Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BRNO 2006
Jan STRAŠÁK
Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
VYUŽITÍ TECHNOLOGIE LEPENÍ KOVŮ Bakalářská práce
Brno 2006
Vedoucí diplomové práce: Doc. Ing. Vlastimil Chrást, CSc.
Vypracoval: Jan Strašák
Prohlášení
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma : „Využití technologie lepení kovů“ vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém soupisu literatury. Souhlasím, aby práce byla uložena v knihovně Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně a zpřístupněna ke studijním účelům.
V Brně,dne………………………….. Podpis studenta……………………
Anotace V bakalářské práci jsou zpracovány teoretické základy technologie lepení kovů. Obsahuje přehled lepidel včetně konkrétních výrobců. Dále se zabývá metodikou zkoušení pevnosti lepených kovových spojů v souladu s normou ČSN EN 1465. Zkoušky proběhly v podmínkách laboratoře ústavu techniky a automobilové dopravy, kde byla pevnost lepených vzorků zkoušena na univerzálním trhacím stroji Na zkušební testy bylo použito lepidlo Loctite 3430.
Anotation
My dissertation deals with theoretical bases of the technology of metal pasting. It contains listing of adhesives including particular producers. It also deals with methodology of rigidity testing of glued up metal joints according to ČSN EN 1465. The tests were done in laboratory conditions of Department of Engineering and Automobile Transport, where the rigidity of glued up specimen was tested on multi-purpose computer-controlled mechanical tester Zwick 050. The adhesive used for testing was Loctite 3430.
Děkuji panu Doc. Ing. Vlastimilu Chrástovi, CSc. Za odborné vedení a věcné připomínky při zpracování bakalářské práce.
Obsah 1.0. Úvod................................................................................................................................9 2.0. Teorie lepení .................................................................................................................11 2.1. Úvod do teorie lepení. .....................................................................................11 2.2. Teorie adhese...................................................................................................12 2.2.1. Mechanická adhese...................................................................................12 2.2.2. Specifická adhese .....................................................................................13 3.0. Konstrukce lepených stojů............................................................................................15 3.1. Namáhání lepených spojů ...............................................................................15 3.2. Typy provedení lepených spojů ......................................................................18 3.3. Postup při spojování součástí ..........................................................................19 4.0. Faktory ovlivňující lepený spoj ....................................................................................21 4.1.Vliv prostředí na pevnost lepených spojů ........................................................21 4.2. Příprava spoje před lepením ............................................................................21 4.2.1. Mechanická příprava ................................................................................22 4.2.2. Odmaštění lepených ploch .......................................................................22 4.2.3. Chemická příprava ...................................................................................23 4.3. Nános lepidla ...................................................................................................24 4.4. Doba otevřeného a uzavřeného sestavení spoje ..............................................25 4.5. Fixace lepených spojů tlakem .........................................................................25 4.6. Urychlení tuhnutí lepidla ve spoji ...................................................................26 5.0. Lepidla ..........................................................................................................................26 5.1. Přehled lepidel podle principu tuhnutí ve spoji...............................................26 5.2. Lepidla vhodná k lepení kovů .........................................................................29 5.2.1. Lepidla kyanakrylátová ............................................................................29 5.2.2. Lepidla epoxidová ....................................................................................30 5.2.3. Lepidla polyuretanová..............................................................................32 5.2.4. Lepidla akrylátová anaerobní ...................................................................32 5.2.5. Lepidla stále lepivá...................................................................................34 6.0. Cíl práce........................................................................................................................34 7.0. Zkouška pevnosti v tahu ...............................................................................................35 7.1. Vybrané lepidlo ke zkoušce Loctite 3430 .......................................................35
7.2. Metodika zkoušek............................................................................................35 7.2.1. Výroba a příprava vzorků.........................................................................36 7.2.3. Odmaštění vzorků v rozpouštědle ............................................................37 7.2.4. Stanovení tloušťky vrstvy lepidla.............................................................37 7.2.5. Lepení vzorků...........................................................................................37 7.3. Zkoušení vzorků ..............................................................................................38 7.4. Zkušební zařízení ............................................................................................38 8.0. Vyhodnocení výsledků měření .....................................................................................39 9.0. Závěr .............................................................................................................................42 10.0. Seznam použité literatury ...........................................................................................43
Seznam obrázků Obr 1. Absorbční síly při lepení...........................................................................................12 Obr 2. Kapková metoda k určení vhodnosti lepidla ............................................................15 Obr 3. Tahově střihová zatížení...........................................................................................16 Obr 4. Síly působené loupáním............................................................................................17 Obr 5. Průběh napětí ve spoji při zatížení v tahu silami s různým směrem působení (kombinace tah + ohyb ) ..............................................................................................17 Obr 6. Deformace jednostranně přeplátovaného spoje v důsledku excentrického působení sil; rozdělení napětí po délce přeplátovaného spoje ....................................................18 Obr 7.Příklady konstrukčího provedení spojů .....................................................................19 Obr 8. Špatně vyplněná štěrbina (hrany stírají lepidlo) .......................................................20 Obr 9. Dobře vyplněná štěrbina s úhly náběhu 15° do 35°; pokud možno díly při spojování otáčet ............................................................................................................................20 Obr 10. Jednostranně uzavřený otvor jako zásoba lepidla...................................................20 Obr 11. Nečistoty bránící vytvoření souvislému povrchu lepidla .......................................23 Obr 12. Vzorek po zkoušce na trhacím stroji ......................................................................40
Seznam tabulek Tab č. 1. Brusné nástroje .....................................................................................................37 Tab č. 2. Naměřené hodnoty při zkoušce.............................................................................41 Tab č. 3. Statistické vyjádření měřených hodnot.................................................................41
Seznam grafů Graf č. 1. Výsledky trhací zkoušky......................................................................................41
9
1.0. Úvod Zvyšování technické úrovně konstrukcí v oblasti spojování klasických i novodobých materiálů vedlo ke značnému rozmachu výroby syntetických lepidel, pojiv a tmelů a souběžně s tím k vývoji technologií umožňujících jejich racionální využití. Technologie lepení materiálů, které se v posledních letech rozšířily téměř na celém světě, můžeme postavit na úroveň osvědčených způsobů spojování materiálů jako je nýtování, svařování, pájení, šroubové spoje aj.. Důvodem tohoto rozšíření je skutečnost že lepené spoje mají řadu výhod vůči jiným způsobům spojování. Mezi ně lze například zařadit: •
lepením lze spojovat různé druhy materiálů, které mnohdy nelze jiným způsobem spojit,
•
lepením lze spojovat i velmi tenké součásti, jejichž spojení jiným způsobem by bylo obtížné, ne-li vůbec možné,
•
lepením je možno spojovat různé kovy, aniž by po jejich spojení došlo k vytvoření korozního článku (vrstva lepidla působí jako isolant),
•
spojovaný materiál je ve srovnání se svařováním nebo pájením méně, nebo vůbec tepelně ovlivněn,
•
lepením se nezeslabuje průřez jako u nýtovaných, nebo šroubových spojů,
•
vhodnou konstrukcí spoje lze dosáhnout vysoké pevnosti, při správné volbě přeplátování může být pevnost vyšší než pevnost původního materiálu (zvláště u lehkých slitin),
•
lze dosáhnout vodotěsného či plynotěsného spojení,
•
po spojení lepeného materiálu nedochází k nadměrnému zvýšení hmotnosti konstrukce (jeden z předpokladů miniaturizace),
•
lepidla lze barevně přizpůsobit základnímu materiálu,
•
lepené spoje se vyznačují hladkostí povrchu,
•
lepený spoj tlumí vibrace v konstrukci a zvyšuje tuhost i pevnost souboru,
•
použitím vhodných aplikačních přípravků lze značně zvýšit produktivitu práce apod.
10
Na druhé straně je však nutno vzít v úvahu i některé nevýhody, které lepené spoje přinášejí: •
lepené spoje se nehodí, vzhledem k vlastnostem lepidel, pro součásti dlouhodobě vystavené působení vyšších teplot,
•
spoje některých lepidel jsou málo odolné vůči vodě či chemicky aktivním kapalinám,
•
spojování materiálů lepením vyžaduje velmi dobrou rovinnost a čistotu povrchů,
•
spoj dosáhne maximální pevnosti až po určité prodlevě po vlastním spojení (po vytvrzení),
•
při spojování materiálů se špatnými adhezními vlastnostmi jsou nutné speciální úpravy povrchu,
•
lepení nelze provádět při nízkých teplotách,
•
lepené spoje jsou citlivé na namáhání loupáním,
•
ne všechny lepené spoje lze bezproblémově rozebírat,
•
některé druhy lepidel nesnášejí trvalé statické zatížení,
•
životnost lepidel při skladování je omezená apod.
