ANALIZA WARUNKÓW GRAWITACYJNEGO WYPEŁNIANIA SZCZELIN W POŁĄCZENIACH KLEJOWO-NITOWYCH

Transkrypt

1 2/2015 Technologia i Automatyzacja Montażu ANALIZA WARUNKÓW GRAWITACYJNEGO WYPEŁNIANIA SZCZELIN W POŁĄCZENIACH KLEJOWO-NITOWYCH Anna KRAWCZUK, Józef KUCZMASZEWSKI Streszczenie Połączenia klejowo-nitowe są interesującym sposobem łączenia elementów w przemyśle maszynowym, zwłaszcza lotniczym i motoryzacyjnym. Charakteryzują się wysoką wytrzymałością i zapewniają skuteczną hermetyzację konstrukcji. Z technologicznego punktu widzenia najkorzystniejszym wariantem wykonania takich połączeń jest nitowanie, a następnie wypełnianie szczelin pomiędzy połączonymi elementami środkiem adhezyjnym. Warunkiem skutecznego kształtowania takich połączeń jest odpowiednie przygotowanie powierzchni łączonych elementów, dobór odpowiednich właściwości kleju lub uszczelniacza, zwłaszcza lepkości i tzw. czasu życia oraz wspomaganie procesu wypełnienia szczelin siłami grawitacji. W pracy podjęto próbę analizy wpływu kąta spływu środka adhezyjnego na wypełnianie szczeliny powstałej pomiędzy łączonymi elementami w połączeniu klejowo-nitowym. Pracę zakończono dyskusją wyników i wnioskami. Słowa kluczowe połączenia hybrydowe, kąt spływu środka adhezyjnego, połączenia klejowe, wytrzymałość na ścinanie Wprowadzenie Przemysł maszynowy, zwłaszcza lotniczy i samochodowy, poprzez ciągły rozwój oraz stosowanie nowoczesnych materiałów konstrukcyjnych, przyczynia się do poszukiwania innowacyjnych konstrukcji i stosowania nowoczesnych technologii. Ważne jest jednak, aby konstrukcje te cechowały się bezpieczeństwem i niezawodnością, które zależą od jakości i rodzaju materiału, stosowanych technologii, sprawności konstrukcji i innych czynników [1]. Podstawowymi materiałami stosowanymi w konstrukcjach lotniczych są kompozyty polimerowe oraz stopy aluminium. Związane jest to z właściwościami tych materiałów, przede wszystkim małą gęstością i dużą wytrzymałością, dobrą przewodnością elektryczną i cieplną oraz dobrymi właściwościami technologicznymi [2, 3, 4]. W mniejszym stopniu natomiast wykorzystywane są stale niestopowe, stopowe oraz stopy tytanu, choć w przypadku stopów tytanu, w niektórych konstrukcjach lotniczych, udział ten jest znaczący. W budowie samolotów i śmigłowców materiały łączone są z zastosowaniem różnych połączeń, tj.: klejowych, nitowych, zgrzewanych, lutowanych, spawanych, śrubowych i innych. Użycie odpowiedniej technologii łączenia wiąże się z analizą wielu czynników m.in.: wymagań eksploatacyjnych, rodzaju łączonych materiałów, wymiarów geometrycznych, umiejscowienia połączenia w konstrukcji i innych [1]. W celu zwiększenia bezpieczeństwa i trwałości konstrukcji opracowywane i stosowane są połączenia hybrydowe, które stanowią kombinację różnych technologii łączenia, np.: połączenia klejowo-zgrzewane, klejowo-nitowe itp. Zaletą stosowania dwóch różnych technologii łączenia jest otrzymywanie konstrukcji hermetycznych, charakteryzujących się wysoką wytrzymałością lub innymi cechami, będącymi efektem synergii wynikającej z łączenia cech każdego z rodzajów połączeń oddzielnie [5, 6]. Przykładem są połączenia hybrydowe klejowo-zgrzewane oraz klejowo-nitowe, które łączą