Пайка и клёпка листовых деталей: когда вместо сварки

Когда соединять без сварки

Сварка даёт прочный и герметичный шов, но у листа есть свои проблемы: тонкий металл коробит и прожигает, цинковое и лакокрасочное покрытие выгорает, разнородные металлы вроде стали с алюминием дуговой сваркой не соединить. Как устроены сварные соединения и их обозначения — в статье «Сварные соединения и обозначение швов», а про поводки — в «Сварочные деформации».

Соединения без сварки выбирают, когда важно одно из следующего:

• нет нагрева — окрашенный, оцинкованный или уже термообработанный лист;
• разные материалы — сталь с алюминием, металл с пластиком;
• доступ с одной стороны — короб, труба, закрытый профиль;
• нужна герметичность или токопроводность в тонкостенной детали — пайка.

Заклёпки: какие стандарты действуют

Сплошные. ГОСТ 10299-80 распространяется на заклёпки с полукруглой головкой, ГОСТ 10300-80 — с потайной, оба для общего машиностроения, диаметры стержня от 1 до 36 мм, классы точности В и С. Общие технические условия на них — ГОСТ 10304-80. Все три стандарта действуют. Сплошной заклёпке нужна поддержка с обратной стороны, чтобы сформировать замыкающую головку, поэтому доступ к шву — с двух сторон.

Вытяжные («слепые»). В России действуют ГОСТ Р ИСО 15977-2017 — заклёпки с открытым концом и выступающей головкой, корпус из алюминиевого сплава, сердечник стальной, диаметры 2,4–6,4 мм, — и ГОСТ Р ИСО 15978-2017 с потайной головкой. ГОСТ Р ИСО 15977-2017 идентичен ISO 15977:2002 и введён с 1 января 2019 года. Для заклёпок AlA/St с закрытым концом действует ГОСТ Р ИСО 15973-2005, методы механических испытаний — ГОСТ Р ИСО 14589-2005.

Нержавеющие заклёпки с корпусом и сердечником из аустенитной стали A2 описывает ISO 15983:2002 — диаметры 3–5 мм, стандарт подтверждён ISO в 2023 году. Национального ГОСТ Р, идентичного ISO 15983, в базе docs.cntd.ru мы не нашли: на чертеже его указывают как международный стандарт или по каталогу производителя.

Как выбрать вытяжную заклёпку

• Толщина пакета. Заклёпку подбирают по диапазону толщин (grip range). По GESIPA, если пакет тоньше нижней границы, замыкающая головка не раскроется и заклёпка будет болтаться; если толще верхней — сердечник может оборваться раньше, чем сформируется головка.
• Отверстие. POP: слишком малое отверстие мешает вставить заклёпку, слишком большое снижает прочность на срез и отрыв и даёт выпучивание листов. Диаметр берут из таблицы производителя, заусенцы снимают.
• Отступ. Для максимальной прочности POP рекомендует от оси до кромки не меньше двух диаметров заклёпки. Про отверстия рядом с линией гиба — в статье «Конструирование гнутых деталей».
• Головку — к толстому листу. По POP замыкающую головку лучше ставить на более толстый и прочный материал; если нельзя — заклёпку для тонкого листа или подкладную шайбу.
• Материал. POP советует брать заклёпку с физическими и механическими свойствами, близкими к соединяемым материалам: сильная разница ведёт к усталостному разрушению или контактной коррозии.

Шаг между заклёпками в прочитанных источниках числом не задан: его определяет расчёт на срез и отрыв по нагрузкам производителя заклёпки.

Резьбовые заклёпки

Резьбовая заклёпка даёт резьбу в тонком листе или закрытом профиле, куда гайку не подставить. По Böllhoff, у заклёпки RIVKLE есть участок стержня, который под усилием установки сжимается в валик, и деталь зажимается между бортиком и валиком. Резьбы у RIVKLE — от M3 до M14, против проворота стержень делают рифлёным или шестигранным. Её задача — дать резьбу под крепёж; допустимые нагрузки берут из данных производителя.

Клинчинг: соединение без крепежа

Клинчинг — холодное соединение листов пуансоном и матрицей: металл обоих листов выдавливается в матрицу и растекается в стороны, образуя замок. TOX указывает для процесса толщины отдельного листа от 0,1 мм до суммарной 20 мм и прочность материала до 800 Н/мм², пары из стали, алюминия, нержавеющей стали и меди. Нагрева, дополнительного материала и повреждения покрытия нет.

Что важно конструктору и технологу по данным TOX (лист 80.18):

• прочность точки растёт с её диаметром;
• фланец должен полностью перекрывать диаметр матрицы, иначе теряется прочность и появляются трещины со стороны матрицы;
• отступы от кромки, от начала радиуса и между точками заданы таблицей в зависимости от диаметра точки;
• качество проверяют без разрушения — измеряют остаточную толщину дна точки, контрольный размер X, допуск на него ±15 % по отчёту испытаний TOX.

