analiza trwałości zmęczeniowej połączeń mechanicznych i klejowo

analiza trwałości zmęczeniowej połączeń mechanicznych i klejowo

2/2013
Technologia i Automatyzacja Montażu
ANALIZA TRWAŁOŚCI ZMĘCZENIOWEJ
POŁĄCZEŃ MECHANICZNYCH I KLEJOWO-MECHANICZNYCH
Marek ROŚKOWICZ, Marlena ROŻEK
Streszczenie
W pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych, których celem było określenie trwałości zmęczeniowej połączeń mechanicznych i klejowo-mechanicznych (hybrydowych). Do łączenia elementów wykorzystano połączenia nitowe oraz połączenia śrubowe. Stwierdzono, że trwałość zmęczeniowa połączeń jednozakładowych zależy od sił nacisku powstających w czasie
montażu połączenia oraz że zastosowanie do łączenia elementów śrubowych (w tym Hi-Loków) powoduje wzrost trwałości
zmęczeniowej połączeń. Potwierdzono, że zastąpienie połączeń mechanicznych połączeniami klejowo-mechanicznymi może
mieć pozytywny wpływ na trwałość zmęczeniową połączeń, ale pod warunkiem ograniczenia nacisków w czasie ich montażu.
Słowa kluczowe
połączenia nitowe i śrubowe, połączenia hybrydowe, trwałość zmęczeniowa połączeń
Wstęp
Statki powietrzne są przykładem konstrukcji montowanych z dużej liczby części. Do montażu poszczególnych
elementów konstrukcji stosuje się zazwyczaj połączenia
mechaniczne, w tym przede wszystkim połączenia nitowe i śrubowe. Ponieważ proces pękania zmęczeniowego
bardzo często rozpoczyna się od otworów pod nity czy
śruby, będących źródłami koncentracji naprężeń [1, 2],
o trwałości zmęczeniowej całej konstrukcji w istotnym
stopniu decyduje trwałość połączeń. Dlatego też systematycznie podejmowane są działania w celu zwiększenia trwałości zmęczeniowej połączeń bez istotnej zmiany
masy konstrukcji. Obejmują one m.in. proces zastępowania połączeń mechanicznych połączeniami klejowo-mechanicznymi (połączeniami hybrydowymi) oraz udoskonalanie elementów łączących i technologii ich montażu.
Rozwój systemów łączenia jest również wymuszony coraz powszechniejszym wykorzystaniem w konstrukcjach
lotniczych materiałów kompozytowych.
Istotnymi zaletami połączeń hybrydowych, w porównaniu z samymi połączeniami mechanicznymi, jest m.in.
zapewnienie szczelności połączenia i większej odporności na korozję. Zastosowanie technologii klejenia łącznie
z połączeniami mechanicznymi wpływa również na
zmniejszenie koncentracji naprężeń wokół otworów,
a przez to na wzrost trwałości zmęczeniowej samego połączenia [3, 4, 5].
Obok technologii nitowania, która obecnie jest podstawową metodą łączenia części konstrukcji lotniczych, do
łączenia np. części metalowych z elementami kompozytowymi coraz częściej wykorzystuje się również połączenia śrubowe, m.in. w postaci systemu Hi-Lok. Połączenia
typu Hi-Lok składają się z gwintowanej częściowo śruby
oraz specjalnej nakrętki zabezpieczającej z kołnierzem.
Owalny kształt nakrętki zabezpiecza połączenie przed
„samoodkręceniem”. Nakrętki montowane są za pomocą kołnierza, który po przekroczeniu granicznej wartości
momentu skręcającego jest ścinany. Śruby w systemie
połączeń Hi-Lok wykonane są ze stopów tytanu lub stali,
natomiast nakrętki ze stopu aluminium. Stosowanie połą16
czeń typu Hi-Lok, w porównaniu z połączeniami nitowymi, pozwala wyeliminować wpływ mocno odkształconego
trzonu nitu na elementy łączone, występujący w procesie
spęczania nitów.
Celem niniejszej pracy była analiza porównawcza
trwałości zmęczeniowej połączeń mechanicznych (nitowych i śrubowych) i hybrydowych oraz ocena wpływu
wartości momentu skręcającego na trwałość połączeń
śrubowych.
