Témata
Reklama

Teplota a čas - vliv na pevnost lepených spojů

Technologie lepení patří k pokrokovým způsobům spojování různorodých materiálů vzhledem k dosahovaným úsporám finančním i k úsporám deficitních kovů a času. Kvalita či poruchovost lepených spojů závisí na mnoha faktorech, např. na volbě lepeného materiálu, úpravě lepeného povrchu, volbě lepidla aj.

Lepený spoj dosahuje optimálních vlastností při dodržení všech technologických zásad. Z tohoto důvodu je důležitá znalost základních faktorů, které ovlivňují lepené spoje. Pokud se spoje lepí bez dobrých technologických znalostí, dosahuje se výrazně horších výsledků i za použití odolných a drahých lepidel.
Technologii lepení lze aplikovat téměř na všechny materiály, kovy i nekovy, ke vzájemnému spojování nejen mezi sebou, ale i s jinými materiály. Lepení umožňuje vytvořit spoje pevné a pružné, ale lze i vrstvit materiál na sebe. Za optimální pevnost konstrukčních lepených spojů se v hlavních kritériích namáhání považují hodnoty odpovídající hodnotám spojovaného materiálu. Pevnost lepeného spoje je soubor dílčích pevností nebo složek pevnosti, jako jsou pevnosti stanovené krátkodobými zkouškami, dále pevnosti spoje při dlouhodobém statickém a dynamickém zatěžování, pevnosti při zvýšených či snížených teplotách, pevnosti při vlivu různých prostředí.
Pevnost lepidla je ve srovnání s pevností kovů malá. Aby mohlo být využito alespoň zčásti pevnosti kovového adherendu, musí být lepená plocha velká a převážná část zatížení musí působit v rovině lepené plochy tak, aby byl spoj zatěžován ponejvíce smykovým napětím. Kovy jsou materiálem nepropustným pro plyny, vyznačují se zpravidla dobrými adhezními vlastnostmi a vysokou teplotní odolností. V oblasti lepení kovů se převážně využívají epoxidová lepidla.
Využití technologie lepení při spojování kovových dílů přináší řadu výhod:
  • není stanovena tloušťka spojovacích dílů (snížení celkové hmotnosti);
  • spoje nepropouštějí kapaliny a tlumí vibrace;
  • lze spojovat různé druhy kovů navzájem;
  • mohou vznikat speciální konstrukční materiály (např. kovoplastické lamináty, celokovové nebo kovoplastické voštinové sendvičové konstrukce, které se staly nepostradatelnými v řadě průmyslových odvětví).
  • Jedním z aspektů majících výrazný vliv na pevnost lepených spojů v provozu je vliv teploty a času. Tento aspekt je nazýván stárnutím, které se projevuje změnou mechanických vlastností v čase, především snížením výsledné pevnosti a spolehlivosti lepených spojů.
    Reklama
    Reklama
    Reklama

    Příprava a průběh testování

    Experimentální zkoušky byly provedeny dle normy ČSN EN 1465. Zkoušky byly prováděny na zkušebních tělesech zhotovených z oceli 11 321. Výchozím polotovarem pro přípravu ocelových vzorků byla tabule plechu o rozměrech 1 x 2 m, ze které byly nastříhány na vzorky požadované velikosti dle normy. Povrch připravených ocelových vzorků byl upraven tryskáním umělým korundem o velikosti frakce 710 - 850 mm. Drsnost Ra u takto připravených vzorků byla naměřena 3,6 mm.
    Vliv zvýšené teploty 60 °C na stárnutí a spolehlivost lepených spojů byl sledován u dvou náhodně vybraných epoxidových lepidel. Jednotlivé série zkušebních vzorků byly slepeny za stejných podmínek. Vytvrzení lepených spojů probíhalo při laboratorní teplotě (23 - 25 °C). První série vzorků byla podrobena zkoušce dle ČSN EN 1465 na univerzálním trhacím stroji ZDM 5 při laboratorní teplotě. Tyto vzorky sloužily jako porovnávací etalon ke stanovení výchozí pevnosti ?, se kterou byly ostatní série porovnávány. Další série byly ponechány po různý časový úsek při zvýšené teplotě prostředí 60 °C. Po uplynutí stanoveného času byla rovněž provedena zkouška dle ČSN EN 1465, tj. odečtena maximální síla ze stupnice, změřena plocha přelepu, určen typ porušení dle ISO 10365 a vypočtena pevnost lepeného spoje t.
    Z pevnosti lepených spojů u jednotlivých lepidel byl vypočítán variační koeficient, který byl dále využit pro stanovení kolísání hodnot pevnosti lepeného spoje v jednotlivých souborech.
    Byla posuzována následující dvousložková epoxidová lepidla, která vytvrzují při laboratorní teplotě 23 - 25 °C (údaje z obalů lepidel):
  • lepidlo A - jde o lepidlo míchané v poměru 1 : 1, u něhož je lepicí směs zpracovatelná do 60 minut. Teplotní odolnost je od -60 °C do +100 °C. Je vhodné pro lepení kovů, keramiky a plastů. Dokonalé vytvrzení lepidla nastane za 12 hodin;
  • lepidlo B - lepidlo míchané v poměru 1 : 1, u něhož je lepicí směs zpracovatelná do 120 minut. Teplotní odolnost je od -50 °C do +80 °C. Je vhodné pro lepení kovů, keramiky a plastů. Dokonalé vytvrzení lepidla nastane za 24 hodin.
  • Stanovení optimální tloušťky vrstvy pro zkoušená lepidla bylo provedeno na základě provedených experimentů. Pro další sledování vlivu teploty a času na pevnost lepeného spoje byla zvolena tloušťka vrstvy lepidla, u které bylo dosaženo nejvyšší pevnosti lepeného spoje. Byly posuzovány následující tloušťky lepené vrstvy 0,06 mm, 0,11 mm, 0,16 mm, 0,22 mm, 0,29 mm a 0,38 mm. U obou posuzovaných lepidel A i B byly naměřeny nejvyšší hodnoty pevnosti lepeného spoje při tloušťce vrstvy lepidla 0,11 mm.
    Průběh závislosti působení teploty a času na pevnost lepeného spoje je vystižen regresní exponenciální funkcí 2. stupně. Typ funkce je odvozen od tvaru korelačního pole, které je tvořeno body na průsečíku závislé a nezávislé proměnné.

