WPŁYW SPOSOBU PRZYGOTOWANIA POWIERZCHNI NA WYTRZYMAŁOŚĆ POŁĄCZEŃ KLEJOWYCH LOTNICZEGO STOPU ALUMINIUM

Transkrypt

1 WPŁYW SPOSOBU PRZYGOTOWANIA POWIERZCHNI NA WYTRZYMAŁOŚĆ POŁĄCZEŃ KLEJOWYCH LOTNICZEGO STOPU ALUMINIUM Anna Rudawska, Mateusz chruściel W procesie klejenia istnieje wiele czynników technologicznych oraz konstrukcyjnych [1 4] wpływających na wytrzymałość połączeń klejowych. Wśród wielu czynników technologicznych należy wymienić: sposób przygotowania łączonych materiałów, rodzaj kleju wraz z metodą jego aplikacji na klejone e, a także warunki utwardzania spoiny klejowej zależne m.in. od rodzaju kleju (temperatura, czas i nacisk) oraz warunki sezonowania. Najważniejszymi czynnikami konstrukcyjnymi są kształt i wymiary połączenia (uzależnione m.in. od cech geometrycznych łączonych materiałów), a także sposób obciążenia połączenia klejowego. Zagadnienia wpływu wymienionych czynników na wytrzymałość połączeń klejowych różnych materiałów konstrukcyjnych opisywane są w wielu pracach [1, 4 9]. Jednakże ze względu na specyfikę rozpatrywanych połączeń, konieczne jest prowadzenie badań związanych z analizą wpływu tych czynników w odniesieniu do konkretnych przypadków i zastosowań. Zmiana wymienionych czynników w przypadku określonego połączenia może w nieco odmienny sposób wpływać na właściwości połączenia, np. innego materiału, w tym także na jego wytrzymałość. Niniejsza praca koncentruje się na badaniach wpływu jednego z czynników technologicznych, jakim jest przygotowanie badanego stopu aluminium 2024 do klejenia. Analizie poddano sześć sposobów przygotowania : trawienie, anodowanie, szlifowanie, chromianowanie, odtłuszczanie oraz piaskowanie, stosowane w jednym z zakładów lotniczych, stosując odpowiednie parametry technologiczne poszczególnych operacji. Wymienione sposoby przygotowania wykorzystywane są w celu zwiększenia wytrzymałości różnego typu połączeń adhezyjnych. podczas procesu utwardzania [2, 4, 9]. Warunki eksploatacji związane ze sposobem obciążenia połączenia klejowego oraz środowisko, w jakim będzie takie połączenie eksploatowane, wpływają zarówno na przyjęcie określonego rozwiązania konstrukcyjnego połączenia, jak i na wybór rodzaju kleju. Dlatego też istnieje wiele czynników, które przez swój różnorodny wpływ na poszczególne etapy technologii klejenia przyczyniają się w końcowym efekcie do uzyskania określonej wytrzymałość połączeń klejowych. Przygotowanie do klejenia Operacje przygotowania (rys. 1) stanowią jeden z pierwszych etapów technologicznych procesu klejenia [2, 4]. Etap ten poprzedza analiza rodzaju i właściwości materiałów przeznaczonych do klejenia, ponieważ informacje te istotnie wpływają na wybór odpowiedniej metody, a także środków oraz parametrów technologicznych stosowanych podczas tych operacji. Niezwykle istotny jest proces przygotowania ze względu na konieczność ukonstytuowania odpowiednich właściwości adhezyjnych rozpatrywanych, wpływających na ich zdolności adhezyjne, przyczyniając się do uzyskania trwałego połączenia klejowego. Czynniki wpływające na wytrzymałość połączeń klejowych Podczas wykonywania połączeń klejowych konieczne jest zapoznanie się z wieloma zagadnieniami technologii klejenia oraz przestrzeganie wytycznych odnoszących się do konkretnego rodzaju wykonywanego połączenia. Niezwykle istotna jest znajomość rodzaju i właściwości łączonych elementów; bowiem to one decydują m.in. o przygotowaniu oraz rodzaju