201309_PSpaw_gjgy.pdf 29Przegląd sPawalnictwa 9/2013 Piotr Białucki Andrzej Ambroziak Wiesław Derlukiewicz Michał Kowalski Wpływ rodzaju lutu mosiężnego na właściwości złączy lutowanych the influence of the brass solder type  on the brazed joints properties r in . Piotr iałucki, prof. dr ha . in . Andrzej Am roziak, dr in . Wiesław erlukiewicz, mgr in . Michał Kowalski – Politechnika Wrocławska. A stract This paper presents the results of soldered joints flexible brake hoses endings. The induction brazing with the use four copper-based solders and flux in paste form was applied. Visual tests, metallographic investigation as well as shear strength tests of soldered joints were carried out. The relationship between strength of soldered joints and the type of solder was given. The Brazing Pro- ceedings Specification BPS was developed. treszczenie W pracy przedstawiono wyniki badań złączy luto- wanych końcówek elastycznych przewodów hamulco- wych. Do lutowania indukcyjnego użyto czterech lutów na osnowie miedzi oraz topnika w postaci pasty. Przeprowadzono badania wizualne, metalograficzne i wytrzymałości złączy na ścinanie. Zaprezentowano zależność wytrzymałości złączy lutowanych od rodza- ju użytego lutu. Opracowano instrukcję technologiczną lutowania. Wstęp Konsekwencją intensywnego rozwoju przemysłu motoryzacyjnego jest zwiększone zapotrzebowanie na hydraulikę siłową, w tym również na przewody hamul- cowe z lutowanymi końcówkami. Przewody hamulco- we są narażone na działanie wysokiego ciśnienia, dla- tego też dobra jakość, duża wytrzymałość, szczelność połączenia oraz dokładna kontrola jakości są warunka- mi ich produkcji. najważniejszym powodem, dla którego jakość prze- wodów hamulcowych jest istotna, jest jednak bezpie- czeństwo użytkowników pojazdów. W masowej produkcji przewodów hamulcowych do lutowania końcówek stosuje się lutowanie piecowe i najczęściej lut miedziany w postaci pasty. W pro- dukcji jednostkowej i przy różnorodnym asortymen- cie końcówki przewodów hamulcowych lutowane są płomieniowo lub indukcyjnie z użyciem lutów mosiężnych. W pracy dokonano oceny jakości końcówek przewo- dów hamulcowych lutowanych indukcyjnie z użyciem czterech lutów mosiężnych: LM63, LM60C, LM60K i LM60S. harakterystyka czę ci lutowanej przewodu hamulcowego Przewody hamulcowe stanowią ważne elemen- ty hydrauliczne układu hamulcowego w samocho- dzie. Można je podzielić na dwie podgrupy: przewody sztywne oraz elastyczne. Przewody sztywne to me- talowe rurki, których zadaniem jest doprowadzenie płynu hamulcowego od pompy hamulcowej do prze- wodów elastycznych oraz elementów wykonawczych, np. zacisków. Przewody elastyczne są zbudowane z gumy wzmocnionej wewnątrz i na zewnątrz plecionką z tkaniny oraz dodatkowo oplotem metalowym. Łączą 30 Przegląd sPawalnictwa 9/2013 one elementy, które są ruchome względem siebie. Mu- szą też być odporne na oddziaływanie płynu hamulco- wego. Każdy element przewodu hamulcowego musi się charakteryzować odpowiednią wytrzymałością w zakresie ciśnień roboczych całego układu [1]. Przedmiotem badań były końcówki elastycznych przewodów hamulcowych, których przykład pokazano na rysunku 