Połączenia jednostek montażowych. Podstawy Technik Wytwarzania II dr inż. Marcin Słoma

Transkrypt

1 Połączenia jednostek montażowych Podstawy Technik Wytwarzania II dr inż. Marcin Słoma

2 Połączenia Rozłączne Nierozłączne Bezpośrednie gwintowe, rurowe, wielokątne, plastycznie odkształcane, wielowypustowe, wieloząbkowe czołowe spawane, zgrzewane, bagnetowe, wciskowe lutowane, klejone Pośrednie śrubowe, klinowe, kołkowe, sworzniowe, nitowe wpustowe

3 Kleje i taśmy klejące przemysłowe Kleje strukturalne Kleje rozpuszczalnikowe i wodne Taśmy jedno- i dwustronnie klejące Kleje termotopliwe

4 Klej - materiał niemetaliczny, który łączy w oparciu o zjawiska adhezji i kohezji. Klejenie tworzenie trwałych wiązań między łączonymi elementami po wprowadzeniu pomiędzy nie (cienkiej) warstwy substancji pośredniczącej. Proces klejenia zachodzi w wyniku różnorodnych procesów adhezyjnych: - mechanicznych - chemicznych (jonowe, kowalencyjne, wodorowe) - izycznych (van der Waalsa) - dyfuzyjnych - elektrostatycznych Istotne cechy ułatwiające powstawanie powiązań adhezyjnych to: - zdolność do zwilżania powierzchni łączonych elementów, - rozpływanie się kleju, - zdolność do dyfuzji cząsteczek kleju do struktury materiału rodzimego.

5 adhezja Elementy łączone klej /taśma kohezja adhezja

6 ADHEZJA mechaniczna zakotwiczenie kleju w nierównościach powierzchni cząsteczkowa siły przyciągania międzycząsteczkowego dyfuzja KOHEZJA siły przyciągania międzycząsteczkowego w kleju - siły spójności materiału

7 Energia powierzchniowa określa zwilżalność powierzchni. Jest to podstawowy parametr opisujący podatność materiału na klejenie. Kropla wody Materiały o wysokiej energii powierzchniowej (HSE) są łatwe do klejenia. Powierzchnia metalu Kropla wody Materiały o niskiej energii powierzchniowej (LSE) są trudne do klejenia. Powierzchnia polietylenu Struktura powierzchnia wpływa na adhezję mechaniczną gładka chropowata

8 Zalety klejenia: - łączenie materiałów różniących się budową i właściwościami (metale+gumą+ceramika...) - wytrzymałość porównywalna z innymi metodami (np. nitowe, spawane, zgrzewane) - proces niskotemperaturowy (nie zachodzą zmiany strukturalne) - największa jednorodność konstrukcyjna - estetyka konstrukcji - redukcja masy i rozmiaru elementów - zwiększenie wytrzymałości zmęczeniowej przez jednolity rozkład naprężeń - kompensować różnic w rozszerzalności cieplnej łączonych materiałów - łączenie i uszczelnianie jednocześnie, wypełnianie szczelin i nierówności - niewielki skurcz i znaczna podatność klejów, zapobiega powstawaniu naprężeń - zabezpieczenie przed korozją (także galwaniczną) - łatwość łączenia elementów o bardzo cienkich ściankach - dodatkowe właściwości izyczne warstwy pośredniej (przewodność cieplną/elektryczna) - niski koszt

9 Wady klejenia: - mała odporność w wyższych temperaturach (> 300ºC) - konieczność zachowania dużej precyzji przy łączeniu elementów - relatywnie szybkie starzenie się kleju - wysoko wykwaliikowana kadra

10 Obciążenia mechaniczne w połączenia klejonych Ścinanie przez pomiar wytrzymałości na ścinanie określa się kohezję kleju element F klej / taśma F element

11 Obciążenia mechaniczne w połączenia klejonych Rozciąganie F F

12 Obciążenia mechaniczne w połączenia klejonych Odrywanie przez pomiar wytrzymałości na odrywanie określa się adhezję kleju F

