PROBLEMY KLEJENIA KONSTRUKCYJNEGO

Transkrypt

1 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

2 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 DORAŹNEJ POŁĄCZEŃ KLEJOWYCH 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. 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 r 1 ( F ) = ( F j F n ) r 1 j= 1 gdzie: r liczba próbek, F wytrzymałość (nośność) połączenia (np. siła), F średnia arytmetyczna wytrzyma- n łości badanych próbek. Odczytanie z tablic Studenta wartości t α dla określonej liczności próby r -1 oraz poziomu istotności α pozwala obliczyć minimalną wartość współczynnika bezpieczeństwa wynikającą z czynników o charakterze losowym: Fn n = F σ t α n oraz siłę jaką moŝe być obciąŝone projektowane połączenie: F = Fn σ t α Prognozowanie wytrzymałości projektowanego połączenia klejowego bez eksperymentalnych badań na mo- 2 26

3 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 naprę- Ŝeń 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 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 CZASOWA POŁĄCZEŃ KLEJOWYCH 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, E A, E C, η B i η D współczynniki lepkospręŝystości 27

4 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). 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 temperaturze 30 o C podlegał stałym odkształceniom, gdy pełzanie tego samego tworzywa utwardzanego dwustopniowo, przy identycznym obciąŝeniu, po pewnym czasie ustało. Z badań firmy Araldit wynika, Ŝe wytrzymałość długotrwała w czasie godzin wyrobów tej firmy mieści się w granicach od 20 do 80% wytrzymałości doraźnej. Rys. 8. Porównanie wytrzymałości długotrwałej połączeń adhezyjnych wykonanych z wykorzystaniem tworzyw z grupy Araldit (czas próby h) [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 80 o C [10] 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 0,04 0,03 0,02 0,01 10MPa_30stC_utwardzany_jednos topniowo czas [h] 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

5 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. 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] Rys. 10. Względna trwałość zmęczeniowa połączeń jednozakładkowych, klejonych Epidianem 57+Z1, przy maksymalnym obciąŝeniu cyklu zmęczeniowego równym 0,5 wartości siły niszczącej [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. 29

6 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 (R t) 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. 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 30

7 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. 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 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. Mirski Z., Piwowarczyk T.: Historia klejenia od prehistorii do dzisiaj. Przegląd Spawalnictwa LXXX (2008) Godzimirski J., Kozakiewicz J., Łunarski J., Zielecki W.: Konstrukcyjne połączenia klejowe elementów metalowych w budowie maszyn. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów Czaplicki J., Ćwikliński J., Godzimirski J., Konar P.: Klejenie tworzyw konstrukcyjnych. WKŁ, Warszawa Ptakowska-WyŜanowicz H.: Klejenie metali. PWN, Warszawa Godzimirski J.: Wpływ czynników konstrukcyjnych i technologicznych na wytrzymałość połączeń klejowych. Przegląd Mechaniczny (1993) Kuczmaszewski J.: Podstawy konstrukcyjne i technologiczne oceny wytrzymałości adhezyjnej połączeń metali. Rozprawa habilitacyjna. Politechnika Lubelska, Lublin Godzimirski J.: Ocena przydatności próby na ścinanie do porównywania właściwości wytrzymałościowych klejów do metali. Polimery 28 (1983) Porębska M., Skorupa A.: Połączenia spójnościowe. PWN, Warszawa Godzimirski J., Tkaczuk S.: Numerical Calculations of dhesive joints subjected to shearing. Journal of Theoretical and Applied Mechanics 45 (2007) Rośkowicz M.: Statyczna trwałość czasowa połączeń klejowych. Przegląd Spawalnictwa (2008) Rośkowicz M.: Wytrzymałość długotrwała połączeń klejowych. Rozprawa doktorska. Wojskowa Akademia Techniczna, World Wide Design Handbook. Materiały informacyjne firmy Locite. 13. Świtkiewicz R.: Trwałość zmęczeniowa elementów o strukturze warstwowej klejonej. Rozprawa doktorska. Politechnika Warszawska, Komorek A.: Badania trwałości zmęczeniowej połączeń klejowych. Rozprawa doktorska. Wojskowa Akademia Techniczna, 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