wpływ sposobu przygotowania powierzchni na wytrzymałość

wpływ sposobu przygotowania powierzchni na wytrzymałość

2/2011 Technologia i Automatyzacja Montażu
WPŁYW SPOSOBU PRZYGOTOWANIA POWIERZCHNI
NA WYTRZYMAŁOŚĆ POŁĄCZEŃ KLEJOWYCH
LOTNICZEGO STOPU ALUMINIUM
Anna Rudawska, Mateusz chruściel
W procesie klejenia istnieje wiele czynników technologicznych oraz konstrukcyjnych [1 – 4] wpływających na
wytrzymałość połączeń klejowych. Wśród wielu czynników technologicznych należy wymienić: sposób przygotowania powierzchni łączonych materiałów, rodzaj kleju
wraz z metodą jego aplikacji na klejone powierzchnie,
a także warunki utwardzania spoiny klejowej zależne
m.in. od rodzaju kleju (temperatura, czas i nacisk) oraz
warunki sezonowania. Najważniejszymi czynnikami konstrukcyjnymi są kształt i wymiary połączenia (uzależnione m.in. od cech geometrycznych łączonych materiałów),
a także sposób obciążenia połączenia klejowego.
Zagadnienia wpływu wymienionych czynników na
wytrzymałość połączeń klejowych różnych materiałów
konstrukcyjnych opisywane są w wielu pracach [1, 4 – 9].
Jednakże ze względu na specyfikę rozpatrywanych połączeń, konieczne jest prowadzenie badań związanych
z analizą wpływu tych czynników w odniesieniu do konkretnych przypadków i zastosowań. Zmiana wymienionych czynników w przypadku określonego połączenia
może w nieco odmienny sposób wpływać na właściwości
połączenia, np. innego materiału, w tym także na jego
wytrzymałość.
Niniejsza praca koncentruje się na badaniach wpływu
jednego z czynników technologicznych, jakim jest przygotowanie powierzchni badanego stopu aluminium 2024
do klejenia. Analizie poddano sześć sposobów przygotowania powierzchni: trawienie, anodowanie, szlifowanie,
chromianowanie, odtłuszczanie oraz piaskowanie, stosowane w jednym z zakładów lotniczych, stosując odpowiednie parametry technologiczne poszczególnych operacji. Wymienione sposoby przygotowania powierzchni
wykorzystywane są w celu zwiększenia wytrzymałości
różnego typu połączeń adhezyjnych.
podczas procesu utwardzania [2, 4, 9]. Warunki eksploatacji związane ze sposobem obciążenia połączenia klejowego oraz środowisko, w jakim będzie takie połączenie
eksploatowane, wpływają zarówno na przyjęcie określonego rozwiązania konstrukcyjnego połączenia, jak i na
wybór rodzaju kleju. Dlatego też istnieje wiele czynników,
które przez swój różnorodny wpływ na poszczególne
etapy technologii klejenia przyczyniają się w końcowym
efekcie do uzyskania określonej wytrzymałość połączeń
klejowych.
Przygotowanie powierzchni do klejenia
Operacje przygotowania powierzchni (rys. 1) stanowią jeden z pierwszych etapów technologicznych procesu klejenia [2, 4]. Etap ten poprzedza analiza rodzaju
i właściwości materiałów przeznaczonych do klejenia,
ponieważ informacje te istotnie wpływają na wybór odpowiedniej metody, a także środków oraz parametrów
technologicznych stosowanych podczas tych operacji.
Niezwykle istotny jest proces przygotowania powierzchni ze względu na konieczność ukonstytuowania
odpowiednich właściwości adhezyjnych rozpatrywanych
powierzchni, wpływających na ich zdolności adhezyjne,
przyczyniając się do uzyskania trwałego połączenia klejowego.
Czynniki wpływające
na wytrzymałość połączeń klejowych
Podczas wykonywania połączeń klejowych konieczne
jest zapoznanie się z wieloma zagadnieniami technologii
klejenia oraz przestrzeganie wytycznych odnoszących
się do konkretnego rodzaju wykonywanego połączenia.
Niezwykle istotna jest znajomość rodzaju i właściwości
łączonych elementów; bowiem to one decydują m.in.
o przygotowaniu powierzchni oraz rodzaju zastosowanego kleju do wykonania połączenia. Kształt i wymiary
konstrukcji połączenia klejowego decydują zarówno
o metodzie nakładania kleju, wykorzystywaniu określonego oprzyrządowania technologicznego, wartości nacisku
42
Rys. 1. Rodzaje obróbek powierzchniowych wykorzystywanych
w technologii klejenia
Wybór sposobu przygotowania powierzchni do procesów adhezyjnych uzależniony jest od wielu czynników.
