Конструирование клеевых соединений [272, 392] включает в себя определение формы и расчет размеров соединения, а также выбор клея и способа его нанесе­ния. При этом конструктору необходимо учитывать тип конструкции, величину, направление и длительность дей­ствия нагрузки, условия эксплуатации изделий, а также его стоимость. При конструировании клеевого соедине­ния композиционных пластиков необходимо учитывать, что напряжения сдвига между слоями материала могут оказаться столь же опасными, как и сдвигающие на­пряжения в клеевой прослойке.

При создании клеевых соединений необходимо, что­бы поверхность склеивания была возможно большей и чтобы нагрузку воспринимала возможно большая ее часть. Кроме того, надо, чтобы нагружение клеевого шва происходило в направлении его максимальной 'Прочно­сти, конструировать клеевое соединение так, чтобы оно работало на сдвиг, и исключать отдирающие или рас­слаивающие напряжения. Эти требования обусловлены тем, что прочность при сдвиге т у пластмасс меньше, чем прочность ст при растяжении; например, у карбопластов т/сг= 1/15—1/35 [38]. При соединении слоистых пласти­ков нагружение шва в направлении, перпендикулярном слоям наполнителя, не. допускается, поскольку, напри­мер у эпоксидных боропластов межслойная прочность при отрыве в 2 раза ниже межслойной прочности при сдвиге [69].

Большое влияние на работоспособность клеевого со­единения оказывает его конфигурация. Основные виды клеевых соединений приведены на рис. VI.3. От вида клеевых соединений зависит их прочность при растяже-

Рис* VI. З, Виды конструкций клеевых соединений: а — внахлестку; 6 — встык с подсечкой; я"— встык с одной и двумя накладками; а*—с двойкой нахлесткой; д — встык с нахлесткой; є — на ус; 'ж—« — уголковые; к — тавровое; л — двутавровое; м—о — при изготовлении полых профилей: я—г— пазовые; г—ф — телескопические (круглые); х—ч — присоединение донышка или крышки к сосуду; ш — соосное втулки с ци-1 ^индром; щ — соосное двух стержней; ы — присоединение профили к листу (торцевое соединение), 1

Таблица VI.3, Концентрация напряжений в клеевых швах при различных нагрузках Концентрация напряжений при Вид соединения растяжении сжатии изгибе Внахлестку Большая Большая Большая На ус Малая Малая Большая Встык Средняя Малая Большая Встык с подсечкой Большая Большая Большая Встык с нахлест- Средняя Большая ■кай Малая Внахлестку со ска­шиванием. кро- Малая Малая Средняя мок

нии, сжатии, изгибе. Некоторые соединения, очень проч­ные при нагружении в одном направлении, могут быстро разрушиться при изменении направления действия на­грузки. Например, соединение встык, характеризующее­ся высокой прочностью при сжатии, обладает низкой прочностью при растяжении и особенно при изгибе. Соединение внахлестку может выдержать относительно большую растягивающую нагрузку, но при изгибе легко разрушается. Некоторое представление о концентрации напряжений в различных соединениях при действии рас­тяжения, сжатия или изгиба, дает табл. VI.3 [393, с. 14]. Большое значение имеет также равномерность (или не­равномерность) распределения этих напряжений в клее­вом шве. Поэтому при конструировании клеевого соеди­нения необходимо иметь представление о напряжении, существующем в каждой точке соединения. Вычисленные или найденные на основании опытных данных средние значения напряжения не могут дать полного представле­ния о действительном распределении напряжений, воз­никающих при нагружении.

Прочность клеевых соединений зависит от многих факторов: геометрических соотношений, жесткости со­единяемых элементов, упруго-пластических свойств Клеевой прослойки, ее толщины жтолщины соединяемых элементов, эксцентриситета нагружения и от многих других, иногда трудно учитываемых при расчетах. По­этому более полно исследована прочность наиболее про-

Рис. VIA. Схематическое изображение деформирования соединен­ных внахлестку элементов 1 и клеевой прослойки 2 о — ненагруженное соединение, р=0; б, а — нагруженные соединения элемен­тов нз материалов с одинаковыми (б) и разными (в) деформационными свой­ствами, Ад, V; — смещение клеевой прослойки в середине н на конце нахлестки.

Рис. VI.5. Схематическое изображение изгиба соединенных внахлест - . ку элементов и напряжений отрыва о0Тр, возникающих по концам. нахлестки;

п — соединение перед нагружением, р —0; б —действие изгибающего момента
в области нахлестки; в — окончательное деформирование соединения.

