klejenie, miedź, właściwości spoin klejowych Henryk G. SABINIAK, Maria BIŃCZYK* KLEJENIE MIEDZI W INSTALACJACH CENTRALNEGO OGRZEWANIA W artykule przedstawiona jest propozycja zastosowania technologii klejenia w procesie montażu instalacji centralnego ogrzewania z rur miedzianych. Obecność na rynku szerokiego asortymentu klejów konstrukcyjnych pozwala na podjęcie prób opracowania techniki wykonywania trwałych mechanicznie połączeń, które z sukcesem zastąpią dotychczas stosowane metody wykonawcze (lutowanie, zaciskanie, spawanie).w tekście zostały omówione właściwości klejów stosowanych w klejeniu metali, ich wady i zalety. Poświęcono uwagę na przybliżenie idei klejenia metali oraz odpowiednie przygotowanie powierzchni. 1. MIEDŹ JAKO MATERIAŁ INSTALACYJNY Miedź pośród innych materiałów stosowanych w instalacjach jest tym najbardziej szlachetnym. Za wykorzystywaniem tego materiału w instalacjach przemawia wiele jego niepodważalnych zalet, takich chociażby jak trwałość, bakteriostatyczność i estetyka. Innymi zaletami jest duża podatność na obróbkę plastyczną i wysoka wytrzymałość na rozciąganie oraz niski współczynnik chropowatości. Dodatkowo rury miedziane są szczelne i nie przenikają przez nie gazy, ani promieniowanie ultrafioletowe. Miedź uważana jest za materiał bardzo trwały (producenci szacują wytrzymałość instalacji miedzianej na około 50 lat). Dodatkowo miedź nadaje się do recyklingu, nie tworzy odpadów niebezpiecznych, a wykonana z niej instalacja może być rozbudowana nawet po upływie wielu lat bez problemów [11]. * Instytut Inżynierii Komunalnej i Instalacji Budowlanych, Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska, Politechnika Łódzka, maria.binczyk@p.lodz.pl
576 H.G. SABINIAK, M. BIŃCZYK 2. SPOSOBY ŁĄCZENIA RUR MIEDZIANYCH W INSTALACJACH Najbardziej powszechnymi metodami łączenia rur w instalacjach miedzianych są: - łączenie za pomocą złączek zaciskowych i samozaciskowych - złączki stosuje się tam, gdzie zabronione jest użycie ognia, czyli niemożliwe jest zastosowanie połączenia lutowanego. - lutowanie twarde i miękkie - najbardziej rozpowszechniony sposób łączenia miedzi, ponieważ taka technologia daje najtrwalsze połączenie. Podczas lutowania rury zawsze muszą być dobrze dopasowane oraz oczyszczone (należy usunąć wszelki zadziory i opiłki). Należy pamiętać o tym, że przegrzanie powoduje pogorszenie jakości rury (zwiększenie podatności na korozję) [10, 11]. - spawanie - jest kolejną metodą łączenia rur miedzianych. Miedź jednak jest metalem trudno spawalnym ze względu na wysoką przewodność cieplną, wynikiem czego jest utrudnione miejscowe nadtopienie miedzi podczas spawania. Dodatkowo miedź ma dużą rozszerzalność cieplną, a skurcz po procesie spawania jest źródłem naprężeń wewnętrznych i odkształceń mogących powodować pęknięcie spoin [9]. Pośród tak wielu sposobów łączenia rur miedzianych nie jest powszechne wykorzystywanie procesu klejenia. Największy rozwój technologii klejenia nastąpił w połowie XX wieku, kiedy wynaleziono tworzywa wielocząsteczkowe. Ciągły i szybki rozwój ilościowy i jakościowy klejów w kolejnych dziesięcioleciach, pozwolił na zastąpienie dotychczas stosowanych metod łączenia konstrukcyjnego takiego jak: nitowanie, spawanie, lutowanie czy nawet połączenia kształtowe, klejeniem. Dziś technologia ta stwarza nowe możliwości w zakresie projektowania i napraw, ponieważ jest jakościowo dobrą alternatywą w dziedzinie trwałego łączenia różnych elementów. Uzyskanie właściwej wytrzymałość klejonego złącza, szybkiej i sprawnej aplikacji danego kleju oraz satysfakcjonującego czasu wiązania, może usprawnić proces łączenia rur miedzianych [6, 7]. 