Zagadnienie to opisano w wielu pracach [2, 4, 9]. Jednak
jednym z ważniejszych czynników, rozważanym w pierwszym etapie wyboru operacji przygotowawczej, jest rodzaj analizowanego materiału. Decyduje on w istotny
Technologia i Automatyzacja Montażu 2/2011
sposób o przyjęciu odpowiedniego sposobu przygotowania powierzchni, a także sposobu jego aplikacji.
W odniesieniu do stopów aluminium można spotkać
zalecenia dotyczące zastosowania sposobu przygotowania powierzchni. Zaleca się stosowanie szlifowania,
obróbki strumieniowo-ściernej, obróbki chemicznej (trawienie kwaśne lub alkaliczne), obróbki elektrochemicznej
(anodowanie) i innych [2, 4, 7].
Badania doświadczalne
Badania doświadczalne polegały na wykonaniu połączeń klejowych blach ze stopu aluminium, którego powierzchnie poddano różnym sposobom przygotowania.
Dokonano oceny struktury powierzchni przez pomiary
wybranych parametrów chropowatości oraz wykonanie
profilogramów powierzchni. Wykonano pomiary siły niszczącej połączenia, a następnie określono wytrzymałość badanych połączeń.
••
Charakterystyka połączeń klejowych
Do badań wykorzystano połączenia klejowe jednozakładkowe wykonane ze stopu aluminium 2024 obciążone
na ścinanie, którego schemat zamieszczono na rys. 2.
Rys. 2. Kształt połączeń klejowych wykorzystanych w badaniach
Wymiary połączenia klejowego były następujące:
długość blach: l = 100 mm,
szerokość blach: b = 25 mm,
grubość blach: g = 1 mm,
długość zakładki połączenia klejowego: lz = 14 mm.
Do badań wykorzystano klej epoksydowy dwuskładnikowy Loctite Hysol 9484, w stosunku wagowym 1:1.
Klej ten był utwardzony jednostopniowo, w temperaturze
otoczenia w ciągu 48 godzin. Podczas sieciowania połączenia obciążano naciskiem 0,2 MPa.
––
––
––
––
••
Sposoby przygotowania powierzchni
W przeprowadzonych badaniach zastosowano wybrane sposoby przygotowania powierzchni blach ze stopów
aluminium, takie jak: odłuszczanie, piaskowanie, szlifowanie, trawienie, anodowanie i chromianowanie.
Odłuszczanie za pomocą środka odłuszczającego
Loctite 7061 (zawierającego aceton) przeprowadzono
w sposób zalecany przez producenta, który polegał na
kilkukrotnym nałożeniu odłuszczacza na łączone powierzchnie, przetarcia, a w końcowym etapie, po ostatecznym nałożeniu środka, pozostawieniu do odparowania. Następnie po ok. 3 minutach nastąpiło nałożenie
kleju. Sposób ten opisano m.in. w pracy [8].
Wśród obróbek mechanicznych zastosowano piaskowanie i szlifowanie. W operacji piaskowania jako ścierniwo zastosowano elektrokorund. Przygotowywane powierzchnie zostały poddane tej obróbce przez ok. 2 – 3
sekundy przy ciśnieniu ok. 6 ·105 Pa. Szlifowanie przeprowadzono przy użyciu ściernicy listkowej o granulacji
80, a obróbkę prowadzono przez ok. 5 sekund.
Do trawienia wykorzystano roztwór wodny wodorotlenku sodu NaOH o stężeniu 40 – 60 g/l . Próbki zanurzano
w kąpieli trawiącej przez około 3 – 4 minuty w temperaturze 40 – 600C, a następnie płukano w ciepłej bieżącej
wodzie i pozostawiono do wyschnięcia.
W operacji anodowania jako elektrolitu użyto 20%
kwasu siarkowego. Próbki zanurzano w kąpieli o temperaturze 400C przez 35 – 40 minut o napięciu 50 V.
Chromianowanie zostało przeprowadzone w roztworze kwasów: Na2Cr2O7 w ilości 5,5 g/l; Na2So4 w ilości 4 g/l;
H3BO3 w ilości 4,5 – 5,5 g/l oraz HNO3 w ilości 1,5 ml/l;
o współczynniku pH 1,4 – 1,6 przez około 30 sekund.
