problemy klejenia konstrukcyjnego

TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAśU
1/2009
PROBLEMY KLEJENIA KONSTRUKCYJNEGO
Jan GODZIMIRSKI
Klejenie stanowi cenne uzupełnienie innych metod łączenia materiałów. Obecnie trudno jest sobie wyobrazić
działalność budownictwa, przemysłu samochodowego,
lotniczego, budowy maszyn, produkcji opakowań i wielu
innych bez wykorzystywania technologii klejenia. O powszechności stosowania tej metody łączenia moŜe
świadczyć działalność ponad 700 firm specjalizujących się
w wytwarzaniu klejów [1] i dostępność na rynku około
3500 klejów do metali, nie licząc ich modyfikacji.
Istnieje wiele kryteriów podziału klejów, które uwzględniają ich róŜne właściwości i przeznaczenie. Ze względu
na wytrzymałość uzyskiwanych złączy kleje moŜna podzielić na:
•
przylepcowe (mała wytrzymałość, wystarczająca
jedynie do odwracalnego połączenia dwóch
elementów),
•
montaŜowe (średnia wytrzymałość, umoŜliwiająca
trwałe połączenie elementów, ale nie wystarczająca
do traktowania złącza jako elementu konstrukcyjnego),
•
konstrukcyjne (duŜa wytrzymałość, umoŜliwiająca
traktowanie złącza jako elementu konstrukcyjnego)
[2].
Kleje konstrukcyjne stosowane do łączenia metali oraz
wysokowytrzymałych materiałów kompozytowych są klejami syntetycznymi i reaktywnymi, to znaczy utwardzającymi się poprzez polimeryzację, polikondensację lub poliaddycję. W związku z tym utwardzona spoina klejowa
jest utwardzalnym tworzywem wielkocząsteczkowym
o strukturze usieciowanej. Tworzywa (kleje) utwardzalne
w porównaniu z termoplastycznymi cechuje większa wytrzymałość i sztywność oraz większa odporność na
zmiany temperatury i oddziaływanie rozpuszczalników.
Rys. 1. Modele połączeń klejowych obciąŜonych na ścinanie: a)
zakładkowe obciąŜone siłami, b) zakładkowe obciąŜone
wydatkiem napręŜeń stycznych, c) tulejowe obciąŜone
momentem skręcającym
Rys. 2. Odmiany połączeń zakładkowych
Zwiększanie długości spoiny klejowej (długości zakładki) nie musi prowadzić do zwiększenia wytrzymałości
połączenia, jeśli zostanie przekroczona jej długość graniczna (rys. 3). Klejąc grubsze (sztywniejsze) elementy,
uzyskuje się większą wytrzymałość połączeń, ale mniejsze maksymalne wytęŜenie łączonych materiałów pod
obciąŜeniem niszczącym.
OGRANICZENIA KONSTRUKCYJNE
Właściwe zaprojektowanie połączenia klejowego
umoŜliwia uzyskanie złącza, w którym w próbie statycznego rozciągania zniszczeniu ulega nie spoina, a klejone
elementy, wykonane np. z wysokowytrzymałych stopów
aluminium. Przez właściwe zaprojektowanie połączenia
klejowego naleŜy rozumieć takie, w którym spoina klejowa
jest obciąŜona na ścinanie (rys. 1) lub ściskanie.
Powszechnie znana jest niska odporność połączeń
klejowych na oddzieranie, które powoduje wystąpienie na
krawędzi spoiny duŜego spiętrzenia napręŜeń normalnych
dodatnich (rozciągających). W celu ograniczenia dodatnich napręŜeń normalnych w spoinach połączeń obciąŜonych na ścinanie zalecane jest konstruowanie połączeń
zakładkowych symetrycznych, które nie są obciąŜone dodatkowo zewnętrznymi momentami powodującymi zginanie (przykłady b, c, d, e, rys.2).
Rys. 3. ZaleŜność wytrzymałości (P) zakładkowego połączenia
klejowego obciąŜonego na ścinanie od długości zakładki (l) i
grubości (δ) (sztywności na rozciąganie – δE) elementów
klejonych [3]
Z tego względu, jeśli optymalizacja konstrukcji ma polegać na zrównaniu wytrzymałości łączonych elementów
z wytrzymałością spoiny, zastosowanie klejenia konstrukcyjnego jest uzasadnione do łączenia jedynie cienkich
elementów.
