ANALIZA PORÓWNAWCZA WYTRZYMAŁOŚCI POŁĄCZEŃ KLEJOWYCH I LUTOWANYCH BLACH STALOWYCH

Transkrypt

1 ANALIZA PORÓWNAWCZA WYTRZYMAŁOŚCI POŁĄCZEŃ KLEJOWYCH I LUTOWANYCH BLACH STALOWYCH Anna Rudawska, Piotr trebik Połączenia klejowe i lutowane są jednym z rodzajów połączeń montażowych występującymi w różnorodnych konstrukcjach [1-3]. Należą do grupy połączeń spajanych nierozłącznych i w związku z tym posiadają pewne charakterystyczne właściwości. Jedną z zalet rozpatrywanych połączeń jest możliwość łączenia różnorodnych materiałów konstrukcyjnych, a często takie połączenia występują w wielu konstrukcjach. W aspekcie działających naprężeń, największą wytrzymałość zarówno w przypadku połączeń klejowych, jak i lutowanych, uzyskuje się w przypadku przenoszenia obciążeń ścinających. Połączenia klejowe źle przenoszą takie obciążenia, które powodują powstanie w spoinach klejowych oddzierania (czyli naprężeń normalnych do powierzchni łączonych elementów). Naprężenia te charakteryzują się dużą nierównomiernością rozkładu i spiętrzeniem na obciążonej krawędzi połączenia. Lutowina może przenosić tylko obciążenia ścinające, natomiast jej wytrzymałość na rozciąganie i zginanie jest niewielka. Wymaga to odpowiedniego ukształtowania połączenia. Celem pracy jest analiza wytrzymałości połączeń klejowych i lutowanych zakładkowych blach stalowych: blacha ze stali C45 (wg EN10083) oraz blacha stalowa Z-II/2T (08X, wg PN-81/H-92121). W przypadku połączeń klejowych jako sposób przygotowania powierzchni zastosowano obróbkę mechaniczną oraz odtłuszczanie, a podczas wykonywania połączeń lutowanych trawienie kwasem siarkowym. Charakterystyka procesu klejenia i lutowania Na wytrzymałość połączeń klejowych wpływa wiele czynników związanych z konstrukcją, technologią, właściwościami materiałowymi oraz eksploatacją połączeń. Czynnikami technologicznymi jest sposób przygotowania powierzchni, rodzaj kleju, warunki utwardzania. Wśród czynników konstrukcyjnych należy wymienić przede wszystkim geometrię połączenia (grubość łączonych elementów, długość zakładki) oraz sposób jego obciążenia. Warunki eksploatacji, w tym zmienność czynników w czasie, stanowią istotny element procesu projektowania połączeń klejowych. Podstawowym czynnikiem technologicznym jest sposób przygotowania powierzchni klejonych elementów [1, 2, 5]. Warunkuje uzyskanie silnych więzi adhezyjnych, dzięki czemu możliwe jest uzyskanie połączenia o wysokiej wytrzymałości. Wybór sposobów przygotowania powierzchni do klejenia zależy od wielu czynników, między innymi od rodzaju, właściwości i struktury geometrycznej powierzchni klejonych materiałów, warunków techniczno-technologicznych, rodzaju produkcji. W związku z tym proces ten może być złożony z różnych operacji, takich jak: odtłuszczanie, obróbki mechaniczne, chemiczne, elektrochemiczne oraz specjalne. O wytrzymałości połączenia decydują naprężenia maksymalne w warstwie kleju, gdyż one zapoczątkowują zniszczenie połączenia. Połączenia zakładkowe i nakładkowe są najpopularniejsze ze względu na prostą konstrukcję, mały ciężar oraz dużą wytrzymałość na naprężenia ścinające. W połączeniach zakładkowych i nakładkowych powstaje wzdłuż kierunku działania obciążeń nierównomierny rozkład naprężeń, spowodowany różnicą fizycznych właściwości łączonych materiałów