СКЛЕИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

Соединения внахлестку

Расчет прочности клеевого соединения

Клеевое соединение в одинарную нахлестку соединение, в ко­тором два элемента накладываются концами друг на друга и склеи­ваются вместе (фиг. 52). Это самый распространенный тип - клеевого соединения, применяемого в промышленности.

Соединения внахлестку располагаются в изделии так, чтобы вос­принимаемые ими внешние усилия действовали преимущественно в плоскости (клеевых швов Такие усилия в основном вызывают в клей­ком шве напряжения сдвига, но одновременно в нем имеются и дру­гие напряжения. В то время как в склеенных внахлесжу металли­ческих элементах возникают напряжения растяжения, в клеевом со­единении, кроме напряжений сдвига, могут появиться у краев пло-
щади склейки отдирающие напряжения т. е. напряжения растяже­ния в направлении, перпендикулярном плоскости склейки. Учет этих «вторичных» напряжений существенен при расчете клеевых со­единений внахлестку.

Если применяется тонкий листовой металл, например, толщиной 0,5 мм или меньше, то растягивающее напряжение в оклеиваемых элементах может быть достаточно большим, чтобы вызвать в метал­ле разрушение. Форма нахлестки, т. с. се ширина и длина, и проч­ность клея определяют для металла данной толщины время наступ­ления разрушения. Ясно, что если разрушение произошло по метал­лу, но при - нагрузке менее расчетной или заданной, то деталь сле­дует переконструировать, введя в нее более толстый или прочный металл. Если разрушение металла происходит после того, как на­много превышены требования к прочности конструкции, можно пере­конструировать соединение, применив клеевое соединение с нахлест­кой меньшей длины.

Разрушение в клеевом соединении может локализоваться в клеевом шве (когезионное разрушение) или может произойти на линии раздела металл—клей (адгезионное разрушение). Характер разрушения зависит от состояния поверхности, толщины и рода ме­талла, а также от природы клея н толщины клеевого шва. В клее­вых соединениях внахлестку разрушение преимущественно должно быть когезионного характера. В противном случае следует обра­тить самое серьезное внимание на проверку и, возможно, пересмотр обработки поверхности, выбор металла и т. п. Скорее всего причи­ну можно найти в недостаточном контроле за чистотой подготовляе­мой к склеиванию поверхности или просто в отсутствии его.

Как было отмечено выше, в клеевом соединении внахлестку мо­гут возникать растягивающие напряжения, перпендикулярные пло­скости клеевого шва. Голанд и Рейоснср, а равно и другие исследова­тели [11] показали, что это растягивающее напряжение больше по концам нахлестки и уменьшается по мере приближения к се сере­дине. Такие напряжения приводят к явлениям отрыва в клеевом со­единении и заметному снижению прочности на сдвиг. Среднее на­пряжение сдвига в клеевом соединении внахлестку - это приложен­ная «агрузка, разделенная на площадь склейки; «предел» прочности соединения при сдвиге — это 'величина указанного среднего .напряже­ния в момент разрушения.

Когда склеенные внахлестку элементы подвергаются действию растягивающих сил, то напряжения растяжения в каждом из них имеют максимальные значения у границ клеевого соединения. Та­ким образом, на фиг. 52 склеенный элемент / испытывает наивыс­шее напряжение в зоне А, а элемент // — в зоне В. Если склеенные элементы работают в пределах упругости, то и деформация соот­ветствующая этим напряжениям, будет самой большой в точках А и В. Подобная дифференцированная деформация имеет место во всех типах соединений внахлестку — клеевых, заклепочных, свар­ных. В результате у концов нахлестки имеет место концентрация на­пряжении, самое низкое напряжение наблюдается в центре С.

Склеиваемые элементы с низкими модулями упругости подвер­жены при данной нагрузке большей деформации, следовательно, клей у концов нахлестки таких соединений подвергается большим растягивающим (или отрывающим) напряжениям, чем при элемен­тах с более высоким модулем. Таким образом, упругие свойства склеиваемых элементов играют решающую роль при определении, прочности, формы и размеров клеевого соединения внахлестку.

