Лако-красочные материалы — производство

Существующая технология склеивания различных материалов не достаточно совершенна, поэтому, естественно, в клеевых соеди­нениях появляются дефекты, которые снижают прочность соедине­ний. Для повышения надежности работы клеевых соединений, осо­бенно в изделиях ответственного назначения, необходимы методы неразрушающего контроля (дефектоскопия), обеспечивающие, вы­явление дефектов склеивания. Внедрение дефектоскопии клеевых соединений позволяет не только производить контроль уже готовой продукции и предотвращать брак, но и своевременно обнаружи­вать нарушения технологии и принимать меры к их устранению. Ниже будут рассмотрены методы обнаружения таких дефектов, как непроклеи, т. е. нарушения сплошности клеевой пленки, и отсутствие адгезии этой пленки к склеиваемым материалам. Кроме того, будут приведены некоторые данные о методах и приборах для оценки прочности клеевых соединений без их разрушения.

Для контроля качества клеевых соединений применяются глав­ным образом методы, основанные на возбуждении в исследуемом изделии упругих колебаний звукового или ультразвукового диапа­зона. К этим методам относятся: вакуумный [31], метод свобод­ных колебаний [32], сквозного прозвучивания [77], многократных отражений [32—34] и [33, 35—38], ультразвуковой резонансный метод, основанный на использовании резонансных явлений, наблю­даемых в контролируемом изделии при возбуждении в нем про­дольных упругих волн. Дефект склеивания в этом случае отме­чается либо по изменению (уменьшению) фиксируемой прибором общей толщины проверяемого изделия в зоне нарушения соедине­ния, либо по резкому изменению амплитуд резонансных пиков на экране дефектоскопа, обусловленному влиянием дефекта на коэф­фициент отражения упругих волн от границы раздела соединяе­мых элементов конструкции.

32—2591

Акустический имиедансиый метод, разработанный специально для контроля клеевых соединений, является в СССР основным ме­тодом выявления дефектов склеивания элементов многослойных конструкций [32, 39—45]. С его помощью успешно решают боль­шинство практических задач по обнаружению зон нарушения со­единений обшивки с элементами жесткости (лонжероном, нервю­рой и др.) или заполнителями (пенопласт, соты и т. п.). Этим ме­тодом можно проверять качество клеевых соединений в конструк­циях как из металлических, так и из неметаллических материалов.

Акустический импедансный метод контроля основан на зависи­мости механического сопротивления, измеренного с поверхности изделия, от наличия и размера зон нарушения сцепления между отдельными его элементами. Для контроля соединений акустиче­ским импедансным методом в промышленности используется де­фектоскоп ИАД-3.

Разработан усовершенствованный импедансный акустический дефектоскоп АД-40 И, предназначенный для выявления дефектов склеивания в многослойных изделиях, например между обшивкой и элементами жесткости, а также для обнаружения расслоений в изделиях из слоистых пластиков.

Блок-схема импедансного дефектоскопа приведена на рис. IV.41. Звуковой генератор 1 питает пьезоэлемент 2, возбуждающий в стержне 3 датчика упругие колебания. На нижнем конце стержня находится силоизмерительный пьезоэле­мент 4, соединенный с усилителем 5. Датчик соприкасается с контролируемым изделием через контактный наконечник 9. Если датчик не прижат к поверхности детали, то нижний его конец не испытывает никаких нагрузок. В этом случае сила, действующая на пьезоэлемент 4 и вызывающая его деформацию, опреде­ляется только инерционным сопротивлением контактного наконечника, которое при малой массе наконечника и низких частотах невелико, поэтому пьезоэлемент деформируется незначительно, и электрическое напряжение на нем близко к нулю. Когда датчик прижат к изделию, возникает сила, вызывающая деформацию пьезоэлемента 4 и существенное увеличение напряжения на нем. Это напряжение будет тем больше, чем больше механический импеданс изделия в точке касания с датчиком. Дефект соединения вызывает резкое уменьшение механического импеданса и, следовательно, напряжения на силоизмерительном пьезоэлемен — те 4. Изменение напряжения сигнала фиксируется включенным на выходе усили­теля стрелочным индикатором 6. При уменьшении отклонения стрелки инди­катора 6 ниже определенного уровня релейное устройство 7 включает располо­женную в датчике сигнальную лампочку 8.

