4.Proces technologiczny klejenia (operacje technologiczne, podstawowe wymagania)

Zazwyczaj proces klejenia przebiega w następujący sposób: elementy, które chce się połączyć ze sobą, pokrywa się warstwą kleju, dociska do siebie i czeka aż klej je zwiąże.

Na wytrzymałość spoiny klejowej mają wpływ następujące czynniki:

• rodzaj i siła chemicznego oddziaływania kleju z klejonymi powierzchniami

• głębokość penetracji kleju

• wytrzymałość mechaniczna samej warstwy kleju.

Podstawowe, badane i wymagane w procesie klejenia parametry:

• lepkość

• czas otwarty czyli maksymalny czas od nałożenia kleju na powierzchnie sklejaną do momentu sklejenia

• czas wiązania czyli czas, po którym spoina osiąga pełną wytrzymałość

• baza kleju czyli zasadnicze składniki kleju, dzięki którym posiada on swe właściwości

• ciała stałe - ilość suchej masy w jednostce objętości.

Michał Zenkteler charakteryzuje proces wiązania kleju:

[…] Dobry klej powinien charakteryzować się nie tylko dużą adhezją do powierzchni łączonych ciał stałych, lecz także możliwie największą kohezją pomiędzy własnymi cząsteczkami. We wzajemnym oddziaływaniu na siebie elementów budowy materii mogą brać udział zarówno siły natury chemicznej, jak i fizycznej. […] Wiążącą podstawą klejów musi być zawsze substancja o dużej masie cząsteczkowej (żywica syntetyczna, białko, kauczuk). Substancja ta stanowi podstawowy składnik każdego kleju. Do zaistnienia adhezji cząsteczek kleju do powierzchni ciał stałych nieodzowna jest płynna postać kleju w procesie klejenia. Najczęściej płynny klej uzyskuje się, rozpuszczając związek wielkocząsteczkowy w odpowiednim rozpuszczalniku lub, w razie jego nierozpuszczalności, przeprowadzając go w stan koloidalny przez rozproszenie w odpowiednim ciekłym ośrodku dyspersyjnym. Aby zatem w wymienionych przypadkach podstawowy składnik kleju uzyskał właściwości wiążące, konieczne jest dodanie doń rozpuszczalnika lub ciekłego ośrodka dyspersyjnego. Ciecze te stanowią więc dla omawianych klejów nieodzowny dodatek. Tworzenie się nieodwracalnych żelów jest w niektórych klejach (np. kazeinowych, rezorcynowych, poliuretanowych czy epoksydowych) następstwem reakcji chemicznej pomiędzy odpowiednim związkiem chemicznym i podstawowym składnikiem kleju. A zatem i ten związek stanowi dla danego kleju dodatek nieodzowny. Dysponując wspomnianymi zasadniczymi składnikami, można przyrządzić klej, który będzie spełniał wszystkie elementarne warunki, a więc: zwilżał powierzchnię ciała stałego, a następnie zestalał się w wytrzymałe ciało stałe […].

Wymagania praktyczne stawiają klejom, oprócz warunków elementarnych, warunki szczególne, które decydują o przydatności danego kleju do tych czy innych celów. Warunki te można podzielić na trzy grupy:

1. warunki technologiczne: długa żywotność, łatwość nanoszenia, odpowiedni i dający się regulować czas zestalania się, brak składników szkodliwych dla zdrowia, brak składników barwiących lub uszkadzających sklejane materiały, małe zmiany objętości zestalonego kleju w stosunku do objętości kleju płynnego, nie powodujące powstawania naprężeń;

2. warunki ekonomiczne: niska cena, szybkie zestalanie się w nie podwyższonej temperaturze (a co za tym idzie — duża wydajność procesu technologicznego, mały nakład energii i niski koszt urządzeń), małe zużycie narzędzi przy obróbce sklejonych elementów;

3. warunki stawiane spoinom klejowym: wytrzymałość równa wytrzymałości sklejonego materiału, odpowiednia sprężystość pozwalająca na znoszenie przez klej zmian objętości drewna przy zmianach jego wilgotności, odporność na działanie warunków użytkowania połączeń, brak znaczniejszego płynięcia pod wpływem długotrwałych obciążeń statycznych.

