WPŁYW SPOSOBU PRZYGOTOWANIA POWIERZCHNI NA WYTRZYMAŁOŚĆ POŁĄCZEŃ KLEJOWYCH BLACH ZE STALI ODPORNEJ NA KOROZJĘ Anna RUDAWSKA Technologia klejenia wykorzystywana jest do łączenia materiałów o specyficznych właściwościach, z których wykonywane są elementy o różnorodnych kształtach lub też znajdujących się w różnych miejscach konstrukcji. Za pomocą klejenia można łączyć elementy o niewielkich rozmiarach lub o skomplikowanych kształtach, czasami trudne do połączenia za pomocą innej technologii, z uwagi np. na brak dostępu lub ograniczenie miejsca w analizowanej konstrukcji. W niektórych przypadkach klejenie jest konkurencyjną metodą wykonywania połączeń ze względu na liczne zalety [1 4], wśród których można wymienić możliwość połączenia różnego rodzaju materiałów, w tym m.in. możliwość uniknięcia korozji elektrochemicznej, otrzymanie lżejszej konstrukcji w porównaniu z innymi technologiami, czy też uzyskanie równomiernego rozkładu naprężeń (rys. 1) w porównaniu z innymi rodzajami połączeń, np. nitowymi czy spawanymi [4]. ŁĄCZENIE BLACH ZE STALI NIERDZEWNEJ Jedną z metod łączenia blach ze stali odpornej na korozję jest spawanie [7, 8], które należy do najpowszechniej wykorzystywanych metod łączenia stali nierdzewnej, chociaż nie wszystkie gatunki tej stali mogą być łączone w procesie spawania [8]. Analizowany materiał ze względu na swoją strukturę i skład chemiczny jest trudny do spawania, ponieważ pod wpływem wysokiej temperatury ulega znacznym odkształceniom. Problem ten występuje zwłaszcza w przypadku blach (lub też elementów) o niewielkiej grubości, gdzie przy krawędziach łączonych elementów można zaobserwować zmiany wymiaru wywołane skurczem spoiny. W przypadku łączenia blach, najczęściej o niewielkiej grubości i dużej powierzchni, przy spawaniu ciągłym można zauważyć pofalowanie powierzchni blach w pobliżu spoiny. Inny problem występuje przy spawaniu łukowym elektrodą nietopliwą w osłonie gazu obojętnego, gdzie konieczne jest zastosowanie od strony grani tzw. poduszki gazowej [7, 9]. W przypadku dużych płaskich powierzchni lub też w konstrukcjach, w których brak jest dostępu z drugiej strony łączonych materiałów, zastosowanie wspomnianej metody spawania jest niezwykle trudne i kosztowne. Przykład połączeń spawanych, w których nie istniała możliwość zastosowania osłony gazowej od strony grani, przedstawiono na rys. 2 [9]. Brak takiej osłony spowodował utlenienie się przetopu, a taka sytuacja całkowicie dyskwalifikuje tak wykonaną spoinę. Rys. 1. Porównanie rozkładów naprężeń w połączeniach: a) nitowanych, b) spawanych, c) klejowych Projektując lub też dobierając technologię wykonywania połączeń, należy dokonać szczegółowej analizy zarówno zalet, jak i pewnych ograniczeń rozpatrywanych technologii [1, 2, 5, 6], przy czym niezwykle istotny jest rodzaj łączonego materiału oraz właściwie zaprojektowanie połączenia. Prezentowany artykuł został przygotowany na podstawie zagadnień rozważanych w jednej z puławskich firm zajmujących się wykonywaniem połączeń blach ze stali odpornej na korozję. Rys. 2. Przykład nieprawidłowo wykonanej spoiny spawalniczej ze względu na brak osłony gazowej z drugiej strony łączonych elementów W analizowanym przypadku, w związku z trudnościami występującymi podczas spawania blach ze stali nierdzewnej, jako jedną z alternatywnych metod łączenia, została zaproponowana technologia klejenia. 36
