2. Соединения пластмассовых конструкций

В конструкциях из пластмасс используют клеевые, клееметаллические, заклепочные, винтовые, сварные и шитые соединения.

Клеевые соединения являются наиболее эффективными, уни­версальными и распространенными соединениями пластмасс. Они дают возможность склеивать пластмассы и сопутствующие конст­рукционные материалы, прочность, деформативность и форма которых колеблются в широких пределах, что делает иногда не­возможным применение прочих соединений. Например, можно склеивать пенопласты с металлами, прочность и деформативность которых отличаются в тысячи раз. Можно склеивать листовые материалы и воздухонепроницаемые ткани, толщина которых не превышает 2 мм. При этом получаются прочные, сплошные, возду­хонепроницаемые соединения, жесткие или эластичные. Основ­ными недостатками клеевых соединений являются малая проч­ность на поперечное растяжение — отрыв и ограниченная тепло­стойкость.

Клеи для склеивания пластмассовых конст­рукций применяются термореактивные и термопластичные в соответствии с физико-механическими свойствами и химическим составом склеиваемых материалов. Термореактивные клеи наи­более прочные, более теплостойкие и водостойкие, применяются,

главным образом, для склеивания термореактивных пластмасс и прочих сопутствующих материалов. Резорциновые клеи, безвред­ные и не содержащие кислот, являются наиболее рациональными для склеивания древесных пластиков с древесиной. Наибольшую прочность из них имеет клей ФР-12. Эпоксидные клеи на основе полимерной смолы ЭД-5 отличаются особо высокой прочностью и универсальностью. Они твердеют без подогрева, лучше рабо­тают на отрыв и не дают усадки при твердении. В клеевой рас­твор нередко добавляют цемент, повышающий вязкость и сни­жающий стоимость клея. Эти клеи тогда называют эпоксидно-цементными. Они применяются для склеивания термореактивных пластмасс, металлов и асбестоцемента. Полиэфирные клеи отли­чаются прозрачностью и используются для склеивания прозрач­ных полиэфирных стеклопластиков между собой и с другими ма­териалами. Фенолформальдегидные клеи отличаются доступно­стью и малой стоимостью, однако они ядовиты при твердении и имеют в составе кислоту, действующую на склеиваемые мате­риалы. Их используют для склеивания древесных пластиков и фенольных пенопластов.

Термопластичные клеи имеют меньшую прочность и тепло­стойкость, чем термореактивные, и применяются в основном для склеивания термопластичных пластмасс.

Полиметилакрилатные клеи отличаются особенно высокой прозрачностью и используются для склеивания прозрачного орга­нического стекла. Перхлорвиниловые клеи применяются для склеивания винипласта и воздухонепроницаемых тканей с поли­хлорвиниловыми покрытиями.

Каучуковые клеи, например, марки 88Н состоят из каучуков или их смеси с полимерными смолами. Они отличаются высокой эластичностью и сопротивлением отдирающим усилиям, отсутст­вием хрупкости. Им не требуется отвердитель и большое давле­ние при использовании. Эти клеи применяются для склеивания металлов, пластмасс и воздухонепроницаемых тканей с резиновы­ми покрытиями.

При устройстве клеевых соединений листовых материалов, в частности при стыковании обшивок и ребер панелей, применя­ют различные типы соединений внахлестку (рис. 10), с одно- или двусторонними накладками. Протяженность клеевого шва с каждой стороны стыка (длина нахлестки ) определяется расче­том его на срез. Однако в любом случае длина нахлестки должна быть не меньше 8 толщин листа для асбестоцемента, 50 толщин листа для металлов и 20 толщин листа для стеклопластиков.

Клеевые соединения в пластмассовых конструкциях чаще ра­ботают на сдвиг, однако в некоторых случаях соединение может испытывать усилия, вызывающие в нем растяжение, которое при­менительно к клеевым швам называют отрывом. В зависимости от характера распределения растягивающих напряжений по протяженности шва различают равномерный и неравномерный отрыв.