Po zvážení všech kladů a záporů, spojených s používáním lepidel, jednoznačně vystupují do popředí jejich přednosti, neboť není účelem lepení nahradit osvědčené způsoby spojování, ale uplatňuje se tam, kde použití klasických způsobů naráží na nesnáze, nebo je nelze z různých důvodů použít vůbec.
[6] [4]
11
2.0. Teorie lepení 2.1. Úvod do teorie lepení Máme-li definovat pojem lepidla, můžeme na základě současných poznatků říci, že lepidlo je látka schopná vytvořit pevné a trvalé spojení materiálů. Tato schopnost je dána fyzikálními a chemickými vlastnostmi nejen lepidla, ale i spojovaných materiálů. Lepený spoj je složitý systém látek, jehož vlastnosti jsou určovány četnými proměnami. K nejdůležitějším z nich patří: u lepeného materiálů - jeho mechanické vlastnosti, fyzikální a chemická povaha povrchu, povrchová energie a lineární tepelná roztažnost. u lepidla - chemické složení, viskozita a povrchové napětí v nevytvrzeném stavu, reakční mechanismus a mechanismus vytvrzování, stupeň vytvrzení, smrštění při
vytvrzování, mechanické vlastnosti a lineární roztažnost ve
vytvrzením stavu apod. způsob zpracování - tj. příprava povrchu, nanášení lepidla, tloušťka jeho vrstvy a podmínky vytvrzování (teplota, tlak apod.). způsob spojení - tzn. jde-li o pouhé přiložení materiálů k sobě, přeplátování, čelné spojení, tloušťka, šířka a délka přeplátování apod. způsob jímž působí vnější síly na lepený spoj - tlak, tah, dynamické namáhání a jiné. z ostatních vlivů - stárnutí za zvýšených nebo nízkých teplot, vlivy vlhkosti, rozpouštědel, působení průmyslové atmosféry, vliv povětrnosti apod.
Z celé řady těchto proměnných veličin má prvořadý význam fyzikálně-mechanický a chemický charakter povrchu spojovaných materiálů a fyzikální a chemické vlastnosti lepidla. Tedy jedním z předpokladů k dosažení optimální pevnosti lepeného spoje je kvalitní mechanická a chemická úprava povrchu spojovaného materiálu. Vedle toho se rozhodující mírou podílejí na pevnosti lepených spojů fyzikální a chemické vlastnosti lepidel, především adhese (přilnavost) k lepeným materiálům a kohese (soudržnost) lepidla samotného. Adhese je podmíněna chemickými vazbami a mezimolekulárními silami, které vznikají mezi povrchem lepeného materiálu a mezi lepidlem a definujeme ji, jako sílu vztaženou na jednotku plochy, která je zapotřebí, abychom odtrhli film lepidla od povrchu materiálu.
12
Kohesí rozumíme souhrn všech přitažlivých sil, které brání oddálení molekul lepidla od sebe. Je to tedy vnitřní pevnost lepidla, vyjádřená mechanickými vlastnostmi, které se vytvářejí v procesu vytvrzovaní, tj. při přechodu lepidla z tekuté nebo plastické fáze do fáze tuhé (obr 1).
[6]
Obr 1. Absorbční síly při lepení [7]
2.2. Teorie adhese Úvodem je nutno říci, že přilnavost lepidel ovlivňuje mnoho faktorů, z nichž některé byly prostudovány podrobně, kdežto o jiných je známo poměrně málo. Podle dosavadních poznatků adhesi rozdělujeme na: •
mechanickou,
•
specifickou.
2.2.1. Mechanická adhese Mechanická adhese se uplatňuje především tak, že tekuté lepidlo vniká do nerovností a pórů povrchu materiálu, v nich se zakotvuje a po ztuhnutí vytváří „mechanické můstky“ jimiž pojí spojované části. Mechanická adhese má tedy především význam při spojování materiálů s pórovitým nebo vláknitým povrchem.
13
2.2.2. Specifická adhese Při spojování materiálů s hutným a pevným povrchem (kovy, skla apod.), se uplatňuje hlavně specifická adhese. Ta má primární význam i při spojování materiálů s drsným povrchem. Specifická adhese v souhrnu vyjadřuje reakci povrchu spojovaného materiálu a styčných ploch pojiva. Z hlediska fyzikálního a chemického se ve specifické adhesi odráží: •
primární chemické vazby mezi pojivem a spojovaným materiálem,
•
mezimolekulární valenční síly, tzv. síly Van der Waalsovy.
Podíl primárních chemických vazeb na velikosti adhese je poměrně malý. Chemické vazby jsou odvislé jednak od spojovaného materiálu a jednak od druhu pojiva. Tak např. dochází k chemickým vazbám při lepení dřeva, skla a kovů jejichž povrch je překryt hydratovanou vrstvičkou oxidů, pomocí isokyanátových lepidel. Dochází k chemické reakci isokyanátových skupin lepidla s hydroxylovými skupinami (OH) na povrchu uvedených materiálů. Hlavní podíl na velikosti adhese mají mezimolekulární síly jimiž jsou molekuly pevných látek a kapalin drženy u sebe. Tyto síly rozdělujeme podle působení na: •
elektrostatické,
•
dispersní,
•
indukční.
Elektrostatické síly působí mezi molekulami, jejichž těžiště pozitivního elektrického náboje není totožné s těžištěm negativního elektrického náboje a tudíž je mezi nimi vytvořen elektrický dipól. Velikost dipólu je mírou polarity dané látky a proto látkám u nichž jsou dipóly vytvořeny říkáme látky polární. Vzájemné působení dvou dipólů je odvislé od jejich postavení a vzdálenosti jejich těžišť. U polárních látek mají tyto dipólové síly na přitažlivost největší význam. Dispersní síly jsou podmíněny kvantově mechanickým vzájemným působením valenčních elektronů sousedních atomů. Jsou odvislé od celkového počtu těchto elektronů. Uplatňují se ve všech případech a podmiňují největší díl mezimolekulárních sil (nepřihlížíme-li k velmi polárním látkám). Působení dispersních sil se zmenšuje se šestou
14
mocninou vzdálenosti, takže se uplatňují v menším okruhu než elektrostatické - dipólové síly. Indukční síly jsou vyvolány indukcí elektrického momentu sousedních dipólů a uplatňují svůj vliv hlavně na soustavy s π elektrony tj. aromatické sloučeniny a sloučeniny nenasycené. Ve srovnání s předchozími silami mají jen nepatrný význam. Působnost mezimolekulárních sil nám dává odpověď na otázku, proč některé látky lze spojovat lepidly, kdežto jiné látky lepit nelze. Obecně lze říci, že polární nebo látky s polarizovaným povrchem přilnou na látky polární, nepolární látky přilnou na nepolární, kdežto nedojde k adhesi mezi látkami polárními a nepolárními. Mezi polarizovatelné látky patří technické kovy (v čistém stavu jsou nepolární) a proto lepidla se silně polárními skupinami, obzvláště hydroxylovými (jako je tomu u epoxydových pryskyřic) mají velmi dobrou adhesi ke kovům. Podmínkou pro přilnutí lepidla na spojovaný materiál je přímý styk povrchů obou látek. Předpokladem pro vytvoření lepeného spoje je dobrá smáčivost povrchu materiálu použitým lepidlem. K tomu dochází jen tehdy, jsou-li kohesní síly mezi jednotlivými molekulami menší než síly podmiňující adhesi lepidla na povrchu materiálu. Na smáčivost má vliv především povrchové napětí látek. Smáčivost se vyjadřuje úhlem smáčivosti (µ krajní úhel na rozhraní pevné látky, kapaliny a vzduchu). Je-li tedy povrchové napětí lepeného materiálu větší než součet povrchového napětí lepidla a styčné plochy lepeného materiálu s lepidlem dojde tedy ke smáčení povrchu materiálů. V opačném případě ke smáčení nedojde a kapalina zaujme na povrchu kulový tvar. Lze také říct, že je-li úhel µ < 90° povrch kapalinou smáčen není. Příkladem dobré smáčivosti je voda na skle (úhel µ ≡ 8°), naopak nesmáčivá je rtuť na skle (úhle µ ≡128°). Považujeme-li povrchové napětí mezi kapalinou a vzduchem a napětí mezi pevnou látkou a vzduchem za konstantní, můžeme na velikost úhlu µ působit změnou povrchového napětí mezi pevnou látkou a kapalinou. Toho dosáhneme dobrým odmaštěním povrchu pevné látky. Například povrchové napětí mezi kovy a pryskyřicemi je menší než mezi kovem a vodou. Obecně lze tedy říct, že pokud je povrch materiálu dobře smáčen vodou, bude také dobře smáčen i lepidlem (obr 2).
[6]
15
Obr 2. Kapková metoda k určení vhodnosti lepidla [7]
3.0. Konstrukce lepených stojů 3.1. Namáhání lepených spojů Lepení je technologie, která nabízí mnoho výhod při spojování materiálů, ale na druhou stranu je omezena řadou limitujících faktorů. Při spojování materiálů lepením je zapotřebí si uvědomit, že nelze použít totožná konstrukční hlediska, která se uplatňují při konstrukci spojů svařovaných, pájených, nýtovaných či šroubových. Lepené spoje sice vykazují velkou pevnost ve smyku, vcelku vyhovují v tahu, ale mají nepatrnou pevnost v odlupování. Proto je nutno vhodnými konstrukčními změnami dosáhnout přeměny sil způsobujících namáhání loupáním v síly vyvolávající smykové či tahové napětí (např. přeplátováním, zalemováním okrajů apod. (obr 3, 4)). Pokud nelze ve spoji namáhání loupáním vyloučit či výrazně omezit je na místě uvažovat o jiném druhu spojení materiálů. V praxi bývají spoje vystaveny kombinaci všech základních druhů mechanického namáhání. K tomu se přidávají vlivy teplotního intervalu, kterému jsou lepené spoje vystaveny.
16
V případě kombinovaného namáhání v tahu a ohybu se koncentruje tahové napětí především na jedné straně lepeného spoje a působí zde jako síla podporující odlupování (obr 5). Spoj je náchylný k porušení zejména při cyklických změnách směru a velikosti ohybové složky. U jednostranně přeplátovaných spojů se koncentruje tahové napětí především na obou koncích přeplátování a působí zde jako síla podporující odlupování (obr 6). Spoj se poruší tím dříve, čím větší je deformace lepených částí. Velikost deformace je závislá na excentricitě působících sil a na ohybové pevnosti lepených materiálů.
Obr 3. Tahově střihová zatížení [7]
[6] [2]
17
Obr 4. Síly působené loupáním [7]
Obr 5. Průběh napětí ve spoji při zatížení v tahu silami s různým směrem působení (kombinace tah + ohyb ) [2]
18
Obr 6. Deformace jednostranně přeplátovaného spoje v důsledku excentrického působení sil; rozdělení napětí po délce přeplátovaného spoje [2]
3.2. Typy provedení lepených spojů Aby si lepený spoj uchoval dlouhodobou spolehlivost a trvanlivost, je nutné přizpůsobit celou konstrukci tak, aby:
•
mechanické namáhání bylo rozděleno rovnoměrně a nesoustředilo se pouze v místě spoje;
•
spojované plochy byly co nejméně složité;
•
spoj byl zatěžován převážně namáháním v tahu a ve smyku a minimálně namáháním v odlupování, které je pro lepené spoje nejméně příznivé;
•
plocha spoje byla dostatečně velká a napětí bylo v celém lepeném spoji rovnoměrně rozložené;
•
lepené materiály měly (v místě spoje) stejné nebo alespoň podobné koeficienty tepelné roztažnosti (při nedodržení mohou v místě spoje vznikat velké tahové síly).
Jestliže dodržíme výše uvedená základní pravidla lepení z hlediska návrhu konstrukce, je množství vhodných variant konstrukčního řešení lepených spojů velké, např. (obr 7).
[2]
19
Obr 7.Příklady konstrukčního provedení spojů [5]
3.3. Postup při spojování součástí Při konstrukci spoje musí být také bráno na zřetel, aby nanesené lepidlo nebylo setřeno či odsunuto při sestavování součástí (obr 8). Proto je nutno vhodnou konstrukční úpravou součásti takového situaci zabránit. U válcových dílů se často stane, že ostré hrany lepidlo setřou. Dobré pokrytí se docílí pokud je lepidlo naneseno na součásti s úhlem náběhu čepu a díry 15° až 35° (obr 9). Při spojování do jednostranně uzavřených otvorů může být lepidlo vytlačováno unikajícím vzduchem, proto je nutno vyvrtat odvzdušňovací otvor. V tomto případě je však mnohdy vhodnější dávkovat
lepidlo do otvoru. Při
zasouvání spojovaného dílu se bude lepidlo vytlačovat směrem nahoru a dobře vyplní štěrbinu spoje (obr 10). Při lepení materiálů s velmi rozdílnými koeficienty tepelné roztažnosti mohou při teplotních změnách v místě spoje vzniknout silné tahové síly. Tvoří-li obrobek s větším koeficientem roztažnosti vnitřní díl spoje hřídel / náboj, pak může lepidlo tyto síly přenést. V opačném případě se musí volit nalisování s přesahem, aby se náboj nemohl na hřídeli uvolnit.
[7]
20
Obr 8. Špatně vyplněná štěrbina (hrany stírají lepidlo) [7]
Obr 9. Dobře vyplněná štěrbina s úhly náběhu 15° do 35°; pokud možno díly při spojování otáčet [7]
Obr 10. Jednostranně uzavřený otvor jako zásoba lepidla [7]
21
4.0. Faktory ovlivňující lepený spoj 4.1.Vliv prostředí na pevnost lepených spojů Při výběru typu lepidla pro daný typ spoje je nutné rovněž přihlížet k prostředí v němž spojovaná součást bude pracovat, protože lepidla mají v různých prostředích různou stálost. Kyslíková atmosféra nemá na většinu lepidel po vytvrzení žádný zásadní negativní vliv. Při samotném spojování součástí je třeba mít na zřeteli, že některá lepidla jsou “anaerobní”, tzn. že se vytvrzují za nepřístupu vzduchu v omezené tloušťce vrstvy. Toto je nutné mít na zřeteli již při konstrukci a návrhu spoje a při příliš velké spáře použít jiné lepidlo. Některá lepidla špatně odolávají vlhkosti, proto je nutno vybírat lepidla speciálně určená k lepení ve vlhkém prostředí. Technickým kapalinám a chemickým látkám odolávají různá lepidla mnohdy velmi rozdílně a je proto nutné výběr lepidla podřídit prostředí. Nejzásadnější vliv má průběh teplot při vytvrzování lepidla a provozu spoje. Většina lepidel má omezenou teplotní odolnost. Se zvyšující se teplotou klesá jejich pevnost tzv. „teplotně degradují“. Proto je nutné pečlivě prozkoumat průběh teplot působících na spoj a dle něho lepidla vybírat. U některých lepidel se snižující pevnost se zvyšující se teplotou využívá pro demontáž spoje. Například u anaerobních tmelů, používaných pro zajištění součástí proti vzájemnému pohybu, po zahřátí na 250°C klesá pevnost o 75% jmenovité hodnoty. Tato vlastnost umožňuje snadnou demontáž jinak obtížně demontovatelných spojení.
[3] [7]
4.2. Příprava spoje před lepením Pro dosažení optimálních výsledků při lepení je potřebné správné ošetření ploch, protože pevnost spoje závisí nejen na kohezi, ale také na adhesi mezi plochami spoje a lepidlem. Obecně lze tedy říct: Lepený spoj bude o to pevnější, o co byl předtím důkladněji očištěn. Adhesní síly tedy můžeme podstatně zlepšit úpravou povrchu spoje před lepením (obr 11).
22
Jako přípravu povrchu spoje tedy rozlišujeme:
•
mechanickou přípravu;
•
odmaštění lepených ploch;
•
chemickou přípravu.