zastosowanego kleju do wykonania połączenia. Kształt i wymiary konstrukcji połączenia klejowego decydują zarówno o metodzie nakładania kleju, wykorzystywaniu określonego oprzyrządowania technologicznego, wartości nacisku Rys. 1. Rodzaje obróbek owych wykorzystywanych w technologii klejenia Wybór sposobu przygotowania do procesów adhezyjnych uzależniony jest od wielu czynników. Zagadnienie to opisano w wielu pracach [2, 4, 9]. Jednak jednym z ważniejszych czynników, rozważanym w pierwszym etapie wyboru operacji przygotowawczej, jest rodzaj analizowanego materiału. Decyduje on w istotny 42

2 Technologia i Automatyzacja Montażu 2/2011 sposób o przyjęciu odpowiedniego sposobu przygotowania, a także sposobu jego aplikacji. W odniesieniu do stopów aluminium można spotkać zalecenia dotyczące zastosowania sposobu przygotowania. Zaleca się stosowanie szlifowania, obróbki strumieniowo-ściernej, obróbki chemicznej (trawienie kwaśne lub alkaliczne), obróbki elektrochemicznej (anodowanie) i innych [2, 4, 7]. Badania doświadczalne Badania doświadczalne polegały na wykonaniu połączeń klejowych blach ze stopu aluminium, którego e poddano różnym sposobom przygotowania. Dokonano oceny struktury przez pomiary wybranych parametrów chropowatości oraz wykonanie profilogramów. Wykonano pomiary siły niszczącej połączenia, a następnie określono wytrzymałość badanych połączeń. Charakterystyka połączeń klejowych Do badań wykorzystano połączenia klejowe jednozakładkowe wykonane ze stopu aluminium 2024 obciążone na ścinanie, którego schemat zamieszczono na rys. 2. Rys. 2. Kształt połączeń klejowych wykorzystanych w badaniach Wymiary połączenia klejowego były następujące: długość blach: l = 100 mm, szerokość blach: b = 25 mm, grubość blach: g = 1 mm, długość zakładki połączenia klejowego: lz = 14 mm. Do badań wykorzystano klej epoksydowy dwuskładnikowy Loctite Hysol 9484, w stosunku wagowym 1:1. Klej ten był utwardzony jednostopniowo, w temperaturze otoczenia w ciągu 48 godzin. Podczas sieciowania połączenia obciążano naciskiem 0,2 MPa. Sposoby przygotowania W przeprowadzonych badaniach zastosowano wybrane sposoby przygotowania blach ze stopów aluminium, takie jak: odłuszczanie, piaskowanie, szlifowanie, trawienie, anodowanie i chromianowanie. Odłuszczanie za pomocą środka odłuszczającego Loctite 7061 (zawierającego aceton) przeprowadzono w sposób zalecany przez producenta, który polegał na kilkukrotnym nałożeniu odłuszczacza na łączone e, przetarcia, a w końcowym etapie, po ostatecznym nałożeniu środka, pozostawieniu do odparowania. Następnie po ok. 3 minutach nastąpiło nałożenie kleju. Sposób ten opisano m.in. w pracy [8]. Wśród obróbek mechanicznych zastosowano piaskowanie i szlifowanie. W operacji piaskowania jako ścierniwo zastosowano elektrokorund. Przygotowywane e zostały poddane tej obróbce przez ok. 2 3 sekundy przy ciśnieniu ok Pa. Szlifowanie przeprowadzono przy użyciu ściernicy listkowej o granulacji 80, a obróbkę prowadzono przez ok. 5 sekund. Do trawienia wykorzystano roztwór wodny wodorotlenku sodu NaOH o stężeniu g/l. Próbki zanurzano w kąpieli trawiącej przez około 3 4 minuty w temperaturze C, a następnie płukano w ciepłej bieżącej wodzie i pozostawiono do wyschnięcia. W operacji anodowania jako elektrolitu użyto 20% kwasu siarkowego. Próbki zanurzano w kąpieli o temperaturze 40 0 C przez minut o napięciu 50 V. Chromianowanie zostało przeprowadzone w roztworze kwasów: Na 2 Cr 