13 Obciążenia mechaniczne w połączenia klejonych Rozdzielanie F F

14 Projektowanie połączeń klejonych - połączenie powinno przenosić głównie obciążenia ścinające i ściskające (rozciągające) - należy wykorzystać możliwie maksymalną powierzchnię klejenia - uwzględnić poprawne wykonanie połączenia (nałożenie, pozycjonowanie, docisk, itp) - w miarę możliwości należy dobierać materiały podatne na klejenie - uwzględnić odpowiednie przygotowanie powierzchni (istotny wpływ na jakość połączenia!) - dobór optymalnej grubości spoiny

15 Projektowanie połączeń klejonych na zakładkę czołowe kątowe

16 Wykonanie połączenia Czynniki utrudniające klejenie materiału: - Zanieczyszczenia powierzchni: - zabrudzenia (pył, rdza, smary, tlenki...) - kondensacja pary wodnej - Warstwy zewnętrzne zmniejszające energię powierzchniową: - środki wybłyszczające lub konserwujące (woski, oleje...) - środki ułatwiające wyjmowanie elementów z formy (releasery) - Dodatki technologiczne modyikujące strukturę materiału: - wypełniacze mineralne - woski (ułatwiające wtrysk) - plastyikatory (zmiękczacze) - migracja

17 Wykonanie połączenia Przygotowanie powierzchni przed klejeniem: - czyszczenie mechaniczne (usunięcie rdzy, osadów, tlenków, itp.) - czyszczenie chemiczne (alkohole, rozpuszczalniki, detergenty) - nałożenie podkładu - aktywacja powierzchni (koronowe, płomieniowe) - trawienie (rozwinięcie powierzchni)

18 Wykonanie połączenia Parametry istotne dla procesu klejenia: - czas - nałożenie, aktywacja, utwardzenie kleju - temperatura - przyspiesza łączenie, zmniejsza lepkość, poprawia zwilżalność, przyspiesza reakcje chemiczne (zbyt mała wywołuje odwrotne reakcje) - docisk zwiększa jednorodność połączenia (wypełnienie nierówności powierzchni - płynięcie, usunięcie pęcherzy powietrza), zapewnia unieruchomienie elementów Czas, temperatura i docisk mają istotny wpływ na ostateczną wytrzymałość kleju, niezależenie od jego składu

19 Ocena wykonanego połączenia (analiza zniszczeń) Rozłączenie adhezyjne

20 Ocena wykonanego połączenia (analiza zniszczeń) Rozłączenie kohezyjne

21 Ocena wykonanego połączenia (analiza zniszczeń) Rozłączenie mieszane

22 Ocena wykonanego połączenia (analiza zniszczeń) Pęknięcie elementu

23 Klasyikacja klejów wg sposobu utwardzania

24 Kleje strukturalne Klej strukturalny (konstrukcyjny) to klej o bardzo dużej wytrzymałości mechanicznej (kohezyjnej) i/lub odporności na wiele agresywnych czynników środowiskowych. Może wytrzymywać obciążenia ścinające wyższe od 7 MPa w temperaturze pokojowej. Maksymalne uzyskiwane wytrzymałości dla klejów strukturalnych wynoszą ok. 80 MPa, wartość typowa to ok. 30 MPa. Klej strukturalny połączenie o wytrzymałości strukturalnej - wytrzymałość połączenia zależy od uzyskanej przyczepności kleju do powierzchni klejonej - wytrzymałość połączenia zależy od rodzaju klejonych materiałów - klej jest strukturalny w pewnym zakresie temperatur

25 Kleje strukturalne

26 Klasyikacja klejów zależności od pochodzenia - naturalne (np. skrobia, celuloza), - syntetyczne (np. żywice epoksydowe, poliuretany, silikony itp.). Większość obecnie stosowanych klejów, to kleje syntetyczne Klasyikacja klejów ze względu na czynnik wymuszający wiązanie - samoutwardzalne - chemoutwardzalne pod wpływem utwardzacza, najczęściej w temperaturze pokojowej - termoutwardzalne wiązanie wywołane zwiększeniem temperatury (>100ºC) - termoplastyczne ogrzane przechodzą w stan ciekły, a przy schładzaniu zastygają Klasyikacja klejów ze względu na skład i konsystencję - jednoskładnikowe - dwuskładnikowe (połączenie składników następuje bezpośrednio przed nałożeniem) - w postaci cieczy - w postaci stałej (wymagają rozpuszczenia lub stopienia)