w sobie zalety tych dwóch metod [7]. W pracy przedstawiono zagadnienie grawitacyjnego wypełniania szczelin w połączeniach klejowo-nitowych stopu aluminium EN-AW 5754 wykorzystywanym w przemyśle samochodowym. W ramach pracy wykonano wstępne badania doświadczalne, na podstawie których wykonano analizę wytrzymałościową połączenia. Podjęto próbę określenia wpływu kąta spływu środka adhezyjnego na wytrzymałość połączenia oraz stopień wypełnienia szczeliny powstałej między łączonymi elementami w połączeniu nitowym. Badania doświadczalne Badania doświadczalne zostały przeprowadzone na próbkach w kształcie prostokątów wykonanych z stopu aluminium EN-AW 5754, których wymiary geometryczne wynosiły: długość l = 100 mm, szerokość b = 25 mm oraz grubość łączonych próbek g = 1 mm (rys. 1). Próbki łączono z zastosowaniem połączenia jednozakładowego, którego długość zakładki wynosiła 20 mm. W próbkach wykonano otwory ø = 3,1 mm w centralnym punkcie zakładki w odległości 10 mm od krawędzi sklejenia. Próbki poddano obróbce mechanicznej polegającej na szlifowaniu włókniną ścierną o ziarnistości 280, a następnie od- 50

2 Technologia i Automatyzacja Montażu 2/2015 tłuszczaniu specjalnym środkiem odtłuszczającym Loctite Próbki zostały połączone nitem aluminiowym zrywalnym z łbem kulistym o średnicy 3,2 mm i długości 8 mm firmy TOPEX 43E301. W celu określenia wpływu kąta spływu środka adhezyjnego na wytrzymałość połączenia oraz wypełnienie szczeliny powstałej między łączonymi elementami przyjęto kąty ustawienia próbek przedstawione w tabeli 1. Po ustawieniu próbek pod określonym kątem, na krawędź zakładki, za pomocą strzykawki aplikowano klej epoksydowy. Żywicę epoksydową Epidian 57 połączono z utwardzaczem Z1 w stosunku masowym 100:10. Klej mieszano przez 2 minuty, wykorzystując mieszadło mechaniczne, którego obroty wynosiły 460 obr/min. Następnie wymieszany klej umieszczono w komorze, gdzie przy użyciu pompy próżniowej poddano go odgazowaniu przez ok. 2 min. Na krawędź zakładki każdej próbki ustawionej pod odpowiednim kątem aplikowano 0,1 ml kleju. W celu określenia wpływu kąta ustawienia próbek na wytrzymałość połączenia wykonano również 10 próbek połączonych tylko za pomocą nitu oraz 10 próbek jednozakładowych klejonych. Długość zakładki w połączeniach nitowanych oraz klejowych wynosiła również 20 mm. Próbki łączone za pomocą kleju poddano obróbce mechanicznej włókniną ścierną o ziarnistości 280. Przebywały one pod naciskiem 0,02 MPa przez 48 godzin, następnie sezonowały 168 godzin. W wszystkie próbki łączono w temperaturze pokojowej, która wynosiła 18 C ± 2 C. Rys. 1. Schemat połączenia jednozakładowego klejowo-nitowego Fig. 1. Single-lap adhesive-riveted joint geometry Rys. 2. Zamocowanie próbek w maszynie wytrzymałościowej Fig. 2. Mounting the samples in a testing machine Po utwardzeniu i sezonowaniu próbek przeprowadzono badania doświadczalne na maszynie wytrzymałościowej Zwick/Roell Z150. Badania wytrzymałościowe wykonano przy zachowaniu osiowego zamocowania próbek i równomierności obciążenia statycznego oraz zachowaniu stałej prędkości, 5 mm/min, przemieszczania się głowicy pod obciążeniem. Wyniki badań Otrzymane wyniki badań wytrzymałości na