Liczba i różnorodność warunków stawianych klejom jest, więc duża, stąd nie ma kleju, który by w pełni odpowiadał wszystkim tym wymaganiom.

Celem procesu klejenia jest wytworzenie pomiędzy łączonymi elementami tzw. spoiny klejowej, czyli ściśle związanej z nimi warstwy zestalonego kleju o odpowiednich właściwościach mechanicznych. Im mniejsza jest grubość tej warstwy, tym na ogół wytrzymałość połączenia jest większa. W bardzo cienkich warstwach mniejszy jest, bowiem ujemny wpływ strukturalnych wad zestalonego polimeru, jak również wewnętrznych naprężeń powstających wskutek kurczenia się wysychających klejów, gdy są one stosowane w postaci roztworów lub emulsji. Wytrzymałość połączenia byłaby niewątpliwie największa, gdyby pomiędzy elementami wytworzyła się jedynie adhezyjna warstwa kleju, a więc o grubości odpowiadającej wymiarom pojedynczych cząsteczek (poniżej l mikrometra) przy braku warstwy kohezyjnej, której dotyczą wspomniane wady strukturalne i naprężenia. Uzyskanie tak cienkiej warstwy kleju jest jednak niezwykle trudne nawet w warunkach laboratoryjnych. Wytworzenie cienkiej, wytrzymałej spoiny jest możliwe tylko po spełnieniu kilku podstawowych warunków, z których najważniejsze to:

• odpowiednie pokrycie klejem przeznaczonych do sklejenia powierzchni,

• spowodowanie jak największego zbliżenia tych powierzchni ku sobie,

• zapewnienie prawidłowego przebiegu zestalania się kleju przez właściwy dobór czasu klejenia oraz warunków otoczenia.

Zalety połączeń klejonych:

• wykorzystanie pełnej wytrzymałości materiałów łączonych, ponieważ warstwa kleju nie wywołuje naprężeń w materiale i nie osłabia części łączonych;

• uzyskanie zestawu elementów o nienaruszonej powierzchni (bez otworów);

• równomierne rozłożenie naprężeń na całej powierzchni złącza;

• odporność połączeń na korozję;

• zdolność tłumienia drgań;

• klej może także uszczelniać złącze, odgrywając rolę uszczelki;

• możliwość łączenia dowolnych materiałów.

Wady połączeń klejonych:

• możliwość rozwarstwienia połączenia pod wpływem obciążeń;

• mała odporność klejów na zmiany temperatury;

• długi czas utwardzania większości klejów;

• spadek wytrzymałości połączenia wraz z upływem czasu, spowodowany starzeniem się kleju;

• stosunkowo mała wytrzymałość w porównaniu z innymi rodzajami połączeń.

Są trzy podstawowe warunki, które dość jednoznacznie wskazują na to, że należy rozważyć łączenie za pomocą klejenia:

• Gdy konstrukcja ma charakteryzować się dużą sztywnością w połączeniu z niską masą. Najczęściej spotykamy się z tym wymogiem w konstrukcjach transportowych. Pierwsze bez wątpienia było lotnictwo, dziś klejone są nadwozia izotermiczne, autobusy, samochody osobowe i kontenery.

• Gdy jeden z wymiarów jest istotnie mniejszy niż pozostałe.

• Gdy metal ma być łączony z innym materiałem, jak szkło, tworzywo sztuczne, laminat lub podobne.

Są oczywiście inne względy, jak choćby brak korozji bimetalicznej, brak odkształceń termicznych, tłumienie drgań, koszt wykonania, estetyka połączenia.

