СКЛЕИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

Преимущества и недостатки клеев как сродсша кренлении металлов

Часто возникает необходимость скреплять между собой совер шенно различные материалы: длюминий со сталью; пластмассы, ре­зину или стекло с металлом и т. п. В таких случаях использование многих ия методов соединения, рассмотренных выше, было бы не­возможно или непрактично. Преимущество клеевого соединения при необходимости сочленения разнородных материалов иллюстрирует недавно разработанный в «Кэммкэл дивижн оф Раббср компанії» процесс приклейки жесткой или полужесткой виниловой пленки 'К стали и алюминию. Изготовленный таким способом слоистый мате­риал «металле-пластик» в настоящее время используется и сосудах для химикалиев, ленточных конвейерах, трубах, щитах управления, цистернах, в производстве мебели, т е. во всех случаях, где жела телыю сочетать прочность металла со стойкостью к коррозии вини­пласта.

Для сварки разнородных металлов требуются специальные и ча­сто очень сложные технологические операции. Иногда сварка дает такие хрупкие соединения (например, алюминия с магнием), что практически они неприменимы, так как резко снижают надежность работы конструкции. В других случаях может возникнуть необходи мость нанесення гальванопокрытия на одну из поверхностен свари­ваемых металлов. Так, электропокрытие серебром толщиной 6 мк необходимо осуществлять на стальных элементах перед контактной сваркой их с алюминием. Вследствие высокой электропроводимости алюминиевых сплавов сварка сопротивлением требует применения электротока большой мощности, точного контроля силы тока, да еле ния, времени. Сварка листов различной толщины затруднительна.

Часто контакт двух разнородных металлов создает электропару, гальваническое действие которой может вызвать серьезную корро­зию, особенно во влажной атмосфере.

Пайка легких сплавов еще более трудна и менее надежна, чем пайка сталей. Паяные соединения часто нестойки против коррозии. В - некоторых конструкциях трудно или невозможно полное удале ние из соединения остаточных флюсов, вызывающих коррозию. Так, например, при изготовлении контейнеров для жидкого топлива в установке для заправки самолетов горючим в полете, когда гоф­рированные латунные листы были спаяны (оплавлением), оказа­лось, что при этом происходит значительное коррозионное поражение паяного шва нз-за трудностей осуществить практически вымывание остаточного флюса. Применение клея ридаке не только помогло решить указанную проблему, но также способствовало резкому уве­личению выпуска продукции.

Склеивание имеет и ряд других преимуществ перед обычно прак­тикуемыми методами крепления. Высокие температуры, необходи­мые при точечной сварке, в случае использования клеев не требу­ются Не нужны/гакже отверстия в материалах, которые обязатель­ны при клепке и сбалчивании. Помимо затраты времени, а следо -

іісггольно, и удорожания производства сверление отверстий приподіп к ослаблению (конструкции..

Устраняется необходимость введения в конструкции металличе­ского крепежа. Например, фрикционная накладка в стальных тор­мозных колодках теперь приклеивается. Прежний метод— клепка — часто 'приводил к серьезной порче тормозного барабана при экс­плуатации. Сроки службы и характеристики этих деталей сильно повысились при использовании для соединения металлов клеев. Срок службы накладок тормозных колодок резко возрос в данном случае благодаря тому, что они могут значительно полнее изнаши­ваться до замены, и улучшилось рассеивание теплоты в связи с устранением металлических заклепок. Кроме того, более ровное со­единение ликвидирует неприятный окрежет при работе тормозов. Прочность на срез приклеенной обкладки составляет около 700 кг — и два раза больше прочности приклепанной. .

Приклеивание тормозных колодок для колес применяет фирма Крайслер. Один завод этой фирмы поставляет такое количество тормозных колодок, которое достаточно для всех ее филиалов, из­готовляющих легковые и грузовые автомобили. Отдельные части тормоза, заключенные в барабан диаметром от 175 до 450 мм, со­бираются на конвейере. Каждую-секунду с конвейера сходит готовая колодка.