    Funkční rovnice

    Pro obě regresní funkce byla vypočítána funkční rovnice, která vyjadřuje závislost pevnosti lepeného spoje t (y) na čase, po který byl lepený spoj vystaven zvýšené teplotě 60 °C (x). Z kolika procent je tato závislá proměnná ovlivněna uvažovanou nezávisle proměnnou, udává index determinace I2tx.
    Pevnost lepeného spoje dosažená bezprostředně po vytvrzení při laboratorní teplotě se značně liší od pevnosti lepeného spoje t vystaveného po určitý časový interval zvýšené teplotě 60 °C. Tento rozdíl byl patrný i u jednotlivých lepidel. Lepidlo A vykazuje mírný pokles pevnosti t při zvýšené teplotě, ale u lepidla B došlo k prudkému poklesu této pevnosti t.
    Při laboratorní teplotě dosahuje pevnost spoje u obou lepidel relativně stejných hodnot pro všechna měření. Variační koeficient, tj. odchylka pevnosti lepeného spoje od průměrných hodnot, se pro jednotlivá lepidla pohybuje v rozmezí od 1,6 do 2,1 %. Se vzrůstající teplotou roste variační koeficient, a to až na hodnotu 8,86 % u lepidla B. Z tohoto experimentu plyne závěr, že rostoucí teplota prostředí může způsobovat značné rozdíly v pevnosti lepených spojů v závislosti na typu lepidla, a také teplota prostředí ovlivňuje každý lepený spoj odlišně.

    Výsledky testů

    Výsledky provedených experimentů ukazují důležitost provedení předběžných ověřovacích zkoušek jednotlivých lepidel před jejich využitím v konkrétní aplikaci. Výsledná pevnost lepeného spoje se mění nejen se změnou jednotlivých parametrů teploty, ale může být odlišná i při použití různých lepidel. Dále se ukázal nepříznivý stoupající trend variačního koeficientu, což vyjadřuje značné odchylky pevnosti lepeného spoje od průměrných hodnot. Odchylky mohou zapříčinit náhlý pokles pevnosti spojů, u kterých se domníváme, že mají stále poměrně dobré vlastnosti. Takový neočekávaný jev se může projevit náhlou nefunkčností celého kompletu nebo vznikem nenadálé poruchy.
    Pevnost spoje vlivem stárnutí klesá, současně však roste rozptyl hodnot makroskopické meze pevnosti lepeného spoje. Při pevnostních výpočtech lepených spojů, které mají zvýšené provozní teploty, by měl konstruktér znát tuto klesající tendenci meze pevnosti, neboť jak bylo experimentálním měřením zjištěno, již po padesáti dnech tepelné expozice spoje dochází k poklesu pevnosti až na 50 % původní hodnoty pevnosti.
    Tento článek vznikl v rámci řešení grantu FRVŠ na katedře materiálu s strojírenské technologie, TF ČZU v Praze s názvem "Vliv teploty prostředí na pevnost lepeného spoje", č. 721/2005/G1 (31140/1161/311604).
    Ing. Miroslav Müller, Ing. Rostislav Chotěborský, Ph.D.,
    Ing. Petr Hrabě, Ing. David Herák, Ph.D.
    Veškeré obrázky, grafy, tabulky a vzorce naleznete v tištěné podobě časopisu.
    Reklama
    Vydání #10
    Kód článku: 51030
    Datum: 12. 10. 2005
    Rubrika: Trendy / Spojování a dělení
    Autor:
    Firmy
    Související články
    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.

    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.

    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.

    Související články
    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.

    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Související články
    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.

    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.

    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.

    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.

    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