3. PRZYGOTOWANIE RUR MIEDZIANYCH DO PROCESU KLEJENIA Chcąc uzyskać złącze o dostatecznej wytrzymałości, należy zastosować odpowiednią technologię czyszczenia i przygotowania powierzchni elementów przed klejeniem. Jest to jeden z najważniejszych aspektów klejenia wpływający bezpośrednio na późniejszą, wytrzymałość połączenia klejowego (dobre przygotowanie powierzchni zapewnia uzyskanie silnych wiązań adhezyjnych).wytyczne przygotowania powierzchni metali przed klejeniem określa PN-EN 13887:2005, definiując dokładny sposób postępowania. Polska norma dopuszcza modyfikacje powierzchni w sposób: mechaniczny (np. ścieranie), niemechaniczny (np. metoda plazmowa), chemiczny (przez zastosowanie roztworów trawiących) [12]. Sposób przygotowania powierzchni
Klejenie miedzi w instalacjach centralnego ogrzewania 577 rur miedzianych należy dobrać tak, aby uzyskać jak najlepszą wytrzymałość i szczelność złącza. Odnosząc się do opublikowanych badań określających sposób przygotowania powierzchni przy łączeniach klejowych blach ze stali odpornej na korozję [8], można założyć że podobny sposób obróbki powierzchni miedzianych też będzie właściwy. Badane powierzchnie poszczególnych blach 1 stalowych odpornych na korozję, przygotowywano na trzy różne sposoby: odtłuszczając, poprzez obróbkę mechaniczną, poprzez obróbkę mechaniczną i odtłuszczanie. Próbki poddano badaniom wytrzymałościowym na rozrywanie, a w celach porównawczych przeprowadzono też badania dla próbek, których powierzchnia nie była poddana żadnej obróbce. Wyniki badań przedstawione zostały na wykresie (rys.1.). Na ich podstawie można stwierdzić, że złącze klejowe łączące powierzchnie nie poddane żadnej obróbce ma najmniejszą wytrzymałość. W przypadku zastosowania osobno odtłuszczania i obróbki mechanicznej nie widać istotnych różnic. Natomiast największa wytrzymałością charakteryzują się próbki poddane obróbce mechanicznej i następującego po niej odtłuszczaniu [8]. Rys. 1. Wytrzymałość połączeń klejowych blach ze stali nierdzewnej po różnych sposobach przygotowania powierzchni: 1- bez przygotowania powierzchni, 2 odtłuszczanie środkiem odtłuszczającym Loctite 7063, 3 obróbka ściernym narzędziem nasypowym P320, 4 - obróbka ściernym narzędziem nasypowym P320 i odtłuszczanie środkiem odtłuszczającym Loctite 7063 [8]. Dlatego opierając się na przeprowadzanych badaniach [8], próbki rur miedzianych będą poddawane obróbce mechanicznej powierzchni i odtłuszczaniu celem usunięcia zanieczyszczeń. Obróbka ścierna miedzi będzie przeprowadzona w inny sposób niż w przypadku blach stalowych. Podyktowane jest to chęcią usprawnienia przygotowania powierzchni, a zarazem przestrzegania wytycznych zawartych w PN-EN 1 Długość próbek wynosiła 100 mm, szerokość 20 mm, grubość 1 mm, długość zakładki wynosiła 14 mm. Natomiast do odtłuszczania zastosowano środek odtłuszczający Loctite 7063 [6].