ścinanie przy rozciąganiu oraz siły niszczącej połączenia klejowo- -nitowego, nitowanego oraz klejowego przedstawiono w tabeli 2. Przedstawione wyniki pomiaru siły niszczącej są średnią wartością obliczoną po odrzuceniu dwóch skrajnych wartości dla każdego przyjętego kąta pochylenia próbek. Taką procedurę obliczania średniej siły niszczącej zastosowano również w przypadku połączeń nitowanych i klejowych. Przedstawiona w tabeli wytrzymałość na ścinanie została obliczona jako iloraz średniej siły niszczącej oraz pola powierzchni zakładki analizowanych połączeń. Tabela 1. Realizowane w badaniach kąty spływu środka adhezyjnego Table 1. Realized in experiment angles of discharge of the adhesive Kąt ustawienia próbek Materiał 30º Stop Al º Stop Al º Stop Al º Stop Al º Stop Al 5754 Przygotowanie powierzchni Liczba próbek Czas utwardzania i sezonowania 51

3 2/2015 Technologia i Automatyzacja Montażu Tabela 2. Wyniki średniej wytrzymałości na ścinanie i siły niszczącej połączenia klejowo-nitowe, nitowane oraz klejowe Table 2. The results of the average strength and destructive force adhesive-riveted, riveted and adhesive connections L.p. Połączenie Średnia siła niszcząca [N] Odchylenie standardowe [N] Wytrzymałość na ścinanie przy rozciąganiu [MPa] Odchylenie standardowe [MPa] 1. kąt ustawienia próbek ,42 289,81 4,53 0,64 2. kąt ustawienia próbek ,85 155,26 4,16 0,23 3. kąt ustawienia próbek ,60 192,94 4,22 0,41 4. kąt ustawienia próbek ,90 159,36 3,97 0,31 5. kąt ustawienia próbek ,66 199,48 4,32 0,42 6. Klejowe 2044,13 484,27 4,15 0,91 7. Nitowane 341,65 35,83 0,71 0,08 Porównanie średniej wytrzymałości na ścinanie przy rozciąganiu połączenia klejowo-nitowego, klejowego oraz nitowanego przedstawiono na rys. 3. Rys. 3. Średnia wartość wytrzymałości na ścinanie połączenia: 1 klejowo-nitowego (kąt ustawienia próbek 30 ), 2 klejowo-nitowego (kąt ustawienia próbek 40 ), 3 klejowo- -nitowego (kąt ustawienia próbek 50 ), 4 klejowo-nitowego (kąt ustawienia próbek 60 ), 5 klejowo-nitowego (kąt ustawienia próbek 70 ), 6 klejowego, 7 nitowego Fig. 3. The average value of the shear strength of the: 1 adhesive-riveted (angle of discharge of 30 ), 2 adhesive-riveted (angle of discharge of 40 ), 3 adhesive-riveted (angle of discharge of 50 ), 4 adhesive-riveted (angle of discharge of 60 ), 5 adhesive-riveted (angle of discharge of 70 ), 6 adhesive, 7 riveted Otrzymane wyniki badań wskazują, że połączenia klejowo-nitowe i klejowe charakteryzują się znacznie większą wytrzymałością niż połączenia nitowe. Porównując wyniki badań wytrzymałości połączeń klejowo-nitowych oraz nitowych, można mówić o sześciokrotnym wzroście wytrzymałości, oczywiście dla zastosowanego nitu, ten typ nitu cechuje się relatywnie niską wytrzymałością. W przypadku połączeń klejowo-nitowych oraz klejowych, ze względu na niewielkie różnice w otrzymanych wartościach wytrzymałości na ścinanie przeprowadzono analizę statystyczną otrzymanych wyników badań. Do przeprowadzenia analizy zastosowano testy istotności służące do porównania wartości średnich badanej cechy dwóch populacji generalnych. Wykorzystano test F-Snedecora-Fishera do porównania wartości wariancji w dwóch populacjach i testy