Témata
Reklama

Předúprava oceli nízkoteplotním plazmatem pro zvýšení pevnosti lepeného spoje

V příspěvku jsou shrnuty výsledky výzkumu vlivu plazmochemické předúpravy vzorků oceli DC01 na výslednou pevnost lepeného spoje. Pro předúpravu povrchu vzorků oceli byla použita RF štěrbinová tryska generující plazma. Jako pracovní plyn byl použit argon a argon v kombinacích s dusíkem nebo kyslíkem. Vliv plazmové předúpravy na povrch oceli byl vyhodnocen pomocí měření kontaktních úhlů a výpočtu volné povrchové energie. Po slepení vzorků oceli pomocí běžně užívaného lepidla Weicon Flex 310M HT200 byly testovány výsledné vlastnosti lepeného spoje pomocí standardních mechanických odtrhových testů podle ČSN EN 1465.

V současné době se v průmyslu pro spojování materiálů ve stále větší míře používá technologie lepení. Lepení je dnes již zavedeným postupem, který přináší nové kombinační možnosti a umožňuje získat spoje takových tvarů a vlastností, které jsou obtížně dosažitelné běžnými způsoby, jako je svařování, nýtování a jiné. Spojování materiálů lepením je významná technologická operace, kdy vysoká kvalita a pevnost spoje závisejí nejenom na typu použitého lepidla a druhu slepovaného materiálu, ale také na případné povrchové úpravě.

Tento článek se zabývá vlivem předúpravy povrchu nízkouhlíkové oceli DC01 pomocí plazmové trysky vyvinuté na Masarykově univerzitě. Důraz je kladen na změnu jeho vlastností a na kvalitu vytvořeného lepeného spoje. V experimentální části jsou srovnány výsledky pro vzorky bez plazmové předúpravy a s plazmovou předúpravou pomocí štěrbinové plazmové trysky při použití různých pracovních plynů. Změny vlastností povrchu jsou posuzovány pomocí volné povrchové energie zjištěné na základě měření kontaktních úhlů. Lepený spoj byl proveden pomocí vysoce teplotně odolného elastického lepidla na bázi MS polymerů Weicon Flex 310M HT200. Kvalita výsledného lepeného spoje byla po řádném vytvrzení testována pomocí odtrhových zkoušek.

Reklama
Reklama

Příprava vzorků

Pro testování byly použity pásky plechu nízkouhlíkové oceli DC01 o velikosti 130 × 25 mm a tloušťce 1,5 mm. Každý vzorek byl tvořen dvěma uvedenými pásky, které byly odmaštěny etanolem a slepeny plochou o velikosti 25 × 15 mm. Za účelem vyhodnocení vlivu plazmové předúpravy byly připraveny vzorky referenční a vzorky upravené pomocí štěrbinové RF (13,56 MHz) plazmové trysky. Použitá tryska o rozměrech 120 × 80 mm pracuje za atmosférického tlaku při výkonu 350 W. Pro porovnání vlivu použitého plazmatu na lepený spoj byly použity tři různé pracovní plyny – čistý argon, argon s příměsí kyslíku a argon s příměsí dusíku. Průtok argonu (99,996 %, Messer) byl nastaven na 50 l.min-1 a průtok příměsí (O2, N2) byl nastaven na 0,3 l.min-1. Povrch ocelových pásků byl upraven dvěma přejezdy trysky při rychlosti 1,5 m.min-1 ve vzdálenosti 3 mm od povrchu vzorku. Bezprostředně po plazmové předúpravě povrchu byly vzorky lepeny pomocí komerčně dostupného lepidla Weicon Flex 310M HT200 a vytvrzeny po dobu 48 hodin při pokojové teplotě.

Měření a vyhodnocování

K vyhodnocení volné povrchové energie testovaných vzorků bylo použito zařízení SeeSystem (Advex Instruments), které umožňuje výpočet volné povrchové energie materiálu. Pro vyhodnocení byl použit Owens-Wendt regresní model pro šest testovacích kapalin (voda, glycerol, etylenglykol, dijodmetan, formamid, α-bromnaftalen). Pro zajištění dostatečné přesnosti měření kontaktních úhlů bylo u každé kapaliny hodnoceno deset kapek o objemu 3 µl.

Kvalita lepeného spoje byla vyhodnocena na základě odtrhových zkoušek provedených na zařízení Shimadzu AGS-5kNX. Zkouška namáhání tahem byla provedena vždy na deseti kusech vzorků od každé úpravy. Parametry provádění této zkoušky vycházejí z normy ČSN EN 1465.

Dosažené výsledky

Vypočítané střední hodnoty kontaktních úhlů se směrodatnými odchylkami pro různé testovací kapaliny jsou uvedeny v tabulce 1. Po plazmové úpravě je patrná výrazná změna hodnot smáčivosti oproti referenci. Velikosti kontaktních úhlů a smáčivost jsou závislé na použitém pracovním plynu během plazmové úpravy, který může ovlivňovat chemické složení povrchu. Značení výsledků a testovacích kapalin je následující: Ar – argonové plazma, O – argonové plazma s příměsí kyslíku, N – argonové plazma s příměsí dusíku; DIM – dijodmetan, EG – etylenglykol, FA – formamid, GL – glycerol, α-BN – α-bromnaftalen.