На рис. IV.42 показан эскиз датчика дефектоскопа. Пьезоэлементы— излу­чающий 2 и силоизмерительный 4 — выполнены из титаната бария. Звукопрово­дящий стержень 1 изготовлен из органического стекла и имеет форму усеченного конуса. Стальной цилиндр 3 является «отражающей массой», повышающей эффективность работы излучающего пьезоэлемента 2. Контактный наконечник 7 выполнен из закаленной износостойкой стали ШХ-15 и имеет значительный ра­диус кривизны (20 мм), что облегчает контроль изделий с шероховатой поверх­ностью. В стержне 1, в непосредственной близости от излучателя, находится экран 5, устраняющий связь между пьезоэлементами 2 и 4. Экранированные провода 9, соединяющие пьезоэлементы датчика с дефектоскопом, выводятся через крышку корпуса датчика. Стальная пружина 10 предохраняет эти провода от резких перегибов. Латунное кольцо 8 защищает пьезоэлемент 4 от механи­ческих повреждений и экранирует его от электрических помех. В корпусе 6 ^помещена сигнальная лампо’чка И. Датчик подключается к дефектоскопу двумя штепсельными разъемами.

Конструктивно дефектоскоп выполнен в одном блоке. Кабель питания дли ной 5 м наматывается на заднюю крышку кожуха. В передней крышке крепится датчик рабочего комплекта. Запасное имущество (в том числе 2 датчика) поме­щается в отдельном чемоданчике. Прибор питается от сети переменного тока промышленной частоты напряжением 220 В. При контроле соединений оператор плавно перемещает датчик, слегка прижимая его конец (контактный наконеч­ник) к обшивке контролируемого изделия. Наличие дефекта отмечается вклю­чением расположенной в датчике сигнальиой лампочки.

Рис. IV 42. Эскиз датчика де­фектоскопа: 1 — звукопроводящий стержень, 2. 4 — пьезоэлементы; 3 — стальной ци­линдр; 5 — экран; 6 — корпус; 7 — контактный наконечник; 8 — эранн — рующее кольцо; 9 — провода; 10 — Стальная пружнна; И — сигнальная лампочка.

Дефектоскоп может работать в комплекте полуавтоматической установки для механизированного контроля с записью резучьтатов на электротермическую бумагу. В этом случае для подачи сигнала на вход приставки, питающей перо самописца, используется штепсельный разъем, установленный на задней стенке прибора.

На эффективность импедансного метода влияют те параметры изделия, от которых зависит импеданс на участках с хорошим соединением и в зоне дефекта. К числу этих параметров отно­сятся:

Жесткость обшивки; плотность материала обшивки;

32*

Суммарная жесткость соединяемых с обшивкой элементов кон­струкции;

Суммарная масса внутренних элементов конструкции, приходя­щаяся на единицу поверхности изделия;

Размер ячейки, толщина и материал фольги, высота заполни­теля (для изделий с сотовым заполнителем).

Метод может быть использован в тех случаях, когда модуль упругости материала обшивки контролируемого изделия достаточ­но велик (металлы, стеклотекстолит, дельта-древесина и т. п.). Контроль со стороны, на которой находятся элементы, выполнен-

Рис. IV.43. Зависимость уровня сигнала от расстояния до центра де­фекта:

А — толщина обшивки 0,3 мм; б — толщина обшнвки 1,5 мм.

Ные из материалов с низким значением модуля (резина, пенопласт и т. п.), невозможен. Внутренний элемент конструкции при этом может быть выполнен практически из любого материала.