Wyniki badań
••
Chropowatość powierzchni
Wyniki wybranych parametrów chropowatości powierzchni badanych próbek, po różnych sposobach przygotowania powierzchni, przedstawiono w tabeli 1.
Na podstawie uzyskanych wyników pomiarów chropowatości powierzchni można zauważyć, że największymi
parametrami wysokościowymi chropowatości charakteryzowały się powierzchnie próbek przygotowanych przez
zastosowanie operacji piaskowania oraz trawienia. Do
grupy metod przygotowawczych, po których zastosowa-
Tabela 1. Parametry chropowatości powierzchni stopu aluminium po różnych sposobach przygotowania powierzchni
Parametry chropowatości powierzchni, μm
L.p.
Sposób przygotowania powierzchni
Ra
Rz
Rz maks.
1
odłuszczanie
0,50
4,01
7,09
Rsm
216,7
Rp
Rpk
Rvk
2,51
1,12
0,68
2
piaskowanie
3,03
19,70
24,57
144,5
9,12
3,59
4,99
3
szlifowanie
1,29
8,41
13,23
193,6
4,54
2,26
1,90
4
trawienie
2,51
16,70
22,43
125,4
7,69
3,33
5,39
5
anodowanie
0,41
3,31
6,22
245,5
1,66
1,09
0,77
6
chromianowanie
0,32
2,61
4,48
231,3
1,25
0,66
0,78
43
2/2011 Technologia i Automatyzacja Montażu
niu otrzymano znacznie mniejsze parametry chropowatości powierzchni, zaliczono chromianowanie, anodowanie
oraz odłuszczanie. W tabeli 2 zamieszczono przykładowe profilogramy
powierzchni blach ze stopu aluminium po analizowanych
sposobach przygotowania powierzchni.
W przypadku obróbki mechanicznej (piaskowania
i szlifowania) można zaobserwować bardzo rozwiniętą
strukturę powierzchni o dużej liczbie dość głębokich nierówności. Zbliżonym do siebie charakterem nierówności
powierzchni cechują się powierzchnie po operacji trawienia i chromianowania. Nieco inną geometrią odznaczają
się powierzchnie po anodowaniu, natomiast powierzchnia badanych materiałów po odłuszczaniu prezentuje
rzeczywisty kształt mikronierówności powierzchni, z której usunięto różnego typu zanieczyszczenia znajdujące
się na powierzchni badanych materiałów.
••
Wytrzymałość połączeń klejowych
Uzyskane wartości wytrzymałości połączeń klejowych
blach ze stopu aluminium 2024 po różnych sposobach
przygotowania powierzchni zamieszczono na rys. 3 oraz
w tabeli 3.
Na podstawie uzyskanych wyników badań można zauważyć, że największą wytrzymałość połączeń klejowych
blach ze stopu aluminium uzyskano po zastosowaniu
anodowania, jako operacji przygotowawczej powierzchni
przed klejeniem. Dość wysokie wartości wytrzymałości
otrzymano po operacjach piaskowania, szlifowania oraz
odłuszczania. Najmniejsze zaś wartości można zauważyć w przypadku zastosowania operacji trawienia oraz
chromianowania.
Tabela 2. Przykładowe profilogramy powierzchni badanych blach po różnych sposobach przygotowania powierzchni
L.p.
44
Sposób przygotowania
Przykładowe profilogramy powierzchni, Lc = 8 mm
powierzchni
1
Odłuszczanie
2
Piaskowanie
3
Szlifowanie
4
Trawienie
5
Anodowanie
6
Chromianowanie
Technologia i Automatyzacja Montażu 2/2011
Tabela 3. Średnia siła niszcząca, odchylenie standardowe oraz wytrzymałość połączeń klejowych blach ze stopu aluminium 2024
L.p.