25
1/2009
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAśU
Zwiększenie wytrzymałości połączeń obciąŜonych na
ścinanie moŜna uzyskać, wyrównując rozkład napręŜeń
stycznych w spoinie poprzez ukosowanie krawędzi łączonych elementów (zmniejszanie ich sztywności) – rys. 4.
Rys. 4. Wpływ zukosowania końców zakładki na wytrzymałość
połączenia zakładkowego na ścinanie [4]
Z przedstawionych właściwości połączeń klejowych
wynikają istotne ograniczenia zastosowania klejenia konstrukcyjnego – stosowanie klejenia jest uzasadnione jedynie dla określonych układów konstrukcyjnych oraz łączenia cienkościennych elementów.
PROGNOZOWANIE WYTRZYMAŁOŚCI
POŁĄCZEŃ KLEJOWYCH
DORAŹNEJ
Prognozowanie wytrzymałości połączeń klejowych
stwarza trudności ze względu na to, Ŝe wytrzymałość doraźna takich połączeń zaleŜy od wielu czynników [5], [6].
• materiałowych:
- właściwości kleju (adhezyjnych, kohezyjnych,
modułów spręŜystości),
- właściwości klejonych materiałów (ich modułów
spręŜystości i właściwości adhezyjnych warstwy
wierzchniej),
• technologicznych:
- sposobu przygotowania powierzchni do klejenia,
- sposobu przygotowania i nanoszenia masy klejowej,
- warunków utwardzania spoiny klejowej (temperatury, nacisków, czasu),
• konstrukcyjnych:
- sposobu obciąŜenia połączenia,
- wymiarów połączenia,
- symetryczności połączenia,
- ukształtowania elementów złącza.
NaleŜy równieŜ dodatkowo uwzględniać czynniki eksploatacyjne (rzeczywiste warunki pracy połączenia), takie
jak: stałość lub zmienność obciąŜeń, charakter zmiany
obciąŜenia, przewidywany czas obciąŜenia połączenia,
przewidywany czas eksploatacji połączenia, zakres temperatury pracy, agresywność chemiczna środowiska itp.
26
Czynniki te moŜna podzielić na dwie grupy [6]:
o charakterze losowym,
przewidywalne, dające się opisać ilościowo.
Znormalizowane próby oznaczania wytrzymałości klejów na: ścinanie, odrywanie, zginanie i oddzieranie pozwalają porównywać (w pewnym stopniu) właściwości
wytrzymałościowe róŜnych klejów [7], ale nie dostarczają
danych, na podstawie których moŜna z inŜynierską dokładnością prognozować wytrzymałość połączeń klejowych.
ZaleŜność wytrzymałości połączeń klejowych od wielu
czynników powoduje, Ŝe projektując konstrukcyjne połączenie klejowe zazwyczaj nie daje się uniknąć przeprowadzenia badań wytrzymałościowych na próbkach modelujących projektowany węzeł konstrukcyjny, klejonych
według technologii przewidywanej w produkcji i odtwarzających rzeczywiste warunki obciąŜenia projektowanego
połączenia. Wyniki takich badań charakteryzują rozrzuty
wynikające z czynników o charakterze losowym, zazwyczaj większe niŜ występujące w połączeniach mechanicznych. Powstaje więc problem określenia wartości współczynnika bezpieczeństwa wynikającego z konieczności
uwzględnienia tych czynników. W literaturze współczynnik
ten nazywany jest [6] najmniejszym dopuszczalnym
współczynnikiem bezpieczeństwa.
Wartość najmniejszego dopuszczalnego współczynnika bezpieczeństwa, wynikającego z wpływów o charakterze losowym, moŜna określić na podstawie analizy rozrzutu wyników badań eksperymentalnych. Przy małej liczności próby, występującej w badaniach połączeń klejowych, celowe jest wykorzystanie rozkładu t Studenta.
