TECHNOLOGIE LEPENÍ V AUTOMOBILOVÉM PRŮMYSLU Základy technologie lepení V současnosti se technologie lepení stala jednou ze základních technologií spojování kovů, plastů i kombinovaných systémů materiálů téměř ve všech průmyslových odvětvích. Oproti ostatním technologiím není pří technologii lepení téměř nikdy (mimo chemické účinky) ovlivněn základní materiál lepeného spoje( oproti, svarům, vrubům , obrábění apod) Důležité parametry technologie lepení jsou efektivnost a ekonomičnost. To se projevuje především v automobilovém a leteckém průmyslu. Základní úlohou konstruktéra v oblasti technologie lepení, je volba vhodného typu lepidla pro spojení daného materiálu, nebo naopak pro určitý typ lepidla nalézt vhodný druh aplikace. Ve většině případů se jedná o úlohu obecnou, kdy je nutné nalézt vhodné lepidlo současně s vhodnou aplikací.(zejména typ a úprava lepeného podkladu). ¨Současně s tímto je nutné nalézt, resp. zohlednit všechny další aspekty této technologie.(úprava povrchů, procesy aplikace, způsob nanášení, chování lepidla během procesu lepení apod.) Celková pevnost lepeného spoje je závislá především na dvou nejdůležitějších činitelích: adhezi a kohezi. Adheze: (přilnavost). Vzájemné přitahování dvou povrchů adhezními silami. Adheze souvisí s molekulovou strukturou lepidla. Je výsledkem působení fyzikálních sil, mezimolekulárních a chemických vazeb. Koheze: (někdy též vnitřní adheze) je tzv. soudržnost. Charakterizuje stav látky (lepidla), ve kterém drží její částice působením mezimolekulárních a valenčních sil pohromadě. Velikost koheze udává tzv. kohezní energie, což je velikost energie potřebná k odtržení jedné částečky od ostatních. Podmínkami pro vytvoření kvalitního lepeného spoje se všemi jeho kladnými vlastnostmi jsou především vhodná konstrukce spoje, vhodná kombinace lepený materiálpoužité lepidlo a dodržení technologického postupu výroby lepeného spoje. Vlastní technologie lepení, postup: Vlastní postup výroby lepeného spoje má čtyři základní fáze, jimiž jsou: a) b) c) d)
příprava spojovaného materiálu (adherendu) na lepení příprava lepidla Nanášení lepidla montáž spoje
a) Příprava spojovaného materiálu (adherendu) na lepení
Rozhodující je smáčivost adherendu lepidlem. Cílem všech úprav slepovaných povrchů je maximálně zvýšit smáčivost povrchu lepidlem. Mezi základní úpravy povrchů před lepením patří fyzikální (obr. broušení, tryskání, kartáčování apod.), a chemické(odmašťování v lázních, tampónem, moření, fosfatizace apod.) metody. b) Příprava lepidla
způsob přípravy lepidla závisí na čtyřech základních faktorech: Ø druhu lepidla – chem. struktura. počet složek apod. Ø stavu lepidla po uskladnění – doba životnosti Ø způsobu nanášení – velikost a tvar lepených součástí (povrchů) Ø způsobu vytvrzování – teplota a tlak vytvrzování, zplodiny... 1
c) Nanášení lepidla
Nanášení lepidla je určitá mezifáze, která odděluje přípravné operace od vlastního vytvoření lepeného spoje. Cílem nanášení lepidla je vytvoření souvislé a rovnoměrné vrstvy lepidla určité tloušťky. Ve většině případů se lepidlo nanáší na obě lepené půlky. e) montáž spoje, vytvoření pevného spoje