578 H.G. SABINIAK, M. BIŃCZYK 13887:2005. Obróbka mechaniczna będzie wykonywana na sucho wodoodpornym papierem ściernym pokrytym tlenkiem glinu ze stearynianem cynku tzw. ścierniwo korundowe. Ponieważ następstwem stosowania ścierniwa zawierającego żelazo jest korozja elektrochemiczna. Bez względu na wybrany sposób przygotowania powierzchni trzeba pamiętać o tym, że należy dążyć do bardzo dokładnego usunięcia zanieczyszczeń oraz do klejenia elementów w najszybszym czasie po oczyszczaniu [8, 12]. 4. KLEJ I JEGO ZASTOSOWANIE Kleje są substancjami, które mają zdolność trwałego łączenia ze sobą elementów w wyniku działania sił adhezji i kohezji. Zjawisko adhezji jest wynikiem procesów zachodzących na granicy styku dwóch faz: klej materiał klejony. Wyjaśniane jest to silnym oddziaływaniem międzycząsteczkowym między klejem, a elementem. Upraszczając możemy opisać siły adhezji, jako siły przyczepności do powierzchni. Natomiast zjawisko kohezji powiązane jest ze spójnością spoiny klejowej, będącej przejawem wzajemnego przyciągania cząsteczek spoiwa. Dlatego możemy nazwać siły kohezji siłami spoistości wewnętrznej. Dobór właściwego kleju, który zapewniłby w najlepszy sposób sklejenie wybranych materiałów jest bardzo trudny, ze względu na wiele czynników, które decydują o przebiegu procesu klejenia. Przy wyborze powinno się zwrócić uwagę na to: jaka jest postać kleju ciekła czy stała, jaki jest mechanizm wiązania spoiny oraz wytrzymałość mechaniczna połączeń, jaka jest odporność chemiczna, termiczna, starzeniowa spoiny, oraz jaki jest zakres stosowania i parametry utwardzania (czas, temperatura, naciski) [6]. Ze względu na uzyskanie odpowiedniej wytrzymałości złącza, kleje możemy podzielić na: przylepcowe (pozwalające na połączenie odwracalne dwóch elementów), montażowe (umożliwiające trwałe połączenie - nie można jednak zaklasyfikować go jako połączenia konstrukcyjnego), konstrukcyjne (pozwalające traktować sklejony element jako konstrukcję [3]. W łączeniu ze sobą rur miedzianych muszą być zastosowane kleje konstrukcyjne, tworzące spoiny o dobrej kohezji i adhezji, odporne na działanie czynników zewnętrznych oraz zdolne do przenoszenia dużych obciążeń. Dodatkowo powinny być to kleje w postaci ciekłej (łatwiejsza aplikacja i rozprowadzenie na złączu), gdzie proces wiązania zachodzi w temperaturze pokojowej (stosowanie kleju termoutwardzalnego zwiększy czas montażu). Wybranie kleju jako sposobu łączenia trwale elementów jest uzasadnione tym, iż takie połączenia mają wiele zalet do których można zaliczyć: - naprężenia w łączonych elementach są równomiernie rozłożone na całej powierzchni powstałej spoiny. Dzięki temu unika się miejscowej koncentracji na-
Klejenie miedzi w instalacjach centralnego ogrzewania 579 prężeń, jaka ma miejsce np. przy połączeniu nitowym. Dlatego przy odpowiednim sklejeniu można uzyskać równomierną wytrzymałość takiego połączenia. - rozkład naprężeń wiąże się także z tym, że lepsza jest odporność zmęczeniowa przy działaniu obciążeń wywołanych drganiami. Spoina klejona przenosi, rozprasza i pochłania naprężenia, które mogą powodować zniszczenie materiału. - kolejną ważną zaletą, zwłaszcza z punktu widzenia połączeń w instalacjach centralnego ogrzewania jest szczelność połączenia. Ponieważ spoina klejowa jest zwarta, to przy zastosowaniu odpowiedniego rodzaju kleju zapewni szczelność na połączeniach. - zaletą ekonomiczną jest zmniejszenie kosztów produkcji oraz czasu wykonania. Przy zastosowaniu odpowiedniego kleju, pracochłonność wykonania takiego połączenia może się znacząco zmniejszyć. Dodatkowo jest to o wiele bezpieczniejsze niż spawanie, czy wykonywanie połączeń lutowanych. Przy obecnym rozwoju techniki klejenia nawet czas wykonania połączenia klejowego typu złączka rura może być równie efektywny jak w procesie łączenia rur z tworzyw sztucznych [1, 6]. Rys. 2. Porównanie rozkładów naprężeń w połączeniach: a) nitowanych, b) spawanych, c) klejowych [6]. Pisząc o zaletach klejów niestety należy także spojrzeć na nie z innej strony i przedstawić ich wady. Najbardziej znaną wadą jest mała odporność spoin klejowych na zmianę temperatury. W instalacjach centralnego ogrzewania temperatura zasilania i powrotu może osiągać wartość 90 o C/70 o C. W porównaniu do temperatur na jakie narażone są połączenia klejowe stosowane np. w lotnictwie, gdzie ta technologia jest wysoko rozwinięta jest to niewiele. Jednak już niewielkie wahania temperatury +/- 20 o K, mogą powodować istotne zmiany właściwości tworzyw wielocząsteczkowych. Temperatura na wytrzymałość spoiny klejowej może wpływać w następujący sposób: - wraz ze wzrostem temperatury zmniejsza się wytrzymałość kohezyjna spoiny, co może spowodować zniszczenie sieci tworzywa,