Sposób przygotowania
powierzchni
Średnia siła niszcząca,
N
Odchylenie standardowe,
N
1
odłuszczanie
4216,86
487,1595
15,06
2
piaskowanie
5338,99
494,9368
19,08
3
szlifowanie
4808,94
663,4548
17,17
4
trawienie
1882,88
383,6213
6,72
5
anodowanie
6604,78
539,2109
23,59
6
chromianowanie
2161,14
514,2862
7,72
Rys. 3. Wytrzymałość połączeń klejowych blach ze stopu aluminium 2024 po różnych sposobach przygotowania powierzchni:
1 – odłuszczanie, 2 – piaskowanie, 3 – szlifowanie, 4 – trawienie,
5 – anodowanie, 6 – chromianowanie
Porównując uzyskane wartości z parametrami chropowatości powierzchni, można sądzić, iż nie w każdym
przypadku parametry te mogą stanowić wskazówkę
w odniesieniu do sposobu przygotowania powierzchni
do klejenia. Okazuje się, że pomimo niezbyt wysokich
parametrów wysokościowych powierzchni w przypadku
anodowania uzyskano największą wartość wytrzymałości połączeń klejowych. Należy także uwzględnić strukturę geometryczną powierzchni, w tym ilość oraz wymiary geometryczne mikronierówności, które są niezwykle
istotne ze względu na możliwość ich penetracji przez
klej o określonej lepkości. Analizując profilogramy powierzchni, można zauważyć, że struktura powierzchni po
operacji anodowania różni się od struktury uzyskanej po
pozostałych sposobach przygotowania powierzchni. Być
może taka właśnie struktura zapewnia znacznie lepszą
adhezję mechaniczną w porównaniu z innymi rodzajami
obróbki. Można także zauważyć, że korzystną strukturę
powierzchni, ze względu na uzyskiwaną wytrzymałość
połączenia klejowego badanych materiałów, uzyskano
po obróbce mechanicznej (po piaskowaniu i szlifowaniu
otrzymano podobny charakter nierówności powierzchni).
Podsumowanie i wnioski
Przeprowadzone badania dotyczyły porównania wytrzymałości połączeń klejowych blach ze stopów alu-
Wytrzymałość,
MPa
minium, których powierzchnia została poddana różnym
operacjom przygotowawczym, stosowanym w jednym
z zakładów lotniczych. Sposób przygotowania powierzchni do klejenia był czynnikiem zmiennym w badaniach, natomiast czynniki, takie jak: rodzaj kleju oraz inne
warunki wykonywania połączeń, pozostały niezmienne
podczas przeprowadzania badań. Wśród sposobów
przygotowania powierzchni blach aluminiowych zastosowano: odłuszczanie, obróbkę mechaniczną oraz obróbkę
chemiczną i elektrochemiczną. Przeprowadzono także
pomiary chropowatości powierzchni po rozpatrywanych
rodzajach obróbki przygotowawczej.
Na podstawie badań zauważono, że największą wytrzymałością charakteryzowały się połączenia klejowe
blach ze stopu aluminium 2024, których powierzchnie
poddano procesowi anodowania. Otrzymane rezultaty
są zgodne z informacjami zamieszczanymi w literaturze,
dotyczącymi pozytywnego wpływu zastosowania operacji anodowania jako sposobu przygotowania powierzchni
blach ze stopów aluminium do klejenia, chociaż jak wykazały badania własne, wartości wytrzymałości mogą się
różnić w zależności od rodzaju składu kąpieli do anodowania. Struktura powierzchni po operacji anodowania
różni się od struktury uzyskanej po pozostałych sposobach przygotowania powierzchni. Być może taka właśnie
struktura zapewnia znacznie lepszą adhezję mechaniczną w porównaniu z innymi rodzajami obróbki i dzięki temu możliwe jest uzyskanie wysokiej wytrzymałości,
chociaż niezwykle istotny jest także aspekt energetyczny, uwzględniający właściwości adhezyjne, odgrywające
ważną rolę podczas wykonywania m.in. połączeń klejowych.
Zastosowanie obróbek mechanicznych, takich jak:
piaskowanie i szlifowanie pozwoliło na uzyskanie także
wysokiej wytrzymałości połączeń klejowych. Uwzględniając strukturę powierzchni, zauważono, że po piaskowaniu i szlifowaniu otrzymano podobny charakter nierówności powierzchni.
Korzystna pod względem otrzymanej wartości wytrzymałości okazała się także operacja odłuszczania, co
wydaje się w niektórych przypadkach szczególnie istotne
ze względu na możliwości technologiczno-warsztatowe.
Nie wymaga ona bowiem stosowania specjalnego oprzyrządowania oraz urządzeń. Nie bez znaczenia jest możliwość aplikacji tej metody w odniesieniu do różnie ukształtowanych powierzchni. Po zastosowaniu trawienia oraz
45
2/2011 Technologia i Automatyzacja Montażu
LITERATURA
nych połączeń klejowych. WNT, Warszawa 2002.
4. Godzimirski J., Kozakiewicz J., Łunarski J., Zielecki W.: Konstrukcyjne połączenia klejowe elementów
metalowych w budowie maszyn, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 1997.