стых видов соединений — пахлесточных и на ус при ра­стяжении.

Прочность клеевого соединения внахлестку по мень­шей мере равна прочности образца, изображенного на рис. VI.3, а я полученного механической обработкой из листа, толщина которого вдвое больше толщины склеи­ваемых материалов. Соединения внахлестку характери­зуются неравномерным распределением напряжений по длине соединения,- причем максимальные напряжения могут в несколько раз превышать средние значения [309; 394, с. 120].

Концентрация напряжений в пахлесточном соедине­нии обусловлена разностью деформаций склеенных эле­ментов при нагружении (рис. VI.4) и их изгибом. Раз­ность деформаций в месте склеивания возникает по той причине, что каждый из соединяемых элементов на участке до начала, шва подвергается воздействию всей нагрузки, а передает ее другому элементу через клеевую прослойку постепенно. В результате этого напряжения в каждом элементе в начале шва являются максималь­ными, а затем уменьшаются к концу соединения до нуля,

В нахлесточных соединениях при растяжении ВОЗНИ' кают преимущественно напряжения сдвига, но на участ­ках, близких к концам нахлестки, могут появиться и на­пряжения 'отрыва в направлении, перпендикулярном плоскости склеивания (рис. VI.5). Максимальное напря­жение и его отношение к среднему напряжению (коэф­фициент концентрации напряжений п) является функ­цией длины нахлестки 7н, модуля сдвига G и толщины d клеевой прослойки, модулей упругости El, Ег И ТОЛЩИ­НЫ Si, fis склеиваемых элементов. Эта функциональная зависимость выражается формулой (VI.1), приведенной на с, 210, - і

Анализ влияния различных конструктивных факто­ров на прочностные характеристики клеевого соединения внахлестку показывает, что концентрация напряжений возрастает с увеличением длины нахлестки, медленно повышается с возрастанием модуля сдвига клея и мед­ленно уменьшается с увеличением модуля упругости и толщины соединяемых элементов, а также толщины клеевой прослойки.

Расчет напряжений в соединении "встык с нахлесткой (рис. VI.3, (?) двух пластин из разнородных материалов показал '[395], что в клеевой прослойке по краям шва имеет место высокий уровень напряжений сдвига, при­чем максимум наблюдается со стороны менее жесткого материала (рис. VI.6). С уменьшением толщины клеевой прослойки эти напряжения сдвига еще больше возраста­ют [395]. Изменения нормальных напряжений в обоих материалах по длине соединения показаны на рис. VI.6. В материалах имеются максимумы напряженного со­стояния, почти одинаковые по величине для каждого материала. Эти максимумы дают коэффициент концент­рации напряжений около 3 по отношению к равномерно распределенному напряженному состоянию вдали от со­единения.

Экспериментальное изучение распределения напря­жений в клеевых нахдесточных соединениях эластичных материалов показывает, что касательные напряжения в клеевой прослойке распределяются неравномерно не только по длине, но и по ширине нахлестки, причем они сосредотачиваются в углах нахлестки [396].

Расчет нахлесточного соединения сводится, как пра­вило, к определению площади склеивания или длины

Рис. VI.6. Зависимость коэффициента концентрации касательных Л', (3) и нормальных Кё напряжений в эпоксидном брропластике (/) и алюминиевом сплаве (2) при соединении встык с нахлесткой от длины шва: А — алюминиевый сплав (£i=6,9-№ МПа); Б — борол ластик (£г=22,ЗХ X10* МПа); В — клеевая прослойка (G=0,114-10< МПа); 6i=6j=0,l /д: d= =0',oi ;н.

нахлестки. Поскольку на оптимальную длину нахлестки влияет очень много факторов, ее значение определяют опытным путем.

Разрушающая нагрузка при сдвиге нахлесточного клеевого соединения увеличивается прямо пропорцио­нально ширине соединения, в то время как разрушаю­щее напряжение практически остается на одном уровне (рис. VI.7) [397]. Из рисунка видно, что при испытании на сдвиг при сжатии в результате более равномерного распределения напряжений по длине нахлёстки получа­ются более высокие значения разрушающего напряже­ния, чем при испытании на сдвиг при растяжении.

Рост прочности соединений наблюдается также при увеличении длины нахлестки’.- Однако в этом случае пря­мой пропорциональности нет, поскольку края нахлестки несут большую нагрузку, чем середина шва. С увеличе­нием длины нахлестки до определенного предела напря­жения в средней части приближаются к нулю, и возмож­ность повышать несущую способность соединения пол­ностью исчерпывается.