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU 3/2010 PRZYGOTOWANIE POWIERZCHNI Podczas klejenia materiałów konstrukcyjnych istotnym czynnikiem technologicznym wpływającym na uzyskiwaną wytrzymałość połączeń klejowych jest m.in. sposób przygotowania powierzchni. Przygotowanie powierzchni (jako pierwszy etap technologii klejenia) powinno zapewnić uzyskanie jak najsilniejszych wiązań adhezyjnych [1, 6], ponieważ sprzyja to uzyskaniu wysokiej wytrzymałości. Istnieje wiele sposobów przygotowania powierzchni [1, 5, 6], wśród których można wymienić odtłuszczanie, obróbkę mechaniczną, obróbkę chemiczną, a także specyficzne rodzaje obróbki, do których zalicza się metodę plazmową [11, 12], metodę wyładowań koronowych [12], czy też obróbkę laserem [13]. Jednakże nie dla wszystkich łączonych materiałów i w każdych warunkach można te sposoby wykorzystać ze względu na istnienie określonych ograniczeń [1, 5]. Sposób przygotowania powierzchni, metody oraz parametry technologiczne operacji przygotowawczych uzależnione są od wielu czynników, do których należą m.in. rodzaj łączonego materiału, rodzaj produkcji, podczas której wykonywane są połączenia klejowe, czy też warunki warsztatowe, w tym dostępność do odpowiednich przyrządów oraz narzędzi. Jeden ze schematów przedstawiających rodzaje operacji przygotowawczych, możliwych do wykorzystania w procesie przygotowania warstwy wierzchniej wielu materiałów konstrukcyjnych, zamieszczono na rys. 3. Odtłuszczanie Oczyszczanie w kąpieli kwaśnej lub alkalicznej Płukanie w wodzie Suszenie Obróbki specjalne Płukanie w wodzie Suszenie Nakładanie gruntu mechaniczna chemiczna Trawienie plazmą laserowa Koronowanie Rys. 3. Przykład operacji wchodzących w skład procesu przygotowania powierzchni materiałów przeznaczonych do klejenia W przypadku niektórych rodzajów materiałów konstrukcyjnych przedstawiane są w literaturze informacje dotyczące możliwości zastosowania określonych metod przygotowania powierzchni [5, 6, 14], niekiedy zamieszczane są szczegółowe wytyczne związane np. ze składem chemicznym kąpieli trawiących i czasem trwania takiej kąpieli [1, 6], temperaturą wody w operacji płukania [5], czy też czasem i temperaturą suszenia [6]. W typowych warunkach warsztatowych najczęściej spotykanymi operacjami przygotowawczymi są m.in. odtłuszczanie i obróbka mechaniczna [1, 5, 6, 15]. ODTŁUSZCZANIE I OBRÓBKA MECHANICZNA Odtłuszczanie jest najczęściej wykonywaną operacją przygotowania powierzchni do klejenia, ponieważ usuwa m.in. wszelkie zanieczyszczenia tłuszczowe stanowiące pozostałości np. po ochronie antykorozyjnej, po różnego rodzaju obróbce skrawaniem itp. Operacja ta może być realizowana różnymi metodami z wykorzystaniem odpowiednich środków odtłuszczających i za pomocą różnorodnych urządzeń [1, 5, 6]. Niekiedy producenci klejów oferują gotowe produkty o określonych właściwościach i przeznaczeniu, często w bardzo dogodnych do aplikacji opakowaniach [16]. mechaniczna zaliczana jest do operacji specjalnych przygotowania powierzchni materiałów przeznaczonych do klejenia [1, 6]. Zastosowanie tej obróbki umożliwia zwiększenie rozwinięcia powierzchni, dzięki temu zwiększa się energię powierzchniową oraz zmienia się zakres wysycenia sił międzycząsteczkowych [2]. Zagadnienia związane z chropowatością powierzchni podczas wykonywania połączeń klejowych, związane z mechaniczną teorią adhezji, uwzględniane są m.in. w publikacjach [1, 5, 6, 