Lepené díly se pomocí vhodných přípravků zafixují pod předepsaným tlakem k sobě a vytvoří se fyzikální a chemické podmínky pro vznik pevných vazeb, dokud nedojde k vytvoření adhezního spojení. (odpaření, vytvrzení, polymerace apod.) Základy teorie lepení Teorie lepení(adhezní spojování dílů) se opírá o vztahy molekul a jejich vzájemného působení. Podle nejnovějších zjištění je sem třeba přiřadit i vztahy vyplívající z nadmolekulární struktury. S molekulovou strukturou souvisí adheze. Při tom se budou dále uplatňovat fyzikální síly, chemické vazby a mezimolekulární síly. V současné době se nejčastěji citují následující teorie adheze: Ø molekulová teorie Ø elektrostastická teorie Ø mechanická teorie Ø difůzní teorie Ø chemická teorie
1. Molekulová teorie (adsorpční) - dnes nejvíce přijímaná adsorpční teorie adheze vychází z analogie jevu smáčení, adsorpce a adheze. Základem adheze je vzájemné působení molekul adherendu a lepidla (adheziva), proto je nevyhnutelné aby oba druhy molekul měly polární funkční skupiny schopné vzájemného působení. Proces vzniku adhezního spoje lze rozdělit na dvě stadia: 1. - transport molekul adheziva k povrchu adherendu; 2. - vzájemné působení mezimolekulárních sil (van der Waalsovy) po přiblížení molekul adheziva na vzdálenost menší než 0,5 nm. To trvá až do dosažení adsorpční rovnováhy. Za předpokladu dostatečného kontaktu (na molekulární úrovni) adherendu a adheziva postačují van der Walsovy síly vzhledem je své vysoké četnosti k dobré pevnosti adhezního spojení. Příčina malé pevnosti adhezního spoje je spatřována především v omezeném kontaktu adherendu a adheziva, a proto úzce souvisí s dokonalostí smáčení povrchu adherendu adhezivem. 2. Elektrostatická teorie - tato teorie předpokládá dvojitou vrstvu vytvořenou dotykem dvou rozličných substancí ve spoji jako základ pro vznik adheze. Podle toho je spoj kondenzátorem, kterého rozdílně nabité desky se přitahují. Jakmile je oddělíme, vzniklý potenciálový rozdíl se musí vybít nebo vyzářit jako elektronová emise. Při podrobnějších studiích však nebyla prokázána korelace mezi velikostí povrchového elektrostatického náboje a pevností odpovídajících adhezních spojení. 3. Mechanická teorie - tato teorie vychází z představy, že po proniknutí kapalného adheziva do trhlin a kavit lepeného povrchu, dojde po zatuhnutí adheziva k jeho „zaklínění“ v povrchu adherendu. Mechanické teorie adheze jsou dnes užívány sporadicky jen ve specifických případech, jako je např. adheze pryžových směsí k textilním vláknům či výroba překližek. 4. Difuzní teorie - podle této teorie pevnost spoje vzniká vzájemnou difuzí polymerů (nebo jiných materiálů) napříč rozhraním. Základem tohoto tvrzení je skutečnost, že některé látky (např. polymery) mohou navzájem difundovat a průběh této difuze, který závisí především na čase, teplotě, viskozitě, komapatibilitě adherendu a adheziva, relativní molekulové hmotnosti polymerů, ovlivňuje pevnost spoje. Tato teorie však nevysvětluje možnost spojení materiálů, které vzájemně nedifundují, ale úspěšně se lepí (např. kov-sklo). 2
5. Chemická teorie - pro získání pevného spoje, který nebude vykazovat adhezivní ale kohezní lom je podle této teorie potřebné, aby materiály, které se mají navzájem spojit, reagovaly vytvořením primárních chemických (kovalentních) vazeb napříč rozhraním. Takovéto vazby sice někdy vznikají, všeobecně však lepení probíhá v termodynamických podmínkách, které vznik chemických vazeb neumožňují. Pokud by tyto vazby vznikly nelze jednoznačně tvrdit, že zvyšují pevnost spoje, neboť snahy zavést do adheziv či adherendů reakceschopné funkční skupiny často nevedly ke zlepšení vlastností adhezního spoje.