Metodyka badań
W badaniach eksperymentalnych zastosowano połączenia jednozakładowe o długości zakładki 36 mm. Łączono ze sobą elementy wykonane ze stopu aluminium
2024T3 (o wymiarach 120 x 60 x 2 mm), powszechnie
wykorzystywanego w budowie płatowców statków powietrznych. Połączenia mechaniczne przygotowano za
pomocą nitów o łbach kulistych wykonanych ze stopu
aluminium 2117 o średnicy 4 mm, elementów typu Hi-Lok wykonanych ze stopu tytanu 6Al-4V o średnicy
4 mm i śrub imbusowych klasy 8.8 również o średnicy
4 mm. Badania, w których wyznaczano trwałość zmęczeniową połączeń, przeprowadzono dla następujących
wariantów połączeń: mechanicznych (nity, śruby, Hi-Loki) oraz mechaniczno-adhezyjnych (również z fizycznie
modyfikowaną spoiną za pomocą tkaniny szklanej). Geometrię przygotowanych do badań próbek z połączeniem
nitowym przedstawiono na rys. 1. Identyczna geometria
została zastosowana w połączeniach wykonywanych za
pomocą śrub i Hi-Loków.
Rys. 1. Geometria połączeń wykorzystywanych w badaniach
Fig. 1. Geometry of the joints used in the tests
Technologia i Automatyzacja Montażu
Do przygotowania próbek wykorzystano Hi-Loki typu
HL 1012 oraz klucz dynamometryczny firmy BAHCO model IZO-DM-30 o zakresie pomiarowym 3 ÷ 30 Nm i dokładności ± 2%. Średnia wartość momentu obrotowego,
przy której kołnierz nakrętki Hi-Lok był ścinany, wynosiła 2,8 ± 0,1 Nm. W celu zabezpieczenia nakrętek przed
odkręcaniem się w czasie badań zmęczeniowych do ich
montażu wykorzystano tworzywo adhezyjne firmy Loctite
275.
Do wykonania połączenia adhezyjnego wykorzystano
klej epoksydowy Epidian 57/Z1 utwardzany przez 24 godziny w temperaturze ok. 20°C, a następnie dotwardzany przez 6 godzin w temperaturze 80°C. Grubość spoiny klejowej wynosiła 0,1 mm. Do badań przygotowano
również połączenia z modyfikowaną fizycznie spoiną.
Modyfikacja polegała na wprowadzeniu do spoiny jednej
warstwy tkaniny szklanej Synglass E86 o gramaturze
101 g/m2. Powierzchnie elementów klejonych przygotowano do tego procesu metodą piaskowania (wykorzystano ziarno elektrokorundu o granulacji F40). Przed
piaskowaniem i po piaskowaniu powierzchnie do klejenia
przemyto acetonem. Połączenia mechaniczne wykonywano natychmiast po klejeniu (przed utwardzeniem kleju).
Przygotowane próbki połączeń poddano badaniom
zmęczeniowym, obciążając je cyklem jednostronnym
(tętniącym) w zakresie obciążenia 2,5 – 10,1 kN, przy
częstotliwości 8 Hz i współczynniku asymetrii cyklu
R = 0,25. Do badań wykorzystano maszynę wytrzymałościową ZD-10 z pulsatorem. Ze względu na długotrwałość badań średnią liczbę cykli do zniszczenia dla każdego typu połączenia określono na podstawie badań trzech
próbek.
Wyniki badań
Trwałość zmęczeniową połączeń mechanicznych,
w których do łączenia elementów zastosowano nity, Hi-Loki oraz śruby, przedstawiono na rys. 2. Połączenia
ulegały zniszczeniu w wyniku rozwoju pęknięcia zmęczeniowego w łączonych elementach w strefie otworów na
nity. W przypadku stosowania Hi-Loków trwałość połączeń była największa (prawie dwukrotnie większa w porównaniu z połączeniami nitowymi).
W przypadku badania połączeń hybrydowych (klejowo-nitowych i klejowo-śrubowych z Hi-Lokami) obserwowano interesującą zależność. Połączenia klejowo-śrubowe, zgodnie z przewidywaniami, charakteryzował istotny
wzrost trwałości zmęczeniowej w porównaniu z samymi
połączeniami śrubowymi, natomiast w przypadku połączeń klejowo-nitowych prawidłowość była przeciwna.
Trwałość zmęczeniowa połączeń klejowo-nitowych była
prawie dwukrotnie mniejsza od trwałości połączeń nitowych – rys. 3.
