5.6.3. Техпроцесс склеивания

Разработка техпроцесса склеивания зависит от многих факторов:

- свойств соединяемых материалов;

- назначения и конструкции клеевого узла;

- требований к прочности и условий нагружения;

- условий эксплуатации (температура, влажность);

- возможностей использования наиболее эффективных клеев и ограничений по стоимости;

- условий для реализации тех или иных технологических приемов и оснастки для склеивания.

Тем не менее процесс склеивания содержит примерно одинаковый состав типовых операций:

- подготовка субстрата (поверхности) к склеиванию;

- нанесение грунта (подслоя);

-выдержка;

- сборка пакета и отверждение;

- контроль клеевого соединения.

Рассмотрим последовательно содержание каждой из этих операций.

Подготовка субстрата к склеиванию. Прочность клеевого шва в значительной степени зависит от предварительной подготовки соединяемых поверхностей к склеиванию.

Подготовка поверхности перед нанесением клея иногда занимает до 75% всей продолжительности склеивания, а затраты на ее выполнение составляют около 75% всех затрат на процесс склеивания.

В зависимости от условий склеивания применяют различные приемы обработки субстрата. Среди них можно отметить следующие:

- обезжиривание поверхности растворителями: спиртом, бензином, ацетоном и т.п.;

- травление поверхности щелочами или кислотами;

- специальные электрохимические методы обработки, например анодирование алюминиевых деталей;

- пескоструйная обработка;

- обработка поверхности шлифовальной шкуркой;

- использование удаляемого жертвенного слоя.

Во всех случаях преследуется две цели: удаление веществ (чаще всего замасливателей и жировых включений), снижающих адгезию клея, а также придание поверхности шероховатости, увеличивающей площадь проникновения клея в соединяемые поверхности).

Наиболее технологичным и эффективным в настоящее время считается способ подготовки поверхности волокнистых композиционных материалов с использованием жертвенного слоя. Суть способа заключается в том, что на поверхность препрега технологического пакета, предназначенную для склеивания, укладывается ткань с высокими антиадгезионными свойствами. После формования эта ткань удаляется, оставляя после себя шероховатую поверхность (рис. 5.44). В качестве жертвенного слоя чаще всего используется лавсановая ткань с полотняной структурой плетения. Она выдерживает температуру, при которой обычно формуются композиты, и обеспечивает нужную шероховатость поверхности.

Нанесение грунта (подслоя). В некоторых случаях перед нанесением клея на субстрат наносится промежуточный подслой, так называемый грунт. Задача грунта повысить сцепление между клеем и соединяемым материалом. Чаще всего нанесение грунта необходимо при соединении разнородных материалов, например металлов с тканями, резиной, стеклом и т.п., так как клей может иметь хорошую адгезию к одному из материалов, а к другому хорошая адгезия осуществляется через грунт.

Нанесение клея зависит от вида его поставки. Если клей в жидком виде, то в зависимости от вязкости наносится распылителем, кистью или шпателем. В твердом состоянии клей применяется в виде пленки.

Жидкий клей рекомендуется наносить на обе склеиваемые поверхности. Тем самым обеспечивается выравнивание поверхности и удаление воздуха, лучшее заполнение клеем неровностей.

Следует отметить, что прочность соединения существенно зависит от правильного выбора толщины клеевого слоя и равномерности его нанесения на поверхность деталей. С этой точки зрения пленочный клей имеет преимущество перед жидким клеем. Кроме того, применение пленочного клея ускоряет сборку, повышает чистоту производства, делает условия труда более безопасными.

Пленочный клей может быть армирован тканью или сеткой или нанесен на подложку. Липкость пленочного клея достигают, смачивая поверхность пленки растворителем или производя кратковременный нагрев. При смачивании пленочного клея в рулон для предотвращения слипания отдельных слоев между ними помещают антиадгезионную прокладку, например полиэтиленовую пленку.

Клей наносится на поверхность не всегда в виде сплошного слоя. Получила распространение прерывистая клеевая прослойка (рис. 5.44,а), сформированная таким образом, что в ней по длине перекрытия чередуются склеенные участки с несклеенными. Считается, что прерывистая клеевая прослойка обеспечивает более равномерное распределение напряжений сдвига, чем сплошная клеевая прослойка.

Рис. 5.44. Клеевые соединения:

а – подготовка поверхности к склеиванию путем удаления жертвенного слоя;

б – нахлесточное соединение с прерывистой клеевой прослойкой;

в – комбинированная клеевая прослойка; 1 – деталь; 2– жертвенный слой

Находит применение также комбинированная клеевая прослойка, состоящая из чередующихся эластичных и жестких участков (рис. 5.44,в). Такое нанесение клея снижает неравномерность распределения напряжений сдвига в нахлесточном соединении и повышает прочность последнего.

Выдержка. Для некоторых типов жидких клеев после их нанесения на поверхность перед склеиванием техпроцессом предусматривается выдержка на открытом воздухе.

Во время выдержки происходит испарение растворителей из клеевого слоя, заполнение клеем неровностей субстрата и пор, вытеснение из них воздуха и образование на склеиваемой поверхности слоя клея равномерной толщины, которая далее не изменяется вследствие повышения вязкости клея. Полное удаление растворителей из нанесенного клея необходимо для устранения вспенивания клея и предотвращения образования клеевой прослойки с пористой структурой, имеющей невысокую прочность и низкую теплостойкость.