Proces klejenia składa się z następujących etapów:

1. Projektowanie połączenia klejonego oraz dobór kleju. Źle zaprojektowane złącze lub źle dobrany klej to najczęstsze przyczyny rozerwania połączeń klejonych. Każdy klej jest inny i inne jest też jego przeznaczenie i zastosowanie (sposób przygotowania oraz aplikacji, czas utwardzania, grubość warstwy wiążącej zapewniającej określoną wytrzymałość złącza).

2. Oczyszczenie powierzchni metodami chemicznymi lub mechanicznymi. Powierzchnie łączone powinny być wolne od zanieczyszczeń i dokładnie rozwinięte, aby szczelnie do siebie przystawały. Złe oczyszczenie znacznie zmniejsza wytrzymałość połączenia, dlatego jest tak ważne. Jest to warunek konieczny, żeby złącze klejone było odporne na odwarstwianie się kleju, czyli „delaminacja”. Jeśli przedmiot do obróbki jest duży (jak w motoryzacji) lub masa elementów krytyczna (jak w lotnictwie lub technologii kosmicznej), stosuje się różne sposoby trawienia i pokrywania powłokami. Takie obróbki są dość kłopotliwe, wymagają wielu kąpieli chemicznych. Dlatego w praktyce stosuje się często wyłącznie odtłuszczanie lub nakładanie podkładów, które wiążą lekkie zanieczyszczenia, jak tłuszcz i kurz. Jest to element procesu technologicznego, który nie może zostać pominięty. Powierzchnie łączone przygotowuje się najpierw mechanicznie, a następnie chemiczne. Przygotowanie mechaniczne ma na celu usunięcie zanieczyszczeń znajdujących się na powierzchni łączonych materiałów jak na przykład: rdzy. Zaś przygotowanie chemiczne polega na wytrawieniu powierzchni łączonych, aby zwiększyć zwilżalność łączonych materiałów.

3. Staranne przygotowanie masy klejącej. Niektóre kleje są dwu lub więcej składnikowe, wówczas masę klejącą uzyskuje się przez wymieszanie ich w odpowiednich proporcjach. Gdy zaś mamy do czynienia z klejami termoutwardzalnymi wówczas należy substancję ciekłą połączyć z utwardzaczem. Przygotowanie innych klejów polega na rozpuszczeniu suchego kleju w rozpuszczalniku, lub podgrzaniu go do temperatury, w której staje się ciekły.

4. Dokładne nałożenie warstwy kleju na powierzchnie klejone. Klej należy koniecznie nałożyć w takim kształcie, żeby po przyłożeniu drugiej powierzchni pomiędzy klejone detale nie dostało się powietrze. Dlatego nakładanie kleju jest jedną z ważniejszych operacji. Klej jest projektowany tak, żeby samoczynnie zapływał złącze i wypierał powietrze. Przykładem są choćby złącza gwintowe, gdzie stosuje się kleje nawet o właściwościach kapilarnych. W połączeniach konstrukcyjnych zagadnienie zapowietrzenia złącza jest kluczowe. Nawet, jeśli stosuje się klej elastyczny, absorbujący wibracje, bąbel powietrza jest zawsze źródłem nieciągłości złącza. Od tego miejsca zaczynać się może delaminacja. Kleje do metalu zawierają wypełniacze podnoszące ich wytrzymałość, odporność na oddzieranie i opierające się wibracjom. Kleje o wysokiej wytrzymałości są bardziej narażone na negatywne skutki działania delaminacyjnego w przypadku nieciągłości złącza.. Dlatego ważne jest, by klej był nałożony bez bąbli powietrza, przerywających strugę kleju. W tym celu stosuje się przemysłowe metody przepakowania i podawania klejów z opakowań handlowych. Przykładem są z jednej strony aplikatory stosowane przy mniejszych złączach, a z drugiej strony pompy podające kleje wężami prosto z wiader lub beczek. Nakładanie kleju może się też odbywać natryskowo. Trzeba tu pamiętać, że duża ilość kleju wcale nie gwarantuje większej wytrzymałości, lecz wręcz przeciwnie.