При контроле многослойных изделий со сплошным внутренним элементом (соединение обшивки с лонжероном) уменьшение тол­щины, модуля упругости и плотности материала обшивки при про­чих равных условиях влечет за собой повышение чувствительности метода. В наиболее благоприятных условиях, например в случае дуралюминовой обшивки толщиной 0,2—0,3 мм, приклеенной к жесткому массивному металлическому лонжерону, могут быть выявлены дефекты площадью около 0,5 см2. При увеличении тол­щины обшивки чувствительность метода снижается. Увеличение жесткости и плотности внутреннего элемента конструкции увели­чивает чувствительность. При одинаковых параметрах обшивки наибольшая чувствительность наблюдается тогда, когда внутрен­ним элементом является жесткий металлический лонжерон. В этом случае предельная толщина дур алюминиевой обшивки, при кото­рой контроль еще достаточно эффективен, составляет около 2,5 мм. Для конструкций с менее жесткими и менее плотными внутренни­ми элементами (фанера, сотовый заполнитель, пенопласт и т. п.) предельные толщины обшивок меньше.

На рис. IV.43 приведены экспериментальные кривые, иллюст­рирующие влияние толщины обшивки на чувствительность метода. Графики получены на образцах, склеенных из двух дуралюмино — вых листов. Толщина внутреннего листа постоянна и равна 10 мм. Толщина обшивки составляет соответственно 0,3 мм (рис. IV.43, А) И 1,5 мм (рис. IV.43,б). По оси абсцисс отложено расстояние от центра круглого дефекта (диаметром d), по оси ординат — уро­вень сигнала на силоизмерительном пьезоэлементе датчика (опре­деляющий отклонение стрелки выходного индикатора прибора). Штриховкой показана зона разброса сигнала на участках с хоро­шим соединением. Диаметры дефектов указаны на соответствую­щих кривых. Как видно из рисунка, с увеличением толщины об­шивки уменьшается не только определяющее чувствительность ме­тода соотношение уровней сигналов в зоне с хорошим соединением и в зоне дефекта, но и крутизна кривых, отражающая точность определения контуров дефекта. Это подтверждается также анало­гичными графиками для промежуточных значений толщин обшив­ки (0,5, 0,8 и 1,0 мм).

При контроле соединения обшивки с заполнителем в сотовых панелях большую роль играют параметры заполнителя. Увеличе­ние размера сотовой ячейки приводит к увеличению разброса пока­заний прибора [39] при нахождении датчика над центром и над ребром ячейки. Это наиболее сильно проявляется при контроле изделий с тонкими (0,2—0,3 мм для дуралюмина) обшивками. На­пример, для сотовой конструкции с дуралюминовой обшивкой тол­щиной 0,25 мм, шестигранными сотовыми ячейками со стороной 6 мм и высотой заполнителя 30—40 мм уровень сигнала на участ­ках с хорошим склеиванием изменяется в 18—20 раз. Контроль такого изделия может оказаться затруднительным, так как сигнал при положении датчика над центром ячейки соизмерим с сигналом над дефектом. Уменьшение размера ячейки и увеличение толщи­ны обшивки снижают разброс показаний в зоне с хорошим соеди­нением. Однако с ростом толщины обшивки, как и в случае конт­роля конструкции со сплошным внутренним элементом, чувстви­тельность метода снижается по причинам, которые указаны выше.

Импедансный метод с успехом применяется и для контроля клеевых конструкций с неметаллическими (например, из стекло­пластика) обшивками, в том числе неметаллических конструкций с сотовым заполнителем. Существенным достоинством ‘метода является точечный контакт датчика с контролируемым изделием. Благодаря этому контроль изделий с криволинейными поверхно­стями (особенно с поверхностями переменной кривизны) не связан с какими-либо трудностями, что выгодно отличает импедансный метод от всех других методов, основанных на применении упругих колебаний и волн. Практически импедансным методом удается контролировать изделия с радиусом кривизны вплоть до 5—6 мм.

