analiza porównawcza wytrzymałości połączeń klejowych i

analiza porównawcza wytrzymałości połączeń klejowych i

Technologia i Automatyzacja Montażu 4/2012
ANALIZA PORÓWNAWCZA
WYTRZYMAŁOŚCI POŁĄCZEŃ KLEJOWYCH
I LUTOWANYCH BLACH STALOWYCH
Anna Rudawska, Piotr trebik
Połączenia klejowe i lutowane są jednym z rodzajów
połączeń montażowych występującymi w różnorodnych
konstrukcjach [1-3]. Należą do grupy połączeń spajanych nierozłącznych i w związku z tym posiadają pewne
charakterystyczne właściwości. Jedną z zalet rozpatrywanych połączeń jest możliwość łączenia różnorodnych
materiałów konstrukcyjnych, a często takie połączenia
występują w wielu konstrukcjach. W aspekcie działających naprężeń, największą wytrzymałość zarówno w przypadku połączeń klejowych,
jak i lutowanych, uzyskuje się w przypadku przenoszenia
obciążeń ścinających. Połączenia klejowe źle przenoszą
takie obciążenia, które powodują powstanie w spoinach
klejowych oddzierania (czyli naprężeń normalnych do
powierzchni łączonych elementów). Naprężenia te charakteryzują się dużą nierównomiernością rozkładu i spiętrzeniem na obciążonej krawędzi połączenia. Lutowina
może przenosić tylko obciążenia ścinające, natomiast
jej wytrzymałość na rozciąganie i zginanie jest niewielka.
Wymaga to odpowiedniego ukształtowania połączenia.
Celem pracy jest analiza wytrzymałości połączeń
klejowych i lutowanych zakładkowych blach stalowych:
blacha ze stali C45 (wg EN10083) oraz blacha stalowa
Z-II/2T (08X, wg PN-81/H-92121). W przypadku połączeń klejowych jako sposób przygotowania powierzchni
zastosowano obróbkę mechaniczną oraz odtłuszczanie,
a podczas wykonywania połączeń lutowanych – trawienie kwasem siarkowym.
Charakterystyka procesu klejenia i lutowania
Na wytrzymałość połączeń klejowych wpływa wiele
czynników związanych z konstrukcją, technologią, właściwościami materiałowymi oraz eksploatacją połączeń.
Czynnikami technologicznymi jest sposób przygotowania
powierzchni, rodzaj kleju, warunki utwardzania. Wśród
czynników konstrukcyjnych należy wymienić przede
wszystkim geometrię połączenia (grubość łączonych
elementów, długość zakładki) oraz sposób jego obciążenia. Warunki eksploatacji, w tym zmienność czynników
w czasie, stanowią istotny element procesu projektowania połączeń klejowych.
Podstawowym czynnikiem technologicznym jest sposób przygotowania powierzchni klejonych elementów
[1, 2, 5]. Warunkuje uzyskanie silnych więzi adhezyjnych, dzięki czemu możliwe jest uzyskanie połączenia
o wysokiej wytrzymałości. Wybór sposobów przygoto-
wania powierzchni do klejenia zależy od wielu czynników, między innymi od rodzaju, właściwości i struktury
geometrycznej powierzchni klejonych materiałów, warunków techniczno-technologicznych, rodzaju produkcji.
W związku z tym proces ten może być złożony z różnych
operacji, takich jak: odtłuszczanie, obróbki mechaniczne,
chemiczne, elektrochemiczne oraz specjalne.
O wytrzymałości połączenia decydują naprężenia
maksymalne w warstwie kleju, gdyż one zapoczątkowują zniszczenie połączenia. Połączenia zakładkowe
i nakładkowe są najpopularniejsze ze względu na prostą
konstrukcję, mały ciężar oraz dużą wytrzymałość na naprężenia ścinające.
W połączeniach zakładkowych i nakładkowych powstaje wzdłuż kierunku działania obciążeń nierównomierny rozkład naprężeń, spowodowany różnicą fizycznych właściwości łączonych materiałów oraz kształtem
i wymiarami połączenia [1].