1. Schemat złącza lutowanego końcówki przedstawiono na rysunku 2. Elementy końcówki wykonano ze stali automa- towej 11SMn30, której skład chemiczny podano w tablicy I. ys. 1. Przykładowy przewód hamulcowy (Volkswagen, model Golf IV) [2] ig. 1. An example of brake hose (Volkswagen Golf IV) [2] ys. 2. Konstrukcja połączenia lutowanego końcówek przewodu hamulcowego ig. 2. Construction of brazed joints of brake's hose endings Znak stali Średnie stężenie pierwiastków, % wag., reszta Fe Rm MPa UwagiC Mn Si P S 11SMn30 0,11 1,1 0,05 0,11 0,3 380-570 wg Pn-En 10204-3.1 11SMn30 0,10 1,18 0,04 0,059 0,31 461 wg atestu Materiały dodatkowe do lutowania Do lutowania twardego końcówek hamulcowych (rys. 2), wykonanych ze stali 11SMn30, użyto czterech lutów mosiężnych przedstawionych w tablicy II. W procesie lutowania indukcyjnego stosowano top- nik z grupy FH20 (wg Pn-En 1045) w postaci pasty o oznaczeniu handlowym D54, który jest powszech- nie używany przy lutowaniu lutami mosiężnymi. Tem- peraturowy zakres aktywności tego topnika wynosi 700÷1000OC. Lutowanie końc wek przewod w hamulcowych Proces lutowania przeprowadzano przy użyciu nagrzewnicy indukcyjnej DB-1.01 o mocy 8,5 kW, przedstawionej na rysunku 3. Czas trwania proce- su nagrzewania wynosił ok. 4 s. Temperaturę lu- towania kontrolowano bezstykowo za pomocą pi- rometru optycznego. Warunki lutowania zawarto w instrukcji technologicznej lutowania BPS przedsta- wionej w tablicy III. Ta lica I. Skład chemiczny stali 11SMn30 i jej wytrzymałość [3, 7] Ta le I. Chemical composition of steel 11SMn30 and its strength [3, 7] Ta lica II. Spoiwa mosiężne użyte w badaniach Ta le II. Brass binders used in tests Oznaczenie wg Pn-70/M-69413 Odpowiednik wg Pn-En ISO 17672 Skład chemiczny, % wag. Orientacyjna temperatura topnienia, ºCSkładniki stopowe Cu Zn Sn Si LM63 - 62-64 reszta - - 905 LM60C Cu 470 59-61 reszta 1,0-1,5 max 0,1 900 LM60K Cu 470a 59-61 reszta - 0,2-0,4 900 LM60S - 58-60,5 reszta 0,15-0,4 0,1-0,3 900 ys. 3. nagrzewnica indukcyjna DB-1.01 ig 3. Induction Heater DB-1.01 31Przegląd sPawalnictwa 9/2013 na rurkę o średnicy 8 mm nakładano lut w postaci pierścionka z drutu o średnicy 1,2 mm, następnie na powierzchnię złącza nanoszono pędzelkiem topnik D54. Przebieg procesu pokazano na rysunku 4. ys. 4. Proces lutowania indukcyjnego końcówki przewodu hamul- cowego ig. 4. The process of induction brazing of endings of brake hose adania wizualne Badania wizualne złączy lutowanych wykonano zgodnie z normą Pn-En 12799. Ocenie podlegała geo- metria złącza i wygląd powierzchni lutowiny. na rysun- kach 5 i 6 przedstawiono złącza lutowane badanymi lutami. Badane złącza dla wszystkich rodzajów lutu były wysokiej jakości. Miały estetyczny wygląd i poprawnie ukształtowaną lutowinę. najwyższą ocenę uzyska- ły złącza wykonane lutem LM60K (rys. 5c). W przy- padku pozostałych lutów występowały drobne pory powierzchniowe (2BALF) oraz miejscowe rozpłynięcie się lutowiny po powierzchni bocznej łączonych części (7QAAA). adania szczelno ci Szczelność połączenia końcówek badano na kom- pletnym przewodzie hamulcowym, który pokazano na rysunku 6. Do badań przygotowano 8 przewo- dów z