Различные другие факторы влияют на относительную степень локализации напряжений при нагрузках на сдвиг. Например, клеи с более низким модулем сдвига, т. е. более «гибкие» или податливые, будут легче распределять локализованные напряжения. Исчерпы­вающий анализ этик факторов дап Фолькерсеном, а равно другими авторами [11], их выводы суммированы ниже.

Как уже отмечалось, напряжения в клеевом соединении вна­хлестку, вызванные нагрузкой, обычно не распределяются равно­мерно по склеенной поверхности. Максимальное - напряжение нахо­дится у концов нахлестки. Отношение этого максимального напря­жения "тах к среднему напряжению называемое коэффициен­

том концентрации напряжения п, зависит от геометрических и фи­зических параметров. Этот коэффициент является функцией длины нахлестки I, модуля сдвига G и толщины d клеевого слоя, модулей упругостей Ei и Е, и толщины и <S2 обоих оклеиваемых элемен­тов. Указанная зависимость выражается формулой (1):

п = т = — coth —, (1)

k

ссред, к

~ I 'а

k V w

Д-^, (3)

E. jSd цу £i? i+£e52 EiSj

Когда оба склеиваемые элемента идентичны, что бывает в большин­стве случаев, то выражение (2) приобретает вид

—=/ I ' ~G—. - (5)

I 2 ESd

Зная входящие в эти формулы характеристики механических свойств клея и склеиваемых материалов, размеры данного соединс ния и «истинный» предел прочности при срезе соединения на дан­ном клее, ранее определенный опытным путем, можно подсчитать прочность на сдвиг рассчитываемого соединения:

Р—т F -™ах lb

сред' ’

где Ъ — ширина ■нахлестки.

Де Брюин ввел в употребление так называемый «коэффициент соединения», равный ' S/І, чтобы заранее определять прочность на сдвиг данной системы клей—склеиваемый элемент, в которой дли­на нахлестки и толщина склеиваемого элемента могут варьировать. Если клей и условия отверждения сохраняются постоянно теми же самыми и только Sul изменяются, то можно построить график прочности на сдвиг в зависимости от «коэффициента соединения». Такой график дан на фиг. 53 для клея НАА «Хай-Темп». Отдельная кривая требуется для каждой температуры испытания. Де Брюин составил аналогичный график для клея ридакс. По таким кривым легко установить предполагаемую прочность при сдвиге соединения внахлестку, если определены толщина склеиваемого элемента и длина нахлестки. Наоборот, для заданной прочности можно устано­вить требующуюся толщину оклеиваемого элемента или длину на­хлестки, если известна одна из двух последних переменных (S или /).

Де Брюин в целях облегчения подсчета коэффициента соедине­ния VSH для всех возможных значений S т I использует номо­грамму. Эта номограмма и подобная ей подходят для соединений с односторонней нахлесткой любых материалов.

К - Фрей [46], используя результаты эксперимента, обработанные с помощью «коэффициента соединения», и приняв, что оптималь­ные размеры клеевых соединений внахлестку соответствуют слу­чаю, когда напряжения сдвига в клеевом соединении достигают уровня разрушающих, а напряжения растяжения в склеенных эле­ментах достигают значений предела текучести, дал свою расчетную номограмму, построенною для клея аїральднт (фиг. 54).

Недостатком имеющихся в настоящее время методов расчета прочности клеевых соединений на сдвиг служит лежащее в их осно­ве предположение о том, что вое элементы клеевого соединения I прежде всего клеевой шов работают в пределах упругости. Методы расчета охватывают только область кратковременных статических нагрузок. Понятно, что эти замечания не распространяются на «рас­четные» диаграммы, являющиеся простым отображением результа­тов серии ранее проведенных испытаний различных ктеевых соеди­нений.

Влияние различных конструктивных факторов на прочность клеевого соединения внахлестку

Из зависимости коэффициента концентрации напряжения от ве­личины /k видно [см. формулы (1) — (5)], что концентрация напря - ' жения:

1) возрастает с увеличением длины нахлестки;

2) не зависит от ширины нахлестки;

3) медленно возрастает с повышением модуля сдвига клея и

4) медленно падает с повышением модуля упругости металла, толщины металла и толщины клеевого слоя.