Рис. 10. Клеевые соединения пластмасс и сопутствующих материалов: а—типы соединений; /—внахлестку; 2—с одной накладкой; 3—с двумя наклад­ками; б— работа соединений; 4 — на сдвиг; 5 — на отрыв; 6—на неравномерный отрыв; с — клеевые швы

Прочность клеевых соединений и их расчетные характерис­тики зависят от марки клея, вида напряженного состояния (сдвиг, растяжение), природы соединяемых материалов. Во мно­гих случаях прочность клеевой прослойки оказывается выше, чем прочность одного (или обоих) соединяемого материала. В таких случаях расчетное сопротивление соединения определя­ют не по клеевому соединению, а по одному из соединяемых материалов. Например, по пенопласту ПС4 при склеивании его с металлом или с асбестоцементом расчетные сопротивления среза равны = 0,04 МПа и = 0,075 МПа.

Методика назначения расчетных характеристик клеевых со­единений аналогична методике, принятой для конструкционных пластмасс. Значения коэффициентов изменчивости для клеевых соединений лежат в широких пределах — от 0,1 до 0,30, а коэф­фициент безопасности по материалу с учетом длительной проч­ности составляет 1,9...7,7.

Так же как и для конструкционных пластмасс, для клеевых соединений при соответствующих эксплуатационных условиях учитываются коэффициенты условия работы; — учитывающий температурный фактор; — учитывающий влажностные усло­вия; — учитывающий атмосферные условия.

Клееметаллические соединения являются комбинированными, состоящими из точечных металлических соединений и клеевой прослойки, располагающейся вдоль всего шва. В зависимости от вида металлической связи различают соединения: клеесварные (точечная сварка однородных металлов--клеевая прослойка); клее винтовые (металлические винты -- клеевая прослойка); клеезаклепочные (металлические заклепки - клеевая прослойка). Клееметаллические соединения применяются для соединения элементов из однородных и разнородных высокопрочных мате­риалов (металлы, стеклопластики, древесные материалы) в трех­слойных панелях и других подобных конструкциях.

Клееметаллические соединения (рис. 11) имеют более высо­кую прочность при неравномерном отрыве, чем клеевые, повы­шенную теплостойкость и огнестойкость. Кроме того, при сдвиге они более прочны, чем соответствующие чисто металлические соединения. Эти соединения находят применение, главным обра­зом, в трехслойных плитах и панелях, где заклепки, винты или сварные точки работают совместно с клеевым швом. Клееметал­лические соединения рассчитывают и конструируют с учетом следующих особенностей.

Рис. 11. Клееметаллические соединения алюминиевых листов: а — клеесварное; б — клеезаклепочное; s — клеевинтовое; / — клеевой шов; 2 — сварная точка; 3 — заклепка; 4 — винт

Прочность клееметаллических соединений при сдвиге опреде­ляется как прочность заклепки, винта или сварной точки, умно­женной на коэффициент, равный 1,25...2, учитывающий работу клея. При этом прочность заклепки и винта вычисляется из усло­вий смятия или среза стержня заклепки (винта) или смятия ме­талла соединяемых элементов, а прочность сварной точки — из условия среза. Данные для расчета заклепок, винтов и сварных точек принимаются по нормам проектирования стальных и алю­миниевых конструкций. При этом винты рассчитывают по нормам для болтовых соединений на чистых и получистых болтах.

Размещение заклепок, винтов и сварных точек производится также в соответствии с требованиями норм проектирования стальных и алюминиевых конструкций. Для обеспечения плот­ности клеевого шва шаг сварных точек, винтов и заклепок при­нимается не более 35...150 мм в зависимости от толщины соеди­няемых листов и вида соединения. Кроме того, каждый вид клееметаллического соединения имеет свои особенности и обла­сти применения.

Сварные соединения пластмасс используются для соединения элементов из одного и того же термопластичного ма­териала. При сварке соединение элементов осуществляется за счет одновременного действия высокой температуры и давления. К достоинствам сварных соединений относятся высокая плот­ность шва, быстрота их осуществления, простота технологиче­ских операций. Вместе с тем у сварных соединений более низкая прочность и ухудшаются некоторые другие свойства материала шва по сравнению с основным материалом; ограниченная об­ласть применения (только для термопластов); температура на­грева при сварке лежит между температурами текучести и его разрушения.

	Различают два способа получения сварных соединений тер­мопластов: сварка в струе горячего воздуха и контактный спо­соб (рис. 12).
Рис. 12. Сварные соединения термопластических пластмасс: а — типы сварных швов; 1— валиковый; 2— V-образный; З — угловые; 4 — X- образный; б — контактное сварное соединение

Сварка в струе горячего воздуха подобна газовой сварке ме­таллов. Материал соединяемых деталей и присадочный пруток размягчают в струе горячего воздуха, нагретого до 250...270°С, материал присадочного прутка легко заполняет зазор между де­талями, а после остывания образуется плотный герметичный шов.