2 O 7 w ilości 5,5 g/l; Na 2 So 4 w ilości 4 g/l; H 3 BO 3 w ilości 4,5 5,5 g/l oraz HNO 3 w ilości 1,5 ml/l; o współczynniku ph 1,4 1,6 przez około 30 sekund. Wyniki badań Chropowatość Wyniki wybranych parametrów chropowatości badanych próbek, po różnych sposobach przygotowania, przedstawiono w tabeli 1. Na podstawie uzyskanych wyników pomiarów chropowatości można zauważyć, że największymi parametrami wysokościowymi chropowatości charakteryzowały się e próbek przygotowanych przez zastosowanie operacji piaskowania oraz trawienia. Do grupy metod przygotowawczych, po których zastosowa- Tabela 1. Parametry chropowatości stopu aluminium po różnych sposobach przygotowania Parametry chropowatości, μm Ra Rz Rz maks. Rsm Rp Rpk Rvk 1 odłuszczanie 0,50 4,01 7,09 216,7 2,51 1,12 0,68 2 piaskowanie 3,03 19,70 24,57 144,5 9,12 3,59 4,99 3 szlifowanie 1,29 8,41 13,23 193,6 4,54 2,26 1,90 4 trawienie 2,51 16,70 22,43 125,4 7,69 3,33 5,39 5 anodowanie 0,41 3,31 6,22 245,5 1,66 1,09 0,77 6 chromianowanie 0,32 2,61 4,48 231,3 1,25 0,66 0,78 43

3 niu otrzymano znacznie mniejsze parametry chropowatości, zaliczono chromianowanie, anodowanie oraz odłuszczanie. W tabeli 2 zamieszczono przykładowe profilogramy blach ze stopu aluminium po analizowanych sposobach przygotowania. W przypadku obróbki mechanicznej (piaskowania i szlifowania) można zaobserwować bardzo rozwiniętą strukturę o dużej liczbie dość głębokich nierówności. Zbliżonym do siebie charakterem nierówności cechują się e po operacji trawienia i chromianowania. Nieco inną geometrią odznaczają się e po anodowaniu, natomiast a badanych materiałów po odłuszczaniu prezentuje rzeczywisty kształt mikronierówności, z której usunięto różnego typu zanieczyszczenia znajdujące się na badanych materiałów. Wytrzymałość połączeń klejowych Uzyskane wartości wytrzymałości połączeń klejowych blach ze stopu aluminium 2024 po różnych sposobach przygotowania zamieszczono na rys. 3 oraz w tabeli 3. Na podstawie uzyskanych wyników badań można zauważyć, że największą wytrzymałość połączeń klejowych blach ze stopu aluminium uzyskano po zastosowaniu anodowania, jako operacji przygotowawczej przed klejeniem. Dość wysokie wartości wytrzymałości otrzymano po operacjach piaskowania, szlifowania oraz odłuszczania. Najmniejsze zaś wartości można zauważyć w przypadku zastosowania operacji trawienia oraz chromianowania. Tabela 2. Przykładowe profilogramy badanych blach po różnych sposobach przygotowania Przykładowe profilogramy, Lc = 8 mm 1 Odłuszczanie 2 Piaskowanie 3 Szlifowanie 4 Trawienie 5 Anodowanie 6 Chromianowanie 44

4 Technologia i Automatyzacja Montażu 2/2011 Tabela 3. Średnia siła niszcząca, odchylenie standardowe oraz wytrzymałość połączeń klejowych blach ze stopu aluminium 2024 Średnia siła niszcząca, N Odchylenie standardowe, N 1 odłuszczanie 4216,86 487, ,06 2 piaskowanie 5338,99 494, ,08 3 szlifowanie 4808,94 663, ,17 4 trawienie 1882,88 383,6213 6,72 5 anodowanie 6604,78 539, ,59 6 chromianowanie 2161,14 514,2862 7,72 Wytrzymałość, MPa Rys. 3. Wytrzymałość połączeń klejowych blach ze stopu aluminium 2024 po różnych sposobach przygotowania : 1 odłuszczanie, 2 piaskowanie, 3 szlifowanie, 4 trawienie, 5 anodowanie, 6 chromianowanie Porównując uzyskane wartości z parametrami chropowatości, można sądzić, iż nie w każdym przypadku parametry te mogą stanowić wskazówkę w odniesieniu do sposobu przygotowania do klejenia. Okazuje się, że pomimo niezbyt