WPŁYW SPOSOBU PRZYGOTOWANIA POWIERZCHNI NA WYTRZYMAŁOŚĆ POŁĄCZEŃ KLEJOWYCH NA ŚCINANIE Andrzej KOMOREK, Paweł PRZYBYŁEK Streszczenie Połączenia klejowe są często stosowane w naprawach, w tym w naprawach polowych, które mogą być prowadzone w warunkach znacznie odbiegających od normatywnych. W artykule zaprezentowano wpływ dostępnych w takich warunkach sposobów przygotowania powierzchni elementów klejonych na wytrzymałość połączeń klejowych. Badaniom ścinania połączenia przy rozciąganiu poddane zostały próbki zakładkowe wykonane ze stopu aluminiowego PA6T4 (AW2017), klejone kompozycją Epidian 57/Z1, w których powierzchnie do klejenia przygotowano 6 metodami mającymi na celu zmianę stanu powierzchni klejonych. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, iż obróbka strumieniowo-ścierna znacząco zwiększa chropowatość powierzchni, lecz nie zawsze poprawia wytrzymałość połączenia, a szorstkowanie poprzecznie do kierunku działania sił ścinających powoduje znaczną poprawę jakości połączenia przy zminimalizowaniu czasu przygotowania powierzchni. Słowa kluczowe połączenie klejowe, adhezja, chropowatość powierzchni, wytrzymałość połączenia Wstęp Połączenia klejowe są jedną z najnowszych technologii łączenia elementów konstrukcji i ze względu na liczne zalety są coraz częściej wykorzystywane przez projektantów oraz konstruktorów statków powietrznych. Połączenia klejowe są również często stosowane w naprawach, w tym w naprawach polowych, które mogą być prowadzone w warunkach znacznie odbiegających od warunków normatywnych. W publikowanych pracach [1, 2] podjęto próbę powiązania wytrzymałości połączeń klejowych z parametrami wysokościowymi chropowatości powierzchni. Stwierdzono w nich, że najlepsze właściwości wytrzymałościowe uzyskują połączenia, w których powierzchnie łączonych elementów mają chropowatość Ra = 7 25 µm. Badania zależności pomiędzy wytrzymałością połączeń klejowych a parametrami chropowatości powierzchni łączonych elementów wykazały, że wysokościowe parametry chropowatości powierzchni nie charakteryzują najlepiej stopnia rozwinięcia powierzchni [3]. W pracach [4, 5] stwierdzono, że do oceny stanu przygotowania powierzchni do klejenia powinny być wykorzystane: współczynnik długości profilu chropowatości l oraz parametry opisujące kąt pochylenia wierzchołka nierówności, między nimi występuje najmocniejszy związek korelacyjny. W artykule zaprezentowano wpływ mechanicznego sposobu przygotowania powierzchni elementów klejonych na wytrzymałość zakładkowych połączeń klejowych. Metodyka badań Badaniom poddane zostały próbki zakładkowe wykonane ze stopu aluminiowego PA6T4 (AW2017). Ocenę wpływu sposobu przygotowania powierzchni na właściwości mechaniczne połączenia klejowego prowadzono, wykorzystując badanie ścinania połączenia zakładkowego przy rozciąganiu, przy wykorzystaniu maszyny ZWICK/ROELL Z100. Powierzchnie elementów klejonych przygotowano poprzez: wyłącznie oczyszczanie benzyną ekstrakcyjną, obróbkę strumieniowo-ścierną żużlem pomiedziowym, obróbkę strumieniowo-ścierną mikrokulkami szklanymi, szorstkowanie papierem ściernym o ziarnistości 100 lub 400, polerowanie. Dodatkowo zbadano również próbki, których powierzchnie do klejenia nie zostały przygotowane żadną metodą. 43
3/2015 Technologia i Automatyzacja Montażu Spoina klejowa była kompozycją Epidian 57 + Z1, którą dodatkowo w jednej z prób poddano modyfikacji fizycznej poprzez 3% dodatek nanokrzemianu warstwowego. Żywicę z utwardzaczem mieszano w stosunku 10:1. Próbki zostały poddane utwardzaniu przez okres 1 godziny w temperaturze 60 C. Po wyjęciu z uchwytów, próbki poddano obróbce w celu usunięcia wypływek kleju. Wyniki badań Pierwsza metoda przygotowania powierzchni próbek polegała na poddaniu powierzchni obróbce wyłącznie poprzez usunięcie zanieczyszczeń powierzchniowych przy użyciu benzyny ekstrakcyjnej. Druga seria próbek nie została poddana żadnej obróbce mechanicznej czy chemicznej mającej na celu przygotowanie powierzchni do klejenia. Powierzchnie próbek nie zostały odtłuszczone oraz pozbawione zanieczyszczeń. Na powierzchni pozostawiono ślady kleju po folii ochronnej stosowanej przez producenta oraz oleisty nalot cieczy chłodzącej używanej podczas procesu laserowego wycinania formatek z arkusza blachy. Powierzchnie próbek obydwu serii zostały poddane badaniu profilometrem Mitutoyo Surftest SJ-210 i wykazały średnią wartość chropowatości Ra = 0,18 µm i 0,19 µm. Wyniki badań wytrzymałości na ścinanie połączeń, w których powierzchnie klejone nie zostały poddane żadnym zabiegom oczyszczania powierzchni lub tylko odtłuszczone, przedstawiono na rys. 1. W kolejnym etapie przygotowano i zbadano próbki, których powierzchnie klejone zostały poddane obróbkom obniżającym lub podwyższającym chropowatość ich powierzchni. Celem obniżenia chropowatości, powierzchnie próbek zostały poddane obróbce polerowania, po której wykazały średnią wartość chropowatości Ra = 0,09 µm. W celu zwiększenia chropowatości, powierzchnie próbek zostały poddane obróbce strumieniowo-ściernej żużlem pomiedziowym. Średnia wartość współczynnika chropowatości tak przygotowanych powierzchni wyniosła Ra = 4,52 µm. Druga metoda strumieniowo-ścierna została zrealizowana z użyciem regularnego, kulistego medium ściernego, jakim są mikrokulki szklane o granulacji 150 µm. Jak można zauważyć (rys. 2), struktura powierzchni po obróbce mikrokulkami szklanymi jest charakterystyczna. Wyraźnie widoczne są kuliste wgłębienia na powierzchni. Rys. 2. A Powierzchnia po obróbce strumieniowo-ściernej kulkami szklanymi, B kulki szklane (powiększenie x400) Fig. 2. A Glass beads blasted surface, B glass beads (magnification x400) Badanie profilometrem wykazało również niższą chropowatość powierzchni w stosunku do obróbki strumieniowo-ściernej żużlem, a średnia wartość chropowatości powierzchni obrabianej strumieniowo-ściernie kulkami szklanymi wyniosła Ra = 2,46 µm. Połączenia, w których klejone powierzchnie zostały wypolerowane, uzyskały średnią wartość wytrzymałości na ścinanie 2,81 MPa, natomiast połączenia po obróbce strumieniowo-ściernej żużlem pomiedziowym 11,20 MPa, a mikrokulkami 6,64 MPa (rys. 3). Rys. 1. Chropowatość powierzchni klejonych i wytrzymałość na ścinanie próbek o nieoczyszczonych oraz wyłącznie odtłuszczonych powierzchniach klejonych Fig. 1. The surface roughness and shear strength of the joints of untreated or only grease free substrates Próbki oczyszczone wykazały średnią wytrzymałość na ścinanie równą 8,65 MPa, natomiast nieoczyszczone 5,85 MPa. Przy zbliżonej chropowatości powierzchni próbek, różnica (32,4%) w wytrzymałości na ścinanie wynika z pogorszenia właściwości adhezyjnych przez zanieczyszczenia powierzchni. Jako wyniki kontrolne zostały przyjęte wartości wytrzymałości na ścinanie uzyskane w testach przeprowadzonych na próbkach poddanych jedynie przemyciu benzyną ekstrakcyjną. Rys. 3. Chropowatość powierzchni próbek oraz wytrzymałość na ścinanie przy rozciąganiu Fig. 3. The surface roughness of the samples and the shear strength of joints 44
Użycie szklanych kulek spowodowało znaczne zwiększenie chropowatości powierzchni próbek, jednak nie przełożyło się na proporcjonalny wzrost wytrzymałości połączenia. Przyczyną jest to, iż powierzchnia przygotowana w ten sposób co prawda osiągnęła większą chropowatość, ale mikrowgłębienia, które powstały po obróbce, cechują się gładkimi powierzchniami, co nie poprawia adhezji. Przełomy połączeń zostały poddane ocenie wzrokowej pod mikroskopem. Można zauważyć, że połączenie, w którym powierzchnie elementów zostały wypolerowane, wykazuje adhezyjny rodzaj zniszczenia. Połączenia, w których elementy klejone zostały poddane obróbce strumieniowo-ściernej żużlem pomiedziowym, wykazały się wysoką wartością wytrzymałości na ścinanie. W porównaniu z połączeniami o polerowanych powierzchniach, średnia wartość wytrzymałości na ścinanie wzrosła 4-krotnie. Powierzchnia przełomu wskazuje na zniszczenie adhezyjno-kohezyjne. Kolejną metodą przygotowania powierzchni była metoda szorstkowania papierem ściernym o ziarnistości 100 oraz 400. Powierzchnie zostały przygotowane zgodnie ze sposobem opisanym w PN-EN 13887 [6]. Zastosowano również modyfikację tej metodyki, przygotowując powierzchnie klejone z wykorzystaniem tylko jednego z etapów przygotowania zawartego w Polskiej Normie. Modyfikacja polegała na tym, że próbki szorstkowano wyłącznie równolegle lub prostopadle do kierunku działania siły ścinającej. Wyniki badań chropowatości i wytrzymałości na ścinanie próbek szorstkowanych papierem ściernym o ziarnistości 100 i 400 przedstawiono na rys. 4. Średnia wartość chropowatości powierzchni próbek przygotowanych papierem ściernym o ziarnistości 100 zgodnie z PN-EN 13887 wyniosła Ra = 0,54 µm, szorstkowanych wzdłużnie Ra = 0,45 µm, a szorstkowanych poprzecznie Ra = 0,56 µm. Średnia wartość chropowatości powierzchni próbek przygotowanych papierem ściernym o ziarnistości 400 zgodnie z PN-EN 13887 wyniosła Ra = 0,21 µm, szorstkowanych wzdłużnie Ra = 0,19 µm, a szorstkowanych poprzecznie Ra = 0,23 µm. Szorstkowanie papierem ściernym o ziarnistości 100 wpłynęło na zwiększenie chropowatości powierzchni około 3-krotnie w stosunku do wartości kontrolnej. Przełożyło się to jednak na relatywnie niski wzrost wytrzymałości połączenia (ok. 15%). Przygotowanie powierzchni próbek papierem ściernym o ziarnistości 400 nie wpłynęło znacznie na zmianę jej chropowatości i wytrzymałość połączenia także nie zmieniła się istotnie. Przeprowadzone badania wykazały, iż przygotowanie powierzchni wyłącznie poprzez szorstkowanie, poprzecznie do kierunku działania siły ścinającej, daje bardzo zbliżone wartości wytrzymałości jak w próbkach, w których powierzchnie przygotowane są zgodnie z całym procesem opisanym w PN. Wszystkie połączenia cechuje zniszczenie adhezyjno-kohezyjne. Badaniom poddano także próbki sklejone kompozycją Epidian 57/Z1 z domieszką nanowypełniacza montmorylonitu (MMT). Stwierdzono, iż średnia wartość wytrzymałości na ścinanie wyniosła 14,6 MPa. W porównaniu z połączeniami bez dodatku nanowypełniacza jest to wzrost wytrzymałości o ponad 3 MPa (30,3%) (rys. 5). Rys. 5. Wytrzymałość połączenia oraz chropowatość powierzchni próbek klejonych kompozycją Epidian 57/Z1 + 3% MMT Fig. 5. Strength of the joint and surface roughness of the samples glued composition Epidian 57/Z1 + 3% MMT