Klejenie Wprowadzenie Klejenie jest nowoczesną technologią łączenia elementów maszyn. Rozwój tej technologii jest związany z produkcją coraz to nowych klejów o znacznie lepszych własnościach oraz z rozwojem badań wyjaśniających własności klejów i połączeń klejonych. Klejenie następuje dzięki dwóm podstawowym zjawiskom fizycznym: adhezji kohezji 1
Wprowadzenie Adhezję właściwą stanowią siły przyciągania między cząsteczkami dwóch różnych ciał, zwane siłami Van der Vaalsa. Siły te działają powierzchniowo do 1 mm w głąb materiału. Dlatego kleje muszą bezwarunkowo zwilżać całą łączoną powierzchnię. Wiąże się z tym pojęcie adhezji mechanicznej, gdzie ciekły klej, charakteryzujący się niską lepkością, wypełnia nierówności powierzchni materiału i zakotwicza się w nich. Daje to zwiększenie własności mechanicznych połączeń klejonych. Wprowadzenie Kohezja - to siły spójności między cząsteczkami tego samego materiału, w tym przypadku kleju. W dobrym połączeniu klejonym siły adhezji i kohezji powinny być mniej więcej jednakowe. Smoła, wosk i kalafonie dobrze zwilżają powierzchnie łączone, ale ich kohezja jest niska, więc jako kleje nie są wytrzymałe mechanicznie. 2
Wprowadzenie Zwilżanie następuje wtedy, gdy krytyczna energia powierzchniowa kleju jest równa lub mniejsza od analogicznej energii klejonego materiału. Dlatego bardzo trudne jest klejenie tworzyw sztucznych o wysokiej energii powierzchniowej (np. teflonu, polietylenu). Klejenie jest obecnie bardzo szeroko stosowaną technologią łączenia, która ma największą przyszłość np. w przemyśle samochodowym: każdy nowoczesny samochód zawiera w połączeniach ok. 8 kg kleju. Dzięki temu uzyskuje się lżejszą, bardziej dźwiękochłonną i odporną na korozję konstrukcję nadwozia. Często połączenia klejone wykonuje się jako tzw. połączenia wspólne, kombinowane z połączeniami zgrzewanymi lub śrubowymi. Wprowadzenie Do zalet połączeń klejonych zaliczyć można: 1. łączenie materiałów o odmiennym składzie i właściwościach, np.: metal - szkło, guma - drewno, tworzywa sztuczne - metal; 2. równomierne (w odróżnieniu od połączeń śrubowych lub nitowanych) obciążenie złącza; 3. brak strefy wpływu ciepła (w odróżnieniu od połączeń spawanych); 4. minimalne naprężenia i odkształcenia w złączach; 5. uszczelnienie połączeń i ochrona przed wnikaniem wilgoci i powstawaniem korozji; 6. przejmowanie przez warstwę klejoną reakcji wynikającej z różnej rozszerzalności liniowej klejonych materiałów. 3
Wprowadzenie Wadami połączeń klejonych są: 1. ograniczona odporność na działanie wysokich temperatur powyżej 573 K (300 C); 2. niska wytrzymałość mechaniczna połączeń (wytrzymałość na ścinanie nie przekracza 30 MPa); 3. długi czas wiązania; 4. ograniczona przydatność składowanych klejów (do 12 mies.) Wprowadzenie Konstrukcja połączenia klejonego to przede wszystkim złącze zakładkowe o dużej powierzchni łączenia, pracujące na ścinanie. Używane przy spawaniu złącza doczołowe tutaj nie mają zastosowania. Bardzo niekorzystne jest działanie karbu na połączenia klejone i oddzieranie jednego z łączonych materiałów od drugiego. Istotną rolę, podobnie jak przy lutowaniu, odgrywa szczelina między łączonymi elementami. Optymalna jej wielkość powinna wynosić 0,03-0,05 mm, zależnie od rodzaju kleju (przy klejach epoksydowych do ok. 0,1mm). 4