NaleŜy obliczyć odchylenie standardowe skorygowane:
•
•
σ (F ) =
1 r
(Fj − Fn )2
∑
r − 1 j =1
gdzie: r – liczba próbek, F – wytrzymałość (nośność) połączenia (np. siła),
Fn –
średnia arytmetyczna wytrzyma-
łości badanych próbek.
Odczytanie z tablic Studenta wartości tα dla określonej
liczności próby r -1 oraz poziomu istotności α pozwala obliczyć minimalną wartość współczynnika bezpieczeństwa
wynikającą z czynników o charakterze losowym:
n=
Fn
Fn − σ ⋅ tα
oraz siłę jaką moŜe być obciąŜone projektowane połączenie:
F = Fn − σ ⋅ tα
Prognozowanie wytrzymałości projektowanego połączenia klejowego bez eksperymentalnych badań na mo-
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAśU
delach projektowanych węzłów jest kłopotliwe. Uproszczone metody obliczania wytrzymałości połączeń klejowych oparte na teorii Volersena [8] są mało dokładne.
Przeprowadzone badania pozwalają sądzić, Ŝe jest
moŜliwe bardziej dokładne prognozowanie wytrzymałości
połączeń klejowych poprzez przeprowadzenie odpowiednich obliczeń numerycznych MES. Dla wykonania takich
obliczeń niezbędna jest znajomość właściwości mechanicznych kleju i klejonych elementów. W związku z tym,
Ŝe łączone metodą klejenia cienkościenne elementy metalowe mogą być obciąŜane w zakresie odkształceń plastycznych, zachodzi potrzeba eksperymentalnego wyznaczenia charakterystyk σ =σ(ε) klejonych materiałów w całym zakresie ich odkształceń. Kleje równieŜ wykazują wyraźne właściwości nieliniowe. Do określania właściwości
mechanicznych klejów przydatna jest próba ściskania
próbek walcowych. PoniewaŜ charakterystyka kleju
σ =σ(ε) istotnie zaleŜy od sposobu jego utwardzania, naleŜy ją wyznaczyć dla próbki utwardzanej w takich warunkach, jakie są przewidziane dla utwardzania spoiny projektowanego połączenia.
Zniszczenie połączenia klejowego moŜe nastąpić
w wyniku zniszczenia materiału spoiny (typ kohezyjny) lub
w wyniku przekroczenia sił adhezji występujących między
spoiną (klejem) i materiałem klejonym (typ adhezyjny).
MoŜliwe jest takŜe zniszczenie typu mieszanego, czyli kohezyjno-adhezyjnego, lecz wydaje się, Ŝe przy prognozowaniu wytrzymałości połączeń klejowych wystarczające
jest sprawdzenie wytrzymałości adhezyjnej i kohezyjnej
spoiny projektowanego połączenia.
Zaproponowano metodę określania wytrzymałości adhezyjnej spoin za pomocą próbek osiowo-symetrycznych
obciąŜonych na odrywanie [9]. Uwzględniając moŜliwość
wystąpienia adhezyjnego zniszczenia połączenia klejowego, naleŜy wyznaczyć eksperymentalnie wytrzymałość
takich próbek, których klejone elementy będą wykonane
z takiego samego materiału, z jakiego będą wykonywane
klejone elementy projektowanego złącza. Powierzchnie
próbek naleŜy przygotować do klejenia metodą identyczną, jaka przewidziana jest dla projektowanego połączenia. Ponadto naleŜy zapewnić identyczną grubość
spoiny klejowej badanej próbki i projektowanego połączenia oraz identyczne warunki utwardzania. Wartość napręŜeń normalnych niszczących spoiny tak przygotowanych
próbek obciąŜonych osiowo-symetrycznie naleŜy przyjąć
za wartość niszczących napręŜeń adhezyjnych spoiny,
obowiązującą dla badanego kleju, klejonych materiałów
i zastosowanej obróbki powierzchniowej klejonych powierzchni. Jeśli w prowadzonym eksperymencie wystąpi
wyraźnie kohezyjne zniszczenie spoiny, to znaczy, Ŝe
wytrzymałość adhezyjna jest większa od kohezyjnej, a iloraz siły niszczącej przez powierzchnię spoiny jest wartością niszczących napręŜeń kohezyjnych.