oraz kształtem i wymiarami połączenia [1]. Połączenie lutowane uzyskuje się dzięki przyczepności materiału dodatkowego lutu do materiałów łączonych (zjawisko adhezji oraz wzajemnej dyfuzji z metalem rodzimym), dlatego warunkiem otrzymania prawidłowego połączenia jest staranne dopasowanie oraz oczyszczenie (mechaniczne i chemiczne) powierzchni lutowanych. Proces lutowania można przeprowadzić na kilka sposobów, w zależności od zastosowanej metody dostarczania ciepła do nagrzewania elementów łączonych i topienia lutu. Można wyróżnić m.in. lutowanie miękkie, twarde, dyfuzyjne [3, 4, 6]. Lutowanie miękkie jest wykorzystywane często w połączeniach przewodzących prąd, lecz nieprzenoszących dużych sił. Stosowane jest do łączenia części o niewysokiej temperaturze pracy, jak również do uszczelniania połączeń (np. cienkościennych zbiorników, pojemników, rynien, rurociągów) rys. 1. Podstawową cechą lutów miękkich jest niska wytrzymałość spoin (R t = MPa). Luty miękkie są wykonywane w postaci prętów, drutu, płytek, proszków, a najczęściej pałeczek. Zakres temperatury topliwości lutowia mieści się w granicach od 183 o C do 270 o C. Stosowane są spoiwa ołowiowo-cynowe, a niektóre z nich zawierają ponadto drobne domieszki antymonu, srebra i miedzi, oraz zanieczyszczenia w postaci śladowej zawartości żelaza, bizmutu, arsenu, aluminium, cynku i kadmu [6]. Lutowanie miękkie ze względu na sposób dostarczania ciepła dzieli się na lutowanie: za pomocą lutownicy, piecowe, kąpielowe, indukcyjne, płomieniowe. 45

2 4/2012 Technologia i Automatyzacja Montażu Charakterystyka połączeń klejowych Do badań wykorzystano połączenia klejowe jednozakładkowe wykonane z blach ze stali C45 i blach ze stali do tłoczenia Z-II/2T, których geometrię zamieszczono na rys. 2. a) Rys. 1. Połączenia lutowane lutami miękkimi [3] Lutowanie twarde jest połączeniem o właściwościach pośrednich pomiędzy lutowaniem miękkim a spawaniem. Lutowanie twarde umożliwia łączenie blach, kształtowników, części mechanizmów, elementów narzędzi skrawających. Do najbardziej perspektywicznych metod łączenia nowoczesnych materiałów inżynierskich zalicza się m.in. lutowanie dyfuzyjne. Metoda ta łączy cechy zgrzewania dyfuzyjnego i lutowania [7]. Wykonanie połączenia lutowanego wymaga doboru odpowiedniej metody lutowania, właściwego rodzaju lutu, topnika oraz starannego przygotowania powierzchni łączonych elementów. Konieczna jest także analiza sposobu obciążenia połączenia oraz jego wymiarów, kształtu i symetrii. Właściwy dobór wyżej wymienionych elementów umożliwia odpowiednie zwilżanie powierzchni łączonych przez lut, a w związku z tym zostaje zapewniona odpowiednia wytrzymałość mechaniczna i szczelność połączenia. Badania doświadczalne Podczas badań eksperymentalnych wykonano połączenia klejowe oraz połączenia lutowane blach stalowych. Pierwszy rodzaj próbek był wykonany z blach ze stali C45, drugi natomiast z blachy stalowej do tłoczenia Z-II/2T. Powierzchnie blach poddano wybranym sposobom przygotowania powierzchni oraz zastosowano określone warunki wykonywanych połączeń. Dokonano pomiarów wybranych parametrów chropowatości powierzchni oraz wykonano profilogramy powierzchni. Wykonano pomiary siły niszczącej połączenia, a następnie określono wytrzymałość badanych połączeń. Oba rodzaje połączeń