Wprowadzenie Przy zwiększaniu szczeliny wytrzymałość mechaniczna połączenia klejonego spada. Znane są jednak uszczelnienia (takie jak MS-polimery) o własnościach elastycznych, spełniające rolę klejów, którymi wykonuje się połączenia o grubości kilku milimetrów. Wprowadzenie Bardzo istotne są własności powierzchni materiałów klejonych i ich odpowiednie przygotowanie. Przez właściwe przygotowanie powierzchni łączonych materiałów można nawet 4-krotnie zwiększyć wytrzymałość mechaniczną połączeń klejonych. Odpowiednią chropowatość powierzchni metali uzyskuje się przez trawienie chemiczne i elektrolityczne. Niezbędne jest odtłuszczanie powierzchni materiałów bezpośrednio przed klejeniem. Nie zaleca się stosowania rozpuszczalników wodnych, zawierających środki konserwujące i antykorozyjne, ponieważ mogą one zmniejszyć adhezję kleju do łączonej powierzchni. Powszechnie stosowane jest odtłuszczanie w wannach ultradźwiękowych lub kąpielach alkoholowych. Z niektórych tworzyw sztucznych oraz gumy muszą być usunięte warstwy prasowane i wulkanizacyjne. 5
Wprowadzenie Duży wpływ na jakość klejenia mają warunki, w których ono następuje. Towarzysząca mu temperatura powinna wynosić co najmniej 278K (5 C). Aktywatory przyśpieszające wiązanie kleju zwykle obniżają wytrzymałość mechaniczną połączeń. Zmienne obciążenia, zwłaszcza dynamiczne, obniżają wytrzymałość połączeń klejonych 2-5 razy w porównaniu z obciążeniem statycznym. Klasyfikacja klejów Najczęściej stosowaną klasyfikacją klejów jest podział uwzględniający ich budowę i sposób utwardzania. I tak, rozróżniamy kleje: 1. polichloroprenowe, 2. cyjano-akrylowe, 3. anaerobowe, 4. dyspersyjne (wodne), 5. termoplastyczne (topliwe) 6. epoksydowe. 6
Klasyfikacja klejów Kleje polichloroprenowe to typowe kleje kontaktowe, oparte na rozpuszczalnikach, takich jak benzyna, ketony i estry. Nanosi się je na łączone powierzchnie i tak długo trzyma, aż rozpuszczalnik odparuje (ok. 10 min). Po sprawdzeniu, że klej się nie ciągnie, łączone elementy składa się pod naciskiem. Nie można już wtedy zmieniać ich położenia, gdyż połączenie od razu zyskuje 70% całkowitej wytrzymałości mechanicznej. Kleje tego rodzaju służą do klejenia gumy, skóry, twardego PCW i innych tworzyw sztucznych. Typowym klejem tej grupy jest butapren. Klasyfikacja klejów Kleje cyjanoakrylowe utwardzają się bez rozpuszczalnika. Są przezroczyste. Produkuje się je w postaci ciekłej lub żelu. Mają bardzo krótki czas wiązania. Wiążą, pochłaniając wilgoć z powietrza. Kleje te nazywane są sekundowymi. Można kleić nimi małe powierzchnie - do 1 cm 2, a połączenia są nieodporne na działanie wody. Zalicza się do nich np. cyjanopan. 7
Klasyfikacja klejów Kleje anaerobowe utwardzają się wtedy, gdy następuje odcięcie ich od dostępu powietrza. Dlatego też są stosowane do zabezpieczania połączeń śrubowych, kołkowych, piast z wałem itp. W zależności od rodzaju kleju uzyskuje się połączenia rozłączne lub nie przeznaczone do demontażu. Klasyfikacja klejów Kleje dyspersyjne to żywice sztuczne, zdyspergowane w wodzie. Najczęściej występują w kolorze białym, po utwardzeniu stają się przezroczyste. Elementy klejone po naniesieniu kleju łączy się na mokro, a przynajmniej jeden z materiałów musi być porowaty, aby wchłaniał wodę. Elementy są zawsze ustawione względem siebie pod naciskiem (np. prasy). Są to kleje ekologiczne, nie zawierające trujących rozpuszczalników. Służą do łączenia tworzyw sztucznych, gumy, skóry, papieru, drewna itp. Należy do ich grupy wikol i kleje introligatorskie. 8
Klasyfikacja klejów Kleje termoplastyczne są to kleje, które pod wpływem podwyższonej temperatury 373-473 K (100-200 C) miękną i zostają doprowadzone do stanu ciekłego. Po naniesieniu stygną, natychmiast osiągając pełną wytrzymałość mechaniczną. Stosowane są do klejenia różnego rodzaju opakowań. Klasyfikacja klejów Kleje epoksydowe przeznaczone są do łączenia metali. Występują jako 1- i 2- składnikowe. Kleje 1- składnikowe stosowane są przeważnie w przemyśle samochodowym. Utwardzają się w temperaturze powyżej 393 K (120 C). Bardziej znane i częściej stosowane są kleje 2-składnikowe, oparte na żywicy epoksydowej i utwardzaczu. Polimeryzacja następuje po 2 godzinach od przygotowania mieszaniny. Przedstawicielami tej rodziny są: distal i kleje epidianowe. 9