W wypadku adhezyjnego zniszczenia spoiny dla wyznaczenia wartości kohezyjnych napręŜeń niszczących
spoiny naleŜy wykonać badania eksperymentalne na
próbkach, których spoiny występują w złoŜonym stanie
1/2009
napręŜenia, np. obciąŜonych na ścinanie wykonanych
zgodnie z PN, wyznaczając ich wytrzymałość. Próbki takie
powinny:
• być przygotowane do klejenia identycznie jak klejone
elementy projektowanego połączenia,
• być klejone w identycznych warunkach (temperatura,
czas, naciski),
• mieć identyczną grubość spoin.
Wyznaczając wytrzymałość próbek i znając ich rzeczywiste wymiary, sposób obciąŜenia i charakterystyki
σ=σ(ε) kleju oraz klejonych elementów, naleŜy stworzyć
model numeryczny próbek i obliczyć napręŜenia w spoinie. Spoinę naleŜy modelować jedną warstwą elementów,
dodając na jej krawędziach elementy modelujące wypływki kleju o wymiarach grubości spoiny. Obliczone
wartości maksymalnych napręŜeń głównych w spoinie
naleŜy uznać za jej wytrzymałość kohezyjną (wartość
niszczących napręŜeń kohezyjnych).
Następnie naleŜy zbudować model numeryczny projektowanego połączenia i obciąŜać go kolejno róŜnymi co
do wartości obciąŜeniami wynikającymi z pracy projektowanej konstrukcji (siłami, momentami, przemieszczeniami), sprawdzając dla kaŜdego obciąŜenia wartość maksymalnych napręŜeń głównych dodatnich i wartość maksymalnych napręŜeń normalnych prostopadłych do powierzchni spoiny. Jeśli wartość któregoś z tych napręŜeń
przekroczy wartość odpowiadających im napręŜeń niszczących: kohezyjnych lub adhezyjnych, naleŜy uznać, Ŝe
przekroczone zostało obciąŜenie niszczące projektowanego połączenia.
STATYCZNA TRWAŁOŚĆ
KLEJOWYCH
CZASOWA
POŁĄCZEŃ
Połączenia klejowe charakteryzuje ograniczona statyczna trwałość czasowa, to znaczy, Ŝe obciąŜone długotrwale siłami mniejszymi od określających ich wytrzymałość doraźną, mogą ulec zniszczeniu po upływie stosunkowo krótkiego czasu, który nie mógł spowodować zauwaŜalnych procesów starzeniowych. Spowodowane jest
to tym, Ŝe spoiny klejowe będące tworzywami wielkocząsteczkowymi są ciałami lepkospręŜystymi. Modelem ciała
liniowo lepkospręŜystego jest model Burgersa (rys. 5).
Z modelu tego wynika, Ŝe nawet przy małych obciąŜeniach spoina klejowa podlega pełzaniu w temperaturze
otoczenia. Wraz ze wzrostem temperatury prędkość
pełzania wzrasta.
Rys. 5. Model Burgersa, EA, EC, ηB i ηD – współczynniki lepkospręŜystości
27
1/2009
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAśU
Prowadzone badania i dane literaturowe wskazują, Ŝe
nie istnieje korelacja pomiędzy wytrzymałością doraźną
połączeń a ich statyczną trwałością czasową. W badaniach porównawczych [10] dwóch grup połączeń, w których do klejenia wykorzystano to samo tworzywo adhezyjne Epidian 57+Z1 utwardzane róŜnymi sposobami zalecanymi przez producenta, uzyskano porównywalną wytrzymałość doraźną i róŜne trwałości czasowe (rys. 6).
nie tego samego tworzywa utwardzanego dwustopniowo,
przy identycznym obciąŜeniu, po pewnym czasie ustało.
Z badań firmy Araldit wynika, Ŝe wytrzymałość długotrwała w czasie 10 000 godzin wyrobów tej firmy mieści
się w granicach od 20 do 80% wytrzymałości doraźnej.
Rys. 8. Porównanie wytrzymałości długotrwałej
adhezyjnych
wykonanych
z
wykorzystaniem
z grupy Araldit (czas próby 10 000h) [12]
Rys. 6. Porównanie statycznej trwałości czasowej połączeń
adhezyjnych wykonanych z wykorzystaniem tworzywa Epidian
57/Z-1 utwardzanego dwoma sposobami: I – jednostopniowo w
temperaturze otoczenia, II – dwustopniowo: w temperaturze
otoczenia i dodatkowo w 80oC [10]
Badania wskazują, Ŝe istnieje zaleŜność jakościowa
pomiędzy charakterem krzywej pełzania tworzywa adhezyjnego a trwałością połączeń, w których tworzywo to jest
wykorzystane (rys. 7). Epidian 57+Z1 utwardzany w temperaturze otoczenia, pod obciąŜeniem 10 MPa w tempeo
raturze 30 C podlegał stałym odkształceniom, gdy pełza-
połączeń
tworzyw
TRWAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWA POŁĄCZEŃ KLEJOWYCH
Pod wpływem zmiennych napręŜeń w spoinach połączeń klejowych przebiega proces nazywany zmęczeniem. Powoduje on zmniejszenie wytrzymałości i trwałości połączeń klejowych, a jego ostatecznym skutkiem
jest zniszczenie. Z praktyki wiadomo, Ŝe zniszczenie
zmęczeniowe następuje nagle, i to przy napręŜeniach
o wartości o wiele niŜszej od wytrzymałości statycznej
połączenia.
odkształcenie
0,1
0,09
0,08
0,07
0,06
0,05
10MPa_30stC_utw ardzany_j ednos
topniow o
0,04
0,03
czas [h]
0,02
0,01
0
0:00:00
72:00:00
144:00:00 216:00:00 288:00:00 360:00:00 432:00:00
Rys. 7. Krzywe pełzania uzyskane w temperaturze 30°C dla Epidianu 57+Z1 utwardzanego jednostopniowo i dwustopniowo, przy
obciąŜeniu 10 MPa [11]
28
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAśU
Odporność spoin klejowych na obciąŜenie zmienne
moŜe być charakteryzowana za pomocą:
trwałości zmęczeniowej N (Ŝywotności połączenia),
czyli liczby cykli napręŜeń, którą przeniesie połączenie klejowe dla danego cyklu napręŜeń, do chwili
jego zniszczenia,
wytrzymałości zmęczeniowej Z definiowanej jako
największe napręŜenie cykliczne dla danego cyklu
napręŜeń, przy którym połączenie klejowe nie ulegnie zniszczeniu w ciągu liczby cykli równej podstawie próby zmęczeniowej.
Stosowane są równieŜ określenia: bezwzględna trwałość zmęczeniowa, tj. trwałość wyznaczona dla cyklu obciąŜeniowego, którego maksymalna wartość jest określona liczbową wartością obciąŜenia, oraz względna
trwałość zmęczeniowa, tj. trwałość wyznaczona dla cyklu
obciąŜeniowego, którego maksymalna wartość jest określona ułamkową wartością obciąŜenia niszczącego połączenie w próbie statycznej.
1/2009
Z danych literaturowych dotyczących klejenia konstrukcyjnego struktur płatowców [4, 13] wynika, Ŝe klejone
struktury charakteryzuje wysoka trwałość zmęczeniowa,
przewyŜszająca trwałość struktur integralnych, jeśli spoiny
nie są nadmiernie obciąŜone. Jednak nieograniczona wytrzymałość zmęczeniowa połączeń moŜe wynosić jedynie
0,15…0,5 ich wytrzymałości doraźnej i zaleŜy ona od właściwości mechanicznych kleju (zwłaszcza jego elastyczności), sposobu przygotowania powierzchni łączonych
części do klejenia, rodzaju klejonych materiałów (rys. 9
i 10) i grubości spoiny.
Z wyników badań przedstawionych na rys. 9 i 10 wynika, Ŝe trwałość zmęczeniowa klejowych połączeń zakładkowych blach stalowych jest wyŜsza niŜ blach ze
stopu aluminiowego. Spowodowane jest to mniejszymi
wartościami maksymalnych napręŜeń w spoinach łączących blachy stalowe przy identycznym obciąŜeniu rozpatrywanych połączeń.
