoj bude ostvaren, prestaje se sa zagrijavanjem i komponente poinju da se hlade. Tipian temperaturni ciklus kod lemljenja prikazan je na slici 1.1 Ova slika prikazuje uopteni sluaj zagrijavanja kod lemljenja. Kod nekih aplikacija irina podruja procesa topljenja moe biti i 250C ili vie. Medjutim kod recimo lemljenja aluminijuma, to podruje nikad nije vee od 65C a u mnogim sluajevima neprelazi 30C, tako da je neophodna veoma precizna kontrola temperature procesa, tako da lemljenje aluminijuma se u mnogim stvarima razlikuje od lemljenja ostalih materijala.

Prikaz zagrijavanja lemljenog spoja Slika 1.12. TOPLOTNA OBRADA

2.1Toplotna obrada zalemljenih spojevaToplotnom obradom se nastoji da se materijalu spoja povrate ona svojstva koja su se promijenila tokom lemljenja. Izbor toplotne obrade zavisi od vrste materijala i veliini promjena koje su nastale u zlamljenom spoju.

Toplotna obrada se moe podijeliti na : toplotnu obradu prije i tokom procesa lemljenja te toplotnu obradu nakon procesa lemljenja. U toplotnoj obradi prije procesa lemljenja najvanije je predgrijavanje. Kao toplotna obrada poslije procesa lemljenja primjenjuje se smanjenje zaostalih napona, poputanje, normalizacija, rekristalizaciono arenje, gaenje poboljavanje, difuzijsko arenje. 2.2PredgrijavanjeNajvanija toplotna obrada prije procesa lemljenja je predgrijavanje. Predgrijavanje podrazumijeva zagrijavanje podruja lemljenja iznad temperature okoline, na propisanu temperaturu To, prije poetka lemljenja, te odravanje te temperature za vrijeme lemljenja. Predgrijavanje je primarno unoenje topline u lem, a kasnije se izvorom energije lemljenja sekundarno unosi toplina u lem, pa su konani efekti rezultat primarnog i sekundarnog unoenja topline. Najee se predgrijavanje vri u cilju izbjegavanja hladnih pukotina, jer se predgrijavanjem postiu efekti suprotni onima, koji uzrokuju hladne pukotine. Hladne pukotine uzrokuje krhka zakaljena struktura, difuzijski vodik i reakcijska zaostala naprezanja. Predgrijavanjem se postiu ovi efekti: Smanjenje brzine hlaenja u odnosu na vee brzine ako se nevri predgrijavanje. Princip je dat na donjoj slici. Smanjenjem brzine hlaenja se smanjuje koliina tvrdih faza.

Prikaz brzine hlaenja

Slika 2.2.1.

Omoguavanje izlaska (efuzije) difuzijskog vodika. Atomarni difuzijski vodik lake difundira kroz metalnu kristalnu reetku pri viim temperaturama, jer je srednji razmak izmeu atoma metala vei. Manja su zaostala naprezanja. Budui da je podruje lemljenja na vioj temperaturi, ono je produeno za l, pa e stezanje sredine lema nakon hlaenja l biti manje, nego ako nije bilo predgrijavanja, pa e i rezultirajua zaostala naprezanja biti manja.

Okolina lemljenog spoja

Slika 2.2.2.

Ako se pretpostavi da se moe izdvojiti lem od okolnih limova, tada bi on nakon hlaenja bio krai od okoline (HLADNO). Budui da je vezan za okolinu, rezultat su zaostala naprezanja na zatezanje u sredini lemljenog spoja i naprezanja na pritisak u susjednim zonama. Predgrijavanjem se hladna okolina takoer istegne, pa e se pri hlaenju skraivati zajedno sa sredinom lema, ali za manju veliinu, to ima za posljedicu manje zaostale napone uz predgrijavanje.2.3 Smanjenje zaostalih naponaSmanjenj zaostalih napona je veoma znaajna toplotna obrada kod tvrdog lemljenja elemenata koji su izloeni tekim uslovima eksploatacije gdje postoji realna mogunost naponsko-korozinog loma. Ovo je posebno izaeno kod 70% legura Bakar-Nikl. Dvije procedure se mogu koristiti za rijeenje ovog problema.