27 Kleje reaktywne mechanizmy utwardzania Większość klejów to kleje na bazie polimerów reaktywnych. Wiązanie takich klejów odbywa się przez reakcje chemiczne (polimeryzacja, poliaddycja, polikondensacja). Sposoby utwardzania klejów reaktywnych: - reakcja anaerobowa - reakcja anionowa - system aktywacyjny - utwardzanie wilgocią - naświetlanie promieniami UV

28 Kleje reaktywne reakcja anaerobowa Kleje anaerobowe to jednoskładnikowe materiały utwardzane w temperaturze pokojowej przez odcięcie kontaktu z tlenem. Składnik utwardzający (nadtlenki) nie aktywizuje się, dopóki pozostaje w kontakcie z atmosferą. W kleju pozbawionym dopływu tlenu (montaż elementów) nadtlenki przekształcają się w wolne rodniki i utwardzanie następuje bardzo szybko, szczególnie w kontakcie z metalem (katalizator). Materiały o słabych właściwościach katalizujących wymagają zastosowania aktywatorów (dla przyspieszenia procesu). Nie ma konieczności mieszania składników ani ograniczeń czasu przydatności. Właściwości: - wysoka wytrzymałość na ścinanie - odporność na niskie (-50 C) i wysokie (+230 C) temperatury - szybkie utwardzanie - dopuszczalna duża chropowatość powierzchnia - duża odporność chemiczna - odporność na wibracje i obciążenia dynamiczne

29 Kleje reaktywne reakcja anionowa Kleje cyjanoakrylowe to jednoskładnikowe materiały utwardzane w temperaturze pokojowej w kontakcie z powierzchnią o odczynie neutralnym (woda) lub zasadowym. Następuje neutralizacja stabilizatorów i bardzo szybkie sieciowanie (sekundy). Wymiar szczeliny łączonej powinien być jak najmniejszy w celu przyspieszenia migracji granicy polimeryzacji. Najlepsze warunki utwardzania to 40-60% wilgotności otoczenia (niższe wydłużają proces, wyższe mogą negatywnie wpływać na jakość spoiny). Właściwości: - bardzo wysoka wytrzymałość na ścinanie i rozciąganie - bardzo szybki czas utwardzania - możliwość klejenia większości materiałów - dobra odporność na starzenie

30 Kleje reaktywne z aktywatorami Kleje akrylowe modyikowane to dwuskładnikowe materiały utwardzane w temperaturze pokojowej gdzie dwa materiały, klej i aktywator, nakłada się na dwie różne powierzchnie łączone, lub obok siebie na jednej powierzchni wstępnego bez mieszania. Podczas łączenia elementów wywołuje się drobne przesunięcia elementów w celu wymieszania składników. Kleje epoksydowe to dwuskładnikowe materiały utwardzane w temperaturze pokojowej (lub podwyższonej) gdzie dwa materiały, klej i aktywator (1:1), miesza się przed nałożeniem i nakłada na jedną z powierzchni łączonych. W obu wypadkach czas wstępnego wiązania to kilka-, kilkadziesiąt minut, a ostateczną wytrzymałość spoiny uzyskuje się po kilu-, kilkudziesięciu godzinach.