Rys. 9. Bezwzględna trwałość zmęczeniowa połączeń jednozakładkowych, klejonych
Epidianem 57+Z1, obciąŜonych jednakowym cyklem (0,1… 2,1 kN) [14]
Wyniki badań przedstawione na rys. 11 wykazują, Ŝe
przy takiej samej maksymalnej
wartości
obciąŜenia
cyklu
zmęczeniowego (1,6 lub 2,1
kN) próbki trawione charakteryzowała większa trwałość, co
świadczy o wpływie sił adhezji
na
trwałość
zmęczeniową
połączeń klejowych. Jednak
względna trwałość zmęczeniowa (przy obciąŜeniu 0,66
obciąŜenia niszczącego) próbek trawionych okazała się
mniejsza niŜ piaskowanych.
Prowadzone badania wykazują, Ŝe nie ma korelacji
między wytrzymałością doraźną połączeń klejowych i ich
wytrzymałością zmęczeniową.
Nie ma równieŜ korelacji
między trwałością zmęczeniową tworzyw adhezyjnych
traktowanych jako tworzywo
i
trwałością
zmęczeniową
wykonywanych nimi połączeń.
Rys. 10. Względna trwałość zmęczeniowa połączeń jednozakładkowych, klejonych Epidianem
57+Z1, przy maksymalnym obciąŜeniu cyklu zmęczeniowego równym 0,5 wartości siły
niszczącej [14]
29
1/2009
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAśU
PODSUMOWANIE
Rys.11. Wpływ sposobu przygotowania do klejenia (P – piaskowanie, T – trawienie) powierzchni blach ze stopu aluminium
na wytrzymałość doraźną na ścinanie (Rt) oraz względną i
bezwzględną trwałość zmęczeniową połączeń jednozakładowych
klejonych Epidianem 57 + Z1 [14]
Wyniki badań przedstawione na rys. 11 wykazują, Ŝe
przy takiej samej maksymalnej wartości obciąŜenia cyklu
zmęczeniowego (1,6 lub 2,1 kN) próbki trawione charakteryzowała większa trwałość, co świadczy o wpływie sił adhezji na trwałość zmęczeniową połączeń klejowych. Jednak względna trwałość zmęczeniowa (przy obciąŜeniu
0,66 obciąŜenia niszczącego) próbek trawionych okazała
się mniejsza niŜ piaskowanych.
Prowadzone badania wykazują, Ŝe nie ma korelacji
między wytrzymałością doraźną połączeń klejowych i ich
wytrzymałością zmęczeniową. Nie ma równieŜ korelacji
między trwałością zmęczeniową tworzyw adhezyjnych
traktowanych jako tworzywo i trwałością zmęczeniową
wykonywanych nimi połączeń.
Podczas obciąŜenia zmęczeniowego spoiny podlegają
procesowi pełzania juŜ w temperaturze otoczenia. Jednocześnie moŜe występować wzrost temperatury spoin,
zwłaszcza gdy łączą one materiały źle przewodzące ciepło, np. kompozyty polimerowe wzmacniane włóknami
szklanymi, co powoduje przyspieszenie procesu pełzania.
Inicjacja zniszczenia zmęczeniowego moŜe mieć charakter adhezyjny lub kohezyjny. Dlatego stosowanie zabiegów podwyŜszających wytrzymałość adhezyjną połączeń jest zawsze wskazane, ale naleŜy zdawać sobie
sprawę, Ŝe połączenia o większej wytrzymałości, wynikającej z bardziej efektywnego przygotowania powierzchni
do klejenia, mogą być obciąŜane zmęczeniowo mniejszymi względnymi wartościami sił niŜ połączenia o niŜszej
wytrzymałości.
Dopuszczalna maksymalna wartość obciąŜenia zmęczeniowego połączenia klejowego powinna być mniejsza
od połowy jego wytrzymałości statycznej, nawet przy
ograniczonej trwałości rzędu kilkuset tysięcy cykli.
30
Znormalizowane próby pozwalają porównywać wytrzymałość doraźną klejów a ściślej wytrzymałość wykonanych nimi spoin klejowych. Wyznaczona zgodnie
z normami wytrzymałość jest wiarygodna jedynie w wypadku łączenia takich materiałów, jakie zaleca stosować
w badaniach norma oraz dla sposobu przygotowania powierzchni do klejenia stosowanego w badaniach.
