Факторы, влияющие на прочность клеевого соединения

Склеивание – процесс создания неразъемного соединения посредством введения в зазор между склеиваемыми деталями промежуточного слоя – клея.

Клеи (адгезивы) – это неметаллические материалы в жидком, пастообразном или твердом состоянии, с помощью которых прочно соединяют твердые предметы (субстраты).

Для приготовления клеев используются как натуральные материалы – белок животных продуктов (кости, кожа и т.п.), углеводы (крахмал, декстрин и др.), растительные соки и смолы (крахмал, гуммиарабик, каучук, канифоль и др.), так и синтетические вещества (искусственная смола, синтетический каучук и др.). Упрочнение клея происходит как физическим (в результате испарения растворителя, охлаждения временно расплавленного клея и пр.), так и химическим (добавка отвердителя обеспечивает полимеризацию искусственной смолы) способом. В последнее время наметилась тенденция замены натуральных клеевых материалов искусственными, т.к. последние в процессе эксплуатации более устойчивы к внешним воздействиям (влажность, тепло, химикаты) [5].

Стойкость клеевого соединения, в первую очередь, зависит от силы адгезии (сцепления) клея с соединяемой поверхностью и силы когезии (межмолекулярного соединения) внутри клеевого слоя. Прочность шва определяется наименьшей из этих двух сил.

Однако прочность шва зависит не только от сил адгезии и когезии, но и от остаточных напряжений, возникающих при отверждении, температуры, размеров, числа и расположения воздушных включений, трещин и других дефектов. Прочность соединения существенно зависит от технологии склеивания, т.к. именно в процессе склеивания могут возникнуть слабые участки клеевого слоя. Они способствуют образованию дефектного соединения, прочность которого значительно ниже теоретической [31].

Для достижения большей силы сцепления адгезив должен основательно смачивать поверхность. Хорошее смачивание происходит при соблюдении следующих условий:

1) соединяемые поверхности должны быть чистыми и сухими. Любые загрязнения, оксидные пленки, жиры и масла перед нанесением клея следует тщательно удалить. Только в этом случае адгезив основательно смачивает поверхность, следовательно, между адгезивом и склеиваемой поверхностью образуется более прочная химическая связь;

2) соединяемые поверхности должны быть достаточно шероховатые. Доказано, что соединение получается более качественным при склеивании шероховатых поверхностей, чем гладко отполированных.

При составлении и применении клеевых композиций учитывается уравнение (равенство Стефана), согласно которому происходит возрастание прочности склеивания с увеличением вязкости адгезива, площади контакта и уменьшением толщины клеевого шва. Начальная вязкость клеев мала, что способствует смачиванию и растеканию. Затем по мере испарения растворителя и полимеризации адгезива вязкость увеличивается [2].

Прочность клеевого соединения зависит не только от размера соединяемых поверхностей, но и от вида нагрузки на затвердевший слой клея (рис. 3.1). Как показывает практика, клеевое соединение способно выдерживать нагрузки на сжатие такой же величины, как и соединение, полученное пайкой с применением твердых припоев (рис. 3.1, позиция 2). Прочность клеевого соединения при испытании на растяжение и на сдвиг будет тем выше, чем больше площадь склеивания (рис. 3.1, позиции 1 и 3). Нагрузки, действующие наклонно (под углом), необходимо предотвращать (рис. 3.1, позиция 4). Они являются наиболее опасными, т.к. их воздействие сосредоточивается на узком участке (изгиб с отслаиванием).

Рис. 3.1. Виды нагрузок на клеевое соединение

С точки зрения конфигурации клеевых швов наименьшей прочностью отличаются простые стыковые швы (рис. 3.2, позиция 1), т.е. когда две детали склеиваются между собой торцами. Однако существуют способы увеличения прочности шва, которые можно учитывать при конструировании стыков. В большинстве случаев они сводятся к увеличению площади контакта соединяемых деталей. Например, для увеличения прочностных характеристик шва рекомендуется использовать:

- соединение со скосом (рис. 3.2, позиция 2);

- соединение со стыковой накладкой (рис. 3.2, позиция 3);

- соединение внахлест (рис. 3.2, позиция 4);

- склеивание с вспомогательной заклепкой (рис. 3.2, позиция 5);

- соединение, где одна деталь вставляется в отверстие или паз, проделанный в другой детали (рис. 3.2, позиция 6) [5].