5. Utwardzenie skleiny w odpowiedniej temperaturze z zachowaniem właściwego nacisku;. Ważne jest nie tylko nałożenie kleju. Również złożenie części musi być przeprowadzone w odpowiedni sposób. Niedopuszczalne są kieszenie konstrukcyjne lub technologiczne, które mogą uwięzić powietrze, wypychające później klej na zewnątrz. Elementy trzeba złożyć i ustalić, ale nie dociskać. Oczywiście, jeśli elementy są odkształcone, sprężynują, opadają pod własnym ciężarem, trzeba je zamocować. Ale nie chodzi o dociskanie, żeby nie wycisnąć kleju poniżej pewnej grubości warstwy. W odpowiedzialnych połączeniach konstrukcyjnych stosuje się kleje z kulkami szklanymi, żeby utrzymać grubość spoiny w wąskiej tolerancji. Stosuje się gumowe lub metalowe podkładki. Grubość spoiny konstrukcyjnej nierzadko musi wynosić 1 mm lub więcej, żeby złącze spełniało swoje wymagania wytrzymałościowe. Zależy to od wielu czynników, z których podstawowym jest dobór kleju do określonego zastosowania. Każde złącze ma swoją optymalną grubość kleju, którą trzeba zrealizować. Złączenie nastąpi, gdy klej całkowicie wyschnie, trwa to od kilkudziesięciu sekund nawet do kilku godzin - zależy od kleju.

6. Oczyszczenia skleiny. Polega na usunięciu nadmiaru kleju, który po dociśnięcie stworzył w obszarze sklein wycieki. Po utwardzeniu można je usunąć za pomocą metod mechanicznych (piłowania, skrawania), a gdy klej jeszcze nie wysechł można to zrobić za pomocą tkaniny zanurzonej w rozpuszczalniku..

Teraz technologia klejenia metali ma swój słaby punkt. Lutowanie, spawanie, nitowanie - te technologie mają przewage ze względu na pewną cechę: jak się skończy prace nad złączem, można je najczęściej zaraz wziąć do dalszej obróbki. W klejeniu wymagane jest pole odkładcze (czas wiązania spoiny), które każdy technolog próbuje zredukować do minimum. Bo to przecież koszt produkcji w toku. Jest to znaczne obciążenie kosztów procesu. Pomioty łańcucha logistycznego szukają różnych sposobów zmniejszenia tych kosztów:

• Wykonawcy złącza - stosują specjalne komory klimatyzacyjne dla klejów poliuretanowych, silikonów i silanów, utrzymujące wysoką wilgotność i podwyższoną temperaturę. Przyjmuje się, że każde 10°C skraca czas wstępnego wiązania kleju o połowę.

• Producenci klejów - opracowują nowe rozwiązania technologiczne: kleje z tzw. boosterem, szybkie kleje dwuskładnikowe, systemy no-mix, aktywatory, to tylko niektóre z rozwiązań, jakie opracowuje się by skrócić ten kłopotliwy i kosztowny etap procesu klejenia.

• Producenci urządzeń dozujących - opracowują nowe metody, by nałożyć jak najszybciej i najwydajniej szybko wiążące kleje. Coraz mocniejsze pompy, precyzja mieszania składników, automatyzacja nakładania i składania elementów klejonych. Przez to klejenie metali staje się coraz bardziej dostępne dla coraz mniejszych producentów.

Przykład zastosowania klejenia do naprawy zderzaka przedniego pojazdu osobowego.