Podsumowanie Rys. 4. Wytrzymałość połączenia oraz chropowatość powierzchni próbek szorstkowanych papierem ściernym o ziarnistości 100 lub 400 Fig. 4. Strength of the joint and surface roughness of the samples roughened grit sandpaper 100 or 400 Przeprowadzone badania doświadczalne miały na celu określenie wpływu sposobu przygotowania powierzchni na wytrzymałość doraźną połączeń klejowych. Powierzchnie badanych próbek zostały przygotowane wyłącznie w sposób mechaniczny. Dzięki temu wykazano przydatność metod, które mogłyby być wykorzystane w warunkach polowych lub warunkach ograniczonych możliwości technologicznych. 45
3/2015 Technologia i Automatyzacja Montażu W przypadku próbek polerowanych można zauważyć spadek chropowatości o ponad 50% w stosunku do nominalnej wartości chropowatości blachy. Ten zabieg pozbawił blachę nierówności, rys oraz zadrapań na powierzchni, co spowodowało zmniejszenie rozwinięcia geometrycznego powierzchni i ograniczenie możliwości wnikania kleju w nierówności materiału. Gorsze właściwości adhezyjne wykazały także próbki zupełnie nieoczyszczone. Charakteryzowały się minimalnie niższą chropowatością powierzchni, spowodowaną zanieczyszczeniami. Polerowanie lub nieusuwanie zanieczyszczeń skutkuje słabymi właściwościami adhezyjnymi powierzchni próbek, co tym samym eliminuje ich przydatność w tworzeniu połączeń klejowych. Na zwiększenie chropowatości powierzchni miało zdecydowany wpływ szorstkowanie papierem ściernym, obróbka strumieniowo-ścierna żużlem pomiedziowym oraz mikrokulkami szklanymi. Badania wykazały, iż szorstkowanie papierem ściernym o ziarnistości 100 zwiększyło chropowatość powierzchni około 3-krotnie i poprawiło wytrzymałość całego połączenia. Próbki o powierzchniach szorstkowanych papierem o ziarnistości 400 wykazały bardzo zbliżoną do próbek kontrolnych wytrzymałość spoiny. Badaniom poddano również próbki poddane szorstkowaniu poprzez wybrane etapy przygotowania powierzchni, odnosząc się do wytycznych zawartych w PN-EN 13887 [6]. Szorstkowanie poprzecznie względem kierunku działania siły niszczącej pozwala uzyskać niemal jednakowe wyniki jak przygotowanie powierzchni trzema etapami zgodnie z PN. W warunkach nieprzyjaznych lub w deficycie czasu jest to wiedza bardzo przydatna, ponieważ informuje, że wykonując zaledwie część pracy w krótszym czasie, uzyskuje się połączenia o porównywalnej wytrzymałości. Znaczny wzrost chropowatości uzyskano, poddając powierzchnie obróbce strumieniowo-ściernej mikrokulkami szklanymi oraz żużlem pomiedziowym. W pierwszej metodzie przyrost chropowatości nie przełożył się na wzrost wytrzymałości połączenia na ścinanie. Przyczyną tego zjawiska jest zmiana struktury powierzchni, która chociaż wpłynęła na zwiększenie chropowatości, to jednak nie spowodowała poprawy właściwości adhezyjnych, ponieważ kulki, uderzając w metal, wykonały na jego powierzchni szereg wgłębień o gładkiej strukturze porównywalnej z polerowaniem. W efekcie ten typ przygotowania powierzchni osłabił zdolności adhezyjne materiału i tym samym wytrzymałość połączenia. Duży wzrost chropowatości powierzchni uzyskano poprzez obróbkę strumieniowo-ścierną żużlem pomiedziowym. Doświadczalnie wykazano jednak, iż tak znaczny wzrost chropowatości nie przekłada się na równie znaczny wzrost wytrzymałości doraźnej połączenia. Ponad 20-krotny wzrost chropowatości przyniósł jedynie 30% wzrost wytrzymałości połączenia na ścinanie. Dopiero zastosowanie kombinacji tej obróbki oraz nanowypełniacza w postaci MMT spowodowało znaczny przyrost wytrzymałości (ok. 75%). Wnioski 1. Obróbka strumieniowo-ścierna znacząco zwiększa chropowatość powierzchni i w większości przypadków poprawia wytrzymałość połączenia. Istotnym elementem w obróbce strumieniowej jest medium ścierne i jego struktura. 