При проектировании электроаппаратуры, электрооборудования пли деталей и агрегатов силового назначения желательно, если не­обязательно, использовать тонкие листовые материалы. Основной, чотя и не единственной, причиной такого требования является стрем­ление к уменьшению веса. Нагрев при сварке деталей в тонкостенной конструкции обязательно привел бы к сильному короблению и иска­жению формы. Механическое сопряжение заклепками или болтами гоже оказалось бы неприемлемым из-за малого сопротивления смя­тию металлов топкого калибра. Самым целесообразным методом соединения тонкостенных конструкций является оклеивание.

Типичным примером служит оклеивание электродеталей тонкой металлической оболочкой. В распоряжении промышленности име ются металлические обклейки, представляющие собой алюминие­вую фольгу толщиной 0,08 мм с клеевым слоем с тыльной стороны. Такие обклейки с термопластичным клеем или липким клеем рези­нового типа, чувствительным к давлению, продаются рядом фирм Нели при эксплуатации изделие может быть подвергнуто действию повышенных температур, следует применять термореактивный клей (см. гл. III).

В практике встречается много трудностей при создании воздухо­непроницаемых герметичных конструкций. В точечных сварных швах и заклепочных соединениях часто наблюдается большая утечка воз­духа. Существуют три способа преодоления этого недостатка: скон­струировать изделие с применением специальных уплотняющих про­кладок, что часто оказывается невозможным; использовать вместо заклепок или сварных точечных швов клеи- покрыть собранную кон

Сі'рукціїю г< рмешком, чго її сущности іфодстян. чяег собой специаль­ное применение клееного материала.

Герметизация собранных узлов н агрегатов применяется во мно г их случаях в авиационной и других отраслях промышленности, где требуются воздухонепроницаемые конструкции. Она может иметь целью предотвращение падения давления воздуха и утечки бензина, •смазочного масла, воды и т п. В кабинах самолетов или топлив­ных отсеках, где воздух должен быть определенного давления, все швы, места соединения, заклепки, отверстия около нервюр, стринге­ров и дверей обычно герметизируются клеем резинового типа.

Когда для осуществления герметичных соединений применяются клеи, не может быть никакой утечки воздуха и жидкости ввиду от­сутствия отверстий, а клеевой шов сам по себе непроницаем. При этом нет необходимости в специальной изоляции (прокладках), ко­торая усложняет конструкцию, утяжеляет и удорожает изделие.

Смолы эпоксидного типа (см. гл. И) часто используются для изоляции катушек электрических трансформаторов. Заключение электродетален в оболочку клеевой массы («компаунд») можно рас сматривать как особое применение клея.

С конструктивной точки зрения клеевые соединения также имеют много преимуществ по сравнению с соединениями, выполненными другими методами. Клеевой шов распределяет приложенную нагруз­ку по всей площади соединен™ более или менее равномерно. Мест ные концентрации напряжения, возникающие вокруг заклепок или сварных точек, таким образом, устраняются.

Вследствие более равномерного распределения напряжения уста­лостная прочность клееной конструкции! сильно возрастает по срав­нению с усталостной прочностью клепаных или сварных (точечная сварка) конструкций. При испытаниях цикличной нагрузкой до раз­рушения клеевых соединений металла с металлом металлические элементы часто разрушались раньше клеевого шва, особенно при низких напряжениях.

При склеивании не может быть местного выпучивания обшивки характерного для заклепочных соединений, и изменения свойств ме галла в области сварного шва, что в конечном счете вызывает ослаб­ление металлической конструкции.

Поскольку при склеивании сборка может быть сделана за одну операцию, исключается, невидимому, смещение скрепляемых дета­лей, которое часто наблюдается, когда заклепки размещаются вдоль рядами.

Заводы Сикорского применяют оклеивание при соединении ме­талла с металлом в несущих лопастях вертолета примерно с 1944 г., потому что этим достигается повышенная выносливость соединений при вибрации и увеличивается ресурс работы лопасти.

Ридакс, клей из синтетической смолы, разработанный в Англии (см. гл. III), был использован при изучении усталостной прочности панелей обшивки с приклеенными к ней элементами жесткости. Когда стрингеры крепились к обшивке при помощи склеивания, раз­рушения не было даже после приложения 4 500 ООО циклов повторной нагрузки. При использовании заклепок разрушение происходило уже после 300 ООО циклов.