Połączenie lutowane uzyskuje się dzięki przyczepności materiału dodatkowego – lutu – do materiałów łączonych (zjawisko adhezji oraz wzajemnej dyfuzji z metalem
rodzimym), dlatego warunkiem otrzymania prawidłowego
połączenia jest staranne dopasowanie oraz oczyszczenie (mechaniczne i chemiczne) powierzchni lutowanych.
Proces lutowania można przeprowadzić na kilka sposobów, w zależności od zastosowanej metody dostarczania
ciepła do nagrzewania elementów łączonych i topienia
lutu. Można wyróżnić m.in. lutowanie miękkie, twarde,
dyfuzyjne [3, 4, 6].
Lutowanie miękkie jest wykorzystywane często w połączeniach przewodzących prąd, lecz nieprzenoszących
dużych sił. Stosowane jest do łączenia części o niewysokiej temperaturze pracy, jak również do uszczelniania
połączeń (np. cienkościennych zbiorników, pojemników,
rynien, rurociągów) – rys. 1.
Podstawową cechą lutów miękkich jest niska wytrzymałość spoin (Rt = 20 – 80 MPa). Luty miękkie są wykonywane w postaci prętów, drutu, płytek, proszków, a najczęściej pałeczek. Zakres temperatury topliwości lutowia
mieści się w granicach od 183oC do 270oC. Stosowane
są spoiwa ołowiowo-cynowe, a niektóre z nich zawierają ponadto drobne domieszki antymonu, srebra i miedzi,
oraz zanieczyszczenia w postaci śladowej zawartości
żelaza, bizmutu, arsenu, aluminium, cynku i kadmu [6].
Lutowanie miękkie ze względu na sposób dostarczania ciepła dzieli się na lutowanie: za pomocą lutownicy,
piecowe, kąpielowe, indukcyjne, płomieniowe.
45
TiAM_4_2012.indd 45
2012-11-08 12:05:09
4/2012 Technologia i Automatyzacja Montażu
•• Charakterystyka połączeń klejowych
Do badań wykorzystano połączenia klejowe jednozakładkowe wykonane z blach ze stali C45 i blach ze stali
do tłoczenia Z-II/2T, których geometrię zamieszczono na
rys. 2.
a)
Rys. 1. Połączenia lutowane lutami miękkimi [3]
Lutowanie twarde jest połączeniem o właściwościach
pośrednich pomiędzy lutowaniem miękkim a spawaniem.
Lutowanie twarde umożliwia łączenie blach, kształtowników, części mechanizmów, elementów narzędzi skrawających.
Do najbardziej perspektywicznych metod łączenia nowoczesnych materiałów inżynierskich zalicza się m.in.
lutowanie dyfuzyjne. Metoda ta łączy cechy zgrzewania
dyfuzyjnego i lutowania [7].
Wykonanie połączenia lutowanego wymaga doboru odpowiedniej metody lutowania, właściwego rodzaju
lutu, topnika oraz starannego przygotowania powierzchni
łączonych elementów. Konieczna jest także analiza sposobu obciążenia połączenia oraz jego wymiarów, kształtu
i symetrii. Właściwy dobór wyżej wymienionych elementów umożliwia odpowiednie zwilżanie powierzchni łączonych przez lut, a w związku z tym zostaje zapewniona
odpowiednia wytrzymałość mechaniczna i szczelność
połączenia.
Badania doświadczalne
Podczas badań eksperymentalnych wykonano połączenia klejowe oraz połączenia lutowane blach stalowych. Pierwszy rodzaj próbek był wykonany z blach ze
stali C45, drugi natomiast z blachy stalowej do tłoczenia
Z-II/2T. Powierzchnie blach poddano wybranym sposobom przygotowania powierzchni oraz zastosowano
określone warunki wykonywanych połączeń. Dokonano
pomiarów wybranych parametrów chropowatości powierzchni oraz wykonano profilogramy powierzchni. Wykonano pomiary siły niszczącej połączenia, a następnie
określono wytrzymałość badanych połączeń. Oba rodzaje połączeń zostały poddane próbie rozciągania na ścinanie. Badania te przeprowadzono w oparciu o konkretne
wytyczne jednej z firm przemysłowych. Należy wspomnieć, że analiza porównawcza połączeń o zróżnicowanych wymiarach oraz różnych gatunków materiałów nie
zawsze jest poprawna, jednakże przedstawione wyniki badań w poszczególnych grupach połączeń mogą stanowić
podstawę do dalszych analiz lub badań doświadczalnych.