wysokich parametrów wysokościowych w przypadku anodowania uzyskano największą wartość wytrzymałości połączeń klejowych. Należy także uwzględnić strukturę geometryczną, w tym ilość oraz wymiary geometryczne mikronierówności, które są niezwykle istotne ze względu na możliwość ich penetracji przez klej o określonej lepkości. Analizując profilogramy, można zauważyć, że struktura po operacji anodowania różni się od struktury uzyskanej po pozostałych sposobach przygotowania. Być może taka właśnie struktura zapewnia znacznie lepszą adhezję mechaniczną w porównaniu z innymi rodzajami obróbki. Można także zauważyć, że korzystną strukturę, ze względu na uzyskiwaną wytrzymałość połączenia klejowego badanych materiałów, uzyskano po obróbce mechanicznej (po piaskowaniu i szlifowaniu otrzymano podobny charakter nierówności ). Podsumowanie i wnioski Przeprowadzone badania dotyczyły porównania wytrzymałości połączeń klejowych blach ze stopów aluminium, których a została poddana różnym operacjom przygotowawczym, stosowanym w jednym z zakładów lotniczych. do klejenia był czynnikiem zmiennym w badaniach, natomiast czynniki, takie jak: rodzaj kleju oraz inne warunki wykonywania połączeń, pozostały niezmienne podczas przeprowadzania badań. Wśród sposobów przygotowania blach aluminiowych zastosowano: odłuszczanie, obróbkę mechaniczną oraz obróbkę chemiczną i elektrochemiczną. Przeprowadzono także pomiary chropowatości po rozpatrywanych rodzajach obróbki przygotowawczej. Na podstawie badań zauważono, że największą wytrzymałością charakteryzowały się połączenia klejowe blach ze stopu aluminium 2024, których e poddano procesowi anodowania. Otrzymane rezultaty są zgodne z informacjami zamieszczanymi w literaturze, dotyczącymi pozytywnego wpływu zastosowania operacji anodowania jako sposobu przygotowania blach ze stopów aluminium do klejenia, chociaż jak wykazały badania własne, wartości wytrzymałości mogą się różnić w zależności od rodzaju składu kąpieli do anodowania. Struktura po operacji anodowania różni się od struktury uzyskanej po pozostałych sposobach przygotowania. Być może taka właśnie struktura zapewnia znacznie lepszą adhezję mechaniczną w porównaniu z innymi rodzajami obróbki i dzięki temu możliwe jest uzyskanie wysokiej wytrzymałości, chociaż niezwykle istotny jest także aspekt energetyczny, uwzględniający właściwości adhezyjne, odgrywające ważną rolę podczas wykonywania m.in. połączeń klejowych. Zastosowanie obróbek mechanicznych, takich jak: piaskowanie i szlifowanie pozwoliło na uzyskanie także wysokiej wytrzymałości połączeń klejowych. Uwzględniając strukturę, zauważono, że po piaskowaniu i szlifowaniu otrzymano podobny charakter nierówności. Korzystna pod względem otrzymanej wartości wytrzymałości okazała się także operacja odłuszczania, co wydaje się w niektórych przypadkach szczególnie istotne ze względu na możliwości technologiczno-warsztatowe. Nie wymaga ona bowiem stosowania specjalnego oprzyrządowania oraz urządzeń. Nie bez znaczenia jest możliwość aplikacji tej metody w odniesieniu do różnie ukształtowanych. Po zastosowaniu trawienia oraz 45