Прочность соединения внахлестку повышается так­же с увеличением жесткости соединяемых * деталей, на­пример в результате увели­чения толщины [305, 398] или повышения содержания наполнителя [398]'. Если при нагружении разрушает­ся материал, следует увели­чить его толщину. Иными с лов а ми, необ ходи мо стр е - м. нться к обеспечению рап - нрнрочности клеевого со­единения и склеиваемого материала. Прочность клее­вых соединений пластмасс с металлами возрастает при замене менее прочного ме­талла на более прочный [69]1. Вместе с тем с увели­чением толщины. пластмас­совых деталей в клеевых соединениях их с металли­ческими деталями снижаете прочности пластмассы [305, 321] (рис. VI.8)~ Наиболее целесообразно' нахлесточное соединение для деталей толщиной <1,2 мм.

Повышение прочности связи между слоями стекло­пластика, например при переходе от контактного фор­мования к прессованию склеиваемых деталей, увеличи­вает и прочность склеивания [321, 333, 399]. Подобная картина наблюдается и у карбопластов [38]. Длину на­хлестки соединения, работающего при статической на­грузке, можно определить по формуле /н = бСТт/т (б — тол­щина соединяемого материала; от—‘напряжение,

соответствующее пределу текучести-термопласта или раз­рушению реактопласти; х — разрушающее напряжение клеевого соединения при сдвиге) или по эмпирической формуле /м = {2,5—-5) (6t+6s), где бі и бг— толщина со­единяемых деталей. При динамических нагрузках разру­шающее напряжение при сдвиге принимают равным :/s его значения при статическом нагружении [2, с. 283].

Для практических расчетов - нахлесточных клеевых соеди­нений существуют простые за­висимости [397], связывающие средние разрушающие напря­жения при сдвиге с размера­ми соединения: т=В(Уб//н).

При конструировании клеевых соединений таких полимерных материалов, как полиэтилен и полипропилен, можно пользо­ваться эмпирическим соотно­шением: х—А-/где ко­эффициент А определяется опытным путем. Например, для полученных с помощью эпоксидно-полиамидного клея ■ нахлесточных соединений по­лиэтилена и полипропилена А соответственно равно 15,4 и 22,5 Н/мм1-75 [391].

Анализ напряжений, возни­кающих в клеевом нахлесточ - ном соединении (см. форму­лу. VI.1), приводит к выводу о том, что в конструкциях еле-.

дует применять толстую и нежесткую клеевую прослой­ку. Однако известно, что прочность толстой клеевой про­слойки обычно ниже прочности более тонкой [399, 400]!, а клеи чрезмерно большой эластичности отличаются вы­сокой ползучестью под нагрузкой и не могут быть ис-. пользованы для клеевых соединений в силовых кон­струкциях из пластмасс. Вместе с тем жесткие клеевые прослойки (преимущественно из отвержденных реакто - пластов) в большинстве случаев хрупки, из-за значи­тельных остаточных напряжений. В связи с этим пра­вильный выбор клей, учитывающий конструкционные особенности соединяемых деталей, является одним из способов создания работоспособного соединения, Напри­мер, для соединения внахлестку тонких нежестких ли­стов необходимо применять возможно более эластичные клеи, образующие Относительно толстую прослойку. Со­единяя внахлестку 'толстые, жесткие детали, целесооб-
разйо применять более Жесткий, прочный клей, так кан распределение напряжений в большой степени опреде­ляется жесткостью элементов. Клеи, характеризующие­ся высокой энергией деформации, способствуют сущест­венному улучшению целостности, клеевого шва при ста­тических и динамических нагрузках. В связи с этим клеевая прослойка должна обладать высокой прочно­стью и достаточной для снижения в соединении кон­центрации напряжений эластичностью.

При конструировании соединений необходимо стре­миться свести концентрацию напряжений в них к мини­муму. Для нахлесточных соединений эта задача может быть решена с помощью некоторых конструктивных приемов.

■Способы снижения концентрации напряжений осно­ваны на изменении жесткости клеевой прослойки или соединяемых элементов по длине соединения [309]. Этого можно добиться либо увеличивая по концам на­хлестки эластичность клея или его толщину, либо умень­шая по длине соединения поперечное сечение концов соединяемых элементов, например путем их срезания. Так, в нахлесточных соединениях жестких стеклопла­стиков, имеющих у кромок утолщенную клеевую про­слойку, прочность на сдвиг при растяжении выше на 15—20% прочности, соединений без утолщений. В работе [401] показано, что квадратичное увеличение толщины клеевой прослойки от середины к краю нахлестки может привести к повышению прочности соединения. Можно даже достигнуть равномерного распределения напряже­ний сдвига вдоль нахлестки.