14, 17, 18]. Istnieje wiele metod obróbki mechanicznej, wśród których można wyróżnić m.in. obróbkę strumieniowo- -ścierną, piaskowanie, śrutowanie. Charakterystykę tych metod przedstawiono w licznych pracach, m.in. [1, 5, 6, 19, 20], w niektórych opisano zalecane parametry technologiczne obróbki [1, 18]. Jednym ze sposobów obróbki mechanicznej jest zastosowanie ściernych narzędzi nasypowych [19], które często wykorzystywane są w obróbce materiałów przeznaczonych m.in. do klejenia ze względu m.in. na możliwość zastosowania w różnych warunkach. Ważna jest także łatwość w uzyskiwaniu bezkierunkowej struktury śladów obróbki, co jest korzystne, zwłaszcza w warunkach klejenia konstrukcyjnego. BADANIA DOŚWIADCZALNE Charakterystyka materiałów Badaniom poddano próbki wykonane ze stali odpornej na korozję o oznaczeniu X5CrNi1810 (PN-EN 37
10088-1:1998). Skład chemiczny oraz wybrane właściwości mechaniczne zamieszczono w tabeli 1 [21]. Tabela. 1. Skład chemiczny oraz wybrane właściwości mechaniczne stali odpornej na korozję X5CrNi1810 Rodzaj stali Charakterystyka odpornej na korozję X5CrNi1810 Skład chemiczny, stężenie masowe, % Właściwości mechaniczne C 0,07 Mn 2,00 Si 1,00 P 0,045 S 0,015 Cr 17,0 19,5 Ni 8,0 10,5 N 0,11 Rm [MPa] 500 700 R p0,2 [MPa] 190 E [GPa] 200 A [%] 45 Twardość HB 200 Analizowana stal stosowana jest m.in. w przemyśle chemicznym, spożywczym, rafineryjnym na wymienniki ciepła, zbiorniki, pompy, rurociągi materiałów przeznaczonych do klejenia [7, 8]. Charakterystyka połączeń klejowych Badaniom poddano połączenia klejowe jednozakładkowe obciążone na ścinanie. Charakterystykę tego typu połączeń przedstawiono w pracach [1, 3, 5]. Długość próbek wynosiła 100 mm, szerokość 20 mm, grubość 1 mm, natomiast długość zakładki, wynosząca 14 mm, została określona (z pewnym przybliżeniem) na podstawie zależności zamieszczonej m.in. w pracy [1]. Analizowano trzy rodzaje przygotowania powierzchni: 1) odtłuszczanie, 2) obróbkę mechaniczną, 3) obróbkę mechaniczną i odtłuszczanie. Do odtłuszczania zastosowano środek odtłuszczający firmy Loctite 7063 (na bazie węglowodorów alifatycznych) [16]. mechaniczna polegała na zastosowaniu obróbki ściernym narzędziem nasypowym P320, po którym uzyskano bezkierunkową strukturę. Niektóre parametry obróbki mechanicznej zamieszczono w pracy [15]. W celach porównawczych wyniki badań wytrzymałościowych otrzymane po różnych sposobach przygotowania powierzchni odniesiono do rezultatów wytrzymałości połączeń, w których powierzchnia badanych blach nie została poddana żadnemu procesowi przygotowania. WYNIKI BADAŃ Wyniki badań wytrzymałości połączeń klejowych blach ze stali nierdzewnej po różnych sposobach przygotowania powierzchni przedstawiono na rys. 4. Rys. 4. Wytrzymałości 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 Po wykonaniu badań wytrzymałościowych przeprowadzono analizę statystyczną uzyskanych wyników badań na poziomie ufności α = 0,5, wykorzystując odpowiednie hipotezy oraz testy statystyczne [22]. Na jej podstawie można stwierdzić, iż w przypadku zastosowania odtłuszczania (13,31 MPa) i obróbki mechanicznej (13,58 MPa), jako sposobów przygotowania powierzchni blach ze stali nierdzewnej, brak jest statystycznie istotnych różnic w uzyskiwanych wartościach wytrzymałości. W pozostałych przypadkach występują statystycznie istotne różnice na przyjętym poziomie ufności. Największą wytrzymałość uzyskano