dwiema końcówkami z każdego lutu, których szczelność sprawdzano na stanowisku pokazanym na rysunku 7. Badania prowadzono przy ciśnieniu 22 MPa utrzymywanym przez 2÷3 min. Ciśnienie próbne było trzykrotnie wyższe niż ciśnienie pracy przewodów wynoszące 7 MPa. Wszystkie złącza wykazały pełną szczelność. Pr y wytrzymało ci na cinanie Statycznej próbie na ścinanie poddano 12 próbek, po 3 próbki z każdego rodzaju lutu. Próbki do badań przygotowano obróbką toczeniem, zachowując szero- kość zakładki nie większą niż 2 mm, tak aby zniszcze- nie złącza nastąpiło w lutowinie. Szerokość szczeliny lutowniczej dla wszystkich próbek wynosiła 0,15 mm. Przykłady próbek pokazano na rysunku 8, a wyniki ba- dań zamieszczono w tablicy IV. Z przeprowadzonych prób wynika, że największą wytrzymałość na ścinanie, wynoszącą 240 MPa, mia- ły złącza wykonane lutem LM60K, a najmniejszą wy- trzymałość wykazały złącza lutowane lutem LM 60C. Wytrzymałość złączy lutowanych pozostałymi lutami LM63 i LM60S była ok. 3% niższa od złączy wykona- nych lutem LM60K, co zilustrowano na rysunku 9. ys. 5. Powierzchnia lutowiny końcówek przewodów hamul- cowych wykonanych przy użyciu lutów: a) LM63, b) LM60C, c) LM60K, d) LM60S ig. 5. The surface appearance of solder joints of brake's hose endings made using four types of solders: a) LM63, b) LM60C, c) LM60K, d) LM60S ys. . Przewód hamulcowy przygotowany do badania szczelności końcówek lutowanych ig. . The appearance of the brake hose prepared for the leakage test of soldered endings ys. . Stanowisko do badania szczelności lutowanych końcówek przewodów hamulcowych ig. . Stand for the leakage test of soldered endings of brake lines 32 Przegląd sPawalnictwa 9/2013 Logo wytwórcy Instrukcja technologIczna lutowanIa (BPs) Nr ł cze ysunek pracowano …………. zakładkowe 001 ………………… Wytw rca ednostka inspekcyjna …………………………. ………………………. zł ą c ze Typ zł cza zakładkowe zkic ługo mm 7 mm Powierzchnia lutowiny mm2 175 zczelina mm 0,15 mm M a te r Ia ły r o d zI M e Materiał 1 Materiał 2 Typ stal automatowa stal automatowa atunek norma 11SMn30 11SMn30 kład chemiczny C-0,10%; Si-0,04%; Mn-1,18%; P-0,059%; S-0,31%; reszta Fe C-0,10%; Si-0,04%; Mn-1,18%; P-0,059%; S-0,31%; reszta Fe ru o wymiary mm średnica zewnętrzna: 13 mm średnica wewnętrzna: 8,3 mm średnica zewnętrzna: 8 mm średnica wewnętrzna: 5 mm s P o Iw o znaczenie wg I 1 2 Cu470a znaczenie handlowe LM60K orma pierścionek Wymiary średnica pierścionka 8 mm średnica drutu 1,2 mm Miejsce zastosowania w pachwinie złącza to P n Ik znaczenie wg normy PN- N 1045 FH20 znaczenie handlowe D54 orma pasta Miejsce zastosowania w pachwinie złącza Metoda lutowania indukcyjne zas s 4 Temp. 910 Przygotowanie powierzchni Monta szkic zyszczenie gratowanie brzegów rurki Parametry procesu hłodzenie wodne Moc 8,5 kW asilanie 3x400 V zęstotliwo 50 Hz r ka zł cza po lutowaniu zyszczenie woda …………………………………….. Data i podpis …………………………………….. Data i podpis Ta lica III. Instrukcja technologiczna lutowania BPS Ta le III. Brazing Proceedings Specification BPS 33Przegląd sPawalnictwa 9/2013 Lut Średnica próbki Szerokość zakładki mm Siła ścinająca kn Wytrzymałość Rt, MPa Średnia wytrzymałość