Smanjenje zaostalih napona u materijalu se moe izvesti prije nego to otpone proces tvrdog lemljenja. Zagrijavanje materijala na temperaturu oko 760C i prirodno hlaenje do temperature okoline. Kada se izvri ova operacija, materijal sa smanjenim zaostalim naponima moe se tvrdo lemiti sa bilo kojim materijalom koji je pogodan za upotrebu zajedno sa legurom 90% bakar-nikl.

Alternativna mogunost je da se neophodno smanjenje zaostalih napona poduzme kao intergralni dio operacije tvrdog lemljenja. Pod ovim uslovima operacija tvrdog lemljenja se mora poduzeti sa dodatnim materijalom koji imam minimalnu radnu temperaturu u blizini 760C. Ove kriterijume zadovoljava kadmijumova legura BS EN1044 tip AG308. Njena svojstva su data slijedeom tabelomTabela 2.3.1 Mehanike karakteristike AG308

Meutim, ova legura nije podobna zbog sadraja kadmijuma, koji potencijalno moe dea izazove probleme teenja zbog izuzetno irokog pojasa topljenja, i mogunosti korozije pri izlaganju morskoj vodi. Kao logian izbor nudi se legura BS EN1044 tip AG203 ije su karakteristike date u slijedeoj tabeli.Tabela 2.3.2 Mehanike karakteristike AG203

Temperaturni ciklus smanjenjenja zaostalih napona Slika 2.3.1.

2.4 Poputanje

Poputanje je termin koji oznaava toplotnu obradu koja se sastoji od zagrijavanja i dranja na odreenoj temperaturi, nakon ega se vri postepeno hlaenje u cilju omekavanja materijala lema i poveanja duktilnosti. Preporuena brzina zagrijavanja zalemljenih konstrukcija je 100 do 150 C na sat. Ova brzina se postie ako se dijelovi stave u hladnu pe a zatim se zagrijavaju zajedno sa pei. Preporuene temperature za zalemljene komade su izmeu 600 i 750C. Na radnoj temperaturi komadi treba da se zadre dok se ne progrije najmasivnije mjesto, a zatim treba da se zadre neko vrijeme da bi se obavio proces plastinog deformisanja. Hlaenje komada je ovdje veoma vana operacija. Naroito njegov dio do 300C kako ne bi ponovo nastali unutranji naponi.

Diagram poputanja

Slika 2.4.1

Brzina hlaenja treba da bude 50 do 100 C/as , to se moe ostvariti hlaenjem komada u zatvorenoj pei ukoliko je toplotna izolacija pei zadovoljavajua. Poputanjem se neuklanjaju svi naponi u zalemljenim konstrukcijama. U kojoj mjeri e se poputanjem ukloniti naponi zavisi u najveoj mjeri od temperature otputanja.

2.5 Normalizacija

Kod zalemljenih konstrukcija, zbog posebnih uvjeta pri nastajanju strukture ovravanjem i hlaenjem, koji se razlikuju od normalnih tehnolokih uvjeta u proizvodnji pojedinih materijala, obrazuje se drugaija struktura, uglavnom nepovoljnih osobina. Ovakva nepovoljna i nehomogena struktura ima negativne posljedice na osobine zalemljene veze. Ona u znatnoj mjeri pogorava prisustvo zaostalih napona. U tom sluaju ova oblast je redovno mjesto nastajanja prvih pukotina u zalemljenom spoju. Popravljanje strukture se moe jedino obaviti normalizaciom.

Shematski prikaz normalizacije Slika 2.5.1.