По простоте и удобству применения импедансный метод превос­ходит все другие ультразвуковые и акустические методы дефекто­скопии. Он не требует применения контактной смазки или погру­жения изделий в ванну с жидкостью, оператор освобожден от на­блюдения за электроннолучевым или стрелочным индикатором, поэтому все его внимание может быть сосредоточено на перемеще­нии датчика по изделию. Это способствует более тщательному контролю и уменьшает возможность пропуска дефекта (при про­верке вручную). Настройка аппаратуры и техника контроля так­же предельно упрощены. К недостаткам метода следует отнести быстрое снижение чувствительности при увеличении толщины и плотности обшивки, а также невозможность контроля со стороны элементов из материалов с малым модулем упругости.

Контроль изделий вручную имеет ряд очевидных недостатков, особенно в случае проверки крупногабаритных конструкций в се­рийном производстве. Разработана система автоматизированного контроля соединений акустическим импедансным методом. При та­ком контроле перемещение датчика дефектоскопа по поверхности контролируемого изделия производится по определенному закону с помощью механического устройства. Движение датчика связано с перемещением пера самописца, фиксирующего результаты конт­роля на электротермической бумаге ЭТБ-2. Полученная таким об­разом запись представляет собой план контролируемого изделия в том же (или уменьшенном) масштабе и содержит все необходи­мые сведения о числе, размерах, форме и расположении выявлен­ных дефектов.

При использовании электротермической бумаги пером самопис­ца служит металлический электрод. Если на этот электрод подает­ся напряжение, превышающее некоторый определенный уровень, то при движении пера на бумаге остается темный след. Если это напряжение ниже данного уровня, перо следа не оставля­ет и запись прерывается. Дефектоскоп ИАД-3 обеспечивает за­пись на электротермическую бумагу без применения приставки ПСК-1В.

На основе описанной системы создано несколько типов полу­автоматических установок (марок ПИ-1, ПИ-2 40, 41, УКН-1, УКН-2 и др.), предназначенных для контроля различных серийных клеевых конструкций. Эти установки выполнены по одной скелет­ной схеме и включают электронную аппаратуру, механическое сканирующее устройство для автоматического перемещения дат­чика по поверхности контролируемого изделия и самописец. Конст­рукция и размеры сканирующего — устройства определяются пара­метрами контролируемых изделий, масштаб записи выбирается в зависимости от размеров последних. Эффективным средством контроля клеевых соединений в крупногабаритных многослойных конструкциях из неметаллических материалов и комбинированных (из металлов и неметаллов) изделиях является также ультразву­ковой велосимметрический метод [42]. Этим методом выявляются также расслоения в стеклопластиках и других слоистых пластмас­сах. Принцип метода заключается в том, что скорость распро­странения упругих волн зависит от наличия дефекта, причем из­менение этой скорости отмечается по изменению фазы волны в точ­ке приема.

Для контроля клеевых соединений велосимметрическим методом разработан дефектоскоп УВФД-1, выпускаемый серийно. Схема и конструкция дефектоскопа УВФД-1 позволяют использовать его в автоматизированных установках с записью результатов на элек­тротермическую бумагу, подобных описанным выше полуавтома­там для контроля клеевых соединений акустическим импедансным методом. При этом прибор УВФД-1 работает в комплекте с при­ставкой ПСК-2В, — предназначенной для питания пера самописца. Метод позволяет выявить дефекты в одно — и многослойных неме­таллических конструкциях, а также в изделиях, состоящих из не­металлических и металлических слоев. Контроль изделий, сделан­ных только из металлов, велосимметрическим методом проводить невозможно. Рассматриваемый метод подвержен влиянию помех интерференционного характера [42, 43]. Основными являются по­мехи, наблюдаемые при расположении искательной головки вбли­зи края изделия. Этот краевой эффект проявляется на расстояниях до 5—6 см от границы контролируемого изделия.