b)
Rys. 2. Kształt i wymiary próbek klejowych stosowanych w badaniach: a) – blach ze stali C45, b) – blacha ze stali Z-II/2T Grubość blach ze stali C45 wynosiła g = 1 mm,
a grubość blach Z-II/2T g = 2 mm. Grubość warstwy kleju natomiast wynosiła około 0,15 mm. Długość zakładki
spoiny klejowej określono z zależności przedstawionej
w pracach [1, 2], pozwalającej na obliczenie granicznej długości zakładki w przypadku klejenia materiałów o jednakowych grubościach. Do porównywania
poszczególnych rodzajów próbek przyjęto połączenia
o granicznej długości zakładki w celu spełnienia niektórych wytycznych projektowania połączeń klejowych.
Z rozważań teoretycznych wynika [1], że zwiększenie
długości granicznej zakładki spoiny klejowej (zgodnie
z teorią Volkersena) nie powinno powodować dalszego
zwiększania wytrzymałości połączenia klejowego. Stąd
też przyjęto analitycznie określoną długość dla poszczególnych rodzajów próbek (wymiarów), stanowiąc także
podstawę do dalszych planowanych rozważań projektowych. Dla blach ze stali C45 przyjęto długość wynoszącą
lz = 14 mm, a dla blach ze stali Z-II/2T: lz = 16 mm. Szerokość próbek blach ze stali C45 wynosiła b = 20 mm,
a Z-II/2T – b = 25 mm.
Podczas wykonywania połączeń klejowych przyjęto
następujący sposób przygotowania powierzchni:
•• odtłuszczanie środkiem odtłuszczającym Loctite
7063,
•• obróbkę mechaniczną ściernym narzędziem nasypowym o ziarnistości P320,
46
TiAM_4_2012.indd 46
2012-11-08 12:05:09
Technologia i Automatyzacja Montażu 4/2012
•• odtłuszczanie środkiem odtłuszczającym Loctite
7063.
Zastosowano dwa rodzaje klejów epoksydowych dwuskładnikowych: Loctite 9466 oraz Loctite 9484. Połączenia wykonano w temperaturze 210C, przy wilgotności
względnej powietrza wynoszącej 22%. Proces utwardzania przeprowadzono w wyżej wspomnianej temperaturze, a nacisk wynosił 0,064 MPa. Przyjęto, że połączenia
będą sezonowane w ciągu 7 dni. Po tym czasie przeprowadzono kontrolę połączeń pod względem poprawności wymiarowo-kształtowej. Po wykonaniu pomiarów
długość zakładki dla połączeń klejowych blach ze stali
C45 wynosiła lz = 12,03 ÷ 14,08; natomiast dla połączeń
blachy Z-II/2T – lz = 14,66 ÷ 17,00.
Połączenia poddano próbie wytrzymałościowej,
podczas której otrzymano wartości sił niszczących poszczególne połączenia klejowe. Badania wytrzymałościowe przeprowadzono na maszynie wytrzymałościowej
Zwick 150.
Na podstawie wyników niektórych cech geometrycznych powierzchni można zauważyć znaczne różnice
w wartościach parametrów chropowatości powierzchni,
pomimo zastosowania takiego samego sposobu przygotowania powierzchni. Można sądzić, iż wynikają one
z właściwości badanych rodzajów blach. Blacha Z-II/2T
jest to blacha przeznaczona do tłoczenia, a więc prawdopodobnie charakteryzująca się większą podatnością na
odkształcenia niż blacha C45, co może mieć odzwierciedlenie w wynikach chropowatości powierzchni.
•• Siła niszcząca i wytrzymałość połączeń klejowych
Przeprowadzone badania wytrzymałościowe pozwoliły na uzyskanie siły niszczącej badane połączenia klejowe. Na jej podstawie określono wytrzymałość na ścinanie
rozpatrywanych połączeń klejowych. Wyniki zamieszczono na rys. 3.