Klasyfikacja klejów Nie ma kleju uniwersalnego do klejenia wszystkich materiałów. Klejenie metali różni się zasadniczo od klejenia gumy czy drewna. Przemysł oferuje obecnie produkty specjalistyczne, które wykraczają daleko poza to, czego spodziewano się po klejach. Produkty te są absolutnie pewne - pod warunkiem jednak ich odpowiedniego stosowania. Przygotowanie do klejenia powierzchni metalu Powierzchnie klejone powinny być bez ciał obcych i jednorodne. Powierzchnie pokryte smarem lub w jakikolwiek inny sposób zanieczyszczone nie nadają się do klejenia. Przygotowanie powierzchni stali do klejenia polega na mechanicznym oczyszczeniu powierzchni za pomocą szlifowania na szlifierce lub za pomocą piaskowania. Jako operację końcową stosuje się zwykle odtłuszczanie w ciekłym trójchloroetylenie lub w jego parach. Jeżeli powierzchnia jest ogrzewana w czasie nakładania kleju, to wystarczy samo odtłuszczanie. 10
Przygotowanie do klejenia powierzchni metalu Jako środki obróbki chemicznej stosuje się również krótkotrwałe kąpiele w stężonym roztworze amoniaku, po którym następuje przemywanie wodą i suszenie w piecu. Przygotowanie powierzchni stopów aluminium polega przeważnie tylko na chemicznym oczyszczeniu. Powierzchnie miedzi i jej stopów mogą być przygotowane mechanicznie i chemicznie. Przygotowanie do klejenia powierzchni metalu Przygotowanie powierzchni zapewniające największą wytrzymałość na ścinanie połączeń klejonych składa się z następujących operacji: odtłuszczanie w parach trójchloroetylenu w ciągu ok. 5 minut, odtłuszczanie w specjalnym ciekłym rozpuszczalniku w ciągu ok. 20 minut, płukanie w zimnej wodzie ok. 5 minut, trawienie w temperaturze 60 C w roztworze o składzie: 27,3 części (masy kwasu siarkowego, 7,5 części dwuchromianu sodowego, 65,2 części wody, płukanie w wodzie o temperaturze nie wyższej niż 65 C w ciągu ok. 5 minut suszenie gorącym powietrzem w ciągu ok. pół godziny. 11
Przygotowanie masy klejącej Do klejenia części metalowych używa się różnego rodzaju żywic termoutwardzalnych lub termoplastycznych. Większość klejów znajdujących się w handlu wymaga przed użyciem przygotowania. Polega ono na rozpuszczeniu suchego kleju w rozpuszczalniku lub podgrzaniu do temperatury, w której staje się on ciekły. Kleje utwardzalne, mając zwykle konsystencję ciekłą, łączy się z substancją utwardzającą. Kleje dwuskładnikowe o konsystencji ciekłej nie wymagają uprzedniego przygotowania, gdyż na łączone części nanosi się je oddzielnie. Po dociśnięciu części do siebie składniki te tworzą właściwą masę klejącą. Przygotowanie masy klejącej Dla każdej odmiany kleju producent określa sposób i warunki przygotowania masy klejącej, których dotrzymanie zapewnia uzyskanie dobrego połączenia. Pamiętać należy, że kleje wykazują dobre własności klejące tylko w pewnym okresie, zwanym trwałością. Trwałość klejów w postaci handlowej wynosi kilka miesięcy, a przygotowana z nich masa klejowa wykazuje własności klejące w czasie od kilku minut do kilku godzin. 12
