Лако-красочные материалы — производство

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.

Срез заклепки То же

Разрушение металла Разрушение ло клею

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.

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

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.

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

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.

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.

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-

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).