Témata
Reklama

Metal bonding hliníkových slitin

Lepení kovových konstrukcí technologií metal bonding je jedním z nejnovějších postupů používaných při konstrukci, stavbě a opravách zejména v letectví. Své uplatnění však začíná tato technologie nacházet i v jiných odvětvích, jako např. v konstrukci automobilů, elektrotechnických a elektronických aplikacích, v chemickém průmyslu, těžbě a zpracování nerostných surovin nebo dokonce ve zdravotnictví.

V České republice mají s metal bondingem rozsáhlé zkušenosti odborníci z ČSA, kde se používá na letadlech pro spojování dílů z hliníkových slitin. Výhodami této metody jsou zejména zjednodušení konstrukce, úspora materiálu (hmotnosti), unikátní charakteristika lepeného spoje - vysoká pevnost ve smyku, odolnost vůči únavě materiálu, možnost využití konceptu "fail safe" a další. Na běžném dopravním letadle můžeme najít řadu použití metal bondingu, např. na dílech vertikálního stabilizátoru, náběžných hranách křídel i stabilizátorů, odtokových hranách slotů, vnějších i vnitřních klapkách, částech dvířek podvozků, pylonech a krytech motorů, spoilerech atd.
Technologií metal bonding se v současnosti v ČSA spojují především díly z hliníku a jeho slitin (zejména duralu) a v malém měřítku je využívána u ostatních materiálů, pro spoje ocelí CRES (corrosion resistant steel), eventuálně dalších neželezných kovů, např. titanu. Metodu lze použít pro různé kovové materiály, obecné zásady jsou platné pro lepení jakýchkoliv kovů - v dalším popisu se však omezíme na lepení hliníku a jeho slitin. Vlastní postup se skládá z několika operací a každá z nich se musí provádět velice pečlivě a přesně. Proto má svůj význam i patřičná kvalifikace a vyškolení každého pracovníka, který s touto technologií pracuje.
Reklama
Reklama
Reklama

Povrchové napětí, drsnost a kontaminace povrchu

Prvním krokem pro lepení slitin hliníku je výběr lepených materiálů a použité konstrukce. Dnes se nejvíce se používají duralové slitiny Al 2024 (4,5 % Cu) nebo Al 7075 (5,6 % Zn). Z konstrukčního hlediska pak můžeme zvolit přímé lepení kov na kov nebo sendvičovou konstrukci, tj. spoj kov - kovová voština. Oba dva způsoby lze kombinovat s jinými spojovacími prvky - šrouby, nýty ap. Dalším krokem je vytvoření optimálních podmínek pro lepení. Je nutno zajistit kontrolu povrchového napětí na lepeném spoji, drsnosti povrchu a čistoty (kontaminace) lepených povrchů.
Povrchové napětí na lepeném spoji můžeme charakterizovat jako rovnovážný stav mezi dvěma lepenými materiály. V technologii metal bonding lze systém kov/lepidlo označit jako systém pevná látka/kapalina (S/L, z anglického solid/liquid). Pokud v tomto S/L systému je povrchové napětí příliš velké, má složka L tendenci vytvářet kapky. V tomto případě pak dochází k vytvoření nerovnovážného rozložení lepidla ve spoji a snížení jeho pevnosti. Proto se musí pro technologii metal bonding používat jen určená a tomuto účelu formulovaná lepidla. Jiné druhy lepidel mohou v určitých případech také fungovat, ale vlastnosti takto vytvořeného spoje nemohou být zaručené (koroze, únava, porozita, křehkost, náchylnost na odlupování ap.).
Drsnost povrchu na mikroskopické úrovni se významně podílí na celkové pevnosti lepeného spoje hlavně díky zvýšení velikosti lepené plochy. Druhotně může pevnost lepeného spoje zvýšit i mechanické jištění na drsnějších plochách (locking). Drsnost povrchu musí být tedy pod kontrolou. Pokud bude reálná drsnost povrchu větší než optimální, budeme se potýkat se zachycováním plynů, těkavých složek a nečistot.
Kontaminace povrchu - nebo jinak jeho znečištění - může měnit povrchové napětí systému nebo negativně ovlivnit typ vazeb na molekulární úrovni. Je proto vždy nutné perfektně odstranit zbytky čisticích látek a ředidel, olejů a zbytků paliv, prachových částic, kondenzovaných kouřových zplodin a nežádoucích oxidů. Naopak řízené vytvoření oxidů vyžaduje velmi krátký časový úsek mezi přípravou povrchu a aplikací bonding primeru. Dokonce i znečištění holýma rukama může významně zhoršit vlastnosti lepeného spoje, a proto je např. zakázána manipulace s díly bez použití bavlněných rukavic.