В панелях, работающих на сжатие, которые применяются в кон­струкциях современных самолетов с силовой обшивкой, заклепками соединяются металлические листы обшивки с подкрепляющими ее стрингерами только в от, цельных местах. Так как заклепочные соединения несплошные, им присуща склонность к выпучиванию под нагрузкой, что обусловливает пониженную прочность клепаных конструкций но сравнению с клееными. Прочность работающих на сжатие панелей можно повысить на 5—40%, заменив клепку склеи­ванием.

Фирмой Норт Америкэн были испытаны типичные секции об­шивки со стрингерами, изготовленные с применением трех методов соединения: склеивания, .клепки я точечной сварки. При приложе­нии растягивающих усилий клееные образцы выдержали примерно в два раза большее скалывающее напряжение, чем другие соедине­ния. Другие примеры сравнения прочности клеевых, сварных и кле­паных соединений см. в § 3.

Вероятно, около 50% клепки в самолете в настоящее время при­меняется с целыо «стабилизировать. конструкцию» —- придать ей устойчивость в соединениях стрингеров и ребер жесткости с относи­тельно тонкой листовой обшивкой. К соединению обшивки со стрин­гером предъявляются требования не столько в отношении прочно­сти, сколько в отношении жесткости и непрерывности. Этому усло­вию идеально удовлетворяет склеивание.

При применении склеивания значительно снижается вес кон­струкции Можно применять более гонкие обшивки, так как клеевое соединение позволяет нагружать обшивку значительно полнее.

Имеется также большая разница между весом клеевого шва и весом заклепок. В герметических кабинах, в топливных отсеках и других конструкциях, требующих непроницаемых соединений, сле­дует учитывать еще добавочный вес уплотнительных материалов, примененных для заклепочных-швов.

Некоторые авиационные конструкторы считают, что можно сэко­номить приблизительно 25—30% общего веса конструкции, если заменить заклепочную и сварную конструкцию клееной. В типичном летающем снаряде, для которого подобная замена сейчас находится в стадии разработки, такая экономия в весе могла бы дать увеличе­ние радиуса действия на несколько сотен километров. При построй­ке центроплана крыла самолета клееной конструкции площадью примерно 140 м - было сэкономлено около 200 кг — почти 5% об іцего веса крыла по сравнению с таким же центропланом, изготовлен­ным с помощью клепки.

В Англии уже в течение нескольких лет применяют в авиации клеевые соединения. Два типа новейших гражданских самолетов фирмы де-Хэвилленд «Комета» и фирмы Бристоль «Британия» отли­чаются тем, что в них в ряде мест применены клеевые соединения, что дало возможность добиться экономии в весе. Следует отметить,

чк> слмолет «Комета»-- иерный в мире гражданским транспортний самолет с реактивным двигателем (см. § 3).

При склеивании поверхность соединяемых металлов не изменяет­ся, как от заклепок, сварных швов, болтов и т. п. Помимо улучше­ния внешнего вида, легко достигаются гладкость и ровность внеш­них поверхностей, обеспечивающие минимальное сопротивление трению. Методом точечной сварки, особенно если используются до вольно тонкие металлические обшивки, аналогичные «идеальные» поверхности получить чрезвычайно трудно. Такая «аэродинамич­ность» клееных изделий особенно важна для сверхскоростных са­молетов и летающих снарядов. Устраняете и к тому же необходи­мость в дорогостоящем методе клепки впотай.

При склеивании металлов в производственных масштабах мож но добиться значительною снижения стоимости. Большинство опера­ций процесса склеивания является операциями автоматического или полуавтоматического типа, и квалифицированный рабочий персонал здесь не так обязателен, как при других методах крепления. Кроме того, экономится труд, затрачиваемый при сварке на удаление из лишка металла в шве и остающеюся на сварном шве флюса, который впоследствии может вызвать коррозию. Применяя клеи, можно соединять детали на больших площадях за одну операцию. Таким образом, длительность производственных циклов и стоимость значи­тельно снижаются (см. фиг. 9 и 10 в § 3).