Zagrijavanje za normalizaciju zalemljenih spojeva moe do temperature A1 tei proizvoljno i nema uticaja na osobine, meutim izmeu temeperatura A1 i A3 ono treba da bude brzo zbog opasnosti poveanja krupnoe zrna. Temperatura normalizacije je A3 + (30-50)C. Vrijeme zadravanja je 1-2 min/mm najvee debljine zida ali ne manje od 20 minuta. Hlaenje do temperature ispod A1 obavlja se na vazduhu, a dalje se obavlja sporo obino u peima.2.6 Rekristalizaciono arenje

Rekristalizaciono arenje se obavlja u oblasti temperatura niih od temperature poetka transformacije A1, najee na temperaturama 550 do 720C.2.7 Poboljanje

Ova vrsta toplinske obrade, slika 2.7.1. primjenjuje se nakon lemljenja elika za poboljanje. Svrha joj je poveanje ilavosti uz zadravanje visoke vrstoe.Proces je slijedei

najprije se obavlja zagrijavanje na temperaturu neto iznad linije A3;

potom se provodi naglo hlaenje do linije A1 i dalje, odreenom brzinom (kao kod otvrdnjavanja);

nakon toga ponovo se provodi zagrijavanje na temperaturu iznad 400C a ispod take A1, a potom se postupno hladi.

Toplotna obrada poboljanjem Slika 2.7.1.

Ovakvom toplotnom obradom dobija se vrlo visoka vrstoa, a naknadnim poputanjem dobra ilavost i granica razvlaenja. Vrijednost temperature i vremena kod ove vrste toplotne obrade ovisi o sastavu elika za poboljanje. Preporuke o tome daju proizvoai elik, a odreene su i standardima.2.8 GaenjeGaenje je toplotna obrada koja se vri tako to se dijelovi zagrijavaju do temperature 1050-1100 C kada se karbidi rastvore, a zatim brzim hlaenjem kroz podruje 850-450C se zadrava struktura austenita bez izluenog Cr na granicama zrna vezanog u Cr karbid.

Toplotna obrada gaenjem Slika 2.8.1.2.9 Homogenizaciono (Difuzno) arenje

Ovo arenje ima za cilj odstranjivanje lokalnih razlika u koncentracijama pojedinih komponenti legura (segregacije, zonskih mjeovitih kristala) koje su nastale pri obrazovanju primarne strukture. arenje se vri na temperaturama izmeu 1100 i 1200C u trajanju od 12 do 15 asova, pa se zatim dijelovi polako hlade do temperature 250 do 280C tako da je ciklus vrlo dug (80 do 100 as).

Toplotna obrada difuznim arenje Slika 2.9.1.

3. OPREMA ZA TOPLOTNU OBRADU I LEMLJENJENajvei broj aplikacija u modernoj izradi zalemljenih spojeva potpada pod lemljenje uz upotrebu plamena. Meutim nema sumnje da se danas najvei broj spojeva lemljenjem obavi u posebnim peima sa zatitnom atmosferom. Pored samog procesa lemljenja ove pei omoguuju da se u jednom krugu procesa izvri uporedo i termika obrada spoja.3.1 Pei za lemljenje u redukcionoj atmosferi

Presjek redukcione pei sa neprekidnim konvejerom Slika 3.1.1.

Atmosfere ovoga tipa reaguju sa oksidima koji su prisutni na povrinama osnovnog materijala i dodatnog metala za lemljenje, i vre njihovo uklanjanje iz procesa. Ovakva pe je prikazana na gornjoj slici koja radi u egzotermnoj atmosferi koja nastaje katalitikom reakciom prirodnog gas ili propana sa okolnim vazduhom. U ovim sluajevima aktivni inioci atmosfere u procesu uklanjanja oksida su karbon monoksid i hidrogen. Fundamentalana potreba u procesu lemljenja je da se omogui dodatnom materijalu da okvasi i preplavi osnovni materijal. Da bi se ovo ostvarilo povrina metala mora biti oiena od oksidnih filmova. Meutim treba napomenuti da uklanjanje oksidnih filmova nije dovoljno. Jedanput kada su oni uklonjeni metalna povrina dodatnog materijla mora se drati u uslovima bez oksida tokom cijelog procesa. Jena od najpopularnijih neprekidnih pei je konvejerska sa isprepletenom trakom (slika 3.1.2.) U zavisnosti od upotrebe pei, njena unutranjost moe biti obloena sa vatrostalnim ciglama ili sa gasnom komorom izraenom od legure otporne na toplotu.

1. elino kuite

10. Utovarni sto2. Termo izolacija

11. Integralni okaljeni tank

3. Toplotna komora

12. Povratni vod4. Gasna komora

13. Poklopac za vodu5. Pomina ploa

14. Ulaz gasa6. Mehanizam za pokretanje ploe

15. Uvodna cijev7. Konvejer sa isprepletenom trakom16. Ventilatori8. Pogonski toak

17. Okaljeni zastor9. Mehanizam pogonskog toka

18. Plameni zastorUnutranjost neprekidne konvejerske pei Slika 3.1.2.

3.2 Pei za vakumsko lemljenjeProcesiranje materijala pod vakumom je rapidno ekspanziono polje u nekoliko oblasti tehnologije proizvodnje. Najvanija podruja primjene su: Tvrdo lemljenje

Sinterovanje tungsten karbida

Toplotna obrada (otputanje i otvrdnjavanje) elika.

Neki procesi takoer mogu da sadre i druge vrste toplotne obrade. Rastui interes koji je posebno uzraen u poslednje tri dekade, rezultovao je korespodentnim razvojem tehnologije vakumskih pei. Sam proces u vakumskim peima se manje vie sastoji od slijedee procedure.

Dijelovi se dovode u vakumsku komoru

Zatvaraju se vrata komore

Poinje proces pumpanja

Kada se ostvari potreban nivo vakuma, pe se moe ispuniti inertnim gasom koji potpomae u odvoenju zaostalog vazduha iz kapilara dijelova koje treba zalemiti.

Temperaturno vremenski profil pri tvrdom lemljenju u vakumskoj pei Slika 3.2.1.

Dijelovi se dovode do temperature lemljenja

Dijleovi se hlade do ovrivanja dodatnog materijala

Kada dijelovi dostignu temperaturu okoline, potrebno je ukloniti bilo koji postojei vakum, otvoriti vrata, i ukloniti zalemljene komponente.

U zavisnosti od kompleksnosti pei i njezinog sistema hlaenja, mogu se upotrijebiti i dosta kompleksniji ciklusi. Prikaz jedne pei sa tri odvojene komore je prikazan na donjoj skici.

ematski prikaz polukontinualne vakumske pei Slika 3.2.2.

Ovakve pei sadre tri odvojene komore, vanjske komore za ulaz i izlaz nezavisne jedna od druge. Njavanija je centralna komora, koja sadri tolotne elemente koja se moe drati pod postojanim vakumom. Kao rezultat, dijelovi se mogu uvoditi i izvoditi iz pei na polukontinualnoj snovi. Ova procedura skrauje za pola vrijeme procesa u odnosu na pei sa jednom komorom.

Literatura:

1. Kudumovi, D.: Zavarivanje i termika obrada Tuzla, Januar 1998 godine;

2. Grupa autora: ASM Handbook vol.4 Heat treating published in 1991 as Volume 4 of the ASM Handbook. The Volume was prepared under the direction of the ASM Handbook Committee.3. Grupa autora: ASM Handbook vol.6 Welding Brazing and Soldering Welding, brazing, and soldering was published in 1993 as volume 6 of the asm handbook. the volume was prepared under the direction of the asm handbook committee.4. Roberts P.: Industrial brazing practise 2004 by CRC Press LLChttp://www.sfsb.hr/kth/zavar/

MP-

_1260045700.xlsSheet1

Tipini sastav %

CuZnAgCdSi

34.82621170.2

Mehanike karakteristike

Gustina (Kg/m3)Izduenje %Zatezna vrstoa daN/mm2Boja

86003238Srebro

_1260039422.xlsSheet1

Tipini sastav %

AgCuZn

443026

Mehanike karakteristike

Gustina (Kg/m3)Izduenje %Zatezna vrstoa daN/mm2Boja

89002540Srebro