•• Charakterystyka połączeń lutowanych
Do badań wykorzystano połączenia lutowane jednozakładkowe wykonane ze stali C45
i Z-II/2T, których kształt i wymiary były takie same,
jak w przypadku połączeń klejowych (rys. 6).
Zastosowano odtłuszczanie środkiem odtłuszczającym Loctite 7063 oraz trawienie kwasem
siarkowym H2SO4 w czasie ok. 1 minuty, jako sposób przygotowania powierzchni analizowanych
blach.
Długość zakładki połączeń lutowanych dla blachy ze stali C45 wynosiła lz = 14,50 ÷ 16,12 mm,
a dla blach ze stali Z-II/2T – lz = 15,76 ÷ 16,71 mm.
Połączenia lutowane wykonano za pomocą lutownicy kolbowej 300 W ręcznej. Zastosowano topnik SW26
– żywiczny, kalafoniowy aktywator halogenkowy, a do
lutowania wykorzystano spoiwo lutownicze Cynel zawierające 60% cyny i 40% ołowiu o temperaturze topnienia
ok. 190oC. Po procesie lutowania, połączenia przemywano pod bieżącą wodą w czasie ok. 2 minut.
Wyniki badań
•• Chropowatość powierzchni
Wyniki wybranych parametrów chropowatości powierzchni badanych próbek, które poddano określonej
operacji przygotowawczej przed procesem klejenia,
przedstawiono w tabeli 1.
Rys. 3. Siła niszcząca połączenia klejowe: 1 – stal C45, 2 – stal
Z-II/2T
Największą siłę niszczącą otrzymano dla połączeń
klejowych blachy ze stali C45 wykonanych przy użyciu
kleju Loctite 9466 (6540 N), a wytrzymałość połączeń
wynosiła 24,02 MPa. Zastosowanie tego kleju pozwoliło
na uzyskanie większej siły niszczącej zarówno w przypadku blach ze stali C45, jak i blach ze stali Z-II/2T. Różnica wartości siły niszczącej w przypadku tego rodzaju
kleju wynosi około 38%. Zauważono, że wykorzystując
klej Loctite 9484 do wykonania obu połączeń, uzyskano
zbliżoną wartość siły niszczącej połączenia klejowe obu
materiałów. Różnica wynosi około 7% (235 N), zbliżona
do wartości odchylenia standardowego siły niszczącej.
W przypadku łączenia blach ze stali C45 korzystne
jest zastosowanie kleju Loctite 9466 (Rt = 24,02 MPa).
Uzyskano dwukrotny wzrost wytrzymałości w porównaniu z klejem Loctite 9484 (Rt = 11,43 MPa). Zastosowanie obu rodzajów klejów w przypadku łączenia blach
Tabela 1. Parametry chropowatości powierzchni analizowanych próbek
Lp.
Rodzaj
materiału
Parametry chropowatości powierzchni, μm
Ra
Rz
Rz maks.
Sm
Rp
Rpk
Rvk
1
Stal C45
0,33
2,61
3,30
68
1,16
0,39
0,64
2
Stal Z-II/2T
1,84
10,09
14,46
195
4,77
1,77
3,64
47
TiAM_4_2012.indd 47
2012-11-08 12:05:09
4/2012 Technologia i Automatyzacja Montażu
ze stali Z-II/2T pozwoliło na otrzymanie wytrzymałości
o niewielkich różnicach (około 1,76 MPa). Stąd też można przypuszczać, iż rodzaj kleju jest istotnym czynnikiem
wpływającym na wytrzymałość połączeń klejowych blach
ze stali C45. Mniejsze znaczenie ma w przypadku wykonania połączeń klejowych ze stali Z-II/2T. Niższa nośność połączeń klejowych wykonanych
z blach o większej grubości może prawdopodobnie
wynikać z właściwości samego łączonego materiału. Blacha Z-II/2T charakteryzuje się następującymi
właściwościami mechanicznymi (PN-89/H-84023/05):
Re(min) = 175 MPa; Rm = 295 MPa (min), natomiast
właściwości dla stali C45 wynoszą Re(min) = 600 MPa;
Rm = 295 MPa (min). Blacha Z-II/2T jest to materiał przeznaczony do tłoczenia, a więc jest bardziej plastyczny niż
blacha C45. W związku z tym, podczas próby niszczącej
ulega większym odkształceniom plastycznym niż próbki
wykonane z blachy C45, zmieniając tym samym rozkład
naprężeń.