Na zajęciach laboratoryjnych pokazany był przykład wykorzystania klejów do naprawy elementów z tworzyw sztucznych pojazdów. Rysunek 4.1 przedstawia przykładowe uszkodzenia, które można naprawić wykorzystując technologie klejenia. Należy zauważyć, że klejenie może być wykorzystane do łączenia powierzchni o nieregularnych kształtach, załamaniach po odpowiednim ich przygotowaniu. Jakość połączenia zależy od powierzchni styku oraz kształtu łączenia.

Rys.4.1.

Dlatego aby połączenie klejone było trwałe trzeba odpowiednio przygotować powierzchnie klejoną. W tym celu najpierw wycinamy odpowiednio fragment z uszkodzonego elementu w taki sposób by krawędzie w okolicy uszkodzenia miały możliwie regularny kształt. Rysunek 4.2 pokazuje naprawiany zderzak samochodowy po wycięciu uszkodzonego fragmentu. Przerwa w materiale ma teraz kształt geometryczny zbliżony do deltoidu. Kolejnym etapem jest odpowiednie przygotowanie krawędzi elementu po wycięciu fragmentu uszkodzonego materiału. Powierzchnie te będą stanowiły bazę do klejenia. Im lepiej zostaną one oczyszczone i obrobione tym lepsza trwałość będzie złącza klejonego.

Kolejnym etapem jest przygotowanie odpowiedniej masy klejowej wiążąco wypełniającej. Masa ta musi być dobrana do materiału bazowego, z którego wykonany jest naprawiany element pojazdu. Tutaj zastosowano klej dwuskładnikowy UNIREP 3 BASE PASTE METAL. Przygotowanie masy klejowej polega na wymieszaniu 2 substancji (podstawy klejowej i utwardzacza) w odpowiednich proporcjach (masowych 5:1 lub objętościowych 3:1). Na powstałą przerwę w elemencie nakładana jest elastyczna siatka pomagająca rozprowadzić warstwę kleju oraz zapewniająca dodatkową sztywność w miejscu łączenia. Siatka ta jest również klejona do elementu za pomocą tego samego kleju (Rysunek.4.3.). Etapowo przerwa jest uzupełniana masą klejową aż do całkowitego uzupełnienia ubytku materiału (Rysunek.4.4.). Należy robić to stopniowo. Po każdej nowej warstwie wypełniającej trzeba odczekać pewien okres czasu potrzebny by nowa warstwa kleju utworzyła trwałe wiązanie. Czas ten jest zależny od rodzaju kleju oraz od warunków atmosferycznych panujących w pomieszczeniu, w którym dokonujemy naprawy (wilgotność, temperatura, ciśnienie, itp.).

Rys.4.2.

Rys.4.3.

Rys.4.5.

Tak wypełniona luka w elemencie jest poddawana obróbce mechanicznej w celu usunięcie nierówności i nadania złączu odpowiedniego kształtu zewnętrznego stanowiącego kontynuację kształtu naprawianego elementu (odwzorowanie kształtu sprzed uszkodzenia). Niekiedy wykonuje się dodatkowo obróbkę chemiczną mająca na celu nadanie elementowi odpowiednich cech lub zwiększeniu odporności antykorozyjnej w okolicy spoiny klejonej. Następnie na obrobiona powierzchnię (Rysunek.4.5.) nakładane są odpowiednie warstwy lakiernicze (zależnie od lakieru mogą to być jedna lub kilka warstw takich jak: podkład, zabezpieczenie antykorozyjne, warstwa główna lakieru, bezbarwna warstwa zabezpieczająca). Niekiedy przed nałożeniem warstwy lakieru stosuje się dodatkowe zabiegi takie jak naniesienie odpowiedniej warstwy mającej na celu zwiększenie zdolności przywierania lakieru do elementu (odpowiednik kąpieli kataforetycznych).

Po zakończeniu lakierowania element jest poddawany kontroli i jeśli nie wykryto uchybień można przystąpić do montażu elementu do pojazdu.

Rys.4.5.

---