4.2.1. Mechanická příprava Odstranění volných a ulpěných nečistot z povrchu spoje. Zásadní význam má zejména odstranění korozních zplodin, které mnohdy nelze jiným způsobem odstranit. Mezi mechanické způsoby úpravy povrchu patří otryskávání, smirkování nebo okartáčování ocelovým kartáčem. Tryskání je dobrou metodou pro úpravu velkých ploch. Tímto postupem dosáhneme velmi dobrých výsledků, především zdrsnění povrchu, nebude-li ovšem použito příliš hrubého písku. Právě tak výborného zdrsnění povrchu dosáhneme smirkováním. Při tom je třeba dát pozor na vhodnou zrnitost smirku (např. 300-600 pro hliník, 100 pro ocel). Mechanické způsoby úpravy povrchu jsou v praxi dobře proveditelné a všeobecně poskytují dostatečnou přípravu spoje. U silně znečištěných dílů musí však před tím proběhnout odmaštění, neboť mastnota zanáší čistící nástroj a mohlo by nastat její zpětné nanesení na již dříve očištěný povrch.
4.2.2. Odmaštění lepených ploch Očištění spoje od olejů, tuků, prachu a jiných nečistot. Odmaštění by mělo být provedeno vždy a to i tehdy, pokud před ním bylo provedeno mechanické očištění povrchu. Tehdy nabývá na významu zejména odstranění drobných prachových částic a zbytků brusiva. Pro kusovou výrobu se doporučuje povrchy kovů očistit nějakým dobrým odmašťovadlem, např. trichloretanem, acetonem nebo isopropyl-alkoholem. U umělých hmot postačuje očištění v ultrazvukové lázni (fluorované uhlovodíky) nebo ručně isopropanolem. Většina výrobců lepidel a tmelů dodává vlastní čistící přípravky, použitelné pod jimi dodávané produkty, v praktickém a pohotovém sprejovém provedení. Pro větší počet odmašťovaných součástí (sériová výroba), je účelné použití speciálních odmašťovadel aplikovaných ve speciálních strojích. Děje se tomu tak budˇ ponorem ve vanách nebo v parních odmašťovacích linkách. V nich je kapalina přiváděna do varu a vytvořená pára poté kondenzuje na chladném obrobku. Vzniklá kapalina dobře
23
odplavuje nečistoty a částečky tuku. V takových zařízeních se s výhodou používá k odmaštění perchlorethan nebo trichlorethan. Nezanedbatelný je rovněž ekologický aspekt, neboť lázeň lze s výhodou recyklovat (oddělit nečistoty a čistící kapalinu opakovaně použít).
4.2.3. Chemická příprava Spočívá v chemickém působení louhů nebo kyselin na již mechanicky očištěný povrch spoje. Provádí se tehdy, pokud klademe vyšší nároky na pevnost nebo neumožňujeli pasivita povrchů slepení vůbec. Pak je nutná chemická úprava povrchů leptáním nebo mořením. Zejména hliník a jeho slitiny je vhodné před použitím velké většiny lepidel nutno chemicky upravit. V průmyslu se používá piklování (moření v kyselině chromsírové), v domácích podmínkách lze vystačit s mořením ve 20% roztoku sodného louhu (NaOH). Před mořením se musí povrch zdrsnit a odmastit, po moření důkladně omýt teplou vodou, dobře usušit a znovu odmastit. U mědi a jejích slitin postupujeme jako u konstrukční oceli, dosahovaná pevnost spojů však bývá nižší.
[2] [5] [7]
Obr 11. Nečistoty bránící vytvoření souvislému povrchu lepidla [7]
24
4.3. Nános lepidla Jedním z předpokladů vzniku soudržného spoje je i rovnoměrný přiměřeně tlustý film lepidla ve spáře. Většina lepidel nabývá optimálních adhezních vlastností tehdy, neklesne- li tloušťka ztuhlého filmu lepidla ve spáře pod spodní limit 0,05 mm. Jako horní limit tloušťky filmu platí vesměs hranice 0,25 mm. Je-li film mimo uvedené rozmezí, sníží se zpravidla prudce pevnost spoje. Není-li možné dosáhnout požadované rovnosti a souběžnosti lepených dílců je nutné pracovat budˇ s lepivými tmely, nebo lepivými vložkami na bázi impregnovaných tkanin. Množství nanášeného lepidla se udává v g/m2 lepené plochy. Limity spodní a horní hranice dávkování jsou zpravidla uváděny čísly 90 až 300 g/m2. Pro zajištění požadované tloušťky filmu lepidla v rozmezí 0,05 až 0,25 mm se někdy, zejména při práci s reaktivními lepidly, vkládají do spáry distanční drátky o průměru 0,1 až 0,2 mm. Stejného efektu se dosáhne příměsí 1 až 3% korundových zrn udané velikosti. Lepidlo musí být naneseno v takovém stavu, aby v určitém momentu zpracování (u tekutých lepidel ihned, u tavných lepidel po zahřátí) vytvořilo tekutou rozplývavou vrstvu, která smáčí mikropóry povrchu. Respektování této zásady je důležité zejména při zpracování rozpouštědlových a dvousložkových reaktivních lepidel, která při rychlém odpařování rozpouštědel nebo v průběhu chemické reakce rychle zvyšují svou viskozitu. Rovnoměrný nános lepidla po celé ploše je naprosto samozřejmý. Jsou tu však další dvě možnosti, a to nános jednostranný, nebo oboustranný. Oboustranný nános lepidla je vhodný při použití lepidel rozpouštědlových a lepidel disperzních. Při zpracování kontaktních rozpouštědlových lepidel je naprosto nutný. Jako první v pořadí se zásadně provádí nános lepidla na povrch méně porézní. Jednostranného nánosu lepidla se zpravidla používá při práci s lepidly reaktivního typu (dvousložkovými), při zpracování lepidel tavných a lepidel citlivých na tlak.
[1]
25
4.4. Doba otevřeného a uzavřeného sestavení spoje Doba otevřeného sestavení spoje je časový interval počínající okamžikem nanesení tekutého lepidla a končící přiložením druhé lepené plochy, tj. uzavřením spoje. Závisí na složení lepidla, jeho reaktivitě a nánosu, dále na teplotě okolí a poréznosti podkladu. Doba otevřeného sestavení spoje nesmí překročit limit pracovní životnosti lepidla. Některé disperze a kontaktní lepidla dovolují otevřené sestavení spoje až 30 minut. U reaktivních lepidel je tato doba podstatně kratší. Od okamžiku, kdy obě lepené plochy byly na sebe přiloženy, do okamžiku zavedení tlaku, probíhá doba uzavřeného sestavení spoje, musí být vždy co nejkratší, aby lepidlo neztuhlo ještě před vyvozením tlaku na soubor.
[1]
4.5. Fixace lepených spojů tlakem Důležitou operací před vyvozením tlaku na spoj je zatížení (fixace) vzájemné polohy lepených dílců. Je nutné z toho důvodu, že mnoho lepidel v prvé fázi tuhnutí nejprve řídne, takže dílce nezajištěné proti posunu mohou snadno změnit polohu, zejména nejsou-li stykové plochy naprosto souběžné. K nežádoucímu posunu dílců může také dojít až po zavedení tlaku nebo po zvýšení teploty. Proti posunutí se spoj zajišťuje například vložením do přizpůsobeného přípravku, utažením mezi svorníky, zachycením lepící páskou či podepřením. Správně zvoleným tlakem lze dosáhnout stejnoměrného rozvrstvení lepidla ve spáře. Dalším účelem zatížení spoje je sledování hladiny lepidla mezi oběma lepenými povrchy, pokud lepidlo ve spáře neztuhne. Tlak musí zásadně působit kolmo na lepené plochy. Je třeba pracovat tak, aby nebylo lepidlo tlakem ze spáry zcela vytlačeno. Mírné krůpějovité přetékání po celém obvodu spáry je při správném nánosu znamením toho, že lepidlo bylo po celé ploše rozvrstveno stejnoměrně.
[1]
26
4.6. Urychlení tuhnutí lepidla ve spoji Při lepení za normální teploty je třeba sledovat spodní teplotní hranici, protože při nižších než doporučených teplotách rozpouštědlová lepidla jen pomalu vysychají a u reaktivních lepidel se zpomaluje až zastavuje vytvrzování. Urychlit vytvrzování lze přiblížením tepelného zdroje. Jde-li o lepení kovů je možné vyhřívat přímé okolí spoje nepříliš horkým svítivým plynovým plamenem. Teplo se k lepidlu musí přivádět pomalu a opatrně.