31 Kleje reaktywne z aktywatorami Właściwości: - bardzo wysoka wytrzymałość na ścinanie i rozciąganie - duża odporność na uderzenia (udarność) epoksydowe płynne metale - relatywnie długi czas tworzenia spoiny - szeroki zakres temperatur pracy ( C) - możliwość klejenia większości materiałów - dobra odporność na starzenie i środowisko agresywne

32 Kleje reaktywne utwardzane wilgocią Kleje silikonowe to jednoskładnikowe materiały utwardzane w temperaturze pokojowej w kontakcie z wilgocią z atmosfery. Woda jest konieczna w procesie sieciowania cząsteczek wulkanizacji. W reakcji powstają produkty uboczne (kwaśne octany, zasadowe aminy lub obojętne alkohole). Wulkanizacja przebiega od strony zewnętrznej do wnętrza szczeliny, co wpływa na czas procesu i ograniczenie wymiarów szczeliny (kilkanaście mm). Właściwości: - elastyczność i znaczna wytrzymałość - duża odporność cieplna (230 C) - dobre właściwości uszczelniające - dobra odporność na starzenie - długi czas tworzenia spoiny (dni)

33 Kleje reaktywne utwardzane wilgocią Kleje poliuretanowe to jednoskładnikowe materiały utwardzane w temperaturze pokojowej w kontakcie z wilgocią z atmosfery. Woda jest konieczna w procesie sieciowania cząsteczek grup izocyjanianowych. W reakcji nie powstają produkty uboczne. Proces przebiega od strony zewnętrznej do wnętrza szczeliny. Właściwości: - duża wytrzymałość (większa niż silikonów) - elastyczność - duża odporność na czynniki chemiczne - dobre wypełnienie szczelin

34 Kleje reaktywne utwardzane promieniowaniem UV Kleje utwardzane UV to jednoskładnikowe materiały utwardzane w temperaturze pokojowej pod wpływem promieniowania UV lub światła widzialnego. Czas utwardzania tych klejów zależy od parametrów naświetlania: rodzaju i mocy promiennika jak również od natężenia i długości fali światła UV. Najważniejszą cechą klejów UV jest bardzo krótki czas wiązania, a także możliwość aktywacji utwardzania na odległość co jest stosowane w montażu precyzyjny. W stanie płynnym monomery i fotoinicjatory nie oddziałują ze sobą. W kleju UV na bazie żywic metakrylowych promieniowanie UV powoduje rozszczepianie fotoinicjatorów, powstałe w ten sposób wolne rodniki rozpoczynają polimeryzację kleju przy odcięciu dostępu tlenu atmosferycznego. W kleju UV na bazie żywic epoksydowych promieniowanie UV powoduje rozszczepianie fotoinicjatorów, które produkują kationy, biorące udział w tworzeniu łańcuchów polimerowych epoksydu. Reakcja rodnikowa nie ma tu miejsca. Klej nawet w spoinie otwartej (w kontakcie z tlenem) utwardza się i tworzy suchą powierzchnię.

35 Kleje niestrukturalne Kleje których zadaniem nie jest przenoszenie obciążeń. Kleje termotopliwe wykonane na bazie tworzyw sztucznych termoplastycznych (EVA, PA, PP, PET) - utwardzane w procesie stygnięcia Kleje płynne (na bazie neoprenu, akrylu, nitrylu, SBR) nakładane w postaci ciekłej przy pomocy pędzla, wałka, pistoletu natryskowego, aerozolu - utwardzane głównie przez odparowanie rozpuszczalnika lub koagulację cząstek kleju. Kleje i uszczelniacze na bazie poliuretanów, kaczuków butylowych i nitrylowych, w postaci półpłynnej lub pasty utwardzane przez odparowanie rozpuszczalnika lub wilgoć.

36 Kleje niestrukturalne - termotopliwe Stopiony klej łatwo zwilża klejone powierzchnie, stygnąc tworzy warstwę klejącą. Struktura chemiczna po utwardzeniu jest taka sama jak przed topieniem. Klej można kilkukrotnie reaktywować. W postaci granulatu, wałeczków, folii.

37 Kleje niestrukturalne - płynne Kleje rozpuszczalnikowe, w których materiał bazowy jest rozpuszczony w rozpuszczalniku organicznym tworząc roztwór o jednorodnej strukturze chemicznej. Odparowanie rozpuszczalnika powoduje odtworzenie wiązań chemicznych cząsteczek materiału bazowego na powierzchni klejonej. Kleje wodne dyspersyjne, w których drobne cząsteczki kleju są jednorodnie rozproszone w wodzie (emulsja). Utwardzanie kleju następuje przez zaburzenie stabilności zawiesiny (odparowanie wody, zmiana ph, wprowadzenie sił ścinających,..) i doprowadzenie do koagulacji cząsteczek kleju na powierzchni klejonej.