В соответствии с результатами теоретического анализа прочно­сти клеевого соединении внахлестку оптимальной конструкцией

соединения внахлестку является такая конструкция, в которой длина нахлестки очень небольшая, клей нежесткий, «гибкий», клеевой слой толстый, склеиваемый материал жесткий и толстый (идеальное со­единение получается, если коэффициент концентрации напряжений п— 1, т. е. при однородном распределении напряжений).

Вполне понятно, что общая прочность соединения возрастает прямо пропорционально ширине нахлестки (не смешивать с преде-

/—температура испытания 25°, 2—-температура испы­тания 26(Р

лом прочности соединения при сдвиге или погонным разрушающим усилием), протяженность которой может значительно превышать «длину» нахлестки.

Там, где Л -*-0, коэффициент концентрации напряжений п—

= ——_>1, напряжения сдвига распределяются равномерно. Эго по-

тсред

ложение может достигаться по мере того, «ак длина нахлестки I становится все меньше. Изменение предела прочности на сдвиг в зависимости от длины нахлестки I показано на фиг. 55 для «лея

НЛА «Хай-Темп» при комнатной температуре и при 260°[12]. Подоб­ные кривые были построены и для клея ридакс.

Величина Д уменьшается не только при укорочении нахлестки:, но и по мере уменьшения жесткости клея в отвержденном состоя­нии, характеризуемой модулем сдвига G.

Формальный анализ напряжения в клеевом соединении внахлест­ку мог бы привести конструктора к убеждению, что он должен пре­дусматривать очень толстый и нежесткий клеевой слой. В действи­тельности это далеко не так. Клеи, которые отличаются чрезвычай­ной гибкостью, легкой деформируемостью, обычно соответственно слабы и проявляют чрезмерную ползучесть под постоянной нагруз­кой. Это является одной из причин, почему клеи. типа резиновых 'Не­пригодны для силовых случаев применения, но подходят для склей­ки общего «назначения.

Что касается толщины клеевого слоя, то на опыте хорошо из­вестно, что клеевые соединения с толстым клеевым швом обладают пониженной прочностью. Для объяснения причин повышения проч­ности склейки с уменьшением толщины клеевого шва были предло­жены различные теории, которые вкратце сводятся к следующему:

1. Ориентация молекул клея (Мак-Бэйн и сотрудники). «Цепи ориентированных молекул», распространяясь по всему клеевому слою, обеспечивают прочность клеевого соединения. Ориентации способствуют поверхностные силы склеиваемых элементов. Интенсив­ность этих сия изменяется обратно пропорционально расстоянию от металла и, следовательно, является самой высокой на поверхностях раздела и самой низкой в центре клеевого слоя. Чем толще клеевой слой, тем слабее клеевое соединение.

2. Различия в физической структуре (Константинова)'[13]. Кристал­лическая или иная структура клея в отвержденном состоянии изме­няется с изменением толщины слоя.

3. Теория дефектов (Байкерман). Чем тоньше клеевой слой, тем меньше статистическая вероятность появления дефектов или повреж­дений определенной величины внутри клеевого слоя и, следова­тельно, тем выше прочность соединения.

4. Снижение пластического течения во время испытания (Орпван и Стсгер). Заключение материала клея между двумя жесткими склеиваемыми элементами уменьшает степень пластического тече­ния, которое может произойти, когда материал находится под на­грузкой. Разрушение в клеевом шве происходит в точке наивысшего пластического течения. Такое ограничение (стеснение) развития пластических деформаций в тонких клеевых слоях значительно боль

ше, чем і» К)Л<*Мііх, іншому прочие* іь іоііКіИЧі клосного uma более

высокая.

5. Распределение іінцгренніик іш/ірнчс+ниїі (Мі'йсінор її Болдак, Хэкстра и Фритцинз, Причеп). Тенденции клен ежнміт>ся (тли Да­вать усадку) во время отверждения и іюД iiaj-ругікпмн встречают

препятствия на поверхности раздела «лей—мла. чл, так кйк рніме- ры этих плоскостей являются ПОСТОЯННЫМИ. Эти ОГрИПИЧИГОЛН Ш. ПЫ - вают внутренние. напряжения внутри ктея. Чем тоньше клоевоіі слой, тем меньше материала, нуждающегося в охранении от усидкн, иг следовательно, тем ниже эти напряжения.