zostały poddane próbie rozciągania na ścinanie. Badania te przeprowadzono w oparciu o konkretne wytyczne jednej z firm przemysłowych. Należy wspomnieć, że analiza porównawcza połączeń o zróżnicowanych wymiarach oraz różnych gatunków materiałów nie zawsze jest poprawna, jednakże przedstawione wyniki badań w poszczególnych grupach połączeń mogą stanowić podstawę do dalszych analiz lub badań doświadczalnych. b) Rys. 2. Kształt i wymiary próbek klejowych stosowanych w badaniach: a) blach ze stali C45, b) blacha ze stali Z-II/2T Grubość blach ze stali C45 wynosiła g = 1 mm, a grubość blach Z-II/2T g = 2 mm. Grubość warstwy kleju natomiast wynosiła około 0,15 mm. Długość zakładki spoiny klejowej określono z zależności przedstawionej w pracach [1, 2], pozwalającej na obliczenie granicznej długości zakładki w przypadku klejenia materiałów o jednakowych grubościach. Do porównywania poszczególnych rodzajów próbek przyjęto połączenia o granicznej długości zakładki w celu spełnienia niektórych wytycznych projektowania połączeń klejowych. Z rozważań teoretycznych wynika [1], że zwiększenie długości granicznej zakładki spoiny klejowej (zgodnie z teorią Volkersena) nie powinno powodować dalszego zwiększania wytrzymałości połączenia klejowego. Stąd też przyjęto analitycznie określoną długość dla poszczególnych rodzajów próbek (wymiarów), stanowiąc także podstawę do dalszych planowanych rozważań projektowych. Dla blach ze stali C45 przyjęto długość wynoszącą l z = 14 mm, a dla blach ze stali Z-II/2T: l z = 16 mm. Szerokość próbek blach ze stali C45 wynosiła b = 20 mm, a Z-II/2T b = 25 mm. Podczas wykonywania połączeń klejowych przyjęto następujący sposób przygotowania powierzchni: odtłuszczanie środkiem odtłuszczającym Loctite 7063, obróbkę mechaniczną ściernym narzędziem nasypowym o ziarnistości P320, 46

3 odtłuszczanie środkiem odtłuszczającym Loctite Zastosowano dwa rodzaje klejów epoksydowych dwuskładnikowych: Loctite 9466 oraz Loctite Połączenia wykonano w temperaturze 21 0 C, przy wilgotności względnej powietrza wynoszącej 22%. Proces utwardzania przeprowadzono w wyżej wspomnianej temperaturze, a nacisk wynosił 0,064 MPa. Przyjęto, że połączenia będą sezonowane w ciągu 7 dni. Po tym czasie przeprowadzono kontrolę połączeń pod względem poprawności wymiarowo-kształtowej. Po wykonaniu pomiarów długość zakładki dla połączeń klejowych blach ze stali C45 wynosiła l z = 12,03 14,08; natomiast dla połączeń blachy Z-II/2T l z = 14,66 17,00. Połączenia poddano próbie wytrzymałościowej, podczas której otrzymano wartości sił niszczących poszczególne połączenia klejowe. Badania wytrzymałościowe przeprowadzono na maszynie wytrzymałościowej Zwick 150. Na podstawie wyników niektórych cech geometrycznych powierzchni można zauważyć znaczne różnice w wartościach parametrów chropowatości powierzchni, pomimo zastosowania takiego samego sposobu przygotowania powierzchni. Można sądzić, iż wynikają one z właściwości badanych rodzajów blach. Blacha Z-II/2T jest to blacha przeznaczona do tłoczenia, a więc prawdopodobnie charakteryzująca się większą podatnością na odkształcenia niż blacha C45, co może mieć odzwierciedlenie w wynikach chropowatości powierzchni. Siła niszcząca i wytrzymałość połączeń klejowych Przeprowadzone badania wytrzymałościowe pozwoliły na uzyskanie siły niszczącej badane połączenia klejowe. Na jej podstawie określono wytrzymałość na ścinanie rozpatrywanych połączeń klejowych. Wyniki zamieszczono na rys. 3. Charakterystyka połączeń lutowanych Do badań wykorzystano połączenia lutowane jednozakładkowe wykonane ze stali C45 i Z-II/2T, których kształt i wymiary były takie same, jak w przypadku połączeń klejowych (rys. 6). Zastosowano odtłuszczanie środkiem odtłuszczającym Loctite 7063 oraz trawienie kwasem siarkowym H 2 SO 4 w czasie ok. 1 minuty, jako sposób przygotowania powierzchni analizowanych blach. Długość zakładki połączeń lutowanych dla blachy ze stali C45 wynosiła l z = 14,50 16,12 mm, a dla blach ze stali Z-II/2T lz = 15,76 16,71 mm. Połączenia lutowane wykonano za pomocą lutownicy kolbowej 300 W ręcznej. Zastosowano topnik SW26 żywiczny, kalafoniowy aktywator halogenkowy, a do lutowania wykorzystano spoiwo lutownicze Cynel zawierające 60% cyny i 40% ołowiu o temperaturze topnienia ok. 190 o C. Po procesie lutowania, połączenia przemywano pod bieżącą wodą w czasie ok. 2 minut. Wyniki badań Chropowatość powierzchni Wyniki wybranych parametrów chropowatości powierzchni badanych próbek, które poddano określonej operacji przygotowawczej przed procesem klejenia, przedstawiono w tabeli 1. Rys. 3. Siła niszcząca połączenia klejowe: 1 stal C45, 2 stal Z-II/2T Największą siłę niszczącą otrzymano dla połączeń klejowych blachy ze stali C45 wykonanych przy użyciu kleju Loctite 9466 (6540 N), a wytrzymałość połączeń wynosiła 24,02 MPa. Zastosowanie tego kleju pozwoliło na uzyskanie większej siły niszczącej zarówno w przypadku blach ze stali C45, jak i blach ze stali Z-II/2T. Różnica wartości siły niszczącej w przypadku tego rodzaju kleju wynosi około 38%. Zauważono, że wykorzystując klej Loctite 9484 do wykonania obu połączeń, uzyskano zbliżoną wartość siły niszczącej połączenia klejowe obu materiałów. Różnica wynosi około 7% (235 N), zbliżona do wartości odchylenia standardowego siły niszczącej. W przypadku łączenia blach ze stali C45 korzystne jest zastosowanie kleju Loctite 9466 (R t = 24,02 MPa). Uzyskano dwukrotny wzrost wytrzymałości w porównaniu z klejem Loctite 9484 (R t = 11,43 MPa). Zastosowanie obu rodzajów klejów w przypadku łączenia blach Tabela 1. Parametry chropowatości powierzchni analizowanych próbek Lp. Rodzaj Parametry chropowatości powierzchni, μm materiału Ra Rz Rz maks. Sm Rp Rpk Rvk 1 Stal C45 0,33 2,61 3, ,16 0,39 0,64 2 Stal Z-II/2T 1,84 10,09 14, ,77 1,77 3,64 47

4 4/2012 Technologia i Automatyzacja Montażu ze stali Z-II/2T pozwoliło na otrzymanie wytrzymałości o niewielkich różnicach (około 1,76 MPa). Stąd też można przypuszczać, iż rodzaj kleju jest istotnym czynnikiem wpływającym na wytrzymałość połączeń klejowych blach ze stali C45. Mniejsze znaczenie ma w przypadku wykonania połączeń klejowych ze stali Z-II/2T. Niższa nośność połączeń klejowych wykonanych z blach o większej grubości może prawdopodobnie wynikać z właściwości samego łączonego materiału. Blacha Z-II/2T charakteryzuje się następującymi właściwościami mechanicznymi (PN-89/H-84023/05): R e (min) = 175 MPa; R m = 295 MPa (min), natomiast właściwości dla stali C45 wynoszą R e (min) = 600 MPa; R m = 295 MPa (min). Blacha Z-II/2T jest to materiał przeznaczony do tłoczenia, a więc jest