[1]
5.0. Lepidla 5.1. Přehled lepidel podle principu tuhnutí ve spoji Podle principu tuhnutí lze lepidla rozdělit na čtyři základní skupiny, přičemž některé skupiny ještě dělíme:
A) lepidla tuhnoucí vsáknutím a odpařením rozpouštědel ve spoji
1. rozpouštědlová lepidla roztoková; 2. rozpouštědlová lepidla dispersní.
B) lepidla reaktivní 1. lepidla tuhnoucí vlivem vlhkosti prostředí; 2. lepidla tuhnoucí kontaktem s kovy za nepřístupu vzdušného kyslíku (anaerobní); 3. lepidla tuhnoucí po přidání tvrdidel; 4. lepidla tuhnoucí zvýšenou teplotou.
C) lepidla tavná
D) lepidla stále lepivá, citlivá na tlak
27
A) Lepidla tuhnoucí vsáknutím a odpařením rozpouštědel ve spoji Nános těchto lepidel tuhne (vytváří film) vsáknutím a odpařením rozpouštědla. Základním předpokladem použití rozpouštědlových lepidel je poréznost a propustnost pro plyny alespoň u jednoho z lepených dílů. Tato lepidla dělíme na další dvě podskupiny:
1. Rozpouštědlová lepidla roztoková - Filmotvorná látka je rozpouštěna ve vhodném rozpouštědle (voda, líh, aceton a jiné). 2. Rozpouštědlová lepidla dispersní - Filmotvorná látka je velmi jemná disperse polymerů ve vodě. Po vsáknutí a odpaření vody dochází ke slinutí polymerních
částeček v souvislý film. K tomuto slinutí může dojít jen nad tzv. minimální filmotvornou teplotou, která se pro různé disperse liší. Minimální filmotvorná teplota dispersních lepidel bývá kolem 10 až 12 °C.
B) Lepidla reaktivní Mezi lepidla reaktivní patří většina bezrozpouštědlových lepidel. 1.
Lepidla tuhnoucí vlivem vlhkosti prostředí – V aplikační formě to jsou kapalné nebo pastovité monomery, které při kontaktu s vlhkostí, jež je přítomna na povrchu lepených materiálů, začínají polymerovat a mění se v plastickou hmotu (houževnatou a elastickou, podle druhu lepidla).
2. Lepidla tuhnoucí kontaktem s kovy za nepřístupu vzdušného kyslíku
(anaerobní) – V aplikační formě jsou to kapalné, nebo pastovité monomery, které po zamezení přístupu vzduchu do spoje začínají za katalytického působení kovových iontů polymerovat a mění se na houževnatou plastickou hmotu s vynikající adhezí ke kovům. 3. Lepidla tuhnoucí po přidání tvrdidel - Dvou i vícesložkové systémy na bázi epoxidových pryskyřic nebo polyuretanů. Jednotlivé komponenty jsou dodávány v samostatných obalech a před aplikací se složky v předepsaném poměru promíchají (homogenizují). Připravená konzistence má různě dlouhou dobu zpracovatelnosti, zpravidla od několika desítek sekund až po 2-4 hodiny (v závislosti na typu lepidla a teplotě prostředí).
28
4. Lepidla tuhnoucí zvýšenou teplotou – V aplikační formě jsou to kapalné nebo pastovité látky na bázi epoxidových, fenolických, močovinových nebo melaminových pryskyřic. Dodávají se v jednosložkové podobě (tvrdidlo v tzv. latentní formě je s pryskyřicí homogenizováno již při výrobě) nebo ve dvousložkové podobě s tzv. pololatentním tvrdidlem, které se s pryskyřicí homogenizuje před aplikací. Vzniklá kompozice má dobu zpracovatelnosti několik dní. Tato lepidla vytvrzují obvykle při teplotách 80 až 200°C. Používají se téměř výhradně v průmyslových aplikacích, v oblasti hobby mají malé využití a jsou i obtížně dostupná.
C) Lepidla tavná Za normální teploty jsou to pevné látky termoplastického charakteru. Dodávají se v granulované formě pro průmyslové aplikace, v oblasti hobby se s nimi setkáváme spíše v podobě tyčinek válcového tvaru. Ke zpracování se roztaví při teplotě 120 až 200°C do kapalné formy.Manipulační pevnosti spojů je dosaženo ihned po zaschnutí filmu lepidla ve spoji, obvykle během několika desítek sekund.
D) Lepidla stále lepivá, citlivá na tlak V aplikační formě se s nimi setkáváme výhradně v kombinaci s různými nosiči ve formě jednostranných nebo oboustranných samolepících pásek, jednostranných, nebo oboustranných samolepících fólií a samolepících tapet. Se stálým zlepšováním kvality vlastních lepidel a nosičů si technologie lepení pomocí oboustranných lepících pásek získává stále více příznivců, a to díky jednoduchosti aplikace, schopnosti překlenout nerovnost povrchů lepených dílů (zejména pěnové nosiče) a kompenzaci odlišných koeficientů teplotní roztažnosti lepených materiálů. U běžných typů samolepících pásek (určených pro aplikace v interiéru) bývá teplotní hranice použitelnosti obvykle 60 °C. Pro aplikace v interiérech automobilů jsou dnes k dispozici oboustranné lepící pásky a fólie s trvalou teplotní odolností 90, ale i 120°C.
29
Manipulační pevnosti spojů je dosaženo okamžitě po přitlačení dílů k sobě, konečné pevnosti se dosahuje v závislosti na typu pásky (fólie) a druhu podkladu, obvykle do 24 hodin. Doporučená teplota pro práci se samolepícími páskami je obvykle 15 až 30 °C. [2]
5.2. Lepidla vhodná k lepení kovů Při výběru lepidla pro lepení kovů musíme vycházet z toho, že jde o materiály zcela nepropustné. Z toho důvodu přicházejí v úvahu jen taková lepidla, tmely a metody lepení, která zaručují, že se v průběhu lepení neuvolní těkavé látky, které by snižovaly kohezi a adhezi filmu lepidla. Z toho důvodu nelze použít roztoková a dispersní rozpouštědlová lepidla. Výjimkou jsou kontaktní lepidla na bázi chloroprenového kaučuku, například ALKAPREN (Matadorfix Bratislava), CHEMOPRÉN (Henkel ČR) a další. Tato lepidla se nanesou na obě lepené plochy a nechají zaschnout, až jsou na dotek téměř nelepivá. Potom se lepené plochy přiloží k sobě a zatíží tlakem. Vysoká počáteční koheze filmu lepidla umožňuje poměrně pevné spojení pouhým přiložením ploch - tedy kontaktem. Odtud název kontaktní lepidla. Teplotní odolnost těchto lepidel je obvykle 50 až 70°C. Spoje (kov na kov) jsou náchylné na tečení, z toho vyplývá, že tato lepidla jsou vhodná k lepení krycích panelů, typových a ozdobných štítků atp. Ideální jsou pro lepení kůže, koženky nebo textilu na kov.
5.2.1. Lepidla kyanakrylátová Při lepení malých slícovaných povrchů lze použít kyanakrylátová vteřinová lepidla.Vytvrzení probíhá za běžné teploty působením vzdušné vlhkosti. Nejlepších výsledků se dosahuje na pracovištích s relativní vlhkostí vzduchu mezi 40-60% a při pokojové teplotě. Nižší relativní vlhkost vzduchu zpomaluje vytvrzení, vyšší relativní vlhkost vytvrzení urychluje, může však způsobit nižší pevnost spoje. Suchý vzduch pevnost spoje zpravidla neovlivní. Kyanakrylátová lepidla se nanášejí pouze na jeden z lepených povrchů. Doba otevřeného sestavení spoje je dostatečně dlouhá, zejména u gelových typů, můžeme proto věnovat nanášení lepidla dostatečnou péči. Doba uzavřeného spojení je krátká a nedává nám možnost lepenými díly pohybovat. Je tedy nutné vyzkoušet správnou polohu
30
spojovaných dílů ještě před nanesením lepidla. Vytvrzování kyanakrylátových lepidel probíhá na kovech výrazně pomaleji než na pryži nebo plastech. Manipulační pevnosti je dosaženo asi za 20 až 60 sekund. Po tuto dobu musí být lepený soubor dobře zafixován. Pokud by fixace nebyla dostatečná a lepené díly by se navzájem pohybovaly, narušily by se vznikající řetězce polymerů. Důsledkem takového narušení průběhu polymerace je malá spolehlivost a nízká pevnost lepeného spoje. Výhodou těchto lepidel je možnost lepení materiálů, které anaerobními lepidly lepit nelze (např. polyacetáty) nebo materiálů, ve kterých dochází po slepení anaerobními lepidly k vytvoření pnutí a tím ke snížení konečné pevnosti spoje (např. polykarbonáty, ABS). Lepidla s nízkou viskozitou (řídká)umožňují lepení do šíře spáry 0,1 mm (menší spára je lepší), gelové typy jsou schopné překlenout spáru do 0,2 mm. Teplotní odolnost je na kovech obvykle 80 až 100°C a bývá mírně rozdílná u různých značek lepidel a liší se i podle druhu kovu. V obchodní síti se běžně setkáme s řadou různých značek kyanakrylátových lepidel. Mezi nejznámější patří ALTECO SUPER GLUE firmy Alteco, BISON Super Glue Liquid a BISON Power Glue Gel firmy Bison, LOCTITE Super Attak nebo HENKEL Pattex od firmy Henkel, z domácích pak LEPOX Super Blesk.
5.2.2. Lepidla epoxidová Pokud potřebujeme lepit rozměrnější plochy, překlenout velkou spáru ve spoji, vyplnit nerovnosti vzniklé nedokonalým opracováním lepených dílů a přitom získat pevné a stabilní spoje odolné povětrnostním vlivům, pak použijeme dvousložková epoxidová lepidla. Je to skupina lepidel značně rozšířena pro řadu svých předností. Mají velmi dobrou adhezi ke kovům i k mnoha jiným materiálům, mají dobrou chemickou odolnost, malou smrštitelnost a při jejich používání není potřeba zvláštních tlaků, protože při vytvrzování nevylučují žádné plynné látky. K vytvrzování u některých druhů postačuje normální pokojová teplota, některé druhy se vytvrzují za vyšších teplot, obvykle však tato teplota nepřesahuje 200°C. Nevýhodou těchto lepidel je jejich zdlouhavá příprava náročná na přesné a dokonalé smísení obou složek (pryskyřice a tvrdidla) a nemožnost lepení některých materiálů.
31
K lepení kovů jsou vhodné systémy neplněné i plněné. Pro montážní lepení menších ploch nebo pro opravy si můžeme vybrat z řady rychlých systémů, které dosahují manipulační pevnosti za 2 až 10 minut. Rychlé systémy jsou většinou neplněné. Standardně vytvrzujících systémů je na trhu celá řada typů, neplněné i plněné práškovými plnivy (tzv. tekutý kov). Doba zpracovatelnosti připravené kompozice se liší u jednotlivých typů lepidel, obvykle bývá 30 minut až 3 hodiny. Manipulační pevnosti je dosaženo asi po 1 až 5 hodinách. Lze přibližně říci, že doba potřebná k dosažení manipulační pevnosti spoje je asi dvojnásobkem doby zpracovatelnosti připravené kompozice. Některé typy tekutých kovů je možné již po 5 až 6 hodinách mechanicky opracovávat, pilovat , vrtat, soustružit, frézovat. U kovových konstrukcí je nutné dodržet minimální velikost spáry. Neplněné systémy připouštějí minimální šířku spáry 0,1 mm, plněné systémy 0,2 až 0,3 mm. Abychom minimální velikost spáry dodrželi, je dobré použít distanční drátky. Při výběru epoxidového lepidla k lepení kovů je pro nás důležitý údaj o pevnosti. Pevnost lepidel určených pro domácí použití bývá kolem 15 MPa (15 N/mm2). Lepidla s pevností 20 MPa a více bývají označována jako vysokopevnostní. Zpravidla se udává pevnost ve smyku při zatěžování v tahu. S těmito hodnotami pevnosti je možné počítat u oceli a chemicky upravených hliníkových slitin. Výrazně nižších pevností dosahují epoxidová lepidla na mědi a jejích slitinách a na žárově nanášeném zinku (např. pozinkovaný plech). Při práci s posledním jmenovaným materiálem je možné uvažovat s maximálně 20% udávané pevnosti. Obecně se dá říci, že čím vyšší je odolnost kovu vůči korozi, tím menších pevností lze s epoxidovými lepidly dosáhnout. Výjimkou je hliník a jeho slitiny. Bez chemické úpravy povrchu je téměř nelze lepit. Po dobře provedené mechanické a chemické úpravě povrchu jsou dosahované pevnosti spojů velmi dobré. Teplotní odolnost epoxidových lepidel je od –50°C do 80 až 150°C. Při použití neplněných systémů může nastat pokles pevnosti již od 60 až 70°C, plněné systémy jsou v tomto směru lepší. Epoxidových lepidel je v maloobchodní síti značně široká nabídka. Z domácích výrobků jsou nejznámější ChS EPOXY 1200 a UNILEX firmy SINDAT Plzeň, LEPOX Universál, LEPOX Universál 11, LEPOX Tempo, LEPOX Metal a LEPOX Thermotmel od firmy LACHEMA Neratovice.
32
Z dovozových jsou to například BISON Epoxy – Super Strong, BISON Epoxy – Rapid, BISON Epoxy – Metal firmy Bison, ALTECO 3 – TON EPOXY, ALTECO 3 TON QUCK EPOXY, ALTECO 3 – TON CLEAR, ALTECO 3 – TON PLASTIC STEEL EPOXY firmy Alteco, UHU plus 2 min epoxy, UHU plus 5 min epoxy, UHU plus 300 kg epoxy firmy UHU, LOCTITE Fast Epoxy a další.
5.2.3. Lepidla polyuretanová Polyuretanová lepidla mají výbornou adhezi ke kovům, jsou odolná proti povětrnostním vlivům, vodě i mořské, chemikáliím a ropným produktům. Vytvrzují se vzdušnou vlhkostí při teplotách kolem 20°C a lze je používat jak na spoje vystavené nízkým teplotám (až - 180 °C), tak i na spoje pracující za vyšších teplot (do 140°C). Jejich nevýhodou při skladování je citlivost na vzdušnou vlhkost, takže musí být skladovány v hermetických obalech a po otevření ihned zpracovány. Nebývají tak citlivá na dodržení předepsaného směšovacího poměru jako lepidla epoxidová. Pevnosti se pohybují kolem 15 MPa. Lepidla této skupiny se používají na lepení různorodých materiálů pro vytváření pevnostně méně zatížených spojů. V maloobchodní síti se nejčastěji můžeme setkat s dvousložkovými polyuretanovými lepidly firmy Bison – BISON Power Adhesive, BISON Polyurethane Adhesive.
5.2.4. Lepidla akrylátová anaerobní Lepidla tohoto druhu jsou určena výhradně k lepení kovů. Vytvrzují po zamezení přístupu vzduchu do spoje za katalytického působení kovových iontů. Pokud chceme lepit ke kovu nekovové díly, je nutné použít na nekovový díl aktivátor, který je zdrojem kovových iontů. Anaerobní lepidla a těsnící tmely jsou většinou jednosložkové, nízkoviskózní až pastovité kapaliny. Nanášejí se pouze na jeden z lepených povrchů. Důležitým údajem kromě pevnosti je maximální velikost spáry, kterou je lepidlo schopné překlenout, a minimální šířka lepených ploch. Minimální šířka lepených ploch bývá asi 2,5 až 3 mm a je nutná k zamezení přístupu vzduchu do spoje. Při překročení maximální velikosti spáry lepidlo buď vůbec nevytvrdne, nebo vytvrdne jen částečně, a proto nedosáhne deklarovaných pevností.
