Klejenie w mechanice - Polskie Towarzystwo Inżynierów Motoryzacji

Polskie Towarzystwo Inżynierów Motoryzacji SIMP
Klejenie w mechanice
Autor: Piort Gębiś
01.05.2007.
Zmieniony 10.05.2010.
Klejenie jest technologią łączenia różnych materiałów ze sobą i między sobą przy pomocy kleju, czyli
dodatkowego materiału. W klejeniu wykorzystuje się zjawisko adhezji i kohezji kleju. Adhezja jest to
przyczepność kleju do podłoża, natomiast kohezja jego wytrzymałością (Rys. 1). {viewonly=Public}
Dostęp do pełnej wersji artykułu po zalogowaniu. {/viewonly}
{hidefrom=Public}
Rys. 1
Adhezja – jest to siła łącząca dwa materiały i występująca na ich powierzchni styku. W klejeniu
największe znaczenie mają siły przyciągania oraz absorpcja. Wartość tych sił międzycząsteczkowych
zostaje znacznie obniżona, jeżeli klej nie penetruje dostatecznie głęboko w chropowatości powierzchni,
powstałe przy mechanicznej obróbce wykończeniowej.
Kohezja – jest to siła działająca pomiędzy cząsteczkami samego kleju, utrzymująca jego spójność.
Na tę siłę składają się:
- międzycząsteczkowe siły przyciągania,
- wzajemne wiązanie się cząsteczek polimerowych.
Zgodnie z zasadą, że łańcuch jest na tyle mocny, na ile mocne jest jego najsłabsze ogniwo, należy dążyć
do tego, aby siły adhezji i kohezji w połączeniu klejonym były mniej więcej równe.
Klejenie i uszczelnianie mechanice
Klejenie i uszczelnianie w samochodzie jest podstawową technologią, bez której niemożliwa by była ich
budowa. Klejenie stosowane jest do łączenia elementów poszycia nadwozia, do klejenia elementów z
tworzyw sztucznych i do wklejania szyb samochodowych opisanych w poprzednich wydaniach.
Klejenie jest także stosowane przy montażu i naprawach silników, skrzyń biegów i układów zawieszenia,
czyli w mechanice. Klejenie jest ściśle związane z uszczelnianiem, bowiem każdy klej jest uszczelniaczem,
a uszczelniacz klejem. Przyjmuje się, że jeżeli wytrzymałość masy na rozrywanie, jest mniejsza niż 2
N/mm2 to mamy do czynienia z masą uszczelniającą, gdy większa - będzie to klej.
Preparaty stosowane podczas montażu elementów silnika i innych urządzeń mechanicznych w
samochodzie można podzielić na trzy podstawowe grupy pod względem materiału z jakiego są wykonane:
- Preparaty anaerobowe,
- Preparaty silikonowe,
- Preparaty epoxydowe.
Preparaty anaerobowe
Nazwa tych produktów wynika z ich właściwości. Są to produkty, które utwardzają się w miejscach
kontaktu z metalem i bez dostępu powietrza. Są to więc produkty stosowane w połączeniach dwóch
elementów metalowych. Preparaty anaerobowe stosowane są do uszczelniania, klejenia i zabezpieczania
elementów wykonanych ze stali lub aluminium. Dlatego też najczęściej stosowane są w mechanice
samochodowej.
1. Do zabezpieczania śrub, nakrętek i „szpilek” przed samoodkręceniem się pod wpływem
drgań i temperatury.
Przy połączeniu gwintowym czynnie pracuje tylko jedna powierzchnia zwoju gwintu. Druga strona nie jest
http://ptim.simp.pl/ptim
Kreator PDF
Utworzono 3-03-2017, 19:34
Polskie Towarzystwo Inżynierów Motoryzacji SIMP
obciążona, a pomiędzy takimi powierzchniami zwoju jest wolna przestrzeń. Właśnie przez tę wolną
przestrzeń, połączenia gwintowe odkręcają się pod wpływem drgań. Najprostszym rozwiązaniem
dotychczas stosowanym w takich przypadkach jest zastosowanie podkładek sprężystych, zawleczek,
nakrętek blokujących itp. Jednak mechaniczne elementy zabezpieczające połączenia gwintowe przed
samo rozluźnieniem się, wymagają odpowiednio dużych zapasów magazynowych w znacznym
asortymencie. Poza tym nie spełniają one funkcji uszczelniających co zapobiegałoby penetracji wilgoci w
głąb złącza. Nie chronią one również połączenia przed korozją. Nie zawsze istnieje też możliwość
powtórnego ich zastosowania.
