СКЛЕИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

При создании металлических конструкций возникает необходи­мость соединения различных металлов. Механические соедине­ния — сварные, паяные, заклепочные и болтовые — не всегда эф­фективны. Известно, что сварка разнородных металлов — очень сложный технологический процесс, а в некоторых случаях, напри­мер при сварке магния с алюминием, образуются хрупкие соеди­нения. Затруднительна сварка листов различной толщины. Кроме того, при контакте двух различных металлов возможно образова­ние гальванической пары, способствующей возникновению корро­зионных явлений. Пайка легких сплавов еще более сложный, а кроме того и менее надежный способ по сравнению с пайкой сталей. Невозможность полного удаления из некоторых паяных конструкций остаточных флюсов приводит к коррозии металла. Сверление отверстий под заклепки и болты увеличивает затраты времени и удорожает производство. Кроме того, наличие отвер­стий снижает прочность металлических конструкций. Сварные, паяные, заклепочные и болтовые соединения металлов подвержены коррозии, как правило, не герметичны и имеют негладкую поверх­ность.

Применение в металлических конструкциях клеев позволяет на­дежно и достаточно прочно соединять разнородные металлы раз­ной толщины и исключает необходимость сверления отверстий, изготовления болтов и заклепок. Процесс соединения становится более простым и дешевым, а конструкция более легкой. В клеевом шве нагрузка распределяется равномерно по всей площади соеди­нения, в то время как в заклепочных и болтовых соединениях воз­никает концентрация напряжений в местах болтов и заклепок.

При склеивании металлов клеевые соединения, как правило, имеют ровную гладкую поверхность. Кроме того, клеевое соедине­ние не ослабляет металл, как это бывает при сварке (в резуль­тате изменения свойств металла в области сварного шва), оно не подвержено коррозии. В некоторых случаях возможно создание герметичных соединений, не требующих дополнительного уплотне­ния. Необходимо отметить, что использование клеевых соединений приводит к снижению веса конструкций, так как дает возможность применять более тонкие металлические листы. Так, в авиационной
-промышленности при замене заклепочных и сварных соединений клеевыми можно на 25—30% облегчить изделия.

Сравнительные испытания заклепочных, сварных и клеевых со­единений алюминиевых сплавов показывают (табл. III.1—III.3), что последние имеют преимущества (по прочностным характери­стикам) при эксплуатации в условиях умеренных температуо (в особенности в случае тонких сечений металлов) и при вибрацион­ных нагрузках.

Таблица III. 1. Прочность сварных, клепаных и клеесварных соединений алюминиевого сплава D 116 [43]

Разрушающая нагрузка, кгс

Толщина

Клеесварное соединение

На клее

Вид нагружения

Соединяемых

Клепаные

Сварные

Металлов

Соединения

Соединения

ФЛ-4С

BK-1MC

КЛН-1

Срез

1 + 1

125

220

310

560

510

2+2

530

650

720

1100

950

Отрыв

2+2

360

410

500

820

790

Таблица III.2. Прочность при сдвиге соединений дуралюмина (шириной 25,4 мм),

Выполненных на клее Ридакс и точечной сваркой

Разрушающая нагрузка, кгс

Толщина соединяемого

Длина нахлестки,

Металла, мм

ММ

Сварное соединение

Клеевое соединение

0,5

12,7

117

635

0,8

12,7

254

771

1,0

12,7

278

816

1,6

12,7

453

930

2,0

25,4

729

1315

Таблица III.3. Прочность при сдвиге заклепочных и клеевых соединений дуралюмина на клее Ридакс

—<

Диаметр за­клепки, мм

Разрушающая на­грузка, кгс

Соединение

Характер разрушения

Срез заклепки То же

Заклепочное

124 220 318 580

2,4 3,2 4,0

Клеевое

Разрушение металла Разрушение ло клею

305

Клеевые соединения на современных клеях имеют высокие по­казатели прочности при сдвиге и равномерном отрыве, а также длительной и усталостной прочности; они обладают высокой экс­плуатационной надежностью и длительным сроком службы в раз­личных климатических условиях [1]. Однако большинство клеев

20—2591

Имеют сравнительно невысокую теплостойкость. Так, наиболее теплостойкие современные клеи на основе органических полимеров могут работать длительно при температурах около 300°С и крат­ковременно при 350—500 °С, в то время как клепаные и сварные соединения эксплуатируются при гораздо более высоких темпе­ратурах. В последние годы созданы клеи с теплостойкостью до 1000 °С, но вследствие малой эластичности клеевых соединений области их применения ограничены. К недостаткам клеевых со­единений относится и то, что они менее долговечны, чем сварные и клепаные. Кроме того, клеевые соединения металлов имеют от­носительно небольшую прочность при не­равномерном отрыве, что небходимо учи­тывать при проектировании клеевых кон­струкций.