Pro zvětšení klikněte na tabulku.

V tabulce 2 jsou uvedeny vypočítané hodnoty volné povrchové energie a maximální odtrhová síla naměřená během mechanických testů. Důležitou informací je i hodnota směrodatné odchylky odtrhové síly, která reprezentuje míru opakovatelnosti dosažených výsledků. Pro lepší přehlednost je v tabulce uveden i procentuální nárůst zjištěných hodnot oproti referenčnímu vzorku bez plazmové povrchové úpravy.

Pro zvětšení klikněte na tabulku.

Na obrázku 1 je zobrazeno grafické porovnání výsledků mechanických testů pro různé typy plazmových úprav, včetně směrodatných odchylek. Patrný je nejen téměř dvojnásobný nárůst síly potřebné pro přetržení lepeného spoje u všech vzorků s plazmovou předúpravou povrchu, ale i snížení hodnoty směrodatné odchylky měření. Tato skutečnost odráží fakt, že díky plazmové předúpravě je možné získat konzistentnější výsledky a je tedy i zvýšena homogenita daného lepeného spoje a tím i opakovatelnost v rámci testované sady.

Obr. 1. Porovnání výsledků mechanických testů – velikost maximální aplikované síly pro různé úpravy povrchu vzorku oceli DC01

Zajímavých výsledků bylo dosaženo i v případě porovnání velikosti aplikované síly na prodloužení lepeného spoje, jak lze vyčíst z obrázku 2. Kromě značného nárůstu aplikované síly nutné pro porušení lepeného spoje v případě předupravených vzorků, došlo i k téměř dvojnásobnému prodloužení spoje před porušením v případě argonového plazmatu a argonového plazmatu s příměsí kyslíku a k téměř trojnásobnému prodloužení v případě argonového plazmatu s příměsí dusíku.

Obr. 2. Závislost aplikované síly během mechanických testů na prodloužení lepeného spoje pro různé úpravy povrchu pomocí plazmové trysky

Plazmová předúprava zvýšila pevnost lepeného spoje

Plazmová předúprava ocelových vzorků byla zkoumána pro tři různé směsi pracovních plynů a byl hodnocen vliv této úpravy na výslednou pevnost lepeného spoje. Byla prokázána vhodnost a funkčnost plazmové úpravy materiálu pro danou aplikaci. Při dobré smáčivosti se předpokládá zvětšení reálného povrchu spoje, což by také mělo mít pozitivní vliv na jeho pevnost. Z dosažených výsledků je patrné, že mezi hodnotami volné povrchové energie vzorku oceli DC01 a výslednou soudržností není zcela přímá úměra. Přesto v případě použití vhodného lepidla – zde Weicon Flex 310M HT200 je možné dosáhnout značného zlepšení kvality lepeného spoje i opakovatelnosti dosažených výsledků. Zlepšení pevnosti lepeného spoje oproti neupravenému povrchu oceli DC01 je v tomto případě přibližně dvojnásobné. Vhodnou volbou pracovního plynu lze dosáhnout zřetelně rozdílných výsledných vlastností lepeného spoje pro konkrétní kombinaci použitého materiálu a lepidla i při zachování stejných parametrů plazmatu (výkon, průtok plynu aj.).

Tento příspěvek vznikl za finanční podpory TAČR při řešení projektu TE02000011 a podpory VUT FSI Brno – Projekt VAV 13 313.

Mgr. E. Dvořáková, Ph.D. a, Mgr. M. Korous a, Mgr. B. Pijáková a,
Mgr. M. Klíma, Ph.D. b,
doc. Ing. M. Dvořák, CSc. c

a
Ústav fyzikální elektroniky, Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita
b Centrum pokročilých nanotechnologií a mikrotechnologií, Středoevropský technologický institut
c Odbor technologie tváření kovů a plastů, Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně

Eva Dvořáková

eva.dvorakova@mail.muni.cz

http://www.sci.muni.cz/cz/UFE/

Reklama
Související články
Výrobní laserové technologie

Výrobní laserové technologie lze dělit mnoha způsoby-, podle použitého výkonu, délky pulzu nebo interakce s materiálem. Nejjednodušší způsob rozdělení laserových technologií je do tří skupin: dělení a odebírání materiálu, spojování materiálu a úprava povrchu materiálu. Vzhledem k rozmanitosti využití laseru není toto dělení zcela jednoznačné a existuje několik dalších technologií, které se nacházejí mezi těmito kategoriemi.

Jsou smíšené konstrukce dočasně za svým zenitem?

Nikdo nenamítá proti oprávněné potřebě lehkých konstrukcí v dopravě, aeronautice, obalové technice a u pohyblivých částí strojů, systémů a zařízení. Avšak jsou smíšené konstrukce s plasty vyztuženými vlákny v současnosti opravdu za svým zenitem?