Эффективным способом уменьшения концентрации напряжений в нахлесточном соединении может быть применение комбинации клеев — эластичного по краям нахлестки и жесткого в ее середине ДЗ10, 402]. В этом случае на кривой распределения напряжений появляют­ся вторичные, максимумы на участках, где меняется мо­дуль упругости клеевой прослойки.'©днако эти пики на­пряжений не являются столь высокими и опасными, как напряжения, возникающие при склеивании с помощью лишь одного клея (рис. VI.9).

Результаты испытаний склеенных внахлестку образ­цов боропластика с металлом подтверждают тот факт, что клей с низким модулем упругости значительно пре-

J°hc. F/.P. Зависимость ко­эффициента i(i концентра­ции касательный напряже­ний в. нахле стон ном соеди­нении от длины шва:

О — модуль сдвига клеевой про­слойки (G і > Gi> Gi> GH); А— Г — соединения о различными клеевыми прослойками.

восходит при комнатной температуре жесткий клей, и лишь немного лучше, чем комбинация этих двух клеев. Если же учитывать влияние усталости, ползучести или сравнительно высоких температур, то результат может получиться иным. Так, повышение температуры испыта­ния приводит к более равномерному распределению на­пряжений по длине нахлестки, и клеевые соединения с разной нахлесткой характеризуются одинаковым раз­рушающим напряжением при сдвиге [403].

Разработан способ склеивания прерывистыми швами, при котором клей наносят в виде полосок перпендику­лярно действию нагрузки или помещают между деталя - ми в виде перфорированной пленки [4Q4]. Такой способ * можно рекомендовать для соединения высокопрочных пластмасс. Оптимальная ширина полосок клея 3—5 мм при расстоянии между ними 3 мм, а для перфорирован­ной пленки рекомендуется шахматное расположение перфораций диаметром 3 мм с шагом 5 мм.

Широко применяемым способом снижения концентра­ции напряжений в нцхлесточном соединении является

Рис. VI. 10. Схема распределения напряжений сдвига (а) в много­ступенчатых на-хлесточных соединениях (б) титана (/) и эпоксидного графитопласта с гладкой (2) и ступенчатой (3) наружной поверх­ностью. ”"

срезание некоторой части склеиваемого материала [393, с. 36] , благодаря чему повышается гибкость оставшейся части и вероятность отдира сводится к минимуму. Одна­ко из работы [393, с. 36] видно, что значительный эф­фект увеличения прочности в результате - скашивания концов нахлестки наблюдается лишь при больших дли­нах нахлестки (ін>25 мм). При склеивании полипропи­лена скашивание ведет к снижению прочности соедине­ния при сдвиге при /н^Ю мм и к незначительному ее росту при in >11 мм [397].

Равномерную передачу нагрузки от одной детали к другой в клеевом соединении слоистых пластиков мож­но обеспечить с помощью многоступенчатой нахлестки (рис. VI. 10) [405] с различной длиной нахлестки для отдельных слоев. Это соединение называют также 'мно­гослойным швом [69]. При нагружении-таких соедине­ний боропластика с коррозионно-стойкой сталью меж­слойное разрушение может не произойти. Выбор конст­рукции соединения стальной фольги и слоев волокнисто­го наполнителя пластика зависит от ориентации послед­него, т. е. от того, какие слои его принимают участие в передаче усилия. При удачном конструировании при нагружении разрыв происходит по стали или боропла - стику [69].

Для карбонластаков этот вид соединения не приме­ним из-за большой разницы в термических коэффициен­тах линейного расширения между ним и сталью, кото­рая обусловливает высокие остаточные напряжения. Не­достаток многоступенчатого нахлесточного соединения —* трудоеМкбсїь й сложность йзгбтовления. Наиболее удоб­но склеивание производить одновременно с отвержде­нием пластика, т. е. как-бы приформовывая его к ме­таллической детали или пакету из металлической фоль­ги. Прочность склеивания слоистых пластиков можно повысить, заформовывая в зоне" шва металлическую вставку [333].