w przypadku zastosowania obróbki mechanicznej i następującego po niej odtłuszczania (14,87 MPa), przy czym zauważono dość duże rozbieżności w uzyskanych wynikach badań. Odchylenie standardowe jest znacznie większe niż w przypadku innych sposobów przygotowania powierzchni, czyli powtarzalność uzyskiwanej wytrzymałości wykonywanych połączeń jest znacznie mniejsza niż w przypadku na przykład zastosowania odtłuszczania. Porównując wyniki wytrzymałości połączeń klejowych po operacjach przygotowawczych oraz bez obróbki przygotowującej powierzchnie badanych materiałów do klejenia, zauważono, że w każdym z analizowanych rodzajów przygotowania powierzchni uzyskano większą wytrzymałość w stosunku do wytrzymałości otrzymanej dla połączeń, w których powierzchnia blach ze stali nierdzewnej nie była poddana operacji przygotowawczej. Ponadto, nie stosując żadnego przygotowania powierzchni, zauważono największe rozbieżności (największe odchylenie standardowe) w uzyskanych wartościach wytrzymałości połączeń badanych materiałów. 38
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU 3/2010 PODSUMOWANIE Na podstawie przeprowadzonych badań i analizy statystycznej wyników tych badań można zauważyć, że: 1) zastosowanie odtłuszczania po obróbce ściernym narzędziem nasypowym korzystnie wpływa na uzyskiwaną wytrzymałość połączeń klejowych analizowanych blach, chociaż w tym przypadku otrzymano znacznie większe odchylenie standardowe wyników badań niż w przypadku np. odtłuszczania, czyli powtarzalność otrzymanych wyników badań wytrzymałościowych tego sposobu przygotowania powierzchni jest znacznie mniejsza niż dla wymienionego odtłuszczania; 2) we wszystkich rozważanych przypadkach sposobów przygotowania powierzchni uzyskano większą wytrzymałość w porównaniu z wytrzymałością połączeń, w których powierzchnie łączonych materiałów nie zostały poddane jakiejkolwiek obróbce przygotowawczej, 3) analizując wyniki badań statystycznych, zauważono, że największe rozbieżności w uzyskanych rezultatach badań wytrzymałościowych otrzymano w przypadku niezastosowania obróbki przygotowawczej, czyli powierzchnia materiałów dla takiego wariantu może wykazywać zróżnicowane właściwości energetyczne i nie stosując żadnego przygotowania, można otrzymać wyniki o dużej rozbieżności, najmniejsze natomiast otrzymano w przypadku zastosowania operacji odtłuszczania, czyli w tym przypadku można uzyskać powtarzalną wytrzymałość połączeń (spośród analizowanych sposobów przygotowania powierzchni do klejenia). Podsumowując, można zauważyć korzystny wpływ zastosowania operacji przygotowania powierzchni na wytrzymałość połączeń klejowych blach ze stali nierdzewnej. Zaprezentowane wyniki badań zostały uzyskane dla przedstawionych warunków wykonywania połączeń klejowych. W sytuacjach, gdy wymagane jest, aby połączenie przenosiło określone obciążenia oraz znana jest wartość tych obciążeń, unikając niektórych trudności w spawaniu blach ze stali nierdzewnej oraz spełniając pozostałe wymagania konstrukcyjne, możliwe jest zastosowanie technologii klejenia w łączeniu blach ze stali odpornej na korozję. LITERATURA 1. Godzimirski J., Kozakiewicz J., Łunarski J., Zielecki W.: Konstrukcyjne połączenia klejowe elementów metalowych w budowie maszyn. Podręcznik akademicki. Wyd. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 1997. 