580 H.G. SABINIAK, M. BIŃCZYK - wraz ze wzrostem temperatury spada wartość modułu sprężystości klejów. Wpływa to dodatnio na wytrzymałość spoiny klejowej w przypadku złączy obciążonych na ścinanie. Zależność wytrzymałości od temperatury takiego połączenia charakteryzuje występowanie temperatury optymalnej, w której zdolność przenoszenia obciążenia przez spoinę będzie największa. Poniżej przedstawiono wykres zależności wytrzymałości na ścinanie połączeń blach klejonych klejem Araldit 103 od temperatury, na którym widać, że dla danego badanego kleju optymalna temperatura dla pracy złącza wynosi około 0 o C. Przy wzroście temperatury już o +/- 20 o K zaczyna znacząco spadać, a dalszy wzrost powoduje ciągłe zmniejszenie zdolności przenoszenia obciążeń. Podsumowując zmiana temperatury w złożony sposób wpływa na rozkład naprężeń w połączeniach klejowych oraz ich właściwości mechaniczne, a co za tym idzie na wytrzymałość samej spoiny. Znajomość wpływu poszczególnych czynników na właściwość złącza pozwoliłaby na zaprojektowanie najbardziej optymalnego połączenia [1, 7]. Rys. 3. Zależność wytrzymałości na ścinanie połączeń klejonych klejem Araldit 103 (żywica chemoutwardzalna) od temperatury [7]. 5. CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA WYTRZYMAŁOŚĆ POŁĄCZENIA KLEJOWEGO Połączenie klejowe najlepiej przenosi obciążenia, gdy występują w nim tylko naprężenia styczne, czyli połączenie obciążone jest siłami ścinającymi. Poniżej przedstawione są połączenia tego typu, które najczęściej stosowane są w technice. Rys. 4. Modele połączeń klejowych obciążonych na ścinanie: a) zakładkowe obciążenie siłami, b) tulejowe obciążone momentem skręcającym [3].
Klejenie miedzi w instalacjach centralnego ogrzewania 581 Na wytrzymałość konstrukcyjną takiego połączenia ma wpływ wiele czynników takich jak: - długość zakładki zostało wykazane poprzez badania, że po przekroczeniu pewnej granicznej wartości długości zakładki nie wpływa na wytrzymałość połączenia (rys.6.). Długość zakładki granicznej jest funkcją modułu sprężystości podłużnej elementów klejonych i sprężystości postaciowej kleju oraz grubości elementów klejonych i grubości spoiny, dlatego dla jednakowych elementów można określić ją z zależności [2],[3]: l gr E 2G k 5 (1) k gdzie: E moduł sprężystości wzdłużnej elementów klejonych, grubość elementu klejonego, grubość spoiny klejowej, G moduł sprężystości postaciowej k spoiny klejowej. - grubość klejonych elementów z badań opisanych w [2] wynika, iż wraz ze wzrostem grubości klejonych elementów wzrasta wytrzymałość połączenia. - ukosowanie końców zakładki ponieważ maksymalne naprężenia występują w spoinie klejowej na krawędziach, to w celu zmniejszenia tych naprężeń stosuje się ukosowanie krawędzi łączonych elementów. Przeprowadzono badania [4] dla połączeń jendozakładkowch w których krawędzie zakładek ścięto pod kątem 90 o,45 o,30 o,15 o. Próbki 2 poddane zostały badaniom wytrzymałościowym na rozciąganie, stosując dla jednakową prędkość wzrostu obciążenia. Można zauważyć, że ukosowanie wpływa pozytywnie na zwiększenie wytrzymałość połączenia zakładkowego (rys.7.). Im większy kąt ukosowania tym większa wytrzymałość połączenia (tab.1.). k Tabela 1. Wpływ ukosowania krawędzi blach na wytrzymałość spoiny klejowej [4]. Kąt ukosowania krawędzi [ o ] 90 45 30 15 Wytrzymałość na rozciąganie [kn] 6,25 6,75 7,06 9,15 2 Próbki wykonano z blach o grubości mm. Użyto kleju epoksydowego Epidian 57 wraz z utwardzaczem Z-1. Próbki zostały sklejone na zakładki równe 12,5 mm. Zastosowano przyspieszenie utwardzenia spoin w temperaturze 80 o C w czasie 1 godziny.