W związku z tym znormalizowane próby pozwalają jedynie jakościowo porównywać róŜne kleje pod kątem moŜliwości zastosowania ich w połączeniach podobnych do
znormalizowanych. MoŜliwość jedynie jakościowego porównywania właściwości klejów wynika z tego, Ŝe np. przy
zwiększeniu długości zakładki przyrost wytrzymałości na
ścinanie klejów elastycznych będzie większy niŜ klejów
o większej sztywności.
W związku z tym, we wstępnych próbach porównawczych klejów, próbki naleŜy wykonywać z takich materiałów, z jakich mają być wykonane łączone części oraz naleŜy zastosować sposób przygotowania powierzchni do
klejenia taki, jaki moŜe zostać zastosowany w montaŜu
projektowanego węzła. Biorąc pod uwagę małą dokładność prostych metod prognozowania wytrzymałości połączeń klejowych oraz pracochłonność bardziej dokładnych,
wykorzystujących obliczenia numeryczne, wydaje się, Ŝe
wytrzymałość projektowanego połączenia naleŜy potwierdzić eksperymentalnie na prototypowym egzemplarzu
gotowego wyrobu.
Wytrzymałość połączeń klejowych charakteryzują
większe rozrzuty w porównaniu z połączeniami mechanicznymi, np. nitowymi. W związku z tym naleŜy wyznaczać i uwzględniać wartość współczynnika bezpieczeństwa związanego z czynnikami losowymi wpływającymi na
stosunkowo małą powtarzalność wytrzymałości połączeń
klejowych.
Wymagania dotyczące określonej trwałości czasowej
projektowanych połączeń powodują, Ŝe ich dopuszczalne
obciąŜenie musi być pomniejszone w takim zakresie, aby
uwzględnić nie tylko starzenie się spoin, ale równieŜ ich
ograniczoną statyczną trwałość czasową oraz ograniczoną trwałość zmęczeniową. PowaŜnym problemem jest
brak korelacji między wytrzymałością doraźną połączeń
klejowych a ich statyczną trwałością czasową i trwałością
zmęczeniową. Producenci klejów nie podają informacji
o trwałościowych cechach swoich wyrobów. Zazwyczaj
reklamują je, podając ich wysoką wytrzymałość doraźną.
Doraźną wytrzymałość kleju na ścinanie moŜna stosunkowo łatwo zwiększyć, modyfikując klej w celu zwiększenia jego elastyczności (zmniejszenia wartości modułu
spręŜystości). Jednak taki zabieg powoduje, Ŝe elastyczna spoina podlega intensywnemu pełzaniu i jej
trwałość ulegnie zdecydowanemu obniŜeniu. Odwrotny
efekt moŜna uzyskać, modyfikując klej wypełniaczami
w postaci drobnych proszków metalicznych lub ceramicznych, ewentualnie wzmacniając spoinę cienką warstwą
tkaniny szklanej – wytrzymałość doraźna moŜe obniŜyć
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAśU
się, ale jednocześnie powinna zwiększyć się statyczna
trwałość spoiny. Zabieg taki moŜe jednak zmniejszyć
bezwzględną trwałość zmęczeniową połączenia z powodu
obniŜenia jego wytrzymałości adhezyjnej.
Uwzględniając lepkospręŜyste właściwości klejów, wydaje się, Ŝe próby projektowania tzw. „czystych” połączeń
klejowych o duŜej wytrzymałości nie mają uzasadnienia.
Jeśli wykonane połączenie ma charakteryzować określona trwałość i niezawodność, to stopień wytęŜenia spoiny nie powinien być zbyt duŜy – przy małych obciąŜeniach proces pełzania praktycznie ustaje. Racjonalne jest
stosowanie połączeń klejowo-kształtowych, w których
spoiny są obciąŜone głównie na ściskanie. Uzasadnione
jest stosowanie połączeń mieszanych klejowo-mechanicznych, np. klejowo-nitowych i klejowo-zgrzewanych.