bardziej plastyczny niż blacha C45. W związku z tym, podczas próby niszczącej ulega większym odkształceniom plastycznym niż próbki wykonane z blachy C45, zmieniając tym samym rozkład naprężeń. Siła niszcząca i wytrzymałość połączeń lutowanych Na podstawie badań wytrzymałościowych wyznaczono wartość siły niszczącej (rys. 4) oraz na jej podstawie określono wytrzymałość połączeń lutowanych badanych materiałów (rys. 5). Przedstawione wyniki uzyskano przy zachowaniu takich samych warunków wykonywania połączeń lutowanych. Może to świadczyć o tym, iż przyjęte parametry są korzystne podczas lutowania blach ze stali C45, a mniej wskazane dla blachy 08X, dla której w celu uzyskania większej wytrzymałości należy dobrać nieco inne warunki wykonywania połączeń. Różnice rezultatów badań wytrzymałościowych połączeń obu rozważanych materiałów spowodowane są przede wszystkim rodzajem materiału oraz różnicami w geometrii połączeń. W tym przypadku celem porównania było uzyskanie informacji dotyczącej rzeczywistej wartości siły niszczącej połączenia wykonane z obu rodzajów materiałów i wykorzystanie tej informacji podczas projektowania procesu technologicznego takich połączeń. Wytrzymałość połączeń klejowych i lutowanych Porównanie wytrzymałości analizowanych połączeń klejowych i lutowanych zamieszczono na rys. 6. Rys. 4. Siła niszcząca połączenia lutowane: 1 stal C45, 2 stal 08X Rys. 5. Wytrzymałość połączeń lutowanych: 1 stal C45, 2 stal 08X Otrzymane wyniki badań wskazują, że siła niszcząca połączenia lutowane ze stali C45 jest większa niż siła niszcząca połączenia wykonane ze stali Z-II/2T. Także większą wytrzymałością charakteryzują się połączenia lutowane blach ze stali C45. Wynosi ona 34,82 MPa i jest o 67% większa od wytrzymałości połączeń lutowanych blachy Z-II/2T (16,98 MPa). Rys. 6. Porównanie wytrzymałości połączeń klejowych (serie 1) i lutowanych (serie 2): a) stal C45, 2) stal Z-II/2T Rozpatrując wytrzymałość badanych połączeń, stwierdzono, że wytrzymałość połączeń lutowanych jest wyższa niż połączeń klejowych obu badanych materiałów. Różnica w wartościach wytrzymałości zarówno dla blach ze stali C45, jak i stali Z-II/2T wynosi około 40%. W przedstawionym porównaniu uwzględniono połączenia klejowe wykonane za pomocą kleju Loctite 9466, gdyż one uzyskały większe wytrzymałości niż połączenia, w których zastosowano klej Loctite Może świadczyć to o tym, iż zastosowanie technologii lutowania w przypadku podobnych materiałów pozwoli na wzrost wytrzymałości o 40% w stosunku do połączeń klejowych. Jednak takie założenie może być wykorzystane, spełniając takie same warunki techniczno-technologiczne wykonywania połączeń. Informacja ta może stanowić istotną wskazówkę podczas wstępnych analiz związanych z projektowaniem technologii łączenia badanych materiałów. 48

5 Podsumowanie i wnioski Przedmiotem przeprowadzonych badań były połączenia klejowe i lutowane dwóch rodzajów blach stalowych: C45 oraz Z-II/2T. Blachy te znajdują zastosowanie jako elementy konstrukcyjne w różnorodnych gałęziach przemysłu (m.in. samochodowym, budowlanym, maszynowym, a także lotniczym). Przeprowadzone badania dotyczyły wybranych aspektów wytrzymałości połączeń klejowych oraz lutowanych, przy czym istotnym czynnikiem był rodzaj materiału. Ponadto, rozważając rodzaj kleju