•• Siła niszcząca i wytrzymałość połączeń lutowanych
Przedstawione wyniki uzyskano przy zachowaniu takich samych warunków wykonywania połączeń lutowanych. Może to świadczyć o tym, iż przyjęte parametry są
korzystne podczas lutowania blach ze stali C45, a mniej
wskazane dla blachy 08X, dla której w celu uzyskania
większej wytrzymałości należy dobrać nieco inne warunki
wykonywania połączeń.
Różnice rezultatów badań wytrzymałościowych połączeń obu rozważanych materiałów spowodowane są
przede wszystkim rodzajem materiału oraz różnicami
w geometrii połączeń. W tym przypadku celem porównania było uzyskanie informacji dotyczącej rzeczywistej
wartości siły niszczącej połączenia wykonane z obu rodzajów materiałów i wykorzystanie tej informacji podczas
projektowania procesu technologicznego takich połączeń.
•• Wytrzymałość połączeń klejowych i lutowanych
Porównanie wytrzymałości analizowanych połączeń
klejowych i lutowanych zamieszczono na rys. 6.
Na podstawie badań wytrzymałościowych wyznaczono wartość siły niszczącej (rys. 4) oraz na jej podstawie
określono wytrzymałość połączeń lutowanych badanych
materiałów (rys. 5).
Rys. 4. Siła niszcząca połączenia lutowane: 1 – stal C45, 2 – stal
08X
Rys. 5. Wytrzymałość połączeń lutowanych: 1 – stal C45, 2 –
stal 08X
Otrzymane wyniki badań wskazują, że siła niszcząca
połączenia lutowane ze stali C45 jest większa niż siła
niszcząca połączenia wykonane ze stali Z-II/2T. Także
większą wytrzymałością charakteryzują się połączenia
lutowane blach ze stali C45. Wynosi ona 34,82 MPa i jest
o 67% większa od wytrzymałości połączeń lutowanych
blachy Z-II/2T (16,98 MPa).
Rys. 6. Porównanie wytrzymałości połączeń klejowych (serie 1)
i lutowanych (serie 2): a) – stal C45, 2) – stal Z-II/2T
Rozpatrując wytrzymałość badanych połączeń, stwierdzono, że wytrzymałość połączeń lutowanych jest wyższa niż połączeń klejowych obu badanych materiałów.
Różnica w wartościach wytrzymałości zarówno dla blach
ze stali C45, jak i stali Z-II/2T wynosi około 40%. W przedstawionym porównaniu uwzględniono połączenia klejowe wykonane za pomocą kleju Loctite 9466, gdyż one
uzyskały większe wytrzymałości niż połączenia, w których zastosowano klej Loctite 9484. Może świadczyć to
o tym, iż zastosowanie technologii lutowania w przypadku
podobnych materiałów pozwoli na wzrost wytrzymałości
o 40% w stosunku do połączeń klejowych. Jednak takie
założenie może być wykorzystane, spełniając takie same
warunki techniczno-technologiczne wykonywania połączeń.
Informacja ta może stanowić istotną wskazówkę podczas wstępnych analiz związanych z projektowaniem
technologii łączenia badanych materiałów.
48
TiAM_4_2012.indd 48
2012-11-08 12:05:09
Technologia i Automatyzacja Montażu 4/2012
Podsumowanie i wnioski
Przedmiotem przeprowadzonych badań były połączenia klejowe i lutowane dwóch rodzajów blach stalowych:
C45 oraz Z-II/2T. Blachy te znajdują zastosowanie jako
elementy konstrukcyjne w różnorodnych gałęziach przemysłu (m.in. samochodowym, budowlanym, maszynowym, a także lotniczym).
Przeprowadzone badania dotyczyły wybranych aspektów wytrzymałości połączeń klejowych oraz lutowanych,
przy czym istotnym czynnikiem był rodzaj materiału.