Rozdělení lepidel V technické praxi se lepidla rozdělují podle několika hledisek. Nejobecnějším základem pro rozdělení lepidel je jejich chemické složení. Podle původu základní složky se dělí lepidla na přírodní a syntetická. Přírodní se dělí nejčastěji na organická (živ. nebo rostl. původ),(škrob, živ. klihy apod) a anorganická (vodní sklo sádra cement....). Syntetická dále na lepidla na bázi reaktoplastů, termoplastická, elastomerová(kaučukovitá) a směsná. Podle fyzikálního charakteru na lepidla pevná, polopevná a tekutá. Tekutá se dělí dále na roztoková, disperzní, pasty a pěny. Dále je možné u reaktivních lepidel využít pro rozdělení typ reakce, který je potřebný pro vytvrzení lepidla.
Konstrukční lepené spoje karoserie Lepené konstrukční spoje se v automobilovém průmyslu uplatňují v řadě variant jak z hlediska konstrukčního provedení, tak i z hlediska funkčního namáhání. Předpokladem pro dobrou pevnost a dostatečnou únosnost lepeného spoje je především vhodná konstrukce spoje. Lepené spoje jsou charakteristické velmi dobrou pevností ve smyku, pevnost v tahu je již výrazně nižší. Ještě horší je pevnost spoje při odlupování. Proto zásady vhodného užití lepeného spoje vycházejí jednak z charakteru použitého lepidla a také požadavku co nejvíce redukovat namáhání v tahu a odlupování. Pokud nelze tyto faktory dostatečně omezit a je-li třeba zvýšit spolehlivost spoje, kombinuje se lepení s ostatními technikami spojování. V mnoha případech jsou lepené spoje využívány v kombinaci s bodovým svařováním (např. lemy dveří. Tenké karosářské plechy se nejčastěji spojují technologií odporového (především bodového, švového či výstupkového) svařování. Povrchy plechů se často pro zvýšení odolnosti proti korozi opatřují zejména elektrolyticky nebo žárově nanášenými povlaky na bázi Zn, což do této technologie vnáší specifické problémy. Mezi ně patří spojování plechů různých tloušťek a jakostí, další nepříjemnosti způsobuje právě povrchová vrstva zinku (ulpívání Zn na elektrodách, problematické zachování ochranné funkce povlaku v místě spoje aj.). Ve srovnání se současně používaným svařováním (odporové bodování karoserie) se dosáhne technikou lepení těchto výhod: Ø úspora hmotnosti snížením tloušťky plechu v důsledku využití plošších a tím zlepšených materiálů Ø umožnění nového montážního postupu Ø ochrana proti korozi a tlumení spojovací vrstvou Ø žádné poškození ochranné vrstvy pozinkovaných plechů Ø plošné uchycení plechů zajišťuje karoserii větší pevnost a tuhost Ø povrch spojovaných míst je zcela hladký, odpadají nákladné operace začišťování Ø spoje jsou těsné, není třeba utěsňovat dodatečně, což platí i pro palivové nádrže Ø vrstva lepidla je elektroizolant, při styku různých kovů nemůže dojít k elektrolytické korozi
3
Ø výrazné snížení hlučnosti v karoserii (mezi spojovanými plechy nedochází k hlučnému klepání a skřípání) Ø vysoká kvalita vzhledu povrchu spojovaných dílů v místě spoje