Rt, MPa LM63 8,1 2,10 12,7 237,3 2332,05 11,8 226,3 1,95 11,8 237,9 LM60C 8,1 1,90 10,9 225,5 2181,90 10,4 215,2 2,05 11,1 212,9 LM60K 8,1 2,10 12,7 237,7 2402,00 12,2 239,8 1,85 11,4 242,2 LM60S 8,1 1,90 11,3 234,4 233 2,05 12,1 232,1 1,90 8,4 173,8 – Ta lica I . Wyniki statycznej próby ścinania złączy lutowanych końcówek przewodów hamulcowych Ta le I . Results of shear strength tests of brazed joints of brake hose endings ys. . Próbki do badań wytrzymałości na ścinanie: a) po toczeniu, b) po ścięciu ig. . Appearance of samples for the shear strength test: a) before testing, b) after testing adania metalogra czne Do badań metalograficznych wytypowano czte- ry złącza wycięte z końcówek lutowanych każdym rodzajem lutu. Badania polegały na obserwacji makrostruktur złączy lutowanych na mikroskopie ys. . Wytrzymałość na ścinanie złączy końcówek przewodów ha- mulcowych w zależności od rodzaju użytego lutu ig. . Shear strength joints brake hose endings depending on the type of solder stereoskopowym Olympus SZX7 przy powiększeniu 10÷50x. Zgłady trawiono chemicznie 3% nitalem. Przykładowe makrostruktury badanych złączy poka- zano na rysunku 10. W wyniku przeprowadzonych badań makrosko- powych stwierdzono, że złącza wykonane lutem LM60K nie wykazują niezgodności wewnętrznych. natomiast w pozostałych przypadkach stwierdzono występowanie małych pustek gazowych (2BAAA), dużych pustek gazowych (2LIAA) oraz niewypełnie- nie szczeliny lutowniczej (4JAAA). 34 Przegląd sPawalnictwa 9/2013 ys. 10. Makrostruktury złączy lutowanych końcówek przewodów hamulcowych lutami: a) LM63, b) LM60C, c) LM60K, d) LM60S ig. 10. Microstructure of brazed joints of brake hose endings with the use of brazers: a) LM63, b) LM60C, c) LM60K, d) LM60S Podsumowanie na podstawie wykonanych badań można sformu- łować następujące wnioski: – Metoda lutowania indukcyjnego jest dobrą meto- dą lutowania złączy końcówek przewodów hamul- cowych. Zapewnia ona równomierne nagrzanie lutowanych elementów w bardzo krótkim czasie i pozwala uzyskać wymaganą jakość połączeń. – Badania wizualne i metalograficzne wykazały, że najlepsze złącza uzyskuje się przy użyciu lutu LM60K. – Wymaganą szczelność lutowanych końcówek przewodów hamulcowych uzyskano dla wszyst- kich badanych złączy. – największą wytrzymałość na ścinanie wynoszącą ok. 240 MPa osiągnęły złącza wykonane przy uży- ciu lutu LM60K. – Do lutowania indukcyjnego w końcówkach prze- wodów hamulcowych zaleca się stosować lut LM60K w postaci pierścionka z drutu o średnicy 1,2 mm oraz topnik D54 w postaci pasty. Literatura [1] www.wikipedia.pl [2] www.bogusz.com.pl [3] Dobrzański L.A.: Metalowe materiały inżynierskie, WnT, Gliwi- ce – Warszawa 2004. [4] Pn-En ISO 17672:2010, Lutowanie twarde – Spoiwa. [5] Pn-En 1045:2001, Lutowanie twarde – Topniki do lutowania twardego – Klasyfikacja i techniczne warunki dostawy. [6] Pn-En ISO 18279:2008, Lutowanie twarde – niezgodności w złączach lutowanych na twardo. [7] Kowalski M.: Wpływ rodzaju lutu mosiężnego na właściwości złączy lutowanych występujących w końcówkach przewodów hamulcowych. Praca dyplomowa, Wydział Mechaniczny PWr, promotor dr inż. W. Derlukiewicz.