Proces klejenia Proces klejenia metali składa się z dwu operacji: 1. naniesienia kleju na powierzchnię elementów łączonych, 2. dociśnięcia klejonych powierzchni do siebie i utrzymania docisku, aż do doprowadzenia lepkiej masy kleju do postaci nieodwracalnie utwardzonej. Proces klejenia Klej na powierzchnie łączone nanosi się za pomocą pałeczki szklanej, pędzla lub pistoletu natryskowego. Powierzchnię najczęściej pokrywa się dwiema warstwami. Ilość nałożonego kleju decyduje o wytrzymałości połączenia klejonego. Zbyt mała ilość kleju powoduje obniżenie wytrzymałości połączenia klejonego. Przed sklejeniem części należy pamiętać o wstępnym podsuszeniu warstwy naniesionego kleju do stanu największej przylepności. Po ustawieniu i dociśnięciu sklejanych elementów należy uniemożliwić ich wzajemne przesuwanie się. Proces sklejania (utwardzania klejów) jest zależny od temperatury, ciśnienia i czasu, dlatego często klejenia dokonuje się na prasach. 13
Proces klejenia Utwardzanie warstwy klejowej w złączu zależy w znacznej mierze od kształtu klejonych części. Najprościej proces ten przebiega, gdy mamy do czynienia z klejem utwardzalnym w temperaturze pokojowej i bez udziału ciśnienia. W tym przypadku do prawidłowego sklejenia części płaskich wystarczy zastosowanie zwykłych zacisków lub belek dociskowych. Elementy łączone uważa się za sklejone wówczas, gdy klej dobrze stwardnieje. Należy przestrzegać ściśle czasu wymaganego do utwardzenia, który jest dla każdego kleju ściśle określony i podany w opisie używania kleju. Dopiero po upływie tego czasu można użytkować element klejony. Proces klejenia Oczyszczanie sklein może się odbywać po stwardnieniu wycieków które tworzą się w obszarze skleiny powinno się usunąć je przed utwardzeniem kleju za pomocą tkaniny zwilżonej w odpowiednim rozpuszczalniku. Po utwardzeniu wycieku operacja usuwania nadmiaru kleju jest utrudniona, gdyż stosowane w tym celu metody mechaniczne (skrobanie, piłowanie, piaskowanie) są uciążliwe. W celu ułatwienia mechanicznego oczyszczania sklein można stosować zmiękczenie wycieków kleju za pomocą roztworów alkalicznych lub specjalnych rozpuszczalników produkowanych przez wytwórnie klejów. Ze względu na pracochłonność usuwania wycieków kleju masy klejowe należy nakładać na powierzchnie łączonych elementów oszczędnie, aby nie dopuścić do powstawania dużych wycieków. Jednocześnie należy zważać na to, aby nie pozostawiać miejsc nie pokrytych masą klejową. 14
Proces klejenia Próbki bardziej odpowiedzialnych połączeń klejonych poddaje się badaniom wytrzymałościowym. Jakość klejenia zależy od kontroli dokonywanej w każdym etapie cyklu produkcyjnego. Kontrola wstępna ma miejsce w czasie przyjmowania i przechowywania kleju w magazynie. Kontrola podczas klejenia polega na sprawdzeniu jakości przygotowanej powierzchni i ścisłym przestrzeganiu warunków klejenia oraz na przygotowaniu próbek kontrolnych z zachowaniem tych samych parametrów klejenia i warunków pracy. Kontrola końcowa polega na kontroli gotowego zespołu. W przypadku wykonywania lub naprawy zbiorników metodą klejenia kontrola polega również na sprawdzaniu ich szczelności. Zasady bezpiecznej pracy podczas klejenia Wszystkie operacje w procesie technologicznym klejenia należy wykonywać w rękawicach gumowych, w fartuchu szczelnie przylegającym do szyi i przegubu rąk. Wskazane jest pokrywanie skóry rąk, szyi i twarzy kremem ochronnym. Gdy podczas klejenia ma się do czynienia bezpośrednio z odczynnikami chemicznymi, to należy używać okularów ochronnych. Szczególną uwagę należy zachować przy posługiwaniu się trójchloroetylenem (szkodliwym dla zdrowia); w tych przypadkach należy pracować przy włączonych wentylatorach i wyciągach. 15
Zasady bezpiecznej pracy podczas klejenia W pomieszczeniach, w których dokonuje się klejenia, istnieje duże zagrożenie pożarowe i dlatego nie wolno w tych pomieszczeniach palić papierosów ani używać otwartego ognia. Pomieszczenia te powinny być starannie wietrzone. 16