t-studenta oraz Cochrana Coxa do porównania wartości średnich. Wyniki analizy statystycznej zamieszczono w tabeli 3, 4 oraz 5. Na podstawie analizy statystycznej otrzymanych wyników wartości średnich wytrzymałości na ścinanie można zauważyć, że nie mamy podstaw do odrzucenia hipotezy o równościach średnich wytrzymałości analizowanych połączeń. Na tej podstawie można sądzić, że niezależnie od przyjętego kąta ustawienia próbek otrzymamy podobne wartości wytrzymałości na ścinanie. Porównując średnie wartości wytrzymałości połączenia klejowego oraz klejowo-nitowego, również nie ma podstaw do odrzucenie hipotezy o równości średnich wartości wytrzymałości. Ten wynik wskazuje, jak ważną kwestią jest także właściwy dobór nitów. Zastosowane nity nie spełniły oczekiwań, w standardowym przypadku wytrzymałość połączeń klejowo-nitowych powinna być istotnie wyższa od wytrzymałości połączeń klejowych. Dodatkowo w celu potwierdzenia przeprowadzonej analizy wykonano jednoczynnikową analizę wariancji, której wyniki zamieszczono w tabeli 6. Obliczono również współczynnik korelacji, który osiągnął wartość na poziomie -0,

4 Technologia i Automatyzacja Montażu 2/2015 Tabela 3. Zestawienie wyników analiz statystycznych wariancji Table 3. Summary of the results of statistical analysis of variance Porównywane połączenie Obliczona statystyka F F α Wariancje Test do analizy wartości średnich Cochrana Coxa n.k.30 = n.k.40 7,88 RÓŻNE n.k.30 = n.k.50 2,52 RÓWNE t-studenta n.k.30 = n.k.60 4,27 RÓŻNE Cochrana Coxa n.k.30 = n.k.70 2,31 RÓWNE n.k.30 = k 0,50 RÓWNE t-studneta n.k.40 = n.k.50 0,32 RÓWNE t-studenta n.k.40 = n.k.60 0,54 RÓWNE t-studenta n.k.40 = n.k.70 0,29 3,79 RÓWNE t-studenta n.k.40 = k 0,06 RÓWNE t-studenta n.k.50 = n.k.60 1,69 RÓWNE t-studenta n.k.50 = n.k.70 0,92 RÓWNE t-studenta n.k.50 = k 0,20 RÓWNE t-studenta n.k.60 = n.k.70 0,54 RÓWNE t-studenta n.k.6 = k 0,12 RÓWNE t-studenta n.k.70 = k 0,22 RÓWNE t-studenta n.k.30 połączenie klejowo-nitowe, kąt ustawienia próbek 30 n.k.40 połączenie klejowo-nitowe, kąt ustawienia próbek 30 n.k.40 połączenie klejowo-nitowe, kąt ustawienia próbek 30 n.k.60 połączenie klejowo-nitowe, kąt ustawienia próbek 30 n.k.70 połączenie klejowo-nitowe, kąt ustawienia próbek 30 k połączenie jednozakładowe klejowe Tabela 4. Zestawienie wyników analiz statystycznych wartości średnich z wykorzystaniem testu Cochrana Coxa Table 4. Summary of the results of statistical analysis of average values using Cox Cochran tests Porównywane połączenia Wartości średnie Obliczona statystyka C C α wytrzymałości na ścinanie RÓWNE 2,365 n.k.30 = n.k.40 1,435 n.k.30 = n.k.60 2,082 RÓWNE Tabela 5. Zestawienie wyników analiz statystycznych wartości średnich z wykorzystaniem testu t-studenta Table 5. Summary of the results of statistical analysis of average values using t-student tests Porównywane połączenia Wartości średnie Obliczona statystyka t t α wytrzymałości na ścinanie RÓWNE n.k.30 = n.k.50 1,154 n.k.30 = n.k.70 0,768 RÓWNE n.k.30 = k 0,971 RÓWNE n.k.40 = n.k.50 0,366 RÓWNE n.k.40 = n.k.60 1,403 RÓWNE n.k.40 = n.k.70 0,949 RÓWNE n.k.40 = k 0,034 2,149 RÓWNE n.k.50 = n.k.60 1,394 RÓWNE n.k.50 = n.k.70 0,489 RÓWNE n.k.50 = k 0,204 RÓWNE n.k.60 = n.k.70 1,902 RÓWNE n.k.6 = k 0,532 RÓWNE n.k.70 = k 0,489 RÓWNE 53