Опыт фирмы Превитт показал, что производство клееных сталь­ных лопастей вертолетов, идущих на вооружение наземных армий и морского флота, оказалось более дешевым, чем изготовление их преж­ними способами. Гарднер [27], исходя из опыта Британской авиа ционной транспортной компании, приводит следующие данные влия ния уменьшения веса конструкции самолета на ее экономичность:

«На транспортном самолете весом 22,5 тонн, имеющем ежегод­ный налег в 2000 часов, экономия в весе конструкции на 2% (450 кг) снизила бы стоимость эксплуатации на 8%. При суще­ствующих ценах потенциальные доходы на один самолет возросли бы на 151 000 долларов за счет фрахта и на 221 000 долларов за счет перевозки пассажиров. При коэффициенте нагрузки 60% это составило бы около 10 000 000 долларов на 100 машин. Компания оперирует 200 с лишним самолетами».

Экономическую выгоду, которую можно получить, используя склеивание металлов, лучше всего иллюстрировать на примере са молета. Самолет, в конструкции которого широко применено склеи­вание, стоит дешевле, так как снижены издержки производства; мо­жет нести больше оплачиваемого груза вследствие уменьшения веса конструкции; обладает большей скоростью полета, так как внешняя обшивка обтекаемая и конструкция более прочная; имеет более дли­тельный срок службы (предел усталости выше, чем у равноценных клепаных или сварных конструкций).

Сотрудники фирмы Нортроп Эйркрафт сравнили стоимость хво отовой части крыла обычного самолета (обшивка приклепана к каркасу) со стоимостью аналогичной части крыла, изготовленного

склеиванием металлической обшивки с легким наполнителем из «стирофоума» (пенопласта на основе полистирола) эпоксидным клеем «стиробонд». Расходы на амортизацию оборудования в рас­чете на 100 единиц продукции при обычной цельнометаллической конструкции составили 1312 долларов по сравнению со 149 долла­рами при использовании клееной конструкции.

Технический персонал французской авиационной промышленно­сти сообщил, что склеивание помогло сэкономить несколько сот че­ловеко-часов за одиу операцию крепления стрингеров к обшивке че­тырех крыльев. При клепке возникла бы необходимость поставить примерно 18 000 заклепок, каждая из которых требует несколько минут на сверление отверстия, раззенковку, введение потайной за­клепки и формование замыкающей головки.

Было установлено, что оклеивание является идеальным видом соединения, когда необходима электрическая или тепловая изоля­ция. Клеи, в частности, из синтетических смол обладают значитель­но меньшей электрической и термической проводимостью, чем ме­таллы. Гальваническое действие, которое, видимо, происходит всег­да, когда в контакте друг с другом находятся разнородные метал­лы, сводится до минимума, если два соединяемых металла разде­ляет клеевой слой.

Хорошо известны как изоляционные свойства, так и стойкость против коррозии большинства клеев, например, резиновых, приме­няемых для внутренней облицовки в автомобилях. Часто клеи ис­пользуются в сочетании с другими материалами, чтобы добиться бо­лее высоких изоляционных в звукопоглощающих свойств. Толстую прокладку из прорезиненного стекловолокна приклеивают к стенам з качестве термоизоляции. Силиконовую резину прикрепляют клеем на основе полисилоксановой смолы к стальным перегородкам для изготовления противопожарных стенок.

Вибрацию металлических конструкций во время полета на высо­ких скоростях можно значительно снизить или совсем устранить на­клеиванием заглушающих материалов к внутренним стенкам метал­лических панелей, подвергающихся воздействию воздушного потока.

Интересным применением клеев для соединения металлов (на основе фенольных смол) является изготовление постоянных магнитов и магнитных материалов различных конфигураций. Немецкий ученый Бауерман применил клей из фенольной смолы как связующее для порошковых магнитных материалов и получил из них отливки различной формы. Аналогичные изделия были изготовлены с клея ми из эпоксидной смолы фирмой Норт Амсрикэн Авиэйшн. Этог метод позволяет обходиться без механической обработки твердых магнитных сталей.