38 Klejenie przy użyciu rozpuszczalników Proces sklejania przebiega w sposób odmienny od wcześniej opisywanych. Rozpuszczalnik narusza stabilną i wysycaną strukturę warstwy wierzchniej łączonych materiałów. Otwiera w ten sposób możliwość powstawania bezpośrednich wiązań między łączonymi ciałami. Po odparowaniu rozpuszczalnika powstaje trwałe połączenie. Proces zbliżony do spawania (bez udziału temperatury) Problem przy odparowaniu rozpuszczalnika (łączenia krawędziowe)

39 Taśmy klejące - systemy klejące nieutwardzające się - wymagają odpowiedniego docisku w celu związania PSA (pressure sensitive adhesive) - klejące w temperaturze pokojowej lub w podwyższonych temperaturach - wstępne związanie uzyskane jest natychmiast, wytrzymałość połączenia narasta z czasem - z klejem akrylowym, kauczukowym lub silikonowym Jednostronnie klejące Dwustronnie klejące - nośnik powleczony klejem z jednej strony - nośnik powleczony z obu stron klejem - do maskowania, zabezpieczania, znakowania... - do łączenia elementów - dostarczane w postaci rolki - dostarczane w postaci rolki lub arkusza - mogą mieć osłonę (tzw. liner) - konieczna jest osłona (liner)

40 Taśmy klejące Typowe zastosowania w elektronice: - produkcja klawiatur membranowych (błony klejowe, folie dystansowe) - montaż radiatorów (błony klejowe przewodzące ciepło) - łączenie obwodów drukowanych (błony klejowe przewodzące prąd w osi Z) - ekranowanie (błony klejowe przewodzące prąd w osiach XYZ) - wyświetlacze ciekłokrystaliczne (błony klejowe optycznie przezroczyste)

41 Taśmy dwustronnie klejące piankowe - zapewniają grube połączenie przy niedopasowaniu powierzchni klejonych elementów (odchyłka kształtu, duże wymiary, chropowatość) - pozwalają w szerszym zakresie na wzajemne ruchy sklejonych elementów (drgania, rozszerzalności, itp.) - lepiej uszczelniają połączenie - do zastosowań wewnętrznych - do obciążeń statycznych - pianki: PU, PE, neopren, winyl - pory zamknięte lub otwarte - z klejem akrylowym lub kauczukowym - niska wytrzymałość kohezyjna pianki mocowanie luster, lekkich stojaków reklamowych, tabliczek, itd

42 Taśmy dwustronnie klejące piankowe VHB VHB Very high Bond - bardzo wysoka wytrzymałość i trwałość pianki - materiał jednorodny z punktu widzenia przenoszenia obciążeń - zdolność pochłaniania energii i drgań (obciążenia dynamiczne) - relaksacja długotrwałych naprężeń statycznych (brak naprężeń w połączeniu) - spieniony klej akrylowy - wiskoelastyczne "płynięcie" materiału (zmniejszenie naprężeń) VHB taśma z pianki PE po 4 h ciągłego obciążenia statycznego

43 Taśmy dwustronnie klejące piankowe VHB

44 Klejenie konstrukcyjne Rodzaje połączeń W roku 1942 zastosowano klej fenoloformaldehydowy w przemyśle lotniczym (do łączenia części metalowych) Redux 775. Dodatkiem były proszek metylalu poliwinylowego (podnosi wytrzymałość kleju i odporność na czynniki środowiskowe). Klej stosowany był do budowy samolotów Fokker 100 do 1997r. W 1946 irma CIBA wprowadza na rynek kleje epoksydowe do montażu elementów metalowych (także stosowane w produkcji samolotów).