Совершенно очевидно, что в каждом конкретном случае" клеям для металлов и клеевым соединениям предъявляются особые специфические требования. Раз­личным требованиям должны удовлетво­рять конструкционные клеи, предназна­ченные для использования в силовых кон­струкциях, и клеи для конструкций неси­лового назначения. Однако абсолютно — все клеи должны удовлетворять ряду общих требований: коррозионная неак­тивность; отсутствие выделения летучих при отверждении; отсутствие токсично­сти; стойкость к старению; грибо-, водо — и атмосферостойкость; достаточная жиз­неспособность; длительный срок хранения компонентов клея.

Требования, предъявляемые конструкционным клеям, зависят от назначения и условий эксплуатации конструкций. Однако во всех случаях швы конструкционных клеев должны быть менее жесткими, чем склеиваемые ими металлы, и иметь коэффициенты термического расширения, близкие к коэффициентам металла.

К клеям предъявляется также и ряд технологических требова­ний. Весьма желательно, чтобы склеивание можно было прово­дить при комнатной или сравнительно невысоких температурах, малых давлениях и достаточно быстро. Клеи должны хорошо за­полнять зазоры между склеиваемыми поверхностями, образуя до­статочно прочные, необходимой толщины клеевые швы, без непро — клеев.

21 .—ер. — г*т

СКЛЕИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

Рис. III. 1. Виды клеевых соединений: 1, 8, 12 — плохое; 2, 5, 6, 10. 13 — удовлетворительное; 3, 4, 7, 9, И, 14 — хорошее.

При использовании клеев в металлических силовых конструк­циях особое значение приобретает расчет прочности клеевых со­единений. В таких конструкциях обычно применяются соединения встык или внахлестку. Характер соединения определяется его конфигурацией и видом нагрузки. Некоторые рекомендуемые виды клеевых соединений показаны на рис. III.1 и III.2.

Клеевые соединения встык представляют собой торцовые со­единения двух элементов. Если плоскость клеевого соединения встык лежит перпендикулярно к направлению. действия сжимаю­щих или растягивающих нагрузок, то напряжения возникают

СКЛЕИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

Соединения со сты — Вреэные коВочным злемен — Нахлестка (щпунтоВые) том (планной, соединения Втулкой и я?, п)

Соединения Внахлестку и Встык

ТаВроВые соединения’

Цилиндрические (трубчатые) соединения

Рис. 1II.2. Рекомендуемые конструктивные формы клеевых соединений.

Главным образом по периферии площади клеевого соединения. Стыковое соединение очень хорошо работает на равномерный от­рыв, но идеальные условия чистого отрыва встречаются на прак­тике очень редко. Обычно из-за трудностей, связанных с подгон­кой склеиваемых поверхностей, происходит их смещение, в ре­зультате чего при нагружении по­являются напряжения изгиба. Уже при незначительных изги­бающих нагрузках или при нали­чии неравномерного отрыва (п отдира) прочность клеевых со­единений встык резко снижается, причем падение прочности в этом случае тем меньше, чем больше склеиваемые поверхности. Поэтому чаще всего стыковые соедине­ния применяют или в сочетании с соединениями внахлестку, или при склеивании больших поверхностей.

20*

307

Самым распространенным типом клеевого соединения является соединение внахлестку (рис. III.3). В соединениях внахлестку возникают преимущественно напряжения сдвига, но на участках, близких к периферии площади склеивания, могут появиться и на­пряжения растяжения в направлении, перпендикулярном плоско­сти склеивания, что в конечном счете приводит к возникновению отдирающих усилий. Этот факт необходимо учитывать при расчете клеевых соединений внахлестку [2].

При конструировании клеевых деталей длина и ширина нахле­стки должны быть выбраны с учетом толщины металла. Если при заданной нагрузке разрушение идет по металлу, то следует уве­личить толщину металла или применить более прочный металл. Если металл разрушается при нагрузках выше расчетных, можно уменьшить длину нахлестки. При действии растягивающих нагру­зок на соединение, выполненное внахлестку, максимальные напря­жения растяжения возникают у границ клеевого соединения (рис. III.3).

Анализ влияния различных конструкционных факторов на прочностные характеристики клеевых соединений внахлестку по­казывает, что концентрация напряжений возрастает с увеличе­нием длины нахлестки, не зависит от ширины нахлестки, медлен­но возрастает с повышением модуля сдвига клея и медленно сни­жается с увеличением модуля упругости, толщины металла и толщины клеевого слоя. Наилучшей конструкцией соединения вна­хлестку следует признать такую конструкцию, в которой длина нахлестки невелика, клей эластичен, клеевая прослойка толстая, а склеиваемый материал жесткий и также имеет большую толщи­ну. Оптимальным является вариант, в котором коэффициент кон­центрации напряжений равен 1 или, иначе говоря, при однородном распределении напряжений.