Najlepszym rozwiązaniem, jest zatem zastosowanie preparatu anaerobowego. Preparat do zabezpieczania
połączeń gwintowych skleja powierzchnie gwintów, wypełnia wolne przestrzenie pomiędzy zwojami
gwintów, uszczelnia połączenie gwintowe i zabezpiecza przed korozją. Jak również zachowuje wysoki
stopień bezpieczeństwa połączenia, bez ryzyka, że połączone elementy ulegną samo rozluźnieniu.
Wielokrotne używanie tych samych elementów, nie wymaga magazynowania podkładek.
Rys. 2.
Preparaty anaerobowe o średniej wytrzymałości (Rys. 2) pozwalają na szybki i łatwy montaż połączenia i
demontaż przy użyciu zwykłych narzędzi (w kolorze niebieskim). Stosowane są do zabezpieczania śrub
koła zamachowego, nakrętek wału korbowego, korka spustu oleju, śrub gaźnika itp. Do zabezpieczenia
śrub lub nakrętek, które nie muszą być odkręcane przez cały okres eksploatacji lub muszą być
zabezpieczone przed odkręceniem przez osoby niepożądane, to polecam preparat o bardzo dużej
wytrzymałości (Rys. 3), po zastosowaniu którego nie można odkręcić śruby lub nakrętki zwykłym
kluczami (w kolorze zielonym). Dopiero po podgrzaniu do temperatury powyżej 200 stopni C, czyli
temperatury wytrzymałości preparatów anaerobowych możliwe jest ich odkręcenie. Stosowane są do
miejsc obciążonych dużymi wibracjami, jak śruby mocowania silnika, szpilki głowicy cylindrów i skrzyni
biegów, połączenie koła napędzającego z wałkiem rozrządu. Stosowane są także do zabezpieczania śrub i
wkrętów przy siedzeniach w autobusach miejskich i tramwajach przed odkręcaniem ich przez znudzonych
lub zdenerwowanych pasażerów.
Rys. 3
Preparaty anaerobowe dają możliwość kontrolowania siły mocowania śrub, nakrętek i śrub dwustronnych.
Specjalnym rodzajem śrub są śruby regulacyjne w gaźnikach lub układach wtryskowych. Z jednej strony
muszą być zabezpieczone przed poluzowaniem się, a z drugiej muszą dać się przekręcać w celu regulacji.
W takich przypadkach najlepiej zastosować także preparat anaerobowy, ale umożliwiający wykręcanie lub
wkręcanie śruby.
2. Do uszczelniania gwintów układów hydraulicznych i pneumatycznych
W mechanice samochodowej występują także układy hydrauliczne i pneumatyczne składające się z wielu
połączeń gwintowych (układ hamulcowy, klimatyzacja, wspomaganie kierownicy).
Tradycyjne środki uszczelniające, jak podkładki, pasty i taśmy teflonowe stwarzają wiele kłopotów.
Często okazują się nieszczelne dla cieczy i gazów pod dużym ciśnieniem, a ich resztki mogą
zanieczyszczać, blokować i szpecić całe instalacje. Preparaty anaerobowe zapewniają natychmiastowe
uszczelnienie połączeń rurowych (Rys. 4). Po całkowitym utwardzeniu wytrzymują ciśnienia równe
ciśnieniu rozrywającemu rurę. Są odporne na działanie benzyny, oleju, płynu hamulcowego i
chłodniczego. Nie ściekają, czyli łączone elementy mogą być uszczelniane i zabezpieczane w każdej
pozycji (w kolorze żółtym). Preparaty anaerobowe nie tylko uszczelniają, ale także zabezpieczają
połączenie przed korozją i przed rozluźnieniem pod wpływem drgań. Bardzo ważną zaletą tych produktów
jest ustawienie montowanego elementu w pozycji dogodnej dla montera, tzn. nie jest konieczne ich
dociąganie, lecz ustawienie w odpowiedniej pozycji (np. kolanko, manometr itp.) i pozostawienie do
utwardzenia się uszczelniacza.
Rozróżnia się przy tym preparaty do układów niskociśnieniowych i do układów wysokociśnieniowych,
szczególnie narażonych na wibracje.
Rys. 4
Stosowanie uszczelniaczy anaerobowych jest bardzo proste. Po oczyszczeniu łączonych elementów,
nakłada się wstęgę preparatu na początkowe zwoje gwintu wewnętrznego lub zewnętrznego, a następnie
http://ptim.simp.pl/ptim
Kreator PDF
Utworzono 3-03-2017, 19:34
Polskie Towarzystwo Inżynierów Motoryzacji SIMP
łączy ze sobą. Wytrzymałość montażową otrzymuje się już po 15 - 30 min, natomiast wytrzymałość
końcową po 12 godzinach.