S použitím techniky lepení v konstrukci karoserie vozů je spojena rovněž celá řada požadavků. Na jedné straně musí být splněny požadavky konstrukce, na druhé straně je třeba zohlednit výhody výroby a rámcové podmínky použití budoucího automobilu. Nejdůležitější výrobní požadavky kladená na lepidla jsou: Ø podmínky zdraví - Obecným podkladem pro hodnocení lepidel je předpis o nebezpečných látkách Ø automatické zpracování v krátkých časových taktech Ø přilnavost k naolejovanému povrchu - naolejování je v průměru 2-4 g/m2 Ø přilnavost k různým druhům plechů - povrchově upravené plechy Ø lepidlo musí být přelakovatelné Ø Nejdůležitější konstrukční požadavky kladená na lepidla: Ø mechanické vlastnosti lepidel - modul pružnosti, maximální pevnost Ø malé smrštění během vytvrzování - způsobuje prokreslování housenky lepidla na povrchu karoserie Ø trvanlivost spoje vyšší než životnost vozu Ø provozní pevnost spoje - jízdní zkoušky Na karoserii a nástavné díly, jako jsou dveře a kapota jsou požadovány tyto vlastnosti: Ø všeobecně vysoká tuhost Ø dostatečná provozní pevnost Ø odolnost vůči nárazu Ø
Ve všech fázích výroby automobilu se používají lepidla, která plní funkci přenosu sil, těsnící funkci, funkci antikorozní ochrany nebo tlumení kmitů. Různé dílčí oblasti při výrobě automobilu se samonosnou celoocelovou karoserií mohou být následovně členěny: Svařovna sestavení kabiny a pláště, výroba a namontování dveří, kapot a ostatních dílů. Lakovna podtmelení výztuh. Montáž montáž předem vyrobených dílů, nebo stavebních skupin na nalakovanou karoserii. Výroba dílů - namontování jednotlivých dílů, nebo stavebních skupin výrobcem automobilu nebo dodavatelskou firmou. Lepené spoje se proto v automobilovém průmyslu uplatňují stále větší měrou. Dá se říci, že lepení zastává buď funkci doplňkovou a těsnicí (lepení a tmelení karosérií za účelem těsnění, tlumení chvění, antikorozní ochrany, aplikace výztuh) nebo může, ve specifických případech, celkově zastoupit technologii svařování v konstrukčních pevnostních spojích. Některé základní aplikace lepených spojů znázorňuje obr.2.
4
Obr. 2. Použití lepidel ve stavbě karoserie
Příklady aplikací lepidel a tmelů za účelem těsnění: Ø těsnění lemů a dalších dílů karoserií (blatníků, hrdla palivové nádrže, těsnění spoje krytu zadního kola a postranic apod.) Ø těsnění oken Ø zvuková izolace dveří aj. Nízkopevnostní lepené spoje: Ø spoj hrdla palivové nádrže se zadní postranicí a rámem dveří Ø lepení výztuh povrchových plechů (dveře, kapota aj.) Ø lepení střechy a výztuh střechy aj. Pevnostní lepené spoje (pevnost ve smyku nad 6 MPa): Ø lemy všech dveří Ø lemy kapoty aj.
Lepidla pro lepení karosérií automobilů Protože potřeba produktivity výroby je zvláště v automobilovém průmyslu velmi vysoká, není z tohoto důvodu výhodné před aplikací lepidla nebo svařováním při stavbě karoserie plech zvlášť odmašťovat a ani v praxi se tak nečiní. Okruh použitelných lepidel se tedy zužuje na lepidla, která jsou vůči mazivům málo citlivá a zajišťují dostatečnou adhezi i pevnost spoje navzdory určité tloušťce povrchové vrstvy maziva. Plechy dodávané z hutí jsou proti korozi chráněny konzervačním mazivem, které by mělo mít pro daný povrch i dobré technologické vlastnosti. Množství maziva se běžně se pohybuje v rozmezí 1 až 3 g.m-2. V některých případech je nutné před vlastním lisováním ke zlepšení tribologických vlastností na povrch plechu místně nanášet různá technologická maziva (dle technologické náročnosti a požadované kvality povrchu výlisku).
5
Výztuhová lepidla se vytvrzují v průběhu vytvrzování laku karoserie. Pro lemová lepidla se efektivně využívá rychlé částečné vytvrzení pomocí indukčního ohřevu v průběhu montáže a celkové vytvrzení lepidla je dokončeno při vytvrzování laku karoserie v peci. Charakter a složení lepidel používaných pro stavbu karoserií je velmi úzce spjat s požadovanou funkcí spoje. Takto lze lepidla rozdělit na lepidla pro účely těsnění, výztuhová a pevnostní. Báze lepidel a charakter lepeného spoje pro jednotlivé aplikace ukazuje tab.1. Tab.1. Báze lepidel, charakter lepeného spoje, aplikace Druh lepeného spoje
Příklady
drážkové přírubové lepení
kapota
např. epoxidové pryskyřice
výztuhové lepení
dveře, kapota
např. polyuretany, PVC, synt. kaučuky
lepení nosné struktury
sloupky, profily, přírubové švy hrdlo nádrže, utěsnění švu přední, zadní a pevné boční tabule
těsné lepení přímé zasklívání
Používaná lepidla
epoxidová pryskyřice
Požadované vlastnosti lepeného spoje pevnost, tuhost, chování při nárazu, ochrana před štěrbinovou korozí neohebnost torze, nesmí se deformovat vzhledový díl pevnost, tuhost, chování při nárazu
např. syntetické kaučuky, PVC
těsnost, odolnost vůči korozi
např. polyuretany
tuhost karoserie, těsnost nepropustnost
Technologie lepení nachází při hrubé stavbě karoserie stále širší uplatnění vzhledem k požadavkům na snižování hmotnosti karoserie (vede k úsporám pohonných hmot). Nižší energetická náročnost lepení, v porovnání se svařováním, je též faktorem pro zvyšování podílu lepených spojů ve stavbě karoserií automobilů.
Vyztužování karoserie kompozitními fóliemi Na základní materiál, tenký plech lze výhodně aplikovat kompozitní fólie u namáhaných míst vozu. Docílíme tím zlepšení pevnosti dílů při úspoře materiálů a hmotnosti. Kompozitní fólie se skládají z tkaniny ze skleněných vláken a samolepící vrstvy epoxidové pryskyřice , vyztužovací schopnost je závislá na tloušťce fólie, jak je vidět na obr. 3.
Obr. 3. Vliv tloušťky fólie na vyztužení plechu
6
Hodnocení kvality lepených spojů na TU v Liberci Vytváření lepených spojů použitých při konstrukci karoserie je v automobilovém průmyslu složitý a kombinovaný proces, který normalizované zkoušky nevystihují přesně. Proto se na TU v Liberci, katedře strojírenské technologie ve spolupráci se ŠKODA-AUTO a.s. používají metody hodnocení lepených spojů, které postihují specifika lepení karoseríí v automobilovém průmyslu. V této souvislosti byla věnována pozornost zejména lepení výztuh a lemovým spojům.
Metodika zkoušení lepidel Na TU v Liberci byla vyvinuta metodika hodnocení lepených spojů se zřetelem na specifické požadavky automobilového průmyslu, které zahrnují: - nanášení maziv (nástřik maziva nanášecím zařízením s tryskou používanou v praxi), - časové prodlevy (prodleva má vliv např. na odpařování vody u emulzních maziv), - aplikace lepidla (lepidla mají různou teplotu nanášení), - doba a průběh vytvrzování lepidla (napodobuje se průběh teploty při vytvrzování laku), - zkušební metoda a podmínky zkoušení (např. zkouška pevnosti ve smyku a odlupováním, kondicionování vzorků, teplota během zkoušky, vyhodnocení typu porušení lepeného spoje, atd.). Metodika zohledňuje zejména vliv nanášených maziv a průběh vytvrzování lepidla. Plechy dodávané z hutí jsou proti korozi chráněny konzervačním mazivem, které by mělo mít pro daný povrch i dobré technologické vlastnosti. Množství maziva se běžně se pohybuje v rozmezí 1 až 3 g·m-2. V některých případech je nutné před vlastním lisováním ke zlepšení tribologických vlastností na povrch plechu místně nanášet různá technologická maziva (dle technologické náročnosti a požadované kvality povrchu výlisku). Výztuhová lepidla se vytvrzují v průběhu vytvrzování laku karoserie. Pro lemová lepidla se efektivně využívá rychlé částečné vytvrzení pomocí indukčního ohřevu v průběhu montáže a celkové vytvrzení lepidla je dokončeno při vytvrzování laku karoserie v peci.