Фирмой «Lockheed» разработана аппаратура для контроля качества клеевых соединений листовых панелей самолета С-5, со­стоящих из слоя титана толщиной 0,5 мм и слоя алюминия толщи­ной 3,18 мм. Эту аппаратуру можно применять также для обнару­жения воды в алюминиевых сотовых конструкциях и-контроля ком­позиционных материалов [46]. Описаны и другие методы нераз — рушающего контроля клеевых соединений металлов [47].

Наилучшим применением дефектоскопии клеевых соединений является определение прочности клеевых швов без их разрушения. При этом зоны явного непроклея могут рассматриваться как част­ный случай дефекта, снижающего прочность соединения до нуля. Голландской авиационной фирмой «Focker» для оценки прочности клеевых соединений разработан прибор Бондтестер [44, 48, 49]. Этот прибор позволяет определять прочность соединений при отры­ве и срезе — в зависимости от условий работы контролируемой конструкции. С помощью этого прибора можно контролировать следующие объекты [44]:

Клеевые соединения листов из легких сплавов со стальными

Листами;

Клеевые соединения обшивок из легкого сплава с сотовым за­полнителем из того же материала, а также сотовые панели из стеклотекстолита;

Клеевые соединения обшивки с заполнителем в трехслойных паяных сотовых панелях из нержавеющей стали;

Трехслойные панели с армированными стеклянным волокном пластмассовыми обшивками и стеклотекстолитовым или металли­ческим сотовым заполнителем;

Клеевые соединения металлов с пластмассами; клеевые соединения металлов с фрикционными материалами тормозных колодок и фрикционных сцеплений; клеевые соединения металлов с древесиной; клеевые соединения металлов с резиной;

Клеевые соединения металлов с замазкообразными материала­ми, такими, как резиновый герметик и др.; армированные пластмассы.

В основе работы прибора Бондтестер лежит ультразвуковой ре­зонансный метод, отличающийся от обычного тем, что свойства — клеевого соединения оцениваются по изменению собственной ча­стоты и колебательной системы, состоящей из пьезопреобразовате- ля, нагруженного контролируемым изделием. Бондтестер имеет два индикатора — стрелочный прибор и электроннолучевую труб­ку. Первый служит для отсчета прочности при отрыве, второй — при сдвиге. Прочность соединений между обшивкой и заполните­лем (соты, пенопласт), работающих на отдир, оценивается только по показаниям стрелочного индикатора.

Для перевода показаний прибора в значения прочности соеди­нения пользуются специальными кривыми, которые строят путем сопоставления показаний прибора с истинной прочностью, получен­ной в результате разрушающих механических испытаний вырезан: ных из изделия образцов [44, 48—50].

Фирма «North American Aviation» (США) применяет для оцен­ки прочности клеевого соединения обшивки с сотовым заполните­лем в металлических трехслойных панелях два прибора, работа которых основана на ультразвуковых методах [51]. Один из них ультразвуковой эхо-дефектоскоп, работающий с использованием волн Лэмба на частоте 2,25 МГц. Изделия, в которых с помощью волн Лэмба найдены дефекты, поступают на другую автоматиче — — скую контрольную установку — импульсную ультразвуковую ска­нирующую систему Сонофакс, которая записывает дефекты на электрочувствительную бумагу. Запись дает представление о при­мерной прочности соединения в месте дефекта. Одновременно с за­писью результатов контроля клеевой сотовой панели записывается. диаграмма с эталона, что помогает оценить прочность испытуемо­го клеевого соединения.

Необходимо отметить, что при оценке прочности клеевых со­единений рассмотренными методами, как правило, требуется сма­чивание (маслом, глицерином или другими жидкостями) поверх­ности контролируемого изделия. Смачивание часто нежелательно, а иногда и вовсе недопустимо (например, в случае контроля изде­лий из гигроскопичных материалов). Датчики приборов, применяе­мых для оценки прочности без разрушения, имеют плоскую по­верхность и требуют соприкосновения с изделием в зоне, площадь которой должна быть соизмерима с площадью поверхности датчи­ка. Это затрудняет контроль изделий с криволинейными поверхно­стями, особенно поверхностями двойной кривизны. Кроме того, внедрение методов, позволяющих оценивать прочность соединений, требует весьма трудоемкой подготовительной работы по созданию эталонов с различной прочностью склеивания и построению тари — ровочных кривых.