Anodizace povrchu

Další operací v pořadí je anodizace - chemický proces, při němž dochází k řízenému vytvoření oxidů hliníku. Účelem je vytvoření mezivrstvy, která spolu s lepidlem vytvoří max. odolnost a pevnost lepeného spoje. Nejběžnějšími metodami jsou anodizace v kyselině fosforečné (známá pod zkratkou PAA), v kyselině chromové (CAA), chemické vytvoření oxidů v lázni dvojchromanu sodného a kyseliny sírové (FPL leptání) nebo anodizace v kyselině borité (BAA).
PAA se stala nejběžněji používanou metodou anodizace hlavně proto, že poskytuje velice odolnou a pevnou vrstvu oxidů hliníku, přičemž podmínky procesu lze spolehlivě kontrolovat, a to jak při výrobě, tak i při opravách. Používá ji např. americký Boeing. CAA je další běžnou metodou, která má odolnost a pevnost velice podobnou PAA. Udržení kontroly nad procesem je však obtížnější, hlavně proto, že nová anodizovaná vrstva se rychle uzavírá vzdušnou vlhkostí. Pokud nastane taková situace, adhezní primer nenajde potřebné vazby a lepený spoj bude vykazovat nízkou pevnost. Tuto metodu používá evropské konsorcium Airbus Industry. FPL leptání bylo historicky první hromadně používanou metodou přípravy povrchu hliníkových slitin pro účely metal bondingu na začátku 70. let. Metoda se ukázala po několika letech jako nevhodná kvůli korozi, která vzniká zachycováním vlhkosti ve vrstvě řízeného oxidu. Ten se časem konvertoval na hydroxid a výsledkem pak bylo rozlepení konstrukce. BAA je postup velice podobný CAA, jeho výhodou je šetrnost k životnímu prostředí, nevýhodou vyšší cena. Boeing používá BAA k ochraně duralových částí, které jsou ve styku s uhlíkovými kompozity.

Nástřik primeru

Po anodizaci následuje nástřik adhezního primeru zabraňujícího korozi (CIAP - Corrosion Inhibiting Adhesion Primer) na anodizované povrchy. Většina CIAP obsahuje chromáty ve formě inhibitorů koroze, čímž se dosáhne vyšší korozní odolnosti za současného udržení pevnosti lepeného spoje. Nástřik musí být v tenké vrstvě, která se pohybuje v řádech mikrometrů. Vlastní CIAP materiály vyžadují důkladné promíchání před jejich použitím, neboť chromáty, ale i další látky v nich obsažené mají tendenci sedimentovat. Po nástřiku se nanesená vrstva nechá zaschnout při pokojové teplotě a následně vytvrdit v peci při 90 °C po dobu 2 hodin. Z hlediska ochrany zdraví je při práci s CIAP materiály nutné používat respirátor, neboť primer obsahuje karcinogenní látky.

Lepidlo

V této fázi přichází na řadu aplikace lepidla, kde v zásadě existují dvě varianty - lepidla ve formě pasty nebo ve formě adhezního filmu. Z pastovitých lepidel se používají dvousložkové epoxidové pryskyřice zahuštěné různými druhy plniv a dalších přísad upravujících viskozitu a zvyšujících pevnost spoje. K nejpoužívanějším materiálům tohoto druhu patří Hysol EA 9394 od firmy Dexter. Některé pastovité pryskyřice se používají jako výplňové hmoty, např. pro výplně voštin. Nejpoužívanější výplňové hmoty mají označení Epocast (např. EC 13617,1620). Lepidla ve formě adhezních filmů jsou v podstatě také epoxidové pryskyřice. Vyrábějí se jako tenký film, kde se epoxidová pryskyřice vyskytuje v nerovnovážném, nezesíťovaném stavu v tzv. B epoxy stage. Proto je nutné tyto materiály uchovávat za velmi nízkých teplot okolo -20 °C. Dobu jejich skladovatelnosti a použitelnosti určuje hodnota tzv. mechanického života (mechanical life), obvykle charakterizovaná počtem jeho jednotek (unitů). Unit pak závisí zejména na teplotě skladování, eventuálně době vystavení filmu pokojové teplotě. Pro adhezní filmy je charakteristická zejména teplota vytvrzování a z tohoto pohledu je můžeme rozdělit na nízko- a vysokoteplotní (cca 125, resp. 175°C). Zvláštním druhem adhezních filmů je pak pěnové adhezivum, které při vytvrzování vytváří pěnu a používá se na spojování voštin. Adhezní filmy slouží k různým účelům, nejdůležitějšími jsou lepení voštiny na potah a lepení doublerů .