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.

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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Současný vývoj v oblasti svařování

Svařování, resp. spojování materiálů je v podstatě průřezová skupina technologií, která ovlivňuje prakticky všechny průmyslové obory. Některé obory by bez svařování a dalších způsobů spojování materiálů dnes již nemohly vůbec existovat, např. výroba automobilů, výroba konstrukcí ve stavebnictví a řady strojírenských složitých výrobků, včetně energetických zařízení.

Průmyslové využití nejvýkonnějších laserů

Již několik desetiletí jsme svědky postupného nabývání významu a upevňování pozice laserů nejen v průmyslových provozech, ale i ve zdravotnictví, metrologii a mnoha dalších oblastech. Na stránkách tohoto vydání je uvedeno hned několik možností jejich využití, všechny jsou však velmi vzdálené možnostem laserů vyvíjených v centru HiLASE. V Dolních Břežanech u Prahy totiž vyvíjejí „superlasery“.

Laserové řešení pro plastikářský průmysl

Konvenční technologie opracování plastů již v mnoha případech nevyhovuje požadavkům koncových uživatelů. Moderní lasery posouvají kvalitu výroby plastů na zcela novou úroveň. Lastic představuje implementaci nejmodernějších laserových technologií a ergonomického ovládání do jediného produktu, jenž je navržen tak, aby jeho aplikace do stávajících výrobních linek byla zcela bezproblémová.

Špičkové technologie dnes i zítra

Společnost Trumpf je renomovaný výrobce technologií na zpracování plechů a profilů a laserů pro průmysl. Výrobní historie se pomalu blíží celé stovce let a česká pobočka s obratem zhruba sto milionů eur za rok patří k důležitým průmyslovým hráčům nejen na českém trhu. Bylo proto jasnou volbou požádat ředitele společnosti Trumpf Praha Romana Haltufa, aby čtenářům MM Průmyslového spektra prozradil, kam se vývoj v tomto nepostradatelném oboru za minulá léta posunul.

Cyklické zkoušky pro reálnější simulace

Životnost, trvanlivost, odolnost, ale i třeba degradace jsou důležitými pojmy, pokud se bavíme o životním cyklu jakékoliv součásti. Kupující nebo odběratel požaduje záruky, že právě obdržený díl, zařízení či konstrukce bude fungovat předem stanovenou dobu, navíc je-li ve hře také otázka bezpečnosti. Udělení certifikace či určení doby trvanlivosti často předcházejí různé zkoušky. Důležitou skupinou z nich jsou urychlené korozní zkoušky. Nejen jimi se v úzké spolupráci s průmyslem zabývají ve vědecko-technickém parku v Kralupech nad Vltavou.

Výuka a výzkum aditivních technologií

Inovativní výrobní technologie nacházejí své místo také v technickém vzdělávání. Do svých osnov je dříve či později zakomponovaly všechny technické vysoké školy. Avšak pořízení nákladných technologií se neobejde bez podpory ze strany průmyslového výzkumu. Na Fakultě strojní ČVUT v Praze nyní disponují úplně novým zařízením M2 cusing pro výrobu dílů metodou DMLS německého výrobce Concept Laser, dnes působící pod značkou GE Additive. Stroj dodala společnost Misan a technologie slouží primárně pro výzkum v leteckém průmyslu.

Automatizace lidem práci nebere

Automatizaci se ve firmě Kovosvit MAS věnují od roku 2013. Z původního projektu vznikla samostatná divize MAS Automation a na letošní rok má plánované téměř dvojnásobné tržby oproti roku 2017. V porovnání s plánovaným obratem celého Kovosvitu jsou tržby divize zatím nevýznamné, ale průměrný růst divize o dvě třetiny ročně dokládá, že automatizace má v podniku ze Sezimova Ústí zelenou.

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.

Navařování metodou WAAM

Aditivní výroba (AM – Additive Manufacturing, 3D print apod.) je inovativní výrobní proces, kterým je možné vytvářet trojrozměrné objekty tak, že se postupně skládá vrstva po vrstvě určitého materiálu a tím se vytvářejí rozličné finální tvary podle CAD předlohy (zatímco u konvenčních způsobů výroby, jako např. obrábění, se odstraňuje nežádoucí materiál z plného průřezu).

Startovní výstřel pro kovozpracování a subdodavatele

Veletrhy Intec a Z 2021, které se budou konat v příštím roce od 2. do 5. března, opět promění Lipsko v centrum strojírenství a evropského subdodavatelského průmyslu. V nelehkých dobách nabídnou důležitou pomůcku pro orientaci v zásadních změnách, kterými průmysl prochází. Vystavovatelé z Česka mají na veletrzích Intec a Z ty nejlepší předpoklady navázat, či dále prohloubit obchodní vztahy s významnými společnostmi z Německa a celé Evropy. Ministerstvo průmyslu a obchodu plánuje společnou expozici českých firem v rámci programu na podporu exportu.

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