Mechaniczne połączenia zapobiegają pełzaniu spoiny,
a spoina klejowa wzmacnia wytrzymałość połączenia mechanicznego i co waŜniejsze obniŜa napręŜenia w łączonych elementach, zwiększając ich trwałość zmęczeniową
[15]. Klejenie stosuje się równieŜ powszechnie do łączenia części wykonanych z polimerowych materiałów kompozytowych z częściami metalowymi, ale i takie połączenia wzmacnia się zazwyczaj połączeniami mechanicznymi.
Klejenie konstrukcyjne jest niezastąpioną metodą łączenia cienkościennych elementów struktur przekładkowych, których lekkość i sztywność powoduje, Ŝe chętnie
są stosowane w konstrukcjach lotniczych. Zastępowanie
części integralnych (wykonywanych z jednej surówki, np.
pasów dźwigarów – rys. 12) częściami klejonymi z cienkich elementów pozwala uzyskiwać wyroby o zwiększonej
trwałości zmęczeniowej. W tych rozwiązaniach konstrukcyjnych spoiny klejowe nie są jednak obciąŜane duŜymi
wartościami napręŜeń.
1/2009
klejenia stosowana jest chętnie przez armie róŜnych krajów do tzw. polowych (doraźnych) napraw, których zadaniem jest zapewnienie sprawności sprzętu w ograniczonym czasie, po upływie którego naprawione z wykorzystaniem klejenia elementy, mogą być regenerowane innymi metodami w specjalistycznych zakładach.
LITERATURA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
Rys. 12. Dźwigar z pasami klejonymi i integralnymi [13]
Klejenie znajduje równieŜ szerokie zastosowanie
w naprawach róŜnego rodzaju sprzętu. Produkowane są
specjalne adhezyjne tworzywa regeneracyjne, często
o bardzo specjalistycznym przeznaczeniu. Technologia
Mirski Z., Piwowarczyk T.: Historia klejenia – od
prehistorii do dzisiaj. Przegląd Spawalnictwa LXXX
(2008) 8.
Godzimirski J., Kozakiewicz J., Łunarski J., Zielecki
W.: Konstrukcyjne połączenia klejowe elementów
metalowych w budowie maszyn. Oficyna Wydawnicza
Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 1997.
Czaplicki J., Ćwikliński J., Godzimirski J., Konar P.:
Klejenie tworzyw konstrukcyjnych. WKŁ, Warszawa
1987.
Ptakowska-WyŜanowicz H.: Klejenie metali. PWN,
Warszawa 1961.
Godzimirski J.: Wpływ czynników konstrukcyjnych
i technologicznych na wytrzymałość połączeń klejowych. Przegląd Mechaniczny (1993) 13.
Kuczmaszewski
J.:
Podstawy
konstrukcyjne
i technologiczne oceny wytrzymałości adhezyjnej
połączeń metali. Rozprawa habilitacyjna. Politechnika
Lubelska, Lublin 1995.
Godzimirski J.: Ocena przydatności próby na ścinanie
do porównywania właściwości wytrzymałościowych
klejów do metali. Polimery 28 (1983) 7.
Porębska M., Skorupa A.: Połączenia spójnościowe.
PWN, Warszawa 1993.
Godzimirski J., Tkaczuk S.: Numerical Calculations of
dhesive joints subjected to shearing. Journal of Theoretical and Applied Mechanics 45 (2007) 2
Rośkowicz M.: Statyczna trwałość czasowa połączeń
klejowych. Przegląd Spawalnictwa (2008) 8
Rośkowicz M.: Wytrzymałość długotrwała połączeń
klejowych. Rozprawa doktorska. Wojskowa Akademia
Techniczna, 2004.
World Wide Design Handbook. Materiały informacyjne firmy Locite.
Świtkiewicz R.: Trwałość zmęczeniowa elementów
o strukturze warstwowej klejonej. Rozprawa doktorska. Politechnika Warszawska, 1972.
Komorek A.: Badania trwałości zmęczeniowej połączeń klejowych. Rozprawa doktorska. Wojskowa
Akademia Techniczna, 2008.
Matwijenko W. A.: Wpływ czynników konstrukcyjnotechnologicznych na wytrzymałość zmęczeniową połączeń klejowo-nitowych. Technologia i Automatyzacja MontaŜu (1994) 2.
____________________
Prof. dr hab. inŜ. Jan Godzimirski jest pracownikiem Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie.
31