Нагрузки и результирующие напряжения
Нагрузки, действующие на клеевое соединение, приводят к различным типам напряжений. Единицей измерения механической нагрузки является Н/мм.2. В случае равномерного воздействия сил сжатия и давления напряжение распределяется по всей плоскости склеиваемой поверхности. Таким образом, каждая часть клеевого шва несет одинаковую нагрузку, и, чтобы подсчитать эту нагрузку, необходимо приложенное усилие разделить на площадь клеевого шва. В действительности, нагрузки на растяжение и компрессионные нагрузки в чистом виде на всю поверхность встречаются крайне редко, а чаще имеют место нагрузки, направленные на сдвиг, расщепление и отслаивание. Распределение нагрузок в соединениях, то есть распределение напряжений через линию склейки, является менее однородным и более сложным для вычисления. Нагрузка на сдвиг распределяется вдоль клеевого шва таким образом, что обычно присутствуют зоны концентрации напряжений. На каждый край склеиваемой поверхности приходится большая нагрузка, чем на середину. Наибольшая нагрузка возникает с одного края соединения, когда на него действует сила, направленная на расщепление или отслаивание.
Конструкция клеевых сборок
Цель оптимальной конструкции клеевого соединения заключается в достижении наиболее равномерного распределения нагрузки. Следовательно, инженеры должны иметь четкое представление о распределении нагрузки, которому подвержено соединение. При проектировании клеевого соединения необходимо руководствоваться следующими основными принципами.
Минимизация нагрузок, направленных на отслаивание и расщепление.
На рис. 5 изображены кривые распределения нагрузок. Видно, что силы, направленные на расщепление и отслаивание, должны быть максимально уменьшены. На рис. 6 приведены примеры преобразования этих сил в более благоприятные.
Увеличение площади склейки.
Другой простой, но очень эффективный способ усилить клеевое соединение или его конструкцию, состоит в увеличении площади склейки. Обычно, слишком маленькая область склейки испытывает увеличенные нагрузки на отслаивание или расщепление. Жесткость компонентов и тип клея влияют на прочность соединения. Вообще, чем жестче сборочная единица, тем меньше влияние конфигурации сборки на прочность соединения.
Рис. 5: Наиболее распространенные типы нагрузок и их распределение по линии склейки.
Рис. 6: Отслаивающие нагрузки и их преобразование посредством изменения конструкции.
Рис. 7: Благоприятные и менее благоприятные нагрузки на клеевые сборки. Чем больше склеиваемая поверхность, тем лучше.
Оптимизация соединения внахлест.
Избегайте эксцентрично действующих нагрузок: имеется несколько причин, почему при соединении с односторонним нахлестом не получается равномерного распределения нагрузки на сдвиг. Одной из причин являются эксцентрично действующие силы, приводящие к возникновению изгибающего момента. Этот изгибающий момент образует дополнительную нагрузку на растяжение, особенно на концах склейки. Как показано на рисунке 8, имеются различные способы уменьшения отрицательного влияния изгибающего момента, вызванного эксцентричными силами, действующими на плоскость склейки.
Увеличение ширины соединения:
при увеличении ширины соединения кривая распределения нагрузки на сдвиг не изменяется. Это означает, что нагрузка на разрыв соединения внахлест увеличивается прямо пропорционально увеличению ширины этого соединения. То есть удвоенная ширина соединения приводит к удвоению прочности соединения на разрыв.
Оптимизация соединения внахлест: приведение соединения внахлест к оптимальным параметрам прочности означает не просто возможное увеличение длины соединения, так как сила, направленная на разрыв, не увеличивается пропорционально длине соединения или области склейки. Из кривой распределения нагрузки на сдвиг видно, что концы склейки подвержены большему напряжению, чем середина. Даже значительно увеличенная длина перекрытия не дает существенного изменения прочности на разрыв. Так как максимальная нагрузка на разрыв приходится на край сопряжения, то соединение начинает разрушаться именно в том месте, где превышены адгезивная или когезивная прочность клея.
Рис. 8: Различные способы устранения нежелательного воздействия эксцентричных нагрузок.
Толщина клеевого слоя: при увеличении толщины клеевого слоя соединение легче выдерживает нагрузку на сдвиг. Дополнительная толщина распределяет напряжение на сдвиг по большей площади, т.е. на единичный объем адгезива приходится меньшая нагрузка и, следовательно, меньшая концентрация напряжений. Увеличение толщины клеевого слоя равносильно использованию клея более низкой модульности; в обоих случаях получается более податливое соединение.
Методы испытания механической прочности клеевых соединений
При испытании прочности клеевых соединений необходимо фиксировать также характер разрушения образца. Различают следующие виды разрушения:
По склеиваемому материалу;
По клею ( когезионное разрушение);
По границе раздела клей - склеиваемый материал;
По защитному покрытию или адгезионному грунту;
По границе раздела склеиваемый материал – грунт (покрытие).
Оценка доли каждого вида разрушения производится визуально с точностью 5-10% от нормальной площади склеивания.
По характеру нагружения различают три основных вида испытаний ( рис 5):
При сдвиге (напряжения в клеевом соединении главным образом касательные к поверхности склеивания)
При отрыве (преимущественно нормальные напряжения)
При отдире (отслаивании, расслаивании, неравномерном отрыве) – напряжения распределяются в каждый момент по линии, перпендикулярной направлению нагружения и находящейся вблизи кромки клеевого соединения.
Прочность при сдвиге.
В практике для испытания клеевых соединений металлов предусматривается растяжение образцов в виде двух пластин размером 2х20х60 с одинаковой нахлесткой длиной 15 мм. ( ГОСТ 14756-69. Клеи. Метод определения прочности при сдвиге). Аналогичные испытания могут быть применены также для испытания и других листовых конструкционных материалов. Образец испытывают в специальном приспособлении. Концы полосы жестко закрепляют с помощь винтов. Испытание производят при скорости движения нагружающего зажима 10 мм/мин.
!!!! Техника безопасности при работе с клеями.
Работа с клеями требует соблюдения мероприятий по технике безопасности и охране труда, так как многие клеи в большей или меньшей степени токсичны и огнеопасны. При работе с клеями повышенной токсичности на рабочих местах должны быть установлены дополнительные вытяжные устройства. В случае попадания токсичных клеев или компонентов на кожу необходимо немедленно удалить загрязнения. Изоционаты удаляют с кожи тампоном из ваты, смоченным ацетоном или этилацетатом. Фенол смывается спиртом, мыльной водой или слабым раствором питьевой соды, после чего кожу тщательно промывают водой. Формалин смывается водой.
При работе с клеями, содержащими растворители или другие легковоспламеняемые вещества необходимо строгое соблюдение специальных мер противотивопожарной безопасности.
Фенолкаучуковые, фенолполивинилацетатные и другие модифицированные клеи менее токсичны.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
К выполнению экспериментально-теоретической части работы приступают после выполнения п.п. 1, 2 и получения разрешения преподавателя.
1. По заданию преподавателя разработать наиболее оптимальную конструкцию для клеевого соединения 2-х плоских деталей.
2. Разработать технологический процесс склеивания в зависимости от материала заготовок и типа клея.
3. Рассчитать прочность клеевого соединения в зависимости от технических характеристик клея.
τ = P/F
где P- разрушающая нагрузка (МПа)
F- площадь склеивания (мм.)
4.Изготовить клеевое соединение.
Испытать клеевое соединение.
Определить вид разрушения, проанализировать характер разрушения, сделать выводы и дать рекомендации.