33
Doba otevřeného sestavení spoje je dlouhá, lepidlo začíná vytvrzovat až po uzavření spoje. Důležitá je dobrá fixace lepeného souboru. Pokud by fixace nebyla dostatečná a lepené díly by se navzájem pohybovaly, narušily by se vznikající řetězce polymerů. Důsledkem narušení průběhu polymerace je malá spolehlivost a nízká pevnost lepeného spoje. Vytvrzené lepidlo má charakter houževnaté plastické hmoty s vynikající adhezí ke kovům, teplotní odolnost je od –60°C do 120 až 200°C. Dobře odolává působení vody, benzínu, motorové nafty a olejům. Vynikajícím způsobem odolává vibracím. Rychlost vytvrzování je závislá na velikosti spáry a na druhu lepeného kovu. Z hlediska vytvrzování anaerobních lepidel rozdělujeme kovy na aktivní a neaktivní. Mezi aktivní patří konstrukční ocel, měď a jiné slitiny, menší aktivitu mají nerezavějící oceli a slitiny hliníku, neaktivní jsou galvanicky pokovené povrchy. Manipulační pevnosti dosahují spoje po několika minutách až desítkách minut, konečné pevnosti je dosaženo po 6 až 12 hodinách. Anaerobní tmely mají vysokou kapilární vzlínavost, která umožňuje vyplnění i nejmenších spár a nerovností povrchu vzniklých opracováním. Dokonce je lze použít i k lepení lisovaných spojení, použití lepidla v tomto případě zamezuje vzniku mezikrystalické koroze a snižuje nebezpečí únavových lomů nalisovaných dílů. Hlavní oblastí použití anaerobních lepidel a tmelů je zajišťování šroubových spojení proti vibracím (a současně proti vlivům koroze), těsnění závitových spojů, upevňování ložisek na hřídele i do otvorů, těsnění dělících rovin převodových skříní aj. Samozřejmě je možné použít tato lepidla k lepení kovových konstrukcí, zejména tam, kde se dají použít nátrubkové nebo hrdlové spoje. Anaerobní lepidla mají jednu velikou přednost ve srovnání s jinými druhy lepidel. Tou je necitlivost na kvalitu odmaštění lepeného povrchu. Pokud potřebujeme dosáhnout maximální pevnosti spoje, pak musí být povrch dobře odmaštěn. Pro některé aplikace, například těsnění dělících rovin, však nevadí ani slabé znečištění olejem. Další přednost oceníme při lepení hliníku a jeho slitin, není třeba chemická úprava povrchu lepených dílů. Akrylátová anaerobní lepidla se dodávají v několika pevnostních kategoriích, asi od 5 do 40 MPa, a v několika viskózních třídách od kapilárních typů s maximální šířkou spáry do 0,08 mm do tixotropních pastovitých typů s maximální šířkou spáry 0,5 mm.
34
Dříve byla anaerobní lepidla v maloobchodní síti nedostupná, nyní jsou běžně dostupná lepidla BISON Lock Bond, UHU Schraubensicher, LOCTITE 243, LOCTITE 603, LOCTITE 577, řada typů WEICON (prodává řada prodejců, ale především k průmyslovému využití) nebo řada typů OmniFIT, které na dobírku prodává LACHEMA Neratovice.
5.2.5. Lepidla stále lepivá Tento typ má v aplikační podobě formu oboustranných lepících fólií nebo pásek. Stále větší oblibu si získávají pro svou aplikační jednoduchost, schopnost překlenout nerovnosti povrchů lepených dílů (zejména u pěnových typů) a kompenzovat odlišné koeficienty teplotní roztažnosti lepených materiálů. Lze jimi lepit díly povrchově upravené galvanickým pokovením nebo nátěrovými hmotami. Dobře odolávají vibracím a výrazně přispívají k jejich tlumení. Teplotní odolnost samolepících pásek je standardně 60°C, lze však běžně koupit i typy s teplotní odolností 90 až 120°C. Manipulační pevnosti spojů je dosaženo okamžitě po přitlačení dílů k sobě. Konečné pevnosti se dosahuje, v závislosti na typu pásky (fólie) a druhu podkladu, obvykle do 24 hodin. Doporučená teplota pro práci se samolepícími páskami je od 15 do 30°C. Hlavní oblastí použití je lepení krycích panelů a plášťů, lepení kabelových žlabů a úchytek, schránek na dokumentaci a různých označovacích štítků. Na trhu jsou běžně k dispozici oboustranné lepící fólie a pásky PROMI (PROMI Praha), TESA (Beiersdorf, spol. s.r.o.) a BISON : BISON Car Tape a BISON Duple fix. [2] [7]
6.0. Cíl práce Cílem zadané bakalářské práce bylo zpracovat teoretické základy lepení kovů.
Řešení konstrukce lepených spojů. Dále zpracovat přehled lepidel pro lepení kovů. Ověřit metodiku testování lepených kovových spojů.
35
7.0. Zkouška pevnosti v tahu 7.1. Vybrané lepidlo ke zkoušce Loctite 3430 Použité lepidlo Loctite 3430 je pětiminutové dvousložkové epoxidové lepidlo vhodné pro lepení různých materiálů včetně kovů, keramiky, skla a většiny plastů. Lepidlo má střední viskozitu, je průzračné a houževnaté. Výrobce doporučuje velikost spáry (vrstva lepidla) 0,05 mm, maximální velikost spáry je do 3 mm. Loctite 3430 má výborné vlastnosti při lepení oceli, nerezové oceli, hliníku, mědi, mosazi a skla. Dobře také lepí termoplasty, termosety, laminát, kompozity, pryže, keramiku a zdivo.
7.2. Metodika zkoušek Zkoušení vybraného lepidla na vzorcích rozdělených do vybraných kroků:
•
výroba vzorků ze zvoleného materiálu (ocel) v požadovaných rozměrech podle normy
ČSN EN 1465; •
zdrsnění povrchu před lepením brusnými prostředky určité zrnitosti;
•
zjištění drsnosti povrchu vzorků;
•
čištění a odmaštění vzorků v rozpouštědle;
•
stanovení vhodné tloušťky lepidla pomocí vymezovacích drátků;
•
příprava vhodné konzistence lepidla správným promícháním složek;
•
správné nanesení vrstvy lepidla;
•
vytvoření zkušebního tělesa upnutím dvou vzorků do přípravku k lepení vzorků;
•
vytvrzení lepidla;
•
namáhání vzorků v tahu do okamžiku jejich přetržení na měřícím stroji;
•
vyhodnocení výsledků zkoušek a stanovení závěrů.
36
7.2.1. Výroba a příprava vzorků Na výrobu vzorků byl zvolen velmi rozšířený konstrukční materiál, a to ocel třídy 11. Tento materiál ve formě ploten byl nastříhán pomocí pákových nůžek na rozměry, které udává norma ČSN EN 1465. Materiál byl nastříhán na rozměry: 100±0,25 x 25 ± 0,25 x 1,6±0,1 mm. Délka přeplátování jednotlivých částí vzorku je potom: 12,5 ± 0,25 mm. Tvar a rozměry přeplátovaných vzorků jsou uvedeny v normě. Vzorek byl po odstřižení srovnán a pilníkem byly zarovnány případné otřepy.
7.2.2. Úprava a měření drsnosti povrchu vzorků Úprava povrchu vzorků před lepením patří k důležitým krokům zajišťujícím dosažení optimální pevnosti lepeného spoje. Touto úpravou dojde k odstranění nevhodných povrchových vrstev a nečistot. Pro úpravu povrchu vzorků byl zvolen nejprve drátěný kotouč, který byl upnut do sklíčidla elektrické vrtačky a poté ještě brusný kotouč o zrnitosti 180 (červené barvy). Při broušení vzorků je také důležité dodržet správný směr vytvořených nerovností na povrchu. Pro broušení byl zvolen směr podélný (směr působení síly) a příčný (kolmý na směr působení síly). Plocha, která má být obroušená je dána délkou přeplátování dvou vzorků. Vzorky byly broušeny v dvojnásobné délce než délka přeplátování. Dalším krokem procesu přípravy vzorků bylo zjištění drsnosti povrchu vzorků. Pro měření drsnosti povrchu bylo použito dotykové měřidlo Mytutoyo. Měřenou veličinou byla střední aritmetická úchylka profilu – Ra. Z brusných materiálů byl vybrán již zmiňovaný drátěný kotouč a kotouč z brusných pláten o zrnitosti 180. Pro přesnější vyhodnocení měřeného povrchu se měřili dvě různá místa na povrchu vzorku. Na základě měření se potom k sobě přiřadily vzorky s drsností povrchu stejnou nebo sobě blízkou. Stručný přehled naměřených drsností povrchu vzorků je uveden v (Tab. č. 1).