5 chromianowania (przy użyciu określonych czynników i parametrów procesu) otrzymano najniższe wyniki wytrzymałości badanych połączeń. Wyniki te uzyskano, stosując określone parametry technologiczne procesu. Prawdopodobnie zastosowanie innych parametrów pozwoli na otrzymanie różnej wytrzymałości połączeń klejowych. Praca realizowana w ramach projektu nr POIG /08 w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (POIG). Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. LITERATURA 1. Godzimirski J.: Czynniki kształtujące wytrzymałość połączeń klejowych. Technologia i Automatyzacja Montażu nr 4/ Czaplicki J. i in.: Klejenie tworzyw konstrukcyjnych, WKŁ, Warszawa Godzimirski J.: Wytrzymałość doraźna konstrukcyjnych połączeń klejowych. WNT, Warszawa Godzimirski J., Kozakiewicz J., Łunarski J., Zielecki W.: Konstrukcyjne połączenia klejowe elementów metalowych w budowie maszyn, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów Rudawska A., Łukasiewicz M.: Wpływ obróbki mechanicznej na wytrzymałość połączeń klejowych wybranych materiałów konstrukcyjnych. Przegląd Spawalnictwa nr 8/ Critchlow G.W., Yendall K.A., Barani D., Quinn A., Adrews F.: Strategies for the replacement of chromic acid anodizing for the structural bonding of aluminium alloys. Int. J. Adhesion and Adhesives, 26/ Kuczmaszewski J.: Technologia Śmigłowców. Teoria i technika klejenia. Wydawnictwa Uczelniane PL, Lublin Rudawska A., Kuczmaszewski J.: Klejenie blach ocynkowanych. Wydawnictwa Uczelniane PL, Lublin Kleje i klejenie. Poradnik inżyniera i technika, Praca zbiorowa pod red. Ch. V. Cagle a. WNT, Warszawa Dr inż. Anna Rudawska jest pracownikiem Katedry Podstaw Inżynierii Produkcji Politechniki Lubelskiej. Mateusz Chruściel jest pracownikiem Zakładów Lotniczych PZL Świdnik S.A. ciąg dalszy ze str Kwiatkowski M., Kłonica M., Kuczmaszewski J., Ozonek J.: Zastosowanie procesu ozonowania do modyfikacji właściwości energetycznych warstwy wierzchniej poliamidu PA6. Monografia Komitetu Inżynierii Środowiska Polskiej Akademii Nauk vol. 59. III Kongres Inżynierii Środowiska, Polska inżynieria środowiska pięć lat po wstąpieniu do Unii Europejskiej. Tom 2 pod redakcją Janusza Ozonka, Artura Pawłowskiego, Lublin s Mahfoudh A., Poncin-Épaillard F., Moisan M., Barbeau J.: Effect of dry-ozone exposure on different polymer surfaces and their resulting biocidal action on sporulated bacteria. Surface Science 604 (2010) Ozonek J.: Laboratorium syntezy ozonu. Wydawnictwa Uczelniane, Politechnika Lubelska, Lublin Ozonek J.: Ozon w uzdatnianiu wody i oczyszczaniu zanieczyszczeń przemysłowych. Ekoinżynieria, 7(1996), Ozonek J., Fijałkowski S.: Energetyczne i procesowe aspekty produkcji i zastosowań ozonu w technice. Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, Lublin Rudawska A., Jacniacka E.: Analysis for determining surface free energy uncertainty by the Owen-Wendt method. International Journal of Adhesion & Adhesives 29 (2009) Rudawska A., Kuczmaszewski J.: Surface free energy of zinc coating after finishing treatment. Material Science, Vol 24, No. 4 (2006). 19. Shalel-Levanon S., Marmur A.: Validity and accuracy in evaluating surface tension of solids by additive approaches. Journal of Colloid and Interface Science 262 (2003) Żenkiewicz M.: Porównawcza ocena niektórych metod obliczania swobodnej energii owej aktywowanej folii polietylenowej. Polimery 33 (1988) Żenkiewicz M.: Adhezja i modyfikowanie warstwy wierzchniej tworzyw wielkocząsteczkowych. WNT, Warszawa Żenkiewicz M.: Analiza głównych metod badania swobodnej energii owej materiałów polimerowych. Polimery 52 (2007) Prof. dr hab. inż. Józef Kuczmaszewski i mgr inż. Mariusz Kłonica są pracownikami Katedry Podstaw Inżynierii Produkcji Politechniki Lubelskiej. 46