Ниже приведены основные преимущества склеивания металлов перед другими методами соединений:

1) возможность соединять разнородные материалы;

2) устранение высоких температур в процессе соединения;

3) отсутствие необходимости делать отверстия в скрепляемых материалах;

'І) ііоіможіїисп. соединим» детали и очень тонких металлических конструкциях;

Б) герметичность соединения;

С) равномерность распределения напряжения щ повышенный срок службы;

7) уменьшение веса изделия;

8) гладкость поверхности клееных агрегатов;

9) снижение стоимости производства;

10) теплоизоляционные и звукоизоляционные свойства, а также демпфирующая способность («поглощение» колебаний);

11) стойкость против коррозии.

Однако нельзя делать вывод, что «леи решают любые проблемы крепления или соединення. Метод склеивания имеет свои пределы рационального применений и свои отрицательные стороны. Самым серьезным недостатком является сравнительно низкая теплостой кость клеевых соединений, обусловливаемая органической природой клея. Даже лучшие клеи из синтетических смол имеют максималь­ный диапазон рабочих температур примерно 260° (см. гл. IV), тогда как клепаные и сварные соединения могут работать при значитель­но более высоких температурах.

Для небольших агрегатов часто экономичнее применять заклеп­ки или точечную сварку, особенно если имеется необходимое обору­дование. Если нужно изготовить конструкции сложного контура не в массовом масштабе, а в очень ограниченном количестве, то стои­мость специального оборудования на каждую склеиваемую кон струкцию оказалась бы чересчур высокой.

Технологическим недостатком процесса склеивания конструк­ционными клеями является необходимость в большинстве случаев применять в целях ускорении склеивания и повышения крепости со­единения общий или местный нагрев склеиваемых детален, хотя и невысокий по сравнению со сваркой.

Более широкое использование клеев для соединения металлов тормозит невозможность легко устанавливать место «непроклея» или другого дефекта в клеевом соединении. Если «сдала» заклепка или болт, их легче обнаружить и сменить. Методы испытания клеев и клеевых соединений (как разрушающие методы, так и без разруше­ния) детально рассмотрены в гл. V (см. также § 41 и 45).

Детали, предназначаемые для соединения точечной сваркой, обычно можно легко соединить методом склеивания, так как в обо­их методах требуются приспособления, поддерживающие сочтеняе - мые детали с двух противоположных, сторон. В ряде случаев это невозможно, и тогда метод соединения с помощью заклепок являет­ся более целесообразным, если конструкция не проектировалась спе­циально под склеивание.

Не все преимущества, теоретически присущие клеевым соедине­ниям, легко реализовать на практике. Для уменьшения веса необ­ходимы тонкостенные элементы конструкции, иногда с местными усилениями, однако такие конструкции склонны к короблению. Если главной задачей является обеспечить гладкость и ровность наруж ного контура, то это выполняется п ущерб весовым качествам. Б некоторых случаях, например, при строительстве крупных само­летов с высокой удельной нагрузкой на крыло, оба эти требования могут быть удовлетворены одновременно, но иногда приходится изы­скивать компромиссное оптимальное решение.

В тех местах, где может произойти расслаивание, отдирание од­ного элемента конструкции от другого, клепка, сварка или болто­вое крепление часто дают лучшие результаты, чем склеивание.

Наконец, недостатком клеевых соединений является их-способ­ность к «старению» с течением времени и меньшая долговечность, чем сварных или клепаных соединений. Впрочем, имеется много при­меров вполне удовлетворительной эксплуатационной стойкости клее­вых соединений.

Необходимо уметь правильно решать, какой из существующих разнообразных методов крепления является самым подходящим для данного случая, и практически применять эти методы, иногда соче­тая их. Например, в самолете «Комета» фирмы де-Хэвиллснд все стрингеры сначала приклеиваются к обшивке (крыльев, фюзеляжа и др.), а затем законченные панели соединяются друг с другом за­клепками. В летающих снарядах большие отверстия в герметичных отсеках можно заделать с помощью клея и нескольких дополни­тельных заклепок, чтобы обеспечить дополнительную прочность. Та­кая конструкция успешно выдержала испытание при температуре —180° и внутреннем давлении до 10 ат.