Пайка: мягкая и твёрдая

По ГОСТ 17325-79 пайка — образование неразъёмного соединения нагревом ниже температуры плавления соединяемых материалов, смачиванием их припоем, затеканием припоя в зазор и его кристаллизацией. Основная деталь не плавится — этим пайка и отличается от сварки. ГОСТ 17325-79 в базе docs.cntd.ru значится как отменённый в части; действующий словарь процессов пайки — ГОСТ Р ИСО 857-2-2009.

Граница видов по ГОСТ Р ИСО 857-2-2009: низкотемпературная (мягкая) пайка — припой с температурой ликвидус не выше 450 °C, высокотемпературная (твёрдая) — выше 450 °C. В ГОСТ 17325-79 та же граница выражена как 723 К. Серебряные припои для твёрдой пайки — ГОСТ 19738-2015.

Зазор и нахлёст

ГОСТ 17325-79 различает сборочный зазор — между деталями при сборке — и паяльный — при температуре пайки. У разнородных металлов они различаются из-за теплового расширения, и назначать надо паяльный. При капиллярной пайке припой заполняет зазор и держится в нём силами поверхностного натяжения, поэтому зазор должен быть узким.

Ориентиры Lucas-Milhaupt для твёрдой пайки:

• самые прочные соединения — при зазоре 0,025–0,127 мм, по сути посадка с лёгким скольжением;
• с пастообразным или порошковым флюсом — 0,051–0,127 мм, в вакууме и защитной атмосфере без флюса — меньше 0,051 мм;
• в испытаниях на нержавеющей стали с припоем Easy-Flo максимум прочности пришёлся на зазор 0,038 мм;
• для алюминиевых припоев BAlSi зазор больше — 0,203–0,254 мм при длинном нахлёсте.

Стыковое паяное соединение простое, но слабое на отрыв. Нахлёсточное переводит нагрузку в срез по большой площади, и Lucas-Milhaupt рекомендует нахлёст не меньше трёх толщин более тонкой детали:

Пример. Паяют лист 1,5 мм к листу 2 мм: Lн ≥ 3 · 1,5 = 4,5 мм, на чертеже удобно задать 5 мм. Соединение делают самовентилирующимся — чтобы флюс и газы выходили, а не запирались в зазоре.

Типы паяных соединений и их условные обозначения — нахлёсточные, телескопические, стыковые, косостыковые, тавровые, угловые и соприкасающиеся — устанавливает ГОСТ 19249-73, он действует. Параметры конструктивных элементов швов даны в его таблице 2, текст которой мы не смогли прочитать, поэтому цифр из неё не приводим.

Прочность, герметичность, коррозия

Прочность. Заклёпки и клинчинг работают точечно, пайка — по всей площади нахлёста. Нагрузки на срез и отрыв вытяжных заклёпок берут из таблиц производителя; POP отмечает, что его заклёпки не сертифицированы для силовых авиаконструкций.

Герметичность. Открытая вытяжная заклёпка пропускает жидкость через канал сердечника. POP указывает, что закрытые заклёпки герметичны для жидкости и пара при давлении до 100 psi (около 6,9 бар). Для резьбовых заклёпок Böllhoff есть исполнение с уплотнительным кольцом по IPX7. Паяный шов герметичен при полном заполнении зазора.

Контактная коррозия. ГОСТ 9.005-72 делит контакты металлов на допустимые, ограниченно допустимые и недопустимые с учётом разности потенциалов, поляризуемости и сопротивления среды, а для морской и пресной воды — ещё и соотношения площадей. Практические правила POP:

• выбирать металлы, близкие в гальваническом ряду;
• разделять их краской, неметаллической шайбой или прокладкой;
• делать крепёж катодом малой площади относительно анода большой площади;
• давать крепежу покрытие, близкое по ряду к соединяемому металлу.

Выбор покрытий под условия эксплуатации — в статье «Защита от коррозии».

Что указать на чертеже

ГОСТ 2.313-82 (действует) задаёт условные изображения клёпаных и паяных соединений:

• клёпка — однотипные заклёпки одного размера показывают условно в одном-двух местах, остальные — осевыми или центровыми линиями; разные группы заклёпок различают знаками или буквами;
• пайка — место соединения изображают сплошной линией толщиной 2s, на линии-выноске ставят знак пайки; шов по замкнутому контуру отмечают окружностью диаметром 3–5 мм;
• припой — в технических требованиях записью по типу «ПОС 40 ГОСТ …», а номер пункта — на полке линии-выноски; если припоев несколько, их нумеруют.

Кроме обозначений, для каждого соединения укажите:

• стандарт и типоразмер заклёпки, диаметр отверстия и отступы от кромки;
• для резьбовой заклёпки — резьбу, диапазон толщин и материал;
• для клинчинга — диаметр точки, шаг и требования к контрольному размеру X по отчёту испытаний;
• для пайки — марку припоя, сборочный зазор, длину нахлёста и требования к качеству шва;
• для разнородных металлов — изолирующие прокладки или покрытие.