5 2/2015 Technologia i Automatyzacja Montażu Tabela 6. Zestawienie wyników jednoczynnikowej analizy wariancji Table 6. Summary of the results of one-way analysis of variance PODSUMOWANIE Kąt ustawienia próbek Licznik Suma Średnia Wariancja ,22 4,53 0, ,26 4,16 0, ,74 4,22 0, ,74 3,97 0, ,55 4,32 0,18 0 KLEJENIE 8 33,17 4,15 0,82 ANALIZA WARIANCJI Źródło wariancji SS df MS F Wartość p Test F Pomiędzy grupami 1, , , , , W obrębie grup 12, , Razem 13, gdzie: SS suma kwadratów między grupami, df liczba stopni swobody, MS średnia suma kwadratów między grupami, F wartość testu, P wartość prawdopodobieństwa p, Test F wartość krytyczna. Otrzymana wartość testu F jest znacząco mniejsza od wartości krytycznej odczytanej z tablic rozkładu F-Snedecora, co potwierdza prawdziwość wcześniej przeprowadzonej analizy. Złomy badanych próbek poddano badaniom wizualnym. Na rys. 4 przedstawiono powierzchnie próbek po zerwaniu połączenia klejowo-nitowego. Analizując złomy próbek ustawionych pod kątem 40, można zauważyć, że klej pokonał całą lub prawie całą długość zakładki. W tym przypadku można mówić o największej skuteczności zwilżania próbek aluminiowych klejem epoksydowym i wypełniania szczelin powstałych w połączeniu nitowym. Przy innych kątach ustawienia próbek odcinek, jaki pokonał klej, dochodził tylko do wysokości nitu lub nie w pełni pokrył całą powierzchnię zakładki. Przy tych kątach ustawienia próbek zwilżalność jest niewystarczająca do całkowitego wypełnienia szczeliny i uszczelniania połączenia nitowanego. Zauważono rów- Rys. 4. Złomy połączenia klejowo-nitowego nachylonego pod kątem: a) 30, b) 40, c) 50, d) 60, e) 70 Fig. 4. Adhesive-riveted scraps of samples inclined by an angle of: a) 30, b) 40, c) 50, d) 60, e) 70 54

6 Technologia i Automatyzacja Montażu 2/2015 nież, że przy kątach ustawienia próbek większych niż 40 klej nie wnikał całkowicie w szczelinę pomiędzy łączonymi elementami, ale spływał po powierzchni próbek. Problem więc jest bardziej złożony i efektywne wykonanie połączeń klejowo-nitowych jest funkcją odpowiedniego doboru nitu i technologii nitowania, cech fizycznych kleju, a zwłaszcza jego lepkości oraz czasu życia i technologii klejenia. Podsumowanie i wnioski Przeprowadzone badania i analizy z nich wynikające pozwalają na sformułowanie następujących, ważniejszych wniosków: 1. Badania potwierdziły, że kąt spływu kleju w technologii grawitacyjnego zapuszczania kleju ma wpływ na skuteczność wypełnienia szczeliny, wpływ ten dla zastosowanego kleju i technologii nitowania nie jest znaczący. 2. Obserwacje złomów pozwalają na stwierdzenie, że skuteczność wypełniania szczelin zależy w istotny sposób od lepkości kleju, w analizowanym przypadku lepkość była zbyt duża. 3. Obliczony współczynnik korelacji nie wskazuje na istotny związek kąta spływu z wytrzymałością połączeń klejowo-nitowych. Należy jednak zauważyć, że na efektywność wypełniania szczelin i wytrzymałość utworzonego połączenia mogła mieć wpływ również lepkość kleju, która w tym przypadku była zbyt duża. 4. Efektywne wykonanie połączeń klejowo-nitowych jest funkcją odpowiedniego doboru nitu i technologii