582 H.G. SABINIAK, M. BIŃCZYK Rys. 5. Wpływ zukosowania końców zakładki na wytrzymałość połączenia zakładkowego na ścinanie [5]. Ukosowanie brzegów klejonych elementów powoduje zmniejszenie ich sztywności. Wpływa to na wzrost wytrzymałości połączenia poprzez wyrównanie rozkładu naprężeń stycznych w spoinie klejowej [5]. - sztywność materiałów klejonych badania [2] przeprowadzone na blachach stalowych wykazały, iż blachy posiadające większy moduł sprężystości przenoszą większe obciążenia. Wymienione wyżej czynniki wpływające na wytrzymałość konstrukcyjną połączeń klejowych wraz z opisanymi w artykule sposobami doboru kleju, przygotowania powierzchni i innymi aspektami przedstawiają złożoność procesu klejenia. Ilość zmiennych jest olbrzymia i dotychczas nie ma podanego jasnego algorytmu jak w prosty sposób zaprojektować złącze, które będzie pracować najlepiej w danych warunkach. Dla każdego rodzaju połączenia, które charakteryzuje się określonymi cechami geometrycznymi i materiałowymi trzeba indywidualnie dobrać technologię łączenia. Dla instalacji miedzianych nie ma jeszcze opracowanej dobrej jakościowo technologii. Wiele aspektów takich jak dobór najlepszego kleju, a co za tym idzie czas wiązania, sposób aplikacji, wytrzymałość na ciśnienie panujące w instalacji, czas trwałości złącza, grubość spoiny klejowej jest nieokreślonych i niepotwierdzonych badaniami. LITERATURA [1] CAGLE Ch.V., Kleje i klejenie. WNT, Warszawa 1977, 21-36. [2] DOMAŃCZUK J., Wpływ wybranych czynników konstrukcyjnych i technologicznych na wytrzymałość połączeń klejowych. Postępy Nauki i Techniki (2011) 10, 14-25. [3] GODZIMIRSKI J., Wytrzymałość doraźna konstrukcyjnych połączeń klejowych. WNT, Warszawa 2002, 11-12. [4] GODZIMIRSKI J., Wpływ ukosowania krawędzi klejonych elementów na wytrzymałość połączeń zakładkowych..biul.wat, Warszawa 1992, 159-166.
Klejenie miedzi w instalacjach centralnego ogrzewania 583 [5] GODZIMIRSKI J., Problemy klejenia konstrukcyjnego..technologia i Automatyzacja Montażu, Warszawa (2009) 1, 25-31. [6] ROŚKOWICZ M., Wytrzymałość długotrwała połączeń klejowych. Rozprawa doktorska. WAT Warszawa 2004, 4-10. [7] KOTLARZ W., Analiza wpływu temperatury na wytrzymałość połączeń klejowych. Rozprawa doktorska. WAT Warszawa 1996, 6-20. [8] RUDAWSKA A., Wpływ sposobu przygotowania powierzchni na wytrzymałość połączeń klejowych blach ze stali odpornej na korozję. Technologia i Automatyzacja Montażu, (2010) 3, 36-40. [9] RÓŻAŃSKI M.: Gatunki miedzi. Magazyn Instalatora, (2012) 6/7, 42-43. [10] RÓŻAŃSKI M.: Lutowalna miedź. Magazyn Instalatora, (2012) 4, 40-41. [11] WIĘCEK M.: Montaż instalacji z rur miedzianych. Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2006, 3-26. [12] PN-EN 13887:2005. Kleje do połączeń konstrukcyjnych. Wytyczne przygotowania powierzchnie metali i tworzyw sztucznych przed klejeniem. BOND OF COPPER IN CENTRAL HEATING INSTALLATIONS This article presents the proposition of applying the technology of gluing in the process of installing copper tubes of central heating systems. The abundance of constructional glues assortiment available at the market encourages to set up trials to develop mechanically durable linkage which will successfully replace currently applied methods (such as: solding, clamping, weldering). This papier discuses different types of glues used in bonding metal, their advantages and disadvantages as well as the surface's preparation methods.