2. Kuczmaszewski J.: Podstawy konstrukcyjne i technologiczne oceny wytrzymałości adhezyjnych połączeń metali. Wydawnictwa Uczelniane Politechniki Lubelskiej, Lublin 1995. 3. Rudawska A., Kuczmaszewski J.: Klejenie blach ocynkowanych. Wydawnictwa Uczelniane PL, Lublin 2005. 4. Sikora R.: Tworzywa epoksydowe w naprawie maszyn. WNT, Warszawa 1971. 5. Praca zbiorowa pod red. Cagle a Ch. V.: Kleje i klejenie. Poradnik inżyniera i technika. WNT, Warszawa 1977. 6. Czaplicki J., Ćwikliński J., Godzimirski J., Konar P.: Klejenie tworzyw konstrukcyjnych. WKiŁ, Warszawa 1987. 7. Klimpel A.: Spawanie, zgrzewanie i cięcie metali. WNT, Warszawa 1999. 8. Chiniewicz W.: Spawanie stali nierdzewnej. Stal- Metale i Nowe Technologie nr 11-12/2008, s. 30. 9. Samcik M.: Analiza porównawcza celowości stosowania klejenia i spawania do łączenia blach ze stali nierdzewnej. Praca dyplomowa. Politechnika Lubelska. Lublin 2009. 10. Rudawska A., Łukasiewicz M.: Wpływ obróbki mechanicznej na wytrzymałość połączeń klejowych wybranych materiałów konstrukcyjnych. Przegląd Spawalnictwa nr 8/2008. 11. Nakamura Y., Suzuki Y., Watanbe Y.: Effect of oxygen plasma etching on adhesion between polyimide films and metal, Thin Solid Films 1996. 12. Żenkiewicz M.: Adhezja i modyfikowanie warstwy wierzchniej tworzyw wielkocząsteczkowych. WNT, Warszawa 2000. 13. Babraj E.G., Starikov D., Evans J., Shafeev G.A., Bensaoula A.: Enhancement of adhesive joint strength by laser surface modification. Int. Journal of Adhesion and Adhesives 2007, 27, s. 268 276. 14. Critchlow G.W., Yendall K.A., Barani D., Quinn A., Adrews F.: Strategies for the replacement of chromic acid anodizing for the structural bonding of aluminium alloys. Int. J. Adhesion and Adhesives, 26/2006. 15. Rudawska A.: Operacje specjalne w technologii klejenia blach ocynkowanych. Technologia i Automatyzacja Montażu nr 2, 3/2007, s. 100 103. 16. Materiały informacyjno-reklamowe firmy Loctite. 17. Rudawska A., Jacniacka E.: Ocena przydatności parametrów chropowatości powierzchni do określenia wytrzymałości połączeń klejowych. Przegląd Mechaniczny, Zeszyt 9S/2005. 18. Łunarski J., Zielecki W.: Wpływ struktury geometrycznej powierzchni na wytrzymałość na ścinanie połączeń klejowych. Technologia i Automatyzacja Montażu nr 2/1994, s. 13 16. 19. Kubik K., Rosienkiewicz P.: ścierna. Wrocław 1990. 20. Pszczołowski W., Rosienkiewicz P.: ścierna narzędziami nasypowymi. WNT, Warszawa 1995. 21. PN-EN 10088-1:1998. 22. Krysicki W. i in.: Rachunek prawdopodobieństwa i statystyka matematyczna w zadaniach. Cz. II. Statystyka matematyczna. PWN, Warszawa 1999. Dr inż. Anna Rudawska jest pracownikiem Politechniki Lubelskiej. 39
ciąg dalszy ze str. 31 4. Doskonalenie narzędzi deformujących i początkowego konturu przedmiotu w celu zwiększenia jakości połączenia, otrzymywanego w montażu przez wciskanie kulowych przegubów samochodowych. 5. Wpływ sposobu montażu narzędzi na jakość obrabianych powierzchni. 6. Metodyka wieloparametrycznej selekcji strukturalnie uporządkowanego montażu głowic wiertniczych. 7. Montaż elektromechanicznego napędu klinowego hamulca. 8. 