nitowania oraz kleju, a zwłaszcza jego lepkości. Na podstawie przeprowadzonych badań należy stwierdzić, że ostateczny efekt konstytuowania połączeń klejowo-nitowych zależy od wielu czynników. W celu przeprowadzenia pełnej analizy wpływu kąta spływu środka adhezyjnego na wytrzymałość połączenia hybrydowego należy wziąć pod uwagę również inne czynniki wpływające na wytrzymałość połączenia i wypełnienie szczeliny, tj.: przygotowanie powierzchni łączonych elementów, dobór odpowiednich właściwości kleju i innych. LITERATURA 1. Rudawska A., Cisek J., Semotiuk L.: Wybrane aspekty wytrzymałości połączeń klejowych oraz lutowanych stosowanych w konstrukcjach lotniczych. Technologia i Automatyzacja Montażu, nr 2, 2012, Wierzbińska M., Sieniawski J.: Wpływ długotrwałego wygrzewania na właściwości mechaniczne stopów aluminium AlSiCu2Mg i AlCu4Ni2Mg2. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 3/2010, Sieniawski J.: Stopy aluminium stosowane w technice lotniczej. Mechanik, nr 7, 2009, Kuczmaszewski J.: Efektywność wytwarzania elementów lotniczych ze stopów aluminium i magnezu. Materiały konferencyjne KZZ Zakopane Sadowski T., Golewski P., Kneć M.: Experimental investigation and numerical modeling of spot welding- -adhesive joints response. Composite Structures, 112/2014, Rośkowicz M., Rożek M.: Analiza trwałości zmęczeniowej połączeń mechanicznych i klejowo-mechanicznych. Technologia i Automatyzacja Montażu, nr 2, 2013, Xia Y., Zhou Q., Wang P. C., Johnson N. L., Gayden X. Q., Fickes J. D.: Development of high-efficiency modeling technique for weld-bonded steel joints in vehicle structures Part I: Static experiments and simulations. International Journal of Adhesion & Adhesives, 29/2009, Mgr inż. Anna Krawczuk studentka studiów doktoranckich na Politechnice Lubelskiej, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Eksploatacji Maszyn i Zarządzania Procesami Produkcyjnymi, Lublin, ul. Głęboka 28, anna.krawczuk@ up.lublin.pl. Prof. dr hab. inż. Józef Kuczmaszewski Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Podstaw Inżynierii Produkcji, Lublin, ul. Nadbystrzycka 36, j.kuczmaszewski@pollub.pl ANALYSIS OF GRAVITY FILLING OF SLOTS IN SPOT WELDING-ADHESIVE JOINTS Abstract Riveted-adhesive joints are an interesting connecting method of the elements in engineering particularly aerospace and automotive industries. This joints are characterized by high strength and provide effective encapsulation of structure. From a technological point of view of the preferred embodiment of such connections is riveting, and then filling the gaps between the riveted elements with adhesive. The condition for the effective formulation of such connections is proper preparation of the surface of joined elements, selection of the respective properties of the adhesive or sealant, especially viscosity and time of life and supporting the filling process with forces of gravity. The paper presents analysis of the impact of angle of discharge of the adhesive to filling the gap created between the riveted elements. The work completed discussion of the results and conclusions. Keywords hybrid joint, angle of discharge of the adhesive, adhesive joint, shear strength 55