2/2013
Rys. 2. Porównanie trwałości zmęczeniowej połączeń mechanicznych, w których wykorzystano nity, śruby oraz Hi-Loki (moment skręcający dla połączeń śrubowych i Hi-Loków – 2,8 Nm)
Fig. 2. Comparison of the fatigue life of mechanical joints with
the rivets, screws and Hi-Lok fasteners (torque value for the
joints with the screws and Hi-Lok fasteners was 2,8 Nm)
Rys. 3. Porównanie trwałości zmęczeniowej połączeń hybrydowych oraz połączeń mechanicznych
Fig. 3. Comparison of the fatigue life of hybrid and mechanical
joints
Istotny wpływ rodzajów elementów łączących na trwałość połączeń hybrydowych może wynikać z różnej technologii wykonania połączenia. W przypadku nitowania do
zrealizowania połączeń wymagane są stosunkowo duże
siły nacisku, tak aby uformować zakuty nit zgodnie z wymaganiami technologicznymi. W przypadku połączeń
wykonywanych za pomocą Hi-Loków elementy łączące
nie ulegają deformacji, ponieważ przed wykonaniem
połączenia mają już końcowy kształt. W związku z tym
w czasie ich montażu nie są wymagane duże siły nacisku. Przy formowaniu połączeń klejowo-nitowych występują duże siły nacisku mogące powodować więcej wad
spoiny połączenia adhezyjnego, np. w postaci pustek
i niedoklejeń. Stąd też pozytywny wpływ klejenia na trwałość zmęczeniową połączenia hybrydowego może być
istotnie ograniczony.
Dodatkowo połączenia klejowo-nitowe charakteryzowała nawet niższa trwałość zmęczeniowa niż same
połączenia nitowe. Tego rodzaju prawidłowość mogła
wynikać z technologii przygotowania powierzchni do
klejenia. Piaskowanie jako rodzaj obróbki powierzchni
17
2/2013
powoduje ubytki materiału oraz jest przyczyną powstawania dużej liczby mikrokarbów, co może mieć wpływ na
trwałość zmęczeniową łączonych blach. Powyższy wniosek potwierdzono w badaniach wykonanych dla samych
połączeń nitowych, w których łączono blachy wcześniej
piaskowane. Trwałość zmęczeniowa tak przygotowanych
blach zmniejszyła się z wartości 218 175 cykli do wartości 117 100 cykli.
Jednym ze sposobów, za pomocą którego można
ograniczyć negatywny wpływ dużych nacisków występujących podczas nitowania na jakość spoiny klejowej, jest
jej modyfikacja fizyczna. W badaniach eksperymentalnych przygotowano połączenia klejowo-nitowe z modyfikowaną fizycznie spoiną klejową. Trwałość zmęczeniowa
w ten sposób przygotowanych połączeń wzrosła prawie
dwukrotnie (rys. 4).
Rys. 4. Porównanie trwałości zmęczeniowej połączeń klejowo-nitowych oraz klejowo-nitowych z fizycznie modyfikowaną spoiną klejową
Fig. 4. Comparison of the fatigue life of adhesive/riveted and
modified adhesive/riveted joints
W badaniach eksperymentalnych obserwowano również interesującą prawidłowość. Ponieważ tego rodzaju
połączenia zakładkowe, obciążone poprzez rozciąganie,
podlegają również działaniu wtórnych momentów gnących, zniszczenie połączeń ma postać pęknięcia, które
rozprzestrzenia się w pobliżu osi otworów pod elementy
łączące w przekroju najbardziej wytężonym – w przekroju
krytycznym. W przypadku połączeń nitowych linia pęknięcia znajdowała się w pobliżu osi otworów pod nity, natomiast w połączeniach z Hi-Lokami linia pęknięcia była
oddalona od przekroju krytycznego (rys. 5).
Technologia i Automatyzacja Montażu
Wydaje się, że różny układ powstawania pęknięcia
w połączeniach nitowych i śrubowych wynikał z większych nacisków po montażu połączenia śrubowego.
Większe naciski powstające w połączeniu śrubowym pomiędzy łączonymi elementami powodują powstanie większej powierzchni styku pomiędzy łączonymi elementami,
na którą działają siły tarcia. Siły tarcia mogły wpływać na
odsunięcie strefy spiętrzenia naprężeń od przekroju krytycznego, a przez to również na wzrost trwałości zmęczeniowej samych połączeń.
W badaniach sprawdzono wpływ nacisków pomiędzy
łączonymi elementami na trwałość zmęczeniową połączeń. Naciski regulowano wartością momentu dokręcającego stosowanego w montażu połączeń śrubowych.
Badania wykonano dla trzech wartości momentu dokręcającego, a ich wyniki zaprezentowano na rys. 6.