Известен еще один метод, пригодный для оценки прочности клеевых соединений, — метод теплового импульса [52], который может быть использован для контроля плоских клееных конструк­ций с металлическими обшивками и сотовым или пенопластовым заполнителем.

Этот метод пригоден только в тех случаях, когда обшивка изде­лия обладает большой, а заполнитель — малой теплопровод­ностью.

Описаны методы неразрушающего контроля с помощью термо­грамм, полученных в инфракрасных лучах, и новый метод — уль­тразвуковая голография [53]. Рассмотрено использование холесте­рина для контроля качества клееных трехслойных сотовых кон­струкций [53].

[1] Числом Маха называется отношение скорости движения тела в какой-либо среде, например в воздухе, к скорости распространения звука в той же среде.

[2] Керосиновый контакт 1-го сорта.

[3] Кислотное число керосинового контакта.

[4] В состав композиции вводится также резорцин.

[5] Содержание свободного формальдегида не более 0,35%.

[6] Разрушение по пенопласту.

[7] Во все клеи входит 8—10% (от массы смолы) наполнителя—древесной муки.

[8] Прочность при сдвиге,

Количество введенного отвердителя влияет на теплостойкость эпоксидных композиций (рис. 1.38). Максимальное значение тепло­стойкости (по Мартенсу) для композиции на основе смолы ЭД-20, отверждаемой малеиновым ангидридом, достигается при введении в состав композиции 50% отвердителя (рис. 1.39). Композиция ЭД-20+триэтаноламин имеет наибольшую теплостойкость цри до­бавлении 15% отвердителя.

Кроме указанных в табл. 1.49 соединений для отверждения эпоксидов используют следующие.

1. Ангидрид бицикло[2,2,1]гептен-5-дикарбоновой-2,3 кислоты (надик-ангидрид), растворяющийся в жидких эпоксидных смолах при 130 °С. Применяется в сочетании с бензилдиметиламином; по­вышает теплостойкость композиций.

2. Ангидрид метилбицикло [2,2,1 ]гептен-5-дикарбоновой-2,3-кис — лоты (метилнадиковый ангидрид) — вязкая жидкость, образующая с эпоксидной смолой композицию с высокой жизнеспособностью (более 2,5 мес.).

3. Додецилянтарный ангидрид — вязкая жидкость, используе­мая вместе с ускорителем — бензилдиметиламином.

ВО,

20 МО . БО

Содержание ттоле — _. Вого ангидрида, °/о

[10] Давление при склеивании 1,7 кгс/см2, масса 1 м2 клеевой пленки 390 г.

Режимы отверждения пленочных клеев на основе модифициро­ванных эпоксидных смол 927R и 9602 (фирма «Shell») и AF-31 и AF-126 (фирма «Minnesota Mining Manufacturing Со.») и свойства клеевых соединений приведены в табл. 1.58. Свойства и режимы отверждения модифицированных эпоксидных клеев, представляю­щих собой армированные пленки (голландская фирма «Strucol»)* приведены в табл. 1.59.

[11] 50%-ная паста.

[12] Разрушение по павинолу.

[13] Разрушающее напряжение при равномерном отрыве в кгс/см^.

[14] Обработка кварцевым песком запрещена в связи с заболеванием работа­ющих силикозом. Вместо обработки сухим кварцевым песком применяется гидро­пескоструйная обработка или обработка сухими металлическими опилками.

[15] 100%-ное разрушение покрытия.

[16] Разрушение по клею.

[17] Не разрушается.

[18] Разрушение по фторопласту.

[19] Разрушение по клею и фторопласту.

[20] Определение теплостойкости производилось по методу статического нагру — жения склеенного образца нагрузкой, составляющей 90% от разрушающей на­грузки прн 100 °С в течение 1 ч.