Другим фактором, который часто не учитывают, являются внут­ренние напряжения, возникающие 'в результате отверждения термо­реактивного клея при нагреве и под давлением. Когда давление снимается (по окончании отверждения), клей проявит тенденцию перейти в новое состояние, отвечающее изменившимся внешним условиям: пониженной температуре и пониженному давлению.

Однако ограничения, накладываемые склеиваемыми элементами, гермозят это действие, и на поверхностях раздела возникают напря­жения. Подобным же образом напряжения - в клеевом шве могут появиться во время охлаждения вследствие различия в жгэффшшен - тах термического расширения «лея и склеиваемых элементов. Ана­логичные рассуждения можно применить и к явлению улетучивания растворителя из клеевого шва в ходе отверждения. Более топкие •клеевые слои будут обладать меньшими напряжениями для данной площади склейки. Следовательно, такие соединения являются более прочными, чем соединения с более толстым клеевым швом.

По мнению автора, изменение прочности па сдвиг в зависимости от толщины клеевого слоя обусловлено тем, что одновременно дей­ствуют факторы, которые учитываются в двух теориях — пластиче­ского течения и внутренних напряжений. Это явление наблюдалось в образцах, испытанных как на сдвиг, так и на растяжение. Сооб­щалось о многочисленных экспериментальных подтверждениях этого явления для различных типов клеевых материалов, например, пара­фина, шеллака, полистирола, полиэтилена, метилметакрилата. Мейсснер и Меррилл сообщили об этом явлении при испытании клеевых соединений встык стальных образцов, обработанных на то­карном станке. Когда в качестве клея был использован полиметил - метакрилат, предел прочности на растяжение колебался от 225 кг/см2 при толщине клеевого слоя 0,25 мм и до 26 кг/см* при толщине клеевого шва 4,56 мм. При использовании в качестве клея полистирола без наполнителя предел прочности при растяжении ко­лебался от 147 кг/см2 при толщине клеевого шва 0,51 мм до нулевой прочности при толщине клеевого шва 2,79 мм. Аналогичная связь была подмечена Краусом и Мэнсоном, которые отметили влияние па это явление температуры. При повышенных температурах коле­бания прочности в зависимости от толщины клеевого шва становят­ся менее резко выраженными. Это легко объяснить, вспомнив, что при повышенных температурах клей становится более вязким и, таким образом, может рассеять внутренние концентрации напряже­
ния. Действительно, Г. Сильвер показал, что п случае использования ЕЯЗКИІХ клесв прочность клеевого шва может существенно поныспггь - ся с увеличением толщины клеевого слоя. В табл. 32 показаны данные Сильвера для нескольких клесв, применяемых при склеи­вании латуни со слоистым фенольным пластиком.

Закон понижения прочности с увеличением толщины клеевого слоя сохраняется и у более жестких резорционовых клеев, которые могут быть пригодны для конструкционного применения. Обратное явление наблюдается у вязких клеев — тиоколовых, виниловых

и Т. 'П., обычно не пригодных для использовании в конструкциях.

Вернемся к рассмотрению других конструктивных факто - ро'в, влияющих на. прочность клеевых соединений внахлестку. Согласно теории соединения внахлестку из толстых жестких склеиваемых элементов более желательны, чем соединения внахлестку с тонкими и легко­растяжимыми элементами. Это заключение подтверждено экс­периментами.

Типично повышение /прочно­сти клеевого соединения с уве­личением толщины склеивае­мых элементов, наблюдаемое - в «лее метлбонд. Средние зна­чения прочности на срея возра­стают со 125 кг/см2 отри тол­щине склеиваемых элементов 0,5 мм до 211 кг/см2 при тол­щине склеиваемых элементов 1.0 мм и, наконец, достигают 260 кг/см* при толщине склеиваемых элементов 3,3 мм. Эти результаты даны для образцов из алюминиевого плакированного сплава 24ST шириной

25,4 мм с нахлесткой 12,7 мм при испытании в условиях комнатной температуры.

Эта же зависимость иллюстрируется графиками па фиг. 56—58, построенными но результатам испытаний клея ридакс 59 .