zastosowanego do wykonanych połączeń klejowych, zauważono, że większą wytrzymałość można osiągnąć, stosując klej Loctite Dotyczy to zwłaszcza blach ze stali C45, dla których zauważalny jest ponaddwukrotny wzrost wytrzymałości po zastosowaniu tego kleju (R t = 24,02 MPa) niż przy użyciu kleju Loctite 9484 (R t = 10,88 MPa). W przypadku blach stalowych Z-II/2T nie jest tak istotna różnica w otrzymanych wartościach wytrzymałości połączeń wykonanych za pomocą obu analizowanych klejów. Oprócz tego można zauważyć, iż stosując klej Loctite 9484 do łączenia blach ze stali C45 oraz Z-II/2T, można otrzymać rozbieżność wytrzymałości rzędu około 20%. Stąd też potwierdzają się informacje, iż rodzaj kleju odgrywa istotną rolę podczas łączenia, jednakże wpływ ten może być różny w zależności od rodzaju materiałów, a także należy uwzględnić warunki wykonywania połączeń. Zauważono, iż znaczny wpływ na wytrzymałość połączeń odgrywa rodzaj łączonego materiału, jego właściwości mechaniczne. Większą wytrzymałością charakteryzowały się połączenia blachy ze stali C45 zarówno klejowe, jak i lutowane w odniesieniu do połączeń blach Z-II/2T. Właściwości te wpływają na odmienny rozkład naprężeń wynikający głównie z wpływu odkształcenia plastycznego, zwłaszcza w przypadku materiału przeznaczonego do tłoczenia. Ponadto większą wytrzymałość wykazały połączenia lutowane niż klejowe. Dla połączeń obu materiałów różnica ta wyniosła około 40%. Można z tego wnioskować, iż w sytuacjach, gdzie wymagana jest bardzo wysoka wytrzymałość badanych materiałów, należy zastosować połączenia lutowane, mając jednak na względzie możliwości ich wykonania. W przypadkach, gdy wymagana wytrzymałość określona jest na poziomie osiągalnym przez połączenia klejowe, można zastosować te połączenia, gdyż w tym przypadku konieczne są mniejsze wymagania związane z oprzyrządowaniem oraz przygotowaniem powierzchni (nie jest konieczne stosowanie trawienia i topników). Należy także rozważyć trudności oraz czas samej operacji wykonywania połączenia. Stąd też można zauważyć, iż konieczna jest każdorazowa analiza czynników określających korzystny rodzaj stosowanego połączenia w odniesieniu do konkretnych przypadków. Przedstawione informacje mogą mieć istotny wpływ na projektowanie technologii połączeń klejowych i lutowanych analizowanych materiałów konstrukcyjnych. 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., Kozakiewicz J., Łunarski J., Zielecki W.: Konstrukcyjne połączenia klejowe elementów metalowych w budowie maszyn. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów Praca zbiorowa pod red. Cagle a Ch. V.: Kleje i klejenie. Poradnik inżyniera i technika. WNT, Warszawa, Rutkowski A.: Części maszyn. WSiP, Warszawa (luty 2012). 5. Rudawska A., Kuczmaszewski J.: Klejenie blach ocynkowanych. Wydawnictwa Uczelniane PL, Lublin Bijak-Żochowski M., Dietrich M., Kacperski T., Stupnicki J., Szala J., Witkowski J.: Podstawy Konstrukcji Maszyn. Tom 2. WNT, Warszawa. 7. Wojewoda J., Zięba P.: Lutowanie dyfuzyjne niskotemperaturowe. I: Aspekty strukturalne. Inżynieria Materiałowa nr 1/2004. Dr inż. Anna Rudawska jest pracownikiem Katedry Podstaw Inżynierii Produkcji Politechniki Lubelskiej. Piotr Trebik jest członkiem Koła Naukowego Katedry Podstaw Inżynierii Produkcji Politechniki Lubelskiej. 49