2. Chropowatość powierzchni elementów klejonych ma bardzo istotny wpływ na wytrzymałość uzyskanych połączeń. 3. Znaczny wpływ na poprawę wytrzymałości połączenia ma szorstkowanie papierem ściernym o średniej ziarnistości zmniejszenie ziarnistości prowadzi do osłabienia adhezji. 4. Szorstkowanie poprzecznie do kierunku działania sił ścinających powoduje znaczną poprawę jakości połączenia przy zminimalizowaniu czasu przygotowania powierzchni. 5. Zmniejszanie chropowatości powierzchni prowadzi do obniżania właściwości adhezyjnych, natomiast zwiększanie chropowatości skutecznie poprawia adhezję tylko w ograniczonym zakresie. LITERATURA 1. Kestelman W. N., S. S. Negmalow, Ch. U. Sadykow. 1981. Modifizierung von Klebverbindungen. Plaste und Kautschuk (4) : 207 209. 2. Kuczmaszewski J. 1993. Wpływ sposobu przygotowania warstwy wierzchniej na wytrzymałość adhezyjnych połączeń metali. Materiały II Międzynarodowej KNT Wpływ technologii na stan warstwy wierzchniej WW 93, 405 408. Instytut Badań i Ekspertyz Naukowych IBEN Ltd., Gorzów Wielkopolski. 3. Zielecki W. 2007. Wpływ rozwinięcia struktury powierzchni na wytrzymałość zakładkowych połączeń klejowych. Technologia i Automatyzacja Montażu, (2 i 3) : 108 111. 4. Łunarski J., W. Zielecki W. 1994. Wpływ struktury geometrycznej powierzchni na wytrzymałość na ścinanie połączeń klejowych. Technologia i Automatyzacja Montażu (2) : 13 16. 5. Łunarski J., W. Zielecki. 1995. Badania zależności pomiędzy parametrami chropowatości powierzchni a wytrzymałością połączeń klejonych. Materiały Seminarium Naukowego Współzależność warstwy wierzchniej z właściwościami użytkowymi części maszyn, 45. Krasiczyn. 6. PN-EN 13887: Kleje do połączeń konstrukcyjnych Wytyczne przygotowania powierzchni metali i tworzyw sztucznych przed klejeniem, Warszawa 2005. Dr inż. Andrzej Komorek Wyższa Szkoła Oficerska Sił Powietrznych, 08-520 Dęblin, ul. Dywizjonu 303 nr 35, tel. 81 5518863, e-mail: komman@op.pl. Mgr inż. Paweł Przybyłek Wyższa Szkoła Oficerska Sił Powietrznych, 08-520 Dęblin, ul. Dywizjonu 303 nr 35, tel. 81 5517429, e-mail: sqcdr@wp.pl. 46
THE INFLUENCE OF THE SURFACE PREPARATION OF ADHESIVE JOINTS SHEAR STRENGTH Abstract Adhesive bonds are often used in the repair, including the repair field, which can be carried out under conditions much different than the normative. The performed studies aimed to determine the effect of the surface preparing method of the adhesive joints strength. In the study was investigated lap adhesive joints made with epoxy glue Epidian 57/Z1. The surfaces of the test samples were prepared only by mechanical means. This allows to demonstrate the usefulness of the methods that could be used in the field or in the conditions of limited technological capabilities. It was proved that the surface roughness of glued elements has a very significant impact on the strength of the joints, but reducing the surface roughness leads to lower adhesion properties, while increasing the roughness effectively improves the adhesion in a limited extent. Keywords adhesive joint, adhesion, surface roughness, strength of adhesive joint 47