Ponadto, rozważając rodzaj kleju zastosowanego do
wykonanych połączeń klejowych, zauważono, że większą wytrzymałość można osiągnąć, stosując klej Loctite
9466. Dotyczy to zwłaszcza blach ze stali C45, dla których zauważalny jest ponaddwukrotny wzrost wytrzymałości po zastosowaniu tego kleju (Rt = 24,02 MPa) niż
przy użyciu kleju Loctite 9484 (Rt = 10,88 MPa). W przypadku blach stalowych Z-II/2T nie jest tak istotna różnica
w otrzymanych wartościach wytrzymałości połączeń wykonanych za pomocą obu analizowanych klejów. Oprócz
tego można zauważyć, iż stosując klej Loctite 9484 do
łączenia blach ze stali C45 oraz Z-II/2T, można otrzymać
rozbieżność wytrzymałości rzędu około 20%. Stąd też
potwierdzają się informacje, iż rodzaj kleju odgrywa istotną rolę podczas łączenia, jednakże wpływ ten może być
różny w zależności od rodzaju materiałów, a także należy
uwzględnić warunki wykonywania połączeń.
Zauważono, iż znaczny wpływ na wytrzymałość połączeń odgrywa rodzaj łączonego materiału, jego właściwości mechaniczne. Większą wytrzymałością charakteryzowały się połączenia blachy ze stali C45 zarówno
klejowe, jak i lutowane w odniesieniu do połączeń blach
Z-II/2T. Właściwości te wpływają na odmienny rozkład
naprężeń wynikający głównie z wpływu odkształcenia
plastycznego, zwłaszcza w przypadku materiału przeznaczonego do tłoczenia.
Ponadto większą wytrzymałość wykazały połączenia
lutowane niż klejowe. Dla połączeń obu materiałów różnica ta wyniosła około 40%. Można z tego wnioskować,
iż w sytuacjach, gdzie wymagana jest bardzo wysoka
wytrzymałość badanych materiałów, należy zastosować
połączenia lutowane, mając jednak na względzie możliwości ich wykonania. W przypadkach, gdy wymagana
wytrzymałość określona jest na poziomie osiągalnym
przez połączenia klejowe, można zastosować te połączenia, gdyż w tym przypadku konieczne są mniejsze
wymagania związane z oprzyrządowaniem oraz przygotowaniem powierzchni (nie jest konieczne stosowanie trawienia i topników). Należy także rozważyć trudności oraz
czas samej operacji wykonywania połączenia. Stąd też
można zauważyć, iż konieczna jest każdorazowa analiza
czynników określających korzystny rodzaj stosowanego
połączenia w odniesieniu do konkretnych przypadków.
Przedstawione informacje mogą mieć istotny wpływ
na projektowanie technologii połączeń klejowych i lutowanych analizowanych materiałów konstrukcyjnych.
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.
LITERATURA
1. Godzimirski J., Kozakiewicz J., Łunarski J., Zielecki W.: Konstrukcyjne połączenia klejowe elementów
metalowych w budowie maszyn. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 1997.
2. Praca zbiorowa pod red. Cagle’a Ch. V.: Kleje i klejenie. Poradnik inżyniera i technika. WNT, Warszawa,
1977.
3. Rutkowski A.: Części maszyn. WSiP, Warszawa
1994.
4. http://www.tremolo.pl (luty 2012).
5. Rudawska A., Kuczmaszewski J.: Klejenie blach
ocynkowanych. Wydawnictwa Uczelniane PL, Lublin
2005.
6. Bijak-Żochowski M., Dietrich M., Kacperski T., Stupnicki J., Szala J., Witkowski J.: Podstawy Konstrukcji
Maszyn. Tom 2. WNT, Warszawa.
7. Wojewoda J., Zięba P.: Lutowanie dyfuzyjne niskotemperaturowe. I: Aspekty strukturalne. Inżynieria
Materiałowa nr 1/2004.
______________________
Dr inż. Anna Rudawska jest pracownikiem Katedry Podstaw Inżynierii Produkcji Politechniki Lubelskiej. Piotr
Trebik jest członkiem Koła Naukowego Katedry Podstaw
Inżynierii Produkcji Politechniki Lubelskiej.
49
TiAM_4_2012.indd 49
2012-11-08 12:05:09