Rys. 6. Trwałość zmęczeniowa w funkcji momentu dokręcającego
Fig. 6. Fatigue life as a function of tightening torque
Porównanie złomów elementów uszkodzonych w pobliżu przekroju krytycznego dla dwóch różnych momentów dokręcających: 2,8 Nm i 9 Nm zaprezentowano na
rys. 7. W połączeniach, w których śruby były skręcane
większym momentem, inicjacja pęknięcia i jego dalszy
rozwój przebiegały wzdłuż linii wyraźnie oddalonej od
przekroju krytycznego.
Rys. 5. Porównanie rozkładu linii pęknięcia w połączeniu: a) –
nitowym, b) – śrubowym z Hi-Lokami
Rys. 7. Porównanie złomów elementów połączenia po badaniach zmęczeniowych skręcanych śrubami z różnym momentem skręcającym Ms
Fig. 5. Comparison of the crack line distribution in: a) – riveted
joint, b) – screwed joint with Hi-Lok elements
Fig. 7. Comparison the scraps of fatigue tested joints screwing
with varying torque Ms
18
Technologia i Automatyzacja Montażu
Wnioski
Na podstawie wykonanych badań eksperymentalnych
stwierdzono, że:
 trwałość połączeń jednozakładkowych wykorzystywanych w badaniach istotnie zależała od działania
na połączenie wtórnych momentów gnących (uszkodzenie połączenia w postaci pęknięć zmęczenio-
2/2013
 piaskowanie jako technologia przygotowania powierzchni do klejenia może istotnie ograniczyć trwałość zmęczeniową połączeń hybrydowych, jeżeli
w trakcie jego obciążenia wcześniejszemu zniszczeniu ulegnie spoina połączenia klejowego.
LITERATURA
1.
wych rozwijało się w strefie najbardziej wytężonego
przekroju z otworami – przekroju krytycznego);
 zastosowanie do łączenia elementów połączeń śrubowych (w tym Hi-Loków) zamiast nitów zwiększyło
2.
3.
trwałość połączenia, co może wynikać z istotnego
wpływu nacisków powstających w połączeniu mechanicznym na rozwój pęknięcia poza przekrojem
4.
krytycznym;
 połączenia klejowo-mechaniczne może charakteryzować wysoka trwałość zmęczeniowa, pod warunkiem ograniczenia nacisków w czasie montażu ele-
5.
Kocańda S., Szala J.: Podstawy obliczeń zmęczeniowych. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa
1997.
Pilkey W.D., Pilkey D.F.: Peterson’s Stress Concentration Factors. Wiley &Sons, 2008.
Gómez S., Oňoro J. – Pecharromán J.: A simple mechanical model of a structural hybrid adhesive/riveted single lap joint. International Journal of Adhesion
& Adhesives, No. 27, 2007, p. 263 – 267.
Hoang-Ngoc C.T., Paroissien E.: Simulation of single-lap bonded and hybrid (bolted/bonded) joint with
flexible adhesive. International Journal of Adhesion
& Adhesives, No. 30, 2010, p. 117 – 129.
Rośkowicz M., Rożek M.: Fatigue life of hybrid joints.
New Trends in Aviation Development Conference,
Koszyce, Słowacja, 2012.
mentów połączeń mechanicznych. W przeciwnym
wypadku pozytywny wpływ klejenia na trwałość połączeń będzie ograniczony, jak się wydaje, w wyniku
wstępnych uszkodzeń spoiny klejowej;
 negatywne oddziaływanie dużych nacisków na spoinę połączenia klejowego można częściowo ograniczyć, stosując fizyczną modyfikację spoiny w postaci
___________________________
Dr inż. Marek Rośkowicz jest pracownikiem Instytutu Techniki Lotniczej Wojskowej Akademii Technicznej
w Warszawie, ul. gen. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa, e-mail: [email protected]. Mgr inż. Marlena Rożek jest doktorantką Wydziału Mechatroniki i Lotnictwa Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie,
e-mail: [email protected]
włókien szklanych;
ANALYSIS OF THE FATIGUE LIFE OF MECHANICAL
AND ADHESIVE/MECHANICAL JOINTS
Abstract
This paper presents the results of experimental studies aimed at determining the fatigue life of mechanical and adhesivemechanical (hybrid) joints. The joints were prepared with the use of rivets and screws. The results shown that the fatigue life of
single lap joints depends on the pressure forces generated during the joint assembling. Furthermore, the use of screws (including Hi-Lok fasteners) for jointing elements increases the fatigue life of the joints. It confirms that the replacement of mechanical
joints by adhesive-mechanical joints may have a positive impact on fatigue life of the joints, by reducing pressure forces during
the joints assembling.
Keywords
riveted and screwed joints, hybrid joints, fatigue life of joints
19