3. Do mocowania tulei, łożysk, kół zębatych itp. na wałkach za pomocą klejenia.
Tradycyjne metody mocowania takie jak wkręty bez łba, wpusty, kołki, kliny i złącza pasowane są bardzo
popularne, ale także kłopotliwe. Przy zastosowaniu mechanicznych metod mocowania występuje duże
spiętrzenie naprężeń, prowadzące do zmęczenia materiału i jego pękania. Metody mechaniczne są także
kosztowne ze względu na konieczność utrzymania ścisłych tolerancji obróbki. Kleje mocujące mogą
usunąć te problemy przez wzmocnienie bądź zastąpienie istniejących metod mechanicznych.
W przypadku, gdy zastosowane kleje wspomagają tradycyjne zamocowania, wypełniają wszystkie
szczeliny między stykającymi się powierzchniami, rozkładając w ten sposób naprężenia na całej łączonej
powierzchni. Szczegółowe badania wykazały, że maksymalna powierzchnia styku dwóch metali w złączu
pasowanym wynosi nie więcej niż 30 % powierzchni złącza, co powoduje zwiększenie naprężenia złącza.
Pokrycie złącza klejem całkowicie je uszczelnia i eliminuje luz między częściami chroniąc je przed
ścieraniem i korozją. Preparaty bez wypełniacza stosowane są do połączeń z luzem od 0,05 mm do 0,15
mm. Utwardzają się już po 15 minutach. Nie potrzebne są kliny, wpusty i mocne pasowania. Natomiast
preparaty anaerobowe z wypełniaczem można stosować także do naprawy zużytych części, czyli do luzu
max. 0,25 mm na stronę. Preparaty te wypełniają szczeliny pomiędzy zużytymi częściami, jak np. wałki,
tuleje, łożyska, obudowy łożysk i tulej, wpusty i kliny.
4. Do klejenia i uszczelniania powierzchni płaskich
Preparaty anaerobowe stosuje się także do uszczelniania powierzchni metalowych łączonych ze sobą
elementów. Można tu wymienić cztery rodzaje połączeń, zależnie od wymaganych właściwości:
- połączenia elastyczne,
- lekko demontujące się,
- szybko utwardzające się,
- połączenie mocne czyli klejące.
Preparaty anaeorobowe stosowane są do uszczelniania powierzchni metalowych sztywnych, jak kołnierze
metalowe, obudowy przekładni, pokrywy skrzyni biegów, w pompach wodnych, przekładniach
kierowniczych, aluminiowych misek olejowych itp. Zastępują uszczelki stałe. Nie nadają się natomiast do
doszczelniania uszczelek stałych lub ich naprawy. Uszczelniają także powierzchnie lekko uszkodzone
(zarysowane) przez wypełnianie szczelin i rys do 0,5 mm. Są odporne na działanie większości płynów
samochodowych.
Preparaty silikonowe
Do klejenia i uszczelniania połączeń elastycznych, doszczelniania uszczelek stałych lub uszczelniania
elementów o małej sztywności ( miska olejowa i pokrywa zaworów wykonane z blachy ), muszą być
zastosowane preparaty elastyczne, odporne na wysokie temperatury i umożliwiające utworzenie spoiny o
grubości powyżej 1 mm (Rys. 5).
Rys. 5
Takie warunki spełniają tylko masy silikonowe. Preparaty silikonowe utwardzane są przez reakcję z
wilgocią otoczenia. Rozróżnia się, ze względu na produkt uboczny, jaki powstaje podczas utwardzania
wilgocią, dwa rodzaje silikonów stosowanych w mechanice samochodowej: silikony acetoksynowe i
oksymowe.
Ale nie wszystkie silikony mogą być stosowane w silnikach z sondą Lambda. Zwykłe silikony
(acetoksynowe) po przedostaniu się do komory spalania nie spalają się i następnie przedmuchiwane są
do układu wydechowego, gdzie odkładają się na końcówce sondy Lambda, zakłócając jej działanie.
Objawia się to nierównomierną pracą silnika, a wskazania komputera pokładowego sygnalizują
uszkodzenia sondy. Dlatego w silnikach z sondą Lambda mogą być stosowane tylko i wyłącznie
uszczelniacze silikonowe oksymowe, charakteryzujące się bezkwasowym systemem utwardzania. Są
całkowicie obojętne dla wszystkich materiałów i nie powodują korozji. Mogą być stosowane do
wypełniania szczelin nawet do 6 mm. Stosowane bez, jak i razem z uszczelkami stałymi.
