4.2. Клеевые соединения

Клеевое соединение – неразъемное соединение элементов конструкций с помощью клея, образующего между ними тонкую прослойку (клеевой шов).

Клеевые соединения получили в последние годы широкое распространение во многих отраслях машиностроения благодаря появлению клеящих материалов (конструкционных клеев) на основе синтетических полимеров, которые обладают высокой податливостью и благодаря этому обеспечивают склеивание практически всех материалов промышленного значения (сталей, сплавов, меди, серебра, древесины, пластиков, фарфора, тканей, кожи и многих других). Еще одно их достоинство состоит в возможности склеивания металлов и неметаллов. Благодаря этому клеевые соединения используют для производства новых материалов в форме слоистых листов (металлических листов с пластмассовым покрытием или пластмасс с покрытием из металла и т. д.).

Иногда склеивание представляет собой единственный способ соединения разнородных материалов в ответственных конструкциях. Клеевые соединения позволяют реализовать новые конструкции (слоистые, сотовые и др.), которые не могут быть выполнены с помощью соединений других типов.

Применение клеев в металлических конструкциях позволяет надежно и прочно соединять разнородные металлы разной толщины, исключать более дорогие заклепочные, сварные и болтовые соединения.

Клеевые швы не ослабляют металл, как при сварке или сверлении отверстий под болты, они не подвержены коррозии и часто герметичны без дополнительного уплотнения.

Области и объемы применения силовых клеевых соединений непрерывно растут. Современные самолеты имеют до 500 м2, а аэробусы до 1500 м2 силовых клеевых соединений (металлических и слоистых неметаллических конструкций).

Клеевые соединения превосходят заклепочные и сварные соединения при работе на срез благодаря сравнительно полному использованию площади сопряжения соединяемых деталей.

Основными недостатками клеевых соединений является:

· старение со временем, вызывающее существенное снижение прочности;

· невысокая теплостойкость (рабочая температура обычно не выше 300 °С), обусловленная органической природой клеев;

· потребность сложной оснастки для изготовления конструкций сложного профиля;

· необходимость тщательной подготовки поверхности под склеивание.

Процесс склеивания содержит следующие операции:

· превращение клеящего вещества в состояние, пригодное для нанесения на поверхность склеиваемого материала (расплавление, приготовление клеящей пленки и т. д.);

· подготовка поверхности склеиваемых материалов (придание шероховатости, различные виды химической или физико-химической обработки);

· нанесение клеящего вещества;

превращение клеящего вещества в клеевой слой, соединяющий материалы при

· соответствующих температуре, давлении и времени выдержки;

· испытание соединения на надежность.

Применение в промышленности получают клеи, обладающие коррозионной неактивностью, нетоксичностью, грибо-, водо- и атмосферостойкие с высоким сопротивлением старению и способностью к длительному хранению (табл. 4.3).

Клеевые соединения конструктивно подобны сварным и в особенности паяным соединениям. Прочность соединений пропорциональна площади склеивания. В нахлесточном соединении большее повышение прочности можно получить за счет увеличения ширины нахлестки, нежели ее длины (из-за неравномерного распределения нагрузки по длине соединения). Благоприятное влияние на прочность соединений оказывают скосы кромок листов и накладки.

При проектировании клеевых соединений следует иметь в виду, что клеевые швы обладают обычно достаточно большой прочностью при сдвиге и невысокой прочностью при «отдире» (изгибе шва). Прочность при сдвиге нахлесточных соединений с различными клеями после двухмесячной выдержки составляет 10 – 33 МПа (табл. 4.4).

Механизм процесса склеивания изучен недостаточно. Установлено, что клеящие свойства полимеров зависят от строения макромолекул, условий образования пленки и ее физико-химических свойств, подготовки поверхности, природы склеиваемого материала и многого другого. Так, при склеивании одним и тем же клеем различных металлов прочность соединений оказывается различной. Например, предел прочности при сдвиге соединений на эпоксидном клее для сталей составляет 34 МПа, а для дуралюмина 21 МПа. Поэтому задачи конструирования и сборки (технологии) связаны между собой и рассматриваются комплексно.

Таблица 4.3 Механические характеристики клеевых соединений и области применения клеев

Клей

Предел прочности, МПа

Назначение

при отрыве

при сдвиге

Изоцианатный

4

Склеивание резины с металлом и тканями

Неорганический

10

7

Склеивание металлов, работающих при температуре до 500 °С

Поливинилацетальный

20

Склеивание стекла и дуралюмина при температуре до 40 °С

Эпоксидный (ЭД-5, ЭД-6, Э-40 и др.)

45

20

Склеивание металлов и неметаллов в интервале температур ± 60°С

Полиуретановый (ПУ-2  и др.)

34,5

16

То же

Фенолформальдегидный (БФ-2, ВС-10 и др.)

8

2,8

То же

Синтетический

20 – 40

10 – 20

Склеивание металлов, древесины, стекла, фарфора, резины, кожи и т.


п.

Полиакриловый (ВК-31,  ВК-41 и др.)

23

30 – 40

То же

Таблица 4.4 Прочность при сдвиге соединений алюминиевого сплава различными клеями в условиях повышенной влажности

Клей

Прочность при сдвиге, МПа

после сборки

после выдержки

 в течение 60 сут.

Эпоксидный

21,0

19,6

Поливинилацетальфеновый

28,0

25,2

Фенолонитрилкаучуковый

38,5

33,6

Полиуретановый

16,1

10,2

Эпоксинайлоновый

42,0

16,1

Прочность клеевого соединения зависит от толщины клеевого слоя. Обычно толщина слоя составляет 0,05 – 0,15 мм и зависит от вязкости клея и давления при склеивании.

Клеевое соединение рассчитывается на прочность при срезе. За расчетную площадь берется площадь соприкосновения соединяемых элементов. Условие прочности при срезе имеет обычный вид:

,

где b и l – ширина и длина нахлестки, мм.

Контроль качества соединений осуществляют разрушающими (разрушением образцов-свидетелей) и неразрушающими (например, рентгеновскими и инфракрасными лучами) методами.