В качестве источника теплого воздуха используют сварочный пистолет, к которому подводится сжатый воздух, подогреваемый вмонтированным в пистолет электронагревателем. Сварка таким методом является эффективным и высокопроизводительным спо­собом соединения термопластов. Сварной шов в сечении может иметь различный профиль.

Контактный способ (рис. 12, б) применяется для соедине­ния органического стекла, винипласта, полиэтилена, полистиро­ла. Для устройства сварного шва по одному из вариантов кон­тактного способа места соприкосновения двух соединяемых дета­лей срезают на ус с уклоном 1:3... 1:5, совмещают по площади

контакта и в таком положении закрепляют. Затем шов сжимают и нагревают. Для органического стекла давление составляет 1 МПа, а температура нагрева 140...145 °С. Возможна контакт­ная сварка впритык. В этом случае давление прикладывается в плоскости листа и его интенсивность составляет 3...5 МПа, а тем­пература нагрева 180...190 °С. Продолжительность запрессовки составляет 10...15 мин.

Следует, однако, иметь в виду, что прочность сварного шва, как правило, меньше прочности основного материала. Так, для винипласта это снижение составляет 15...35 % при сжатии, рас­тяжении и изгибе, а при испытании на удельную ударную вяз­кость прочность уменьшается на 90%. Поэтому в случаях, когда эта характеристика является существенной, вместо сварки лучше применить склеивание.

Клеесварные соединения (рис. 11, а) состоят из сварных точек, полученных контактной точечной сваркой и сплошного клеевого шва между точками. Расчетное сопротивле­ние одной точки зависит от толщины и марки металла соеди­няемых элементов, качества подготовки их поверхности, диамет­ра ядра сварной точки, типа контактной точечной машины и режима сварки. Нормы проектирования алюминиевых конструк­ций предусматривают соединение точечной сваркой элементов толщиной 0,3...4 мм. В клеесварных соединениях точечная сварка производится при неотвержденном клее. Применяются клеесварные соединения только для соединения двух элементов из одного металла.

Клеезаклепочные соединения (рис. 11, б) с обыкновенными заклепками применяют для соединения металли­ческих (алюминиевых, стальных) обшивок с металлическим об­рамлением и для стыкования металлических обшивок в трехслой­ных панелях. При толщине соединяемого пакета 3 мм и меньше диаметр заклепки должен быть не меньше толщины пакета. Дли­на стержня заклепки должна быть больше толщины пакета на 1,3d₃, где d₃ — диаметр заклепки. При соединении асбестоцементных обшивок с обрамлением рекомендуется применять трубчатые заклепки, которые делаются из малоуглеродистой ста­ли. Ее наружный диаметр составляет 10...16 мм, толщина стенки 0,8...1,0 мм, длина заклепки должна быть больше общей толщи­ны соединяемых элементов на 8 мм, максимальный шаг трубок 350 мм. После установки полость трубок заполняют раствором на расширяющемся цементе.

Клеевинтовые соединения применяются в трехслой­ных панелях для стыкования обшивок из металлов, асбестоце­мента, древесных листовых материалов. Для клеевинтовых соеди­нений металлических элементов применяют самонарезающие вин­ты. При толщине соединяемых элементов 0,5...1,0 мм диаметр винтов должен быть 3...3.5 мм, при толщине 1...3 мм — 4...5 мм.

Для соединения асбестоцементных листов диаметр винтов при­нимают 5...6 мм, а максимальный шаг винтов 250 мм.

Шитые и клеешитые соединения — соединенные между собой полотна воздухонепроницаемых тканей с прикреп­ленными к ним различными тканевыми деталями. Для сшивания применяют высокопрочные капроновые нитки и каучуковые клеи. Шитые соединения выполняют на промышленных швейных ма­шинах. Эти соединения не полностью герметичны, но достаточно прочны и менее трудоемки в изготовлении. Клеешитые соедине­ния имеют в своей конструкции кроме ниток еще клеевые швы. Они более герметичны, но и более трудоемки в изготовлении.

В шитых соединениях нитки работают на растяжение, а клее­вые швы — на срез.

Соединения металлических элементов профильных сечений выполняются также при помощи болтов, винтов, заклепок и сварки.