Vytvrzení

Závěrečným krokem technologie metal bonding je vytvrzení výrobku za předepsané teploty a tlaku. Vytvrzování obvykle provádíme v tzv. vakuum bagu (viz. obr), který se skládá z více komponentů, z nichž některé se nestávají součástí dílu (tzv. pomocné materiály). Mezi ně patří parting film - vrstva sloužící k separaci a prostupu plynů a těkavých složek z místa lepení; breather materiály - vrstvy zajišťující vakuum v bagu; folie vakuum bagu, pod níž se odsává vzduch a vzniká vakuum; sealing materiál pro utěsnění vakuum bagu. Jako alternativu k vakuum bagu můžeme využít vytvrzování ve formě pod lisem za současného vyhřívání, což je vhodné pro velkosériovou výrobu tvarově nenáročných dílů.

Opravy

Díly vyrobené technologií metal bonding lze také opravovat, a to velmi rychle a kvalitně, neboť vzhledem k požadavkům na tzv. on-wing opravy byla vyvinuta zvláštní zařízení a příslušenszví. Pro anodizaci se využívá konzolí PAA, které řídí proudovou hustou, průtok kyseliny fosforečné a další potřebné parametry. Mezi nejznámější patří zařízení GILDA od firmy G.M.I. Paris nebo zařízení PACS patentované firmou Boeing. Pro řízení vytvrzování včetně vytvoření kontroly vakua a teploty ve vakuum bagu se používají vytvrzovací konzoly, např. ANITA od G.M.I. Paris nebo americký Heatcon.
Zvláštním druhem metal bondingu je kombinace dvou odlišných technologií, kompozitů a kovových materiálů. Do této kategorie patří např. technologie GLARE vyvinutá na holandské univerzitě DELF, která využívá přednosti kompozitů, kovových konstrukcí i metal bondingu. Kvalitativně se jedná o další etapu vývoje v konstrukcích letadel. V současné době je využívána na nejmodernějších letadlech firmy Airbus a dále při výrobě komunikačních satelitů.
Petr Červený
Reklama
Vydání #10
Kód článku: 21013
Datum: 07. 10. 2002
Rubrika: Trendy / Spojování a dělení
Autor:
Firmy
Související články
Laserová technologie Platino pro každého

Nová verze fiber laseru Platino od italského výrobce Prima Power je jeden z nejúspěšnějších produktů z celého portfolia společnosti. 2D laser postavený na více než konsolidované platformě ze syntetického granitu má na kontě více než 2 000 instalací po celém světě. Stroj byl vybaven a aktualizován důležitými technologickými inovacemi, které přispívají k tomu, že je ještě rychlejší, spolehlivější a produktivnější.

Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Revoluce ve svařování laserem

Nejnovější technologie firmy Trumpf BrightLine Weld pro pevnolátkové lasery umožňuje svařování s nízkým rozstřikováním při rychlostech pohybu, které lze v dnešní době dosáhnout pouze pomocí CO2 laserů. BrightLine Weld umožňuje svary s částečným průvarem pro svařence s přenosem síly nebo svary s úplným průvarem pro svařování trubek a profilů. Tato technologie umožňuje výrazné zvýšení produktivity a energetické účinnosti. Vysoce kvalitní svarové švy se projevují vysokou mechanickou pevností vyrobených dílů. Minimalizované rozstřikování snižuje znečištění obrobku, upínacích zařízení a rovněž optiky. Výsledkem je zkrácení prostojů stroje, méně oprav dílů, vysoká životnost pracovní optiky a následkem toho podstatné snížení nákladů.

Související články
Metody spojování využívající principy plastické deformace

Součástí automobilů je množství nejrůznějších dílů, k jejichž výrobě se používají různé technologické procesy a široké spektrum materiálů. Technologie jako svařování, lepení a mechanické spojování jsou obvykle používány ke spojování jednotlivých dílů během montáže automobilu. Ačkoliv je technologie svařování velmi rozšířená, může svou podstatou ovlivňovat celkovou kvalitu spojovaných částí, jejich přesnost a spolehlivost. Vynaložená energie a síla potřebná pro spojování je při použití lepení nebo mechanických spojů vždy nižší než při svařování. Přitom stále rostou požadavky na vyšší stupeň deformace, produktivitu práce a na nižší náklady spojovacích operací.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Oscilující paprsek laseru pracuje přesněji

Univerzálním nástrojem naší doby je laser, kterým je možné bezdotykově opracovávat téměř všechny materiály. Ještě lépe a přesněji se podaří materiály řezat nebo gravírovat, když paprsek laseru kmitá.