5. Rudawska A., Łukasiewicz M.: Wpływ obróbki mechanicznej na wytrzymałość połączeń klejowych wybranych materiałów konstrukcyjnych. Przegląd Spawalnictwa nr 8/2008.
6. 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.
7. Kuczmaszewski J.: Technologia Śmigłowców. Teoria
i technika klejenia. Wydawnictwa Uczelniane PL, Lublin 1990.
8. Rudawska A., Kuczmaszewski J.: Klejenie blach
ocynkowanych. Wydawnictwa Uczelniane PL, Lublin
2005.
9. Kleje i klejenie. Poradnik inżyniera i technika, Praca
zbiorowa pod red. Ch. V. Cagle’a. WNT, Warszawa
1977.
1. Godzimirski J.: Czynniki kształtujące wytrzymałość
połączeń klejowych. Technologia i Automatyzacja
Montażu nr 4/1994.
2. Czaplicki J. i in.: Klejenie tworzyw konstrukcyjnych,
WKŁ, Warszawa 1987.
3. Godzimirski J.: Wytrzymałość doraźna konstrukcyj-
_______________________
Dr inż. Anna Rudawska jest pracownikiem Katedry Podstaw Inżynierii Produkcji Politechniki Lubelskiej. Mateusz
Chruściel jest pracownikiem Zakładów Lotniczych PZL
Świdnik S.A.
chromianowania (przy użyciu określonych czynników
i parametrów procesu) otrzymano najniższe wyniki wytrzymałości badanych połączeń. Wyniki te uzyskano,
stosując określone parametry technologiczne procesu.
Prawdopodobnie zastosowanie innych parametrów pozwoli na otrzymanie różnej wytrzymałości połączeń klejowych.
Praca realizowana w ramach projektu nr POIG. 01.01.0200-015/08 w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (POIG). Projekt współfinansowany przez Unię
Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.
ciąg dalszy ze str. 41
12. Kwiatkowski M., Kłonica M., Kuczmaszewski J.,
Ozonek J.: Zastosowanie procesu ozonowania do
modyfikacji właściwości energetycznych warstwy
wierzchniej poliamidu PA6. Monografia Komitetu Inżynierii Środowiska Polskiej Akademii Nauk vol. 59.
III Kongres Inżynierii Środowiska, Polska inżynieria
środowiska pięć lat po wstąpieniu do Unii Europejskiej. Tom 2 pod redakcją Janusza Ozonka, Artura
Pawłowskiego, Lublin 2009. s. 71 – 80.
13. Mahfoudh A., Poncin-Épaillard F., Moisan M., Barbeau J.: Effect of dry-ozone exposure on different
polymer surfaces and their resulting biocidal action
on sporulated bacteria. Surface Science 604 (2010)
1487 – 1493.
14. Ozonek J.: Laboratorium syntezy ozonu. Wydawnictwa Uczelniane, Politechnika Lubelska, Lublin 1993.
15. Ozonek J.: Ozon w uzdatnianiu wody i oczyszczaniu zanieczyszczeń przemysłowych. Ekoinżynieria,
7(1996), 20 – 24.
16. Ozonek J., Fijałkowski S.: Energetyczne i procesowe
aspekty produkcji i zastosowań ozonu w technice.
Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, Lublin 2007.
17. Rudawska A., Jacniacka E.: Analysis for determining
surface free energy uncertainty by the Owen-Wendt
46
method. International Journal of Adhesion & Adhesives 29 (2009) 451 – 457.
18. Rudawska A., Kuczmaszewski J.: Surface free energy of zinc coating after finishing treatment. Material
Science, Vol 24, No. 4 (2006).
19. Shalel-Levanon S., Marmur A.: Validity and accuracy
in evaluating surface tension of solids by additive approaches. Journal of Colloid and Interface Science
262 (2003) 489-499.
20. Żenkiewicz M.: Porównawcza ocena niektórych metod obliczania swobodnej energii powierzchniowej
aktywowanej folii polietylenowej. Polimery 33 (1988)
328 – 331.
21. Żenkiewicz M.: Adhezja i modyfikowanie warstwy
wierzchniej tworzyw wielkocząsteczkowych. WNT,
Warszawa 2000.
22. Żenkiewicz M.: Analiza głównych metod badania
swobodnej energii powierzchniowej materiałów polimerowych. Polimery 52 (2007) 760 – 767.
______________________
Prof. dr hab. inż. Józef Kuczmaszewski i mgr inż. Mariusz
Kłonica są pracownikami Katedry Podstaw Inżynierii Produkcji Politechniki Lubelskiej.