37
Tab č. 1. Brusné nástroje Drsnost povrchu Ra [µ µm]
Brusný nástroj
od
do
drátěný kotouč
1,88
2,91
brusný kotouč (180)
0,78
1,47
7.2.3. Odmaštění vzorků v rozpouštědle Povrch
obroušené
části
vzorku
byl
vždy
těsně
před
slepením
očištěn
v perchloretylenu.
7.2.4. Stanovení tloušťky vrstvy lepidla Optimální doporučovaná tloušťka lepené vrstvy při použití epoxidového lepidla je v rozmezí od 0,05 mm do 0,4 mm. Výrobce lepidla Loctite udává v technické dokumentaci nejnižší hodnotu tloušťky vrstvy lepidla 0,05 mm. Horní hranice tloušťky je potom 3 mm. Na základě těchto poznatků byla stanovena tloušťka vrstvy lepidla pro toto experimentální měření 0,2 mm. K dosažení rovnoměrné tloušťky vrstvy lepidla byly použity distanční drátky.
7.2.5. Lepení vzorků Po důkladném odmaštění jednotlivých vzorků následovalo vytvoření zkušebního tělesa (slepením dvou vzorků k sobě). Lepidlo bylo připraveno důkladným promícháním obou složek lepidla v předepsaném směšovacím poměru 1:1 objemových jednotek. Poté se lepidlo stěrkou rovnoměrně naneslo na povrch vzorku a byly vloženy distanční drátky. Vzorky se vložily do přípravku k lepení vzorků a pevně se zafixovaly dotažením matic. V přípravku se vzorky ponechaly po dobu jedné hodiny a k úplnému vytvrzení lepidla došlo po 24 hodinách při pokojové teplotě.
38
7.3. Zkoušení vzorků Zkoušení dle ČSN EN 1465 spočívá v namáhání jednoduše přeplátovaných slepených vzorků tahovou silou do jejich porušení. Pevnost lepeného spoje se stanoví smykovým namáháním jednoduchého přeplátovaného spoje mezi tuhými adherendy, které jsou namáhány tahovou silou, působící rovnoběžně s plochou slepu a hlavní osou vzorku. Napětí nebo deformace lepeného spoje musí vzrůstat konstantní rychlostí. Výsledkem zkoušky je naměřená nejvyšší síla nebo napětí při porušení spoje. Vyjadřuje se v N nebo jako napětí v MPa.
7.4. Zkušební zařízení Vzorky byly namáhány na univerzálním trhacím stroji Zwick 050.
Stručná charakteristika trhacího stroje Zwick 050:
•
Maximální síla: 55 kN (5,5 t).
•
Rychlost posunu: 0,5 – 500 mm/min.
•
Třída přesnosti: 0,5 %.
Zkušební těleso (vzorek) se připevnilo symetricky do samosvorných čelistí, v programu testXpert se nastavily potřebné parametry a spustilo se vlastní zatěžování vzorku. Napětí nebo deformace lepeného spoje tedy vzrůstá při konstantní (tj. stálé) rychlosti. Po porušení lepeného spoje se zaznamená nejvyšší síla a program vyhodnotí celkový průběh.
39
8.0. Vyhodnocení výsledků měření V této části práce jsou shrnuty výsledky jednotlivých měření prováděných na vzorcích (zkušebních tělesech). Na základě naměřených hodnot byl sestaven graf. Výsledky zkoušek se vyjádří jako aritmetický průměr, směrodatná odchylka a variační koeficient síly při přetržení ze všech platných vzorků v [N]. Aritmetický průměr (x) je průměrná hodnota z daného celku a vypočítá se z rovnice č. 1.
x=
∑ (x )
kde:
i
[jednotka souboru]
n
(1)
- aritmetický průměr;
x
∑ (x ) - sumace všech členů souboru; i
n
- počet členů souboru.
Směrodatná odchylka druhá odmocnina rozptylu. Její rozměr odpovídá rozptylu. Její rozměr odpovídá rozměru dat, je vždy větší než průměrná absolutní odchylka od aritmetického průměru. Nelze stanovit směrodatnou odchylku součtu ani rozložit společnou směrodatnou odchylku na složky. Vypočítá se z rovnice č. 2.
s x = s 2x
kde:
(2)
sx
- směrodatná odchylka
s 2x
- rozptyl
Variační koeficient srovnává variabilitu více souborů o stejné obecné úrovni. Eliminuje vliv měrné jednotky a vliv velikosti hodnot. Vypočítá se z rovnice č. 3.
vx =
sx × 100[%] x
(3)
40
kde:
vx
- variační koeficient;
sx
- směrodatná odchylka;
x
- aritmetický průměr.
Po porušení vzorku na trhacím stroji byl vždy pořízen fotografický snímek porušeného spoje (obr 12).
Při měření se zaznamenává:
Fmax – maximální síla při přetržení [N]. ε - posunutí při maximální síle [mm].
Obr 12. Vzorek po zkoušce na trhacím stroji
41
4500 4000 3500 1 vzorek 2 vzorek
3000 Síla [N]
3 vzorek 4 vzorek
2500
5 vzorek 6 vzorek
2000
7 vzorek 8 vzorek
1500
9 vzorek 10 vzorek
1000 500 0 0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
Posunutí [mm]
Graf č. 1. Výsledky trhací zkoušky
Tab č. 2. Naměřené hodnoty při zkoušce Tab č. 3. Statistické vyjádření měřených hodnot Tab. č.2. Vzorek 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tab. č.3. Fmax [N] 2439,94 2336,63 1770,72 2710,49 2674,42 2573,99 2865,42 2633,20 4157,39 2107,91
ε [mm] 4,46 2,88 2,89 3,44 3,38 3,65 3,58 3,67 4,98 3,55
Pevnost [Mpa] 7,81 7,48 5,67 8,67 8,56 8,24 9,17 8,43 13,30 6,75
sx Min. Max.
Fmax [N] 2627,01 626,54 1770,72 4157,39
ε [mm] 3,65 0,64 2,88 4,98
Pevnost [Mpa] 8,41 2,00 5,67 13,30
νx
[%] 23,85
[%] 17,64
[%] 23,85
n = 10 x
42
9.0. Závěr Tato práce se zabývá teorií lepení kovů. Obsahuje přehled lepidel včetně konkrétních výrobců, jak tuzemských, tak zahraničních na našem trhu. Dále se zabývá metodikou zkoušení pevnosti lepených kovových spojů v souladu s normou ČSN EN 1465. Experimentální testování bylo provedeno na lepidle Loctite 3430. Byly vyhodnoceny hodnoty Fmax – maximální síla při přetržení [N] a ε - posunutí při maximální síle [mm]. Z naměřených hodnot (Fmax ; ε) byla vypočtena pevnost [MPa]. Měření bylo provedeno na deseti vzorcích. Měření však ukázalo velký rozdíl mezi jednotlivými vzorky. V případné další práci je třeba se zaměřit na kvalitu spojů a lepení, aby se snížil rozdíl mezi jednotlivými vzorky.
43
10.0. Seznam použité literatury 1. OSTEN, M.: Práce s lepidly a tmely. vyd. 3. Praha: Grada, 1996. 136 s. ISBN 80-7169-338-3.
[1]
2. POKORNÝ, J.: Lepení a tmelení v dílně a domácnosti. vyd. 1. Praha: Grada, 2000. 104 s. ISBN 80-7169-857-1 [2] 3. POŠTA, J.: Technologie údržby a oprav strojů. Praha: Česká zemědělská univerzita v Praze, 1995. vyd. 1. 193 s. ISBN 80-213-0248-8.
[3]
4. SIDORIN, E. ŠTULÍK.: V. Rozvoj techniky lepených spojů. Praha: SIVO, 1983. 65 s. ústředí vědeckých technických a ekonomických informací. [4] 5. ŠKEŘÍK, J.: Lepíme, tmelíme, lakujeme. vyd. 1.Praha: Albatros, 1984. 335 s. ISBN 13-765-84.
[5]
6. ZÁHORSKÝ, B.: Opravy součástí lepením. 1965. 45 s. Vojenská akademie Antonína Zápotockého. 7. Firemní literatura a katalogy.
[6] [7]