Preparaty silikonowe oksymowe odporne są na działanie olejów, smarów i mieszanek glikolowych.
Typowe zastosowania, to: systemy zasilania, pompy wodne, osłony paska rozrządu, obudowy termostatu,
miski olejowej, pokrywy skrzyni przekładniowej, pokrywy przekładni głównej. Odporne do temperatury
205 stopni C, ale są także i odporne do temperatury 315 stopni C.
http://ptim.simp.pl/ptim
Kreator PDF
Utworzono 3-03-2017, 19:34
Polskie Towarzystwo Inżynierów Motoryzacji SIMP
Preparaty epoksydowe
Preparaty epoksydowe, czyli kleje na bazie żywic epoksydowych stosuje się przede wszystkim do klejenia
elementów wykonanych z metalu: stali, żeliwa, aluminium. Można też stosować do materiałów
niemetalowych: drewna, twardych tworzyw sztucznych, szkła, ceramiki, betonu, kamieni i betonu.
Klej na bazie żywicy epoksydowej, przeznaczony jest do szybkiego sklejania ze sobą elementów z
różnych materiałów o stabilnym kształcie. Utwardza się również w grubej warstwie i na dużej
powierzchni. Utwardzona warstwa kleju może być obrabiana mechanicznie.
Wypełniacz klejący „Płynny metal” stosowany jest do wysoko wytrzymałych napraw części
ze stali i odlewów żeliwnych (Rys. 6). Także do naprawy, wypełniania i klejenia brązu, mosiądzu,
aluminium, Może to być naprawa otworów, rys, skorodowanych kołnierzy i przewodów rurowych. Także
do usuwania błędów wiercenia i do ponownego formowania kształtów uszkodzonych części. Po
utwardzeniu może być obrabiany mechanicznie. Daje się nawiercać, gwintować, opiłowywać, toczyć i
frezować. Może być także lakierowany.
Materiały epoksydowe mogą być używane w zakresie temperatur od – 40 stopni C do 120 stopni
C.
Rys. 6
Do uszczelniania łączonych ze sobą elementów metalowych, bez jak i z uszczelkami stałymi stosowane
mogą być preparaty na bazie żywic o nazwie FAG, czyli Form A Gasket ( formuje się i uszczelnia).
Stosowane zamiast lub dodatkowo do uszczelek stałych połączeń kołnierzowych. Zalecane do
uszczelniania połączeń, które mają być często demontowane. Tworzą elastyczną, lepką i nie utwardzającą
się powłokę. Są odporne na działanie benzyny, olejów, środków chłodzących. Ze względu na odporność
na wysokie temperatury, do 300 stopni C, zalecane są do uszczelniania uszczelek układu ssącego, jak i
wydechowego, a także do uszczelniania uszczelek pod głowicę.
Błędy klejenia
Najważniejsze błędy klejenia można ocenić wzrokowo, ponieważ można określić czy błąd dotyczy adhezji,
czy kohezji, czy uszkodzeniu uległy klejone części. Nieudana adhezja – to klej może całkowicie
odwarstwiać się od klejonej powierzchni. Nieudana kohezja – to klej pęka i rozwarstwia się, a
resztki kleju pozostają na obu powierzchniach.
Pojawienie się błędu klejenia wskazuje tylko na słaby punkt połączenia, natomiast nic nie mówi o jego
przyczynach. Aby naprawić błąd, konieczne jest ustalenie jego przyczyn.
Przyczyny te można sklasyfikować następująco:
- Brak utwardzenia / zastygania – czy płynny klej zastygł zgodnie z podanymi instrukcjami. Jeżeli
nie, to jaki czynnik zahamował lub uniemożliwił ten proces: temperatura, czas, wilgotność powietrza,
brak utwardzacza itp.
- Brak kleju – mimo, że wydaje się to dość oczywiste, należy sprawdzić, czy klej dotarł do
wszystkich miejsc, gdzie powinien się znaleźć.
- Brak adhezji – sprawdzić, czy nie występuje zanieczyszczenie powierzchni klejonej lub czy dany
materiał nie wykazuje przeciw wskazań do klejenia. Czy nie jest konieczne specjalne przygotowanie
powierzchni: szlifowanie, wytrawianie, uaktywnianie, gruntowanie itp.
- Brak oczekiwanych właściwości złącza – czy został wybrany odpowiedni klej, co do
wytrzymałości, twardości, elastyczności, rozszerzalności cieplnej, odporności temperaturowej itp.
Wiesław Wielgołaski
www.wielgolaski.pl {/hidefrom} http://ptim.simp.pl/ptim
Kreator PDF
Utworzono 3-03-2017, 19:34