80 lat MGTU STANKIN. Innowacje w nauczaniu i nauce. Assembly Automation Volume 29 Issue 3 Opracował: Jerzy Łunarski Innovations and applications of the Cybaman replicator from Traki-iski Ltd. Innowacje i zastosowania replikatora Cybaman z firmy Traki-iski. Celem niniejszej pracy jest analiza funkcji i możliwości komputerowego wspomagania projektowania (CAD) opartych na programowalnych manipulatorach. Dokonany został przegląd replikatorów Cybaman i opisano ich zastosowania. Sześcioosiowe manipulatory posiadają głowice skrawające, szlifujące, polerujące, laserowe, które mogą być łączone w jeden zestaw. Zastosowanie CAD upraszcza zarówno sprzęt, jak i oprogramowanie i sprawia, że obrabiarki są proste w obsłudze. Replikator jest szczególnie przydatny do produkcji małych partii części, w tym elementów medycznych, implantów stomatologicznych i w produkcji biżuterii. Manipulator manewrowy o wysokiej dokładności sprawia, że narzędzie to jest cenione w Rutherford Appleton Laboratory. W pracy podkreślono wyjątkowo duże możliwości programowalnego manipulatora do dokładnego pozycjonowania i przydatność do produkcji małych serii wyrobów. Shape-memory materials: a review of technology and applications. Materiały z pamięcią kształtu: przegląd technologii i zastosowań. Celem niniejszej pracy jest dokonanie przeglądu technologii i zastosowań materiałów z pamięcią kształtu. W artykule omówiono różne klasy materiałów i ich właściwości. Przedstawiono wnioski z krótkiego przeglądu najnowszych badań oraz prognozy na przyszłość. Do materiałów z pamięcią kształtu zalicza się stopy z pamięcią kształtu, materiały ferromagnetyczne oraz polimery z pamięcią kształtu, które zmieniają kształt pod wpływem temperatury i innych bodźców. Stopy z pamięcią kształtu zawierające nikiel-tytan zostały odkryte i weszły na rynek jako pierwsze i znalazły zastosowanie na okucia, uszczelki, zawory, siłowniki i wyroby medyczne ze względu na ich właściwości termosprężyste. Ich pseudoelastyczne właściwości są wykorzystywane w oprawkach do okularów i innych odkształcalnych wyrobach metalowych. Ferromagnetyczne i polimerowe materiały z pamięcią kształtu odkryto niedawno i są one na wczesnym etapie komercjalizacji, pozostając w obszarze bieżących badań projektów pilotażowych w dziedzinie opieki zdrowotnej, przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i in. Assembly on moving production line based on sensor fusion. Montaż na ruchomych liniach montażowych bazujących na czujnikach zespolonych. Celem niniejszej pracy jest opracowanie inteligentnego zrobotyzowanego systemu montażu na ruchomych liniach produkcyjnych. Ruchome linie produkcyjne są szeroko stosowane w wielu zakładach produkcyjnych, w tym w zakładach przemysłu samochodowego i maszynowego. Do wykonywania zadań na liniach produkcyjnych w ruchu roboty przemysłowe są rzadko używane. Jedną z głównych przyczyn jest to, że trudne jest w przypadku tradycyjnych robotów przemysłowych dostosowanie ich do jakichkolwiek zmian. Dlatego specjalnie na potrzeby ruchomych linii muszą być rozwijane bardziej inteligentne systemy robotów przemysłowych. W artykule przedstawiono system inteligentnych robotów, które wykonują montaż wykorzystujący synergiczne połączenie wizualnych serwomechanizmów i technologię kontroli obciążenia linii, podczas gdy montowany obiekt jest w ruchu. Opracowany system inteligentnych robotów zawiera wiele rozwiązań zapewniających prawidłowość procesu montażu. Do ustalania pozycji obiektów poruszających się w sposób przypadkowy wykorzystywana jest kontrola wizyjna. Niniejszy dokument prezentuje praktyczne rozwiązania realizacji montażu na ruchomych liniach produkcyjnych, które jeszcze nie są dostępne na rynku robotów przemysłowych. Opracował: Mieczysław Korzyński 40