Мак-Бэйн и Ли, а также другие йсследователи обнаружили и изучали влияние механических свойств склеиваемого элемента на прочность клеевого соединения. Было наглядно показано, что металлы с самыми высокими значениями модулей упругости и проч­ности (самая низкая сжимаемость и малый атомный объем) обеспе­чивают наиболее прочные соединения ив тех, которые можно полу­чить с помощью данного клея.

Влияние рода склеиваемого материала на прочность клеевого соединения иллюстрируется в табл. 33, приводимой Прсйсверком, Мейерхаусом и Дейцем [63]. Имеются данные [28], подтверждающие

Влияние толщины клеевого слоя на ударную вязкость при сдвиге

образцов клеевых соединений

Фиг. 57. Поговные разрушающие усилии для соединении внахлестку на клее ридакс в зависимости! от длины нахлестни I и толщины ме­талла.

Фяг. 58. Предел прочности при сдвиге соединения внахлестку на •клее іридакс в зависимости от тол­щины металла и длины нахлест­ки I.

установления относительных достоинств испытываемых клеев. Изготовители и поставщики клея, пе сообщая сведений о конфигура­ции образцов, на которых они проводили испытания, или пытаются обмануть неопытного потребителя или сами не осведомлены о раз­личных факторах, влияющих па прочность. Можно получить, напри­мер, почти любое высокое значение прочности на сдвиг экстраполя­цией длины нахлестки в направлении к нулю!. Вот почему солидные поставщики всегда подробно информируют о размерах образцов, принятых для испытания клея.

Соединение в одинарную на­хлестку, рассмотренное выше, является простейшим и наибо лее широко применяемым ви­дом соединения материалов.

Иногда применяют различные модификации этого типа клее­вого соединения либо по при­чине специальной конфигура­ции склеиваемых деталей, на­пример, коаксиальные соедине­ния при сращивании труб, либо для получения более эффектив­ных соединений.

Соединения с двойной или двухсторонней нахлесткой сни­жают тенденцию к изгибу вследствие эксцентриситета на­грузки. Прочность такого со­единения может быть почти в два раза больше прочности со­ответствующего соединения в одинарную пли одностороннюю нахлестку, как это показано на фиг. 59.

Это положение остается в силе для соединении внахлест­ку усовых и со скошенными кромками (как одинарных, так и двой­ных). Такие соединения весьма эффективны, но их трудно изготов­лять. Если оба склеиваемые элемента из одного и того же материа­ла, то достаточно одинарного усового соединения. Когда склеивают два элемента из различных материалов, то лучше делать двойное усовое соединение с углом скоса в каждом пропорционально модулю упругости материала. Такие соединения обладают повышенной проч­ностью, потому что можно добиться практически постоянных значе-

1 Практически увеличение предела прочности при сдвиге клеевого соедине­ния с односторонней нахлесткой при уменьшении длины нахлестки ограничено, так как начинают все в большей мере сказываться отрывающие напряжения вследствие эксцентриситета приложения растягивающих усилий (равного пример­но полусумме толщины склеенных полос). Примечание редактора.

нии напряжения и деформации по всей площади нахлестки, придавая поперечному сечению элемента форму в соответствии с распределе­нием усилий вдоль соединения.

Метод испытания склеивании на двойной срез по Джонсону л модифицированный метод Мак-Бэйна по сути: дела заключаются в испытании на срез стыковых клеевых соединений.

Коаксиальные соединения, 'применяемые при подгонке труб раз­личных диаметров, требуют или клеев-заполнителей или высокой точности размеров соединяемых труб (низкие допуски) Необходимо избегать зазоров свыше 0,25 мм.

На основании испытаний, проведенных фирмой Норт Америкэн Авиэйшн, можно сделать заключение о том, каких характеристик можно добиться от такого соединения. Стальной вал диаметром 6 мм был склеен с обоймой подшипника клеем Эпон VI (фирмы Шелл Кэмикэл). Радиальный зазор составлял 1,5 мм. Нагрузка прикладывалась по оси вдоль вала (на выталкивание вала из обоймы). Предельное напряжение сдвига превышало 316 кг/см2.

Другие испытания этой же фирмы показали, что при использова­нии клея на основе эпоксидных смол толщины клеевого слоя (т. е. зазоры) в соосных соединениях могут составлять 0,025—0,16 мм, не влияя на прочность при сдвиге.