Формальный анализ напряжений, возникающих в клеевом со­единении, приводит к выводу о том, что в конструкциях следует применять толстую и нежесткую клеевую пленку. В действитель­ности это не так: из опыта известно, что клеевые соединения с толстой клеевой пленкой имеют обычно низкую прочность, а клеи с чрезмерно большой эластичностью отличаются высокой ползу­честью под нагрузкой и не могут быть использованы в силовых конструкциях. Вместе с тем хрупкие клеевые пленки также неже­лательны вследствие малой когезионной прочности, небольшого коэффициента линейного расширения и наличия в большинстве случаев значительных внутренних напряжений.

Совершенно очевидно, что общая прочность (а не разрушаю­щее напряжение при сдвиге) клеевого соединения увеличивается прямо пропорционально ширине нахлестки, которая может превы­шать ее длину. Изменение прочности при сдвиге в зависимости от длины нахлестки для клея NAA Хай-Темп приведено на рис. III.4. Влияние длины нахлестки и толщины металла на прочность при сдвиге клеевых соединений внахлестку на клее Ридакс показано на рис. III.5.

В некоторых случаях, когда по тем или иным соображениям возникает необходимость в применении высокотеплостойких клеев, как правило, не обладающих эластичностью, или если используют для изготовления конструкций тонкие металлические листы, целе­сообразно для усиления конструкции ставить у наружных кромок временные (при сборке) или постоянные (при эксплуатации) за­клепки или применять точечную сварку. Очень важно при выборе
формы клеевого соединения учитывать, что его прочность при сдвиге и равномерном отрыве значительно больше, чем при не­равномерном отрыве. При сдвигающих напряжениях большая часть клеевого слоя противостоит разрушающей силе, в то время

Ш

СКЛЕИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

Толщина, мм

СКЛЕИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

_ I Шщнма^нахлестки 7>

Со

Г*

С se

03 оз4 03 CV3

Р 150

За 100

§ 50 О.

It

Ц

Оз.,

03 03

I" £

Длина нахлестки

Длина нахлестки, мм


Рис. III.4. Зависимость прочности при сдвиге клеевого соединения стали вна­хлестку «а клее Хай-Темп от длины нахлестки (температуры испытания 25

И 260 °С).

Рис. III.5. Зависимость прочности при сдвиге соединения внахлестку на клее-

Радакс от толщины металла и длины нахлестки I: 1 — 1—12,7 мм; 2 — 1=25,4 мм; 3 — 1=127 мм.

Как напряжение при неравномерном отрыве действует почти ис­ключительно вдоль небольшого узкого участка клеевого слоя, расположенного перпендикулярно направлению силы. При работе клеевого соединения иа неравномер­ный отрыв следует усиливать конст­рукцию местными накладками, за­клепками нлрИ сварными точками [3] и другими способами.

На рис. III.6 приведены рекомен­дуемые соотношения геометрических параметров соединения обшивки с элементами жесткости тавровой формы, и на рис. III.7 показаны различные профили, приклеенные к обшивке. Полки таврового сечения элементов, уменьшающиеся по тол­щине в направлении кромок клеево­го шва, предотвращают коробление и обеспечивают получение прочного соединения. Профили в, г и д (рис. III.7) более прочны, чем а я б.

СКЛЕИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

М

Рис. III.6. Рекомендуемые раз­меры поперечного сече-н-ия эле­ментов, склеиваемых с обшив-

Йой.

При расчете прочности клеевых соединений необходимо учиты­вать также влияние на прочность склеивания природы металла, способа предварительной обработки поверхности, отклонения от

6 в г 3

Рис. III.7. Профили элементов каркаса, приклеиваемых к обшивке.

СКЛЕИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

СКЛЕИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

СКЛЕИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

Заданного режима склеивания, изменения прочностных свойств клея, условия эксплуатации конструкции и т. д. Так, клеевые со­единения алюминиевых, титановых и медных сплавов, как прави­ло, обладают пониженной прочностью по сравнению с соединения-

320

О:-У

А.»

-56

Сз *

СКЛЕИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

— 03

Ofll 0,10 1,0 10 100 1000 Время Во разрушения, ч

Рис. II 1.8. Зависимость проч­ности при сдвиге клеевого сое­динения на клее Метлбонд от продолжительности пребывания под нагрузкой при различных температурах (алюминиевый ■сплав 24Т толщиной 1,6 мм, длина нахлестки 33 мм).

Ми стали при использовании одного и того же клея. Длительное нагружение и повышенные температуры снижают прочность клее­вых швов (рис. III.8).

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Комментарии закрыты.