Температура и время открытой выдержки зависят от количества растворителя в клее и его природы. Оптимальное время определяется скоростью испарения растворителя и скоростью прохождения других процессов. Его устанавливают по точке перегиба кривой, характеризующей кинетику испарения растворителя.

Для сокращения времени и более полного удаления растворителя выдержку проводят в две стадии – сначала при комнатной температуре, а затем при повышенной. Если сразу же после нанесения клея повысить температуру, то на поверхности клеевого слоя образуется тончайшая пленка, препятствующая выходу из нее газов, вследствие чего получается пористая клеевая прослойка.

Обычно для сокращения времени открытой выдержки применяют конвективный нагрев и инфракрасное излучение. Выдержку не назначают в том случае, если клей практически не содержит летучих веществ и растворителей.

Сборка пакета и отверждение. Соединение склеиваемых деталей осуществляется, чаще всего, в сборочном приспособлении, которое позволяет их взаимно скоординировать в соответствии с чертежом.

Для получения прочного соединения необходимо, чтобы клей перешел из жидкого или вязкотекучего состояния в твердое, а также произошло сцепление клея с субстратом. В литературе находят употребление два понятия, относящиеся к фазовому переходу клея, – затвердевание и отверждение клея.

Затвердевание – это переход клея из жидкого состояния в твердое без изменения химической структуры основы клея. Например затвердевание клеев-растворов происходит в результате испарения растворителя, а клеев-расплавов – в результате охлаждения клеевой композиции в зоне шва.

Отверждение клея – переход его из жидкого состояния в твердое в результате изменения химической структуры основы клея. Для полимерных клеев это превращение олигомеров, смол или мономеров в твердые неплавкие и нерастворимые трехмерные полимеры. Отверждение происходит в результате взаимодействия реакционноспособных групп между собой или с реакционноспособными группами отвердителей.

Для отверждения нужны специальные условия – это или нагрев, или облучение ультрафиолетовыми лучами, или предотвращение доступа воздуха.

Чаще всего основой клея служат смолы горячего отверждения, для полимеризации которых нужен нагрев соединительного шва. В зависимости от типа клея температура отверждения колеблется от 80 до 220°С.

Для лучшего сцепления клея с субстратом склеиваемые детали прижимают друг к другу с определенным усилием, то есть на склеиваемые поверхности должно действовать давление.

Давление может быть создано механическим путем с помощью резьбовых зажимов, рычажных или клиновых систем (рис. 5.45,а).

Весьма распространенными способами создания давления является вакуумный (рис. 5.45,б) и пневмо-гидромешком. Их достоинством является равномерное давление на склеиваемую поверхность, в том числе и при сложном рельефе соединяемых деталей.

Рис. 7.45. Схемы передачи давления на склеиваемые поверхности:

а – механическая; б – вакуумированием; в – пневмо-гидромешком;

1, 2 – соединяемые детали; 3, 4 – опоры; 5 – клей; 6 – накладка;

7 – герметичный мешок

Для некоторых типов клеев отверждение происходит под воздействием специфических условий, например облучением ультрафиолетовыми лучами (полиакриловые клеи) или изоляция клеевого шва от воздуха (анаэробные клеи).

Контроль клеевых соединений. Методы контроля клеевого соединения выбираются в зависимости от условий его эксплуатации. Различают неразрушающие и разрушающие методы.

Разрушающие методы позволяют установить прочностные показатели соединения. Наиболее распространенными параметрами являются: прочность на сдвиг, прочность на неравномерный отрыв, прочность на отслаивание и расслаивание.

Во всех перечисленных случаях испытывают образцы соединений и определяют разрушающую нагрузку.

На рис. 5.46,а показана схема нагружения при испытании на сдвиг. Прочность при сдвиге определяется касательным напряжением , действующим в момент разрушения на единицу площади сдвига.

Схемы испытаний клеевых соединений на неравномерный отрыв изображены на рис. 5.46,б. Общим принципом методов испытания на неравномерный отрыв является эксцентрическое приложение разрушающей силы. Термин "прочность на неравномерный отрыв" характеризует клеевые соединения жестких материалов.

Прочность соединения упругого элемента с жестким называется прочностью на отслаивание. Схема испытаний показана на рис. 5.46,в.

Прочность соединения двух гибких элементов называют прочностью на расслаивание. На рис. 5.46,г показана соответствующая схема испытаний.

Во всех случаях прочность соединения оценивают нагрузкой, действующей на ограниченный участок по всей ширине образца, необходимой для разрушения клеевой прослойки, то есть разрушающей нагрузкой, отнесенной к 1 сантиметру ширины образца.

При склеивании деталей из композитов часто применяют клеи, аналогичные или близкие по химической природе полимерной основе матрицы. Вместе с тем склеивание может быть осуществлено и универсальными (пригодными для различных материалов) клеями, например эпоксидными, полиуретановыми, акрилатными.

Надо отметить, что склеивание не заменяет, а дополняет другие способы соединения, хотя является иногда единственно возможным. В практике машиностроения получили широкое распространение комбинированные соединения с использованием клея: клеезаклепочные, клеезамковые, клееболтовые, клее-сварные и т.п.

Рис. 5.46. Испытание клеевых соединений:

а – на сдвиг; б – на неравномерный отрыв; в – на отслаивание;

г – на расслаивание; 1 – гибкие субстраты; 2 – клей; 3 – жесткий субстрат