Zkoušky pro hodnocení lepených spojů Pro hodnocení lepidel pro výztuhy a lemy karosérií jsou na TU v Liberci nejčastěji používány následující normalizované zkoušky lepených spojů: a) zkouška pevnosti ve smyku při zatěžování tahem, PV 12.05 Zkušební vzorek se skládá ze dvou přeplátovaných plechů o rozměrech 150x20 mm. Délka přeplátování je 10 mm. Konstantní tloušťka vrstvy lepidla je zajištěna distančními drátky o průměru 0,2 mm v místě spoje. Vyhodnocuje se pevnost ve smyku a typ porušení lepeného spoje. Zkoušeno při teplotě 23°C. b) zkouška stanovení pevnosti lepených spojů v odlupování dle DIN 53 282 Zkušební vzorek se skládá ze dvou plechů ohnutých o 90° o rozměrech 275x30 mm, lepená plocha má rozměry 175x30 mm (obr.2). Konstantní tloušťka vrstvy lepidla je zajištěna distančními drátky o průměru 0,2 mm v místě spoje. Vyhodnocována je střední odlupovací pevnost v úseku L1 až L2 definovaná jako střední odlupovací síla v úseku L1 až L2 dělená šířkou vzorku a dále je vyhodnocován typ porušení lepeného spoje. Zkoušeno při teplotě 23°C.
7
c) Hodnocení přilnavosti lepidla. Zjednodušená zkouška odlupováním, při hodnocení přilnavosti lepidla k substrátu se vychází z normy VDA 230-201. Hodnocen je typ porušení lepeného spoje pro různé kombinace maziv lepidel a substrátů. Příprava zkušebních těles
Obr. 4. Schéma uspořádání zkoušky v odlupování dle DIN 53 282
Hodnocení typu porušení lepeného spoje u zkušebních těles Vyhodnocuje se typ porušení dle normy ČSN ISO 10365 a uvádí se procentuální podíl jednotlivých typů porušení. Na obr.5 jsou znázorně základní typy porušení lepeného spoje. CF - kohezní lom, SCF - kohezní lom na hranici substrátu, AF - adhezní lom.
CF SCF Obr. 5. Znázornění základních typů porušení lepeného spoje
AF
Metodika zkoušení vyztužujících kompozitních fólií V místech, kde dochází k většímu zatěžování, jsou díly karoserie vyztužovány samolepícími kompozitními fóliemi, které zvyšují tuhost, snižují vibrace karoserie a účinně přispívají k odhlučnění vozu. Tyto fólie získávají svou tuhost po vytvrzení, které probíhá po nalakování karoserie během vytvrzování laku.
8
Obr. 7. Řez vyztužující fólií a typická umístění fólií na karoserii automobilu Na TU v Liberci byla vyvinuta metodika hodnocení vyztužujících vlastností folií zkouškou ohybem se zřetelem na specifické požadavky automobilového průmyslu (nanášení maziv, časové prodlevy, aplikace fólie, vytvrzování pryskyřice atd.).
závěr Pro spojování tenkých plechů se stále ve větší míře začíná prosazovat technologie lepení. Upřednostňování lepených spojů v dnešní době před klasickými spoji, tj. např. před nýtováním, svařováním, šroubováním je v tom, že lepené spoje poskytují nové kombinační možnosti a dovolují získat spoje takových tvarů a vlastností, které nejsou dosažitelné běžnými způsoby spojování. Zjištěné výsledky svědčí dle předchozích zkušeností s testováním na katedře strojírenské technologie pro automobilový průmysl, že výsledky porušování lepeného spoje mohou do značné míry záviset na druhu a množství použitých maziv a dalších parametrech, jako je např. druh použitého substrátu a jeho morfologie povrchu. Vzhledem k těmto dalším vlivům lze obecně říci, že je nutné každou kombinaci maziv, substrátu a lepidel vyzkoušet. Množství proměnných parametrů činí problematiku testování kvality lepených spojů poměrně složitou a vyžaduje další prohlubování znalostí o vlivu jednotlivých faktorů a jejich kombinací na vlastnosti těchto lepených spojů při zohlednění specifických požadavků automobilového průmyslu.
9