Aktuální možnosti v laserovém svařování

Laserové svařování lze v dnešní době považovat za velice moderní technologii. Vysoké svařovací rychlosti, štíhlý svar a z toho plynoucí výhody jsou pozitiva, která umožnila začlenění této metody do progresivních výrobních technologií. Tento článek si klade za cíl představit aktuální možnosti laserových svařovacích technologií.

Řezání vysokým tlakem

Pro řezání drobných a kompletních tvarů kombinovaných (složených) materiálů nebo oceli používá řada podniků řezání vysokoenergetickým kapalinovým paprskem s abrazivem. Na trhu jsou nyní nabízeny tři rozdílné stroje, od základního modelu až po vysoce rychlostní variantu.

Nová generace polovodičových laserů s diamantovým sendvičem

Vědci z univerzity ve Stuttgartu ukázali cestu pro novou generaci polovodičových laserů. Tyto mají být zejména výkonnější a použitelné v nových oblastech. Lasery jsou založeny na diamantovém sendviči.

Autogen, plazma či laser?

Ať ve strojírenském, elektrotechnickém, potravinářském, chemickém či důlním průmyslu, nebo ve stavebnictví, zemědělství a mimo jiné také při výrobě dekoračních předmětů, tam všude nacházejí uplatnění CNC stroje pro termické dělení materiálů.

Trhací nýty pro vysoké zátěže

Strukturální trhací nýty jsou ideální alternativou ke svařování nebo šroubovému spojení. Bezpečně a rychle se instalují a nabízejí značné výhody z hlediska smyku, tahu a dynamického zatížení. Použití strukturálních trhacích nýtů M-Lok při montáži rámů strojů a strojních součástí umožnilo firmě Zahoransky zkrátit jejich výrobní časy.

Tvoříme historii vodního paprsku

Každá investice do podniká je spojena s velkým očekáváním. Jistou dávku důvěryhodnosti ve správnou investice může dávat také historie firmy i samotné technologie. Technologie řezání vysokotlakým vodním paprskem Flow slaví v tomto roce již 50 let, resp. 40 let v případě abrazivního vodního paprsku.

Vplyv ochrannej atmosféry pri zváraní hliníkových zliatin

Ľahké neželezné kovy ako hliník, horčík, titán a ich zliatiny, ktoré sú používané najmä v automobilovom, leteckom a kozmickom priemysle, musia spĺňať vysoké a často protichodné nároky ako je napríklad dostatočná pevnosť pri zachovaní vysokej ťažnosti alebo dobrá korózna odolnosť. Inak povedané, využívajú sa tam, kde ich náhrada dostupnejšími materiálmi nie je možná. Na zváranie materiálov z ľahkých neželezných kovov je potrebné použiť takú technológiu zvárania, ktorá bude ich vlastnosti degradovať čo najmenej. Celý rad štúdií a doterajších praktických skúseností ukazujú, že väčšina problémov vznikajúcich pri konvenčnom zváraní oblúkovými metódami môže byť potlačená použitím laserového lúča.

Inovovaná fiber laserová centra

Dnešní výrobci plechových dílů vyžadují vysoce flexibilní, efektivní a inteligentní řešení. Nové inovace ve výrobě vláknového laseru Prima Power byly navrženy a vyvinuty tak, aby splňovaly tato očekávání. Platino Fiber Evo je nejnovější verzí platformy Platino s více než 2 000 instalací po celém světě, vylepšenou o důležité technologické inovace.

Nové úkoly v technologii vodních paprsků

Jednou za dva roky pořádá Oddělení desintegrace materiálů Ústavu geoniky Akademie věd ČR konferenci o technologii vysokorychlostních vodních paprsků. Letos organizátoři pro své setkání vybrali nádherné a inspirativní prostředí Lednicko-Valtického areálu, zapsaného do seznamu světového a kulturního dědictví UNESCO. V pořadí již pátá konference této série přitáhla pozornost mnoha zahraničních a tuzemských odborníků.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit