Klejenie - podstawy teoretyczne,

Klejenie jest to połączenie metali za pomocą substancji zwanej klejem. Polega ono na rozprowadzeniu cienkiej warstwy substancji klejącej na uprzednio przygotowanej powierzchni. Klejenie jest nowoczesną technologią łączenia Elementów maszyn. Rozwój tej technologii związany jest z produkcją coraz to nowych klejów, o co raz to lepszych własnościach oraz z rozwojem badań wyjaśniających własności klejów i połączeń klejonych.

Metodą klejenia łączyć można ze sobą nie tylko metale i stopy, ale także metale z nie metalami, metale z tworzywami sztucznymi, szkłem, porcelaną, tkaninami i innymi materiałami. Klejenie metali jest stosowane w produkcji nowych wyrobów oraz w naprawie maszyn i urządzeń. Połączenia klejone metali są obecnie stosowane w konstrukcjach lotniczych, pojazdach samochodowych, taborze kolejowym i wielu innych maszynach i urządzeniach.

(Technologia klejenia stosowana jest także do budowy i napraw elementów nadwozi samochodowych wykonanych z blach i tworzyw sztucznych. Przy czym nie można oddzielnie mówić o klejeniu, uszczelnianiu i zabezpieczaniu antykorozyjnym, ponieważ technologie, jak i materiały wzajemnie pokrywają się i uzupełniają

Producenci samochodów ograniczają liczbę zgrzein w produkcji nadwozi na rzecz klejenia i nitowania. Połączenia klejone ze względu na ciągłość spoin są bardziej odporne na deformacje podczas zderzenia, dzięki czemu zwiększają bezpieczeństwo samochodu. Dlatego zastanawia mnie, dlaczego tak wielu „fachowców” chce jeszcze zarobić na niewłaściwym wklejeniu szyb, stosując niskiej jakości kleje lub niepełną technologie (bez czarnego podkładu), a także zamieniać i stosować różne, nie polecane przez producenta kleju, zmywacze.)

Połączenie klejone istnieje dzięki zjawiskom adhezji – właściwej i mechanicznej oraz kohezji Adhezja właściwa to działające powierzchniowo (w zakresie do 1 m) siły przyciągania elektrostatycznego między cząsteczkami dwóch różnych ciał, zwane siłami Van der Vaalsa [1]. Spolaryzowane cząsteczki kleju mają na swoich końcach dodatnie i ujemne ładunki Elektryczne, które indukują w materiale klejonym ładunki o znaku przeciwnym, z którymi wzajemnie się przyciągają. Adhezja mechaniczna to wypełnianie, przez ciekły klej o małej lepkości, nierówności powierzchni materiału i zakotwiczanie się w nich. Porowatość powierzchni powinna być zatem na tyle duża, aby możliwa była penetracja kleju (adhezja mechaniczna), ale też stosunkowo mała, aby wystarczająca była liczba punktów styku (adhezja właściwa). Zjawisko kohezji występuje dzięki działaniu sił spójności między cząsteczkami tego samego materiału, w tym wypadku kleju.

 Przebieg procesu klejenia,

Proces klejenia składa się z następujących etapów:

· oczyszczenia 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. 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.(na rysunku zostala przedstawiona metoda sprawdzenia zwilżalności materialu zwana proba kropli wody. Polega ona na położeniu krpoli wody na powierznie i sprawdzanie kata pomiedzy plaszczyzną materialu na którym osadzono krople a powierzchnia styczna do kropli w punkcie zetkniecia z materialem (rys z adhezji) Zanieczyszczenia w postaci

tłuszczów, tlenków czy zaabsorbowanych gazów znacznie obniżają

wartość sił adhezji

Powierzchnie klejone powinny być bez ciał obcych i jednorodne. Powierzchnie pokryte smarem lub w jakikolwiek inny sposób zanieczyszczone nie nadają się do klejenia.

Przygotowanie powierzchni stali do klejenia polega na mechanicznym oczyszczeniu powierzchni za pomocą szlifowania na szlifierce lub za pomocą piaskowania. Jako operację końcowa stosuje się zwykle odtłuszczanie w ciekłym trójchloroetylenie lub w jego parach. Jeżeli powierzchnia jest ogrzewana w czasie nakładania kleju, to wystarczy samo odtłuszczanie.

Jako środki obróbki chemicznej stosuje się również krótkotrwałe kąpiele w stężonym roztworze amoniaku, po którym następuje przemywanie wodą i suszeniu w piecu.

Przygotowanie powierzchni stopów aluminium polega przeważnie na chemicznym oczyszczeniu. Powierzchnie miedzi i jej stopów mogą być przygotowane mechanicznie i chemicznie.

W zależności od właściwości

łączonych elementów oraz wymagań przyczepności klejów

stosuje się różnorodne sposoby czyszczenia powierzchni

obróbka chemiczna – wytrawianie (stosowane przy metalach), powlekanie związkami nieorganicznymi. Skład kąpieli trawiących zalecają w swoich poradnikach producenci klejów

obróbka mechaniczna -(np. piaskowanie, schropowacenie papierem ściernym

lub szczotkami drucianymi) czyszczenie materiałami ściernymi (stosowane przy metalach, tworzywach sztucznych, gumie

odtłuszczenie powierzchni – przemywanie rozpuszczalnikami (stosowane przy większości materiałów klejonych)

aktywowanie powierzchni – (stosowane do tworzyw sztucznych)

lakierowanie – powlekanie lakierem podkładowym (stosowane do metali, tworzyw sztucznych, szkła, ceramiki)

· starannym przygotowaniu masy klejącej;
Niektóre kleje są dwu lub więcej składnikowe wówczas masę klejącą uzyskuje się przez wymieszanie ich w odpowiednich proporcjach(przykładem takiego kleju jest wszystkim znany klej poxipol). Gdy zaś mamy do czynienia z klejami termoutwardzalnymi wówczas należy substancję ciekłą połączyć z utwardzaczem. Przygotowani innych klejów polega na rozpuszczeniu suchego kleju w rozpuszczalniku, lub podgrzaniu go do temperatury, w której staje się ciekły.Wystepuja tez rozne formy mieszania kleju(rys rodzaje mieszania, występują rożne rodzaje mieszania kleju dyszy mieszajacaej, pistolety)(proszę zwrócić uwage na kształt dyszy która posiada liczne zabki odpowiedzialne za mieszanie kleju

· dokładnego nałożenia warstwy kleju (grubości ok. 0,1 mm) na powierzchnie klejone;
Nakładanie kleju powinno się odbywać za pomocą pędzla, lub natryskowo. Trzeba tu pamiętać, że duża ilość kleju wcale nie gwarantuje większej wytrzymałości, lecz wręcz przeciwnie.

 Sposoby aplikacji klejów dwuskładnikowych:

-Klej z utwardzaczem w postaci 'lakieru'. Jedną z powierzchni klejonych można przygotować nawet na długo przed procesem klejenia poprzez naniesienie na nią wcześniej warstwy lakieru-utwardzacza

-Utwardzacz w postaci pasty lub proszku dodawany jest do kleju bezpośrednio przed klejeniem. Tzw. czas otwarcia określa czas, przed upływem którego należy dokonać złożenia części razem. Niektóre kleje wymagają bardzo dokładnego (równomiernego) wymieszania obu składników.

-Dozowanie przy pomocy dozownika z automatycznym mieszaniem dwóch składników kleju.

-Klej w kartuszach dwukomorowych. Dozowanie przy pomocy ręcznego lub pneumatycznego pistoletu dozującego. Kartusze są "gotowym", prostym i tanim systemem dozowania, zastępującym drogie urządzenia dozujące.

-Nakładanie kleju metodą "strużka na strużkę" (ang. bead on bead, kropla na kroplę).

-Klasyczny system A/B. Składniki kleju są rozprowadzane na każdej powierzchni osobno, a następnie całość składana razem. Reakcja utwardzania zachodzi dopiero w momencie zetknięcia obu powierzchni.

· utwardzenia skleiny w odpowiedniej temperaturze z zachowaniem właściwego nacisku;
Przed sklejeniem części należy pamiętać o wstępnym podsuszeniu warstwy naniesionego kleju do stanu największej przylepności. Po ustawieniu i dociśnięciu sklejanych elementów należy uniemożliwić ich wzajemne przesuwanie się. Proces sklejania (utwardzania klejów) jest zależny od temperatury, ciśnienia i czasu, dlatego sklejania dokonuje się na prasach.

Utwardzanie warstwy klejowej w złączu zależy w znacznej mierze od kształtu klejonych części. Najprościej proces tan przebiega, gdy mamy do czynienia z klejem utwardzalnym w temperaturze pokojowej i bez udziału ciśnienia. W tym przypadku do prawidłowego sklejenia części płaskich wystarczy zastosowanie zwykłych zacisków lub belek dociskowych.

Elementy łączone uważa się za sklejone wówczas, gdy klej dobrze stwardnieje. Należy przestrzegać ściśle czasu wymaganego do utwardzenia, który jest dla każdego kleju ściśle określony i podany w opisie używania kleju. Dopiero po upływie tego czasu można użytkować element klejony.(rys zaciskow )zacisk zapadkowy, zacisk stolarski

· 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), Lepiej jednak jest usunąć nadmiar kleju przed jego utwardzeniu poprzez potarcie tkaniną umoczoną w odpowiednim rozpuszczalniku..

 Nowoczesne kleje i środki pochodne,

Kleje są substancjami które w wyniku działania sił przyczepności do klejonej powierzchni (adhezji) i sił spoistości wewnętrznej(kohezji), mają zdolność trwałego łaczenia dwóch materiałów.

Kleje dzieli się ze względu ma możliwość uzyskania określonej wytrzymałości połączenia, na

-przylepcowe, których minimalna wytrzymałość wystarcza jedynie do odwracalnego połaczenia dwóch elementów

-montażowe, gdzie średnia wytrzymałość umożliwia trwałe połaczene, ale nie jest wystarczająca do traktowania złącza jako elementu konstrukcyjnego

-konstrukcyjne, mające na tyle dużą wytrzymałość ,że złącza można traktować jako element konstrukcyjny.(My oczywiście zajmiemy się klejami konstrukcyjnymi)

Kleje konstrukcyjne: Kleje składają się przede wszystkim z żywicy podstawowej (polimery, oligomeru lub monomeru)oraz utwardzacza i rozcieńczalnika. Niekiedy stosuje się jeszcze przyspieszacze, środki modyfikujące i napełniacze. Najczęściej klej przyrządza się bezpośrednio przed użyciem, dodając do żywicy utwardzacza i rozcieńczalnika lub innych środków.Na właściwości spoin klejowych w istotny sposób wpływa również przygotowanie powierzchni (warstwy wierzchniej) klejonych elementów) Kleje są na ogół dostarczane w zestawach i zawierają dokładny opis przygotowania kleju i technologii klejenia. (rys z książki str 12)(uproszczony schemat procesu sieciowania(utwardzania)a) polimeru lub zywice z uzyciem srodka sieciującego(utwardzacza)b) monomeru wielofunkcyjnego lub zywicy samoutwardzalnej bez uzycia srodka sieciującego)

Kleje konstrukcyjne są tworzywami syntetycznymi, których główny składnik oligomer(żywica) lub monomer podlega usieciowaniu(utwardzeniu) pod wpływem:

-środka sieciującego (utwardzacza) dodawanego do kleju bezpośrednio przed użyciem

-środka sieciującego znajdującego się w kleju i aktywizującego się w określonym warunkach

-określonyh czynników zewnetrzych (np. temperatury, wilgotności, promieniowania ultrafioletowego)(rys z książki str 12)

Do ważniejszych rodzajów klejów stosowanych m.in. w budowie maszyn zalicza się kleje:

-fenolowe

Kleje fenolowe. Oparte na żywicach fenolowo-formaldehydowych (głównie typu rezolowego) kleje stosowane do klejenia drewna na zimno i gorąco, metali, ceramiki, szkła i tworzyw termoutwardzalnych Produkowane w postaci cieczy gotowych do klejenia oraz cieczy wymagających dodatku utwardzaczy. Ze względu na silną toksyczność, wymagają przestrzegania odpowiednich środków ostrożności. Żywice fenolowe, zależnie od składu, twardnieją w temperaturze od 140 do 200°C. Proces utwardzania żywic fenolowych wymaga w każdym przypadku temperatury powyżej 100°C. Żywice fenolowe charakteryzują się dużą stabilnością przyczepności złącza klejonego oraz dobrymi właściwościami mechanicznymi. Ponadto wykazują dobrą odporność termiczną do ok. 250°C. Żywice fenolowe nadają się idealnie do stosowania w sytuacjach, w których występują wysokie obciążenia termiczne warstwy kleju a jednocześnie priorytetem jest bezpieczeństwo. Typowe zastosowanie tych klejów to klejenie okładzin hamulcowych i okładzin sprzęgła w pojazdach.

-epoksydowe

Kleje epoksydowe. Kleje oparte na żywicach epoksydowych z dodatkiem plastyfikatorów (poliamidy ciekłe, tiokole i in.) i rozcieńczalników (monomery żywic epoksydowych, poliestry, glikol etylenowy, ftalan butylu). Dzielą się na utwardzane w temperaturze podwyższonej i utwardzane w temperaturze pokojowej, Stosowane do klejenia na zimno lub na gorąco metali, ceramiki, szkła, gumy, niektórych tworzyw sztucznych, a także do uszczelniania małych porów i pęknięć w odlewach. Ważniejsze kleje epoksydowe:

Epidian 53, 100 i 101

-kauczukowe

Kleje kauczukowe są koloidalnymi roztworami kauczuku naturalnego lub kauczuków syntetycznych w rozpuszczalnikach organicznych, jak benzen, benzyna, toluen, ksylen, chloroform, czterochlorek węgla (zwykle stosuje się mieszaniny kilku składników), z dodatkiem żywic syntetycznych, napełniaczy, stabilizatorów, środków wulkanizujących, przyspieszaczy itp. Ważniejsze kleje kauczukowe:

Pronikol B Pronikol 40 Pronikol M-20

-winylowe Kleje poliwinylowe. Kleje oparte na polichlorku winylu, oraz żywicy fenolowo-formaldehydowej i poliwinylobutyralowej. W handlu spotykane w postaci gęstych cieczy lub galaretowatych substancji. W zależności od gatunku, stosowane do klejenia wyrobów z twardego i miękkiego PCW, metali, szkła, wyrobów ceramicznych

Odmiana klejenia jest kitowanie, polegające na łaczeniu elementów za pomocą cistowatego kitu, wypełniającego szczeliny pomiedzy łączonymi elementami. Nastepnie kit ulega utwardzeniu.Kit łączy ze sobą elementy klejone przez adhezje, podobnie jek kleje , jednak połączenie to jest znacznie słabsze od klejonych i dlatego stosowny on jest cześciej do uszczelniania i wypełniania nierówności powierzchni. Połączenia kitowe różnia się od klejonego znacznie grubsza warstwą materiału łączonego(kitu) oraz tym , ze podczas utwardzania nie wymaga dociskania łączonych elementów.

 Zastosowanie i wytrzymałość współczesnych spoin,

W celu uzyskania połączenia klejonego odpowiedniej jakości należy bezwzględnie

przestrzegać zaleceń producenta. Podstawowa role odgrywa jakość

przygotowania powierzchni łączonych. Mała chropowatość lub zabrudzenia

zmniejszają siłę przylegania kleju do łączonych elementów i zniszczenie połączenia

następuje poprzez ścięcie kleju od podłoża (zniszczenie adhezyjne). Dodatkowo

łączone powierzchnie musza być idealnie czyste (odtłuszczone), a grubość

naniesionych warstw kleju możliwie najmniejsza. Optymalna grubość to 0,05-0,2 mm. Gruba warstwa kleju obniża wytrzymałość połączenia, ponieważ

jego zniszczenie następuje przez ścięcie samego kleju (zniszczenie kohezyjne).

Zdolność przenoszenia obciążeń przez złącze klejone zależy od:

-rodzaju kleju i jego wytrzymałości

-wielkości powierzchni sklejonej

-kierunku działania obciążeń

-elastyczności(sztywności) łącznych elementów

-przygotowaniu powierzchni(oczyszczenie i odłuszczenie)

-sposobu uzyskiwania złącz( nacisk przy utwardzaniu)

Wytrzymałość połączeń obciążonych na scinanie

Projektując połączenia klejone należy pamiętać o tym, aby spoina poddana była

wyłącznie działaniu naprężeń tnących. Obecność napreżen normalnych powodujących

rozrywania istotnie wpływa na zmniejszenie wytrzymałości połączenia.

(rys naprężeń ścinających)

Rozkład naprężeń ścinających spoinę klejowa nie jest równomierny, wynika

to z faktu ze sztywność łączonych elementów nie jest jednakowa. Największe

wartości naprężenia stycznego występują na początku i końcu połączenia i maleją

ku środkowi. W projektowaniu połączeń wprowadza sie współczynnik spiętrzenia

naprężeń, który opisuje wpływ długości połączenia, podatności łączonych elementów,

grubości spoiny i stałych materiałowych( rys z pkm Dietrich srt 65, wykres wspolczynnika k)Wartość K jest tym wieksza im wiekszy jest wspólczynnik m czy długość złącza, podatność elementów i moduł sprężystości poprzecznej skleiny oraz grubość kleju a)

Warunek wytrzymałościowy τ_max = Kτ_sr ≤ k_t

Klasycznymi połączeniami klejowymi, najcześciej stosowanymi w różnych odmianach konstrukcyjnych sa połączenia zakładkowe(rys str 18)

Wytrzymałość połączeń obciążonych na oddzieranie

Połączenia klejowe źle przenoszą takie obciążenia które powoduja powstanie w spoinach klejowych tzw. Oddzierania, to znaczy dodatnich naprężeń normanych do powierzchni łączonych elementów, które charakteryzuje duża nierównomierność rozkładu i spiętrzenie na obciążonej krawędzi złącza. Przykład połączeń klejowych obciążonych na oddzieranie przedstawiono na rys(rys z książki str 30) Naprężenia występują na niewielkim odcinku spoiny i zanikają w stosunkowo małej odległości od jej krawędzi. Z dużego spiętrzenia naprężeń w spoinie wynika mała wytrzymałość połączeń klejowych na oddzieranie

Ze względu na mała wytrzymałość połączeń klejowych na oddzieranie należy tak projektować konstrukcje klejone, aby w ich spoinach klejonych oddzieranie nie wystepowało(rys z str 36+opis) Gdy oddzieranie nie można całkowicie wyeliminować , należy zmniejszać skutki jego działania stosując np. rozwiązania przedstawione na rys (rys z str 37+opis). W praktyce najcześciej stosuje się połączenia klejowo-nitowe lub klejowo-zgrzewane.

Zalety i wady połączeń klejonych

Zalety:

· 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:

· 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.

Zastosowanie kleju:

- Zastosowanie kleju do wzmocnienia wielowypustu w skrzyni biegów ciężkiego pojazdu transportowego.(rys)

- klejenie poszycia dachu samochodu osobowego(rys)

- nakładanie kleju w obrębie mocowania prowadnicy drzwi pojazdu osobowego(rys)

-Połączenia te znajdują

liczne zastosowanie w produkcji zarówno samochodów

osobowych, dostawczych, ciężarowych, jak i autobusów

(miejskich dwuosiowych, przegubowych oraz turystycznych).

W budowie pojazdów osobowych klejenie jest

wykorzystywane do mocowania okładzin klocków hamulcowych,

klejenia i wklejania szyb, łączenia elementów poszycia

drzwi, pokryw silnika oraz bagażnika. Równie istotny

udział klejenia w budowie pojazdów obserwuje się

w produkcji autobusów. W autobusach, poza częściami

wymienionymi powyżej w pojazdach osobowych, dodatkowo

klejona jest podłoga do ramy, wykładzina podłogowa,

poszycie i panele boczne do ramy pojazdu, osłona tablicy

kierunkowej przedniej oraz ściana tylna, osłony wlewu

paliwa oraz poszycie dachu. Tak szerokie zastosowanie

klejenia w budowie autobusów wynika z ich znacznych

rozmiarów i generowanych w trakcie eksploatacji drgań,

dobrze tłumionych przez kleje.

 Konstrukcje łączy klejonych,