45 Klejenie konstrukcyjne Rodzaje połączeń 1947 Hughes H-4 Hercules (Świerkowa Gęś, Latający Tartak) amerykańska łódź latająca zaprojektowana jako samolot transportowy do przewozu 750 w pełni uzbrojonych żołnierzy lub dwóch czołgów typu M4 Sherman. Największy samolot konstrukcji drewnianej jaki kiedykolwiek powstał.

46 Klejenie konstrukcyjne Rodzaje połączeń 1950 klejony most nad kanałem Lippe Seiten koło Marl w Niemczech. Użytkowany do 2001 bez uszkodzeń. W 1963 powstał kolejny most nad tym samym kanałem. W kolejnych latach klejenie było wypierane przez takie techniki jak spawanie i zgrzewanie.

47 Klejenie konstrukcyjne Rodzaje połączeń Henkel - Lotnictwo W segmencie obejmującym technologie montażowe struktur plastra miodu oraz metalu, Henkel oferuje folie do klejenia metalu stosowane do klejenia oryginalnej konstrukcji oraz do napraw, które spełniają wszystkie główne wymagania przemysłu lotniczego i astronautycznego, wzmocnione kleje o konsystencji pasty stosowane do klejenia, zalewania i wypełniania oraz folie i pasty syntaktyczne, jak na przykład rozszerzające się folie epoksydowe do wytrzymałych wypełnień rdzenia lub zaklejania krawędzi struktury plastra miodu. Henkel oferuje także pasty syntaktyczne do wypełniania krawędzi, wzmacniania elementów mocujących oraz wygładzania powierzchni aerodynamicznych. Kleje o konsystencji pasty do montażu elementów metalowych Hysol: EA 9309NA, EA 9360, EA Folie klejowe Hysol: EA 9628, EA wysoka temperaturą szklenia, do anodyzowanego aluminium do aplikacji na aluminium, stali nierdzewnej, tytanie Wysokie temperatury do montażu gondoli silnikowej w samolotach (Airbus czy Boeing.) Kleje foliowe Hysol: EA 9657, EA 9689, EA Materiały te działają w temperaturze 177 C przez tysiące godzin, nieulegające degradacji termicznej.

48 Klejenie konstrukcyjne Rodzaje połączeń Płyty ażurowe stalowe klejone jako alternatywa do spawanych (uniknięcie zjawisk zmęczeniowych wywołanych spawaniem).

49 Klejenie konstrukcyjne Rodzaje połączeń Klejenie więcej uczyniło dla lotnictwa, niż jakakolwiek inna technologia. Bez niego niektóre konstrukcje w ogóle by nie mogłyby powstać (na przykład AN-124 Rusłan, przenoszący około 150 ton ładunku przy masie własnej 177 ton). Ograniczeniem nie była moc silników, ale zachowanie sztywności i wytrzymałości kadłuba przy tak wielkich rozmiarach i masie. Podobnie AN-225 Mrja

50 Klejenie konstrukcyjne Rodzaje połączeń Airbus A-380 (masa startowa 560 ton). Na konferencji Swissbonding w Rapperswil podczas prezentacji o A-380 padły słowa: Pragnę pokazać kilka problemów związanych z konstruowaniem samolotu A-380, gdzie nawet klejenie nie pozwala na otrzymanie pożądanej wytrzymałości złącza.

51 Klejenie konstrukcyjne Rodzaje połączeń Kompozytowy Lexus LFA BMW X6 Mini

52 Klejenie konstrukcyjne Rodzaje połączeń Klejenie szyb samochodowych Szkło konstrukcyjne - pancerne

53 Klejenie konstrukcyjne Rodzaje połączeń Budownictwo

54

55

56 Klejenie konstrukcyjne Rodzaje połączeń Najczęstsze problemy w technice klejenia - nieoczyszczone powierzchnie - źle przeprowadzony proces (czas, temperatura, docisk) - słaba jakość kleju - zła konstrukcja złącza - źle dobrany klej

57 Klejenie konstrukcyjne Rodzaje połączeń YT - Loctite Super Glue breaks a World Record! Loctite Super Glue - Klej Cyjanoakrylowy. Rekord Guinnessa podniesienie 5t ładunku na 9 kroplach kleju.