Стыковые соединения листовых деталей с 1-образным швом не применяются из-за того, что склеиваемая по­верхность слишком мала, чтобы передавать напряжения, соответствующие прочности материал а. Наивысшими показателями прочности при растяжении такие стыко­вые швы характеризуются при работе на равномерный отрыв. Однако на практике это реализуется сравнитель­но редко. Даже при небольшой изгибающей нагрузке шов'работает на расслаивание, и прочность резко сни­жается. Для получения стыкового шва по большой по­верхности без увеличения толщины места соединения можно производить соединение с V-образной разделкой кромок, что также встречается на практике крайне ред­ко, а также соединение на ус (рис. VI.3^). Оптималь­ный угол р раскрытия V-образного стыкового шва при склеивании поливинилхлорида клеем на основе ненасы­щенных соединений типа винилпроизводиых составляет 1,05 рад, что соответствует оптимальному углу раскры­тия шва при сварке растворителем полиакрилатов. Раз­рушающее напряжение соединения при растяжении (52,5 МПа) находится в пределах прочности материала.

Соединение на ус наиболее эффективно в случае склеивания материалов с одинаковыми деформационны­ми свойствами. Достоинством соединения на ус является отсутствие. утолщения, в результате чего обеспечивается гладкий переход между деталями, что важно, например, при соединении Труб. Кроме того, в этом соединении при растяжении не создается изгибающих напряжений. Недостатки — сложность подгонки соединяемых деталей, большая трудоемкость изготовления. В связи с этим соединение на ус рекомендуется для деталей толщиной лишь >2 мм.

Теоретически концентрация напряжений в соединении на ус отсутствует, а практически было найдено, что коэффициент концентрации напряжений сдвига на по­верхности клеевой прослойки при склеивании однород-

Рис. VI. lt. Зависимость коэффициентов концентрации касательных напряжений К в соединении на ус (3) и нормальных напряжений Kt в боропластике (/) и алюминиевом сплаве - (2) от длины шва (обозначения те же, что и на рис. VI. б; 6=0,2 Ь, d=0,001 (и).

ных материалов составляет 1,45 [393, с, 19]. Значитель­но большая неравномерность распределения напряже- ніий обнаружена в соединении на ус разнородных мате­риалов.

Результаты расчета соединения на ус эпоксидного боропластика с алюминиевым сплавом (рис. VI.11) [395] показывают, что кривая изменения напряжений сдвига в клеевом слое имеет единственный максимум при д: = 0, далее напряжение убывает монотонно до ми­нимального значения при х=1. Максимум нормального напряжения имеется в обоих материалах при х=0, и напряжение монотонно уменьшается до минимального значения при дг=/..Это распределение напряжений резко отличается от немонотонного распределения с двумя максимумами в случае соединения встык с нахлесткой. Максимальная концентрация напряжений наблюдаемся в более жестком боропластике (К.2 = 3).

Приведенный анализ свидетельствует о том, что в со - 4 единении на ус максимальное напряжение сдвига мень­ше и максимум существует только на одном конце соединения, Максимальные нормальные напряжения в' основном материале также меньше, чем в случае соедине­ния встык с нахлесткой. Поэтому для соединения компо­зиционных пластиков с металлами рекомендуется соеди-

нєние на ус. Разрушающие - напряжения соединений на ус намного {на 50%) пре­восходят разрушающие на­пряжения соединений' вна­хлестку, встык с нахлесткой, встык с двумя накладками [398], а их разрушающая нагрузка уступает в 2 раза разрушающей нагрузке со­единения встык с двумя на­кладками.

Так как в соединении на. ус действуют одновременно растягивающие и сдвигаю­щие напряжения, то величи­на их и соотношение будут зависеть от площади склеи­вания, т. е, от угла скоса а. Изменяя угол скоса (рис.

VI. 12), можно создать со­единение на ус такой пло­щади, при которой ' проч­ность соединения превысит

прочность склеиваемых материалов. Для поливинилхло­рида и других термопластов оптимальный угол скоса 0,35 рад [397], а для полиэфирного стеклопластика — 0,52 рад [115]. Влияние угла скоса меньше сказывается при повышении температуры испытания [ 115J-. Для то­го чтобы клеевое соединение композиционных пласти­ков на ус разрушилось не в месте склеивания, угол ско­са должен быть <0,09 рад.

При выборе конструкции клеевых соединений анизо­тропных материалов необходимо учитывать, что проч­ность материала при сдвиге, растяжении и сжатии в большой/ степени зависит от ориентации армирующего волокна. В частности, соединение стеклопластиков на ус характеризуется значительно большей прочностью при сжатии, чем при растяжении.

. Стеклопластик с изотропным наполнителем (стеклян­ный мат) лучіпе ведет себя в клеевом соединении на ус, чем стеклотекстолит. Выбор армирующего наполнителя и направления его ориентации в области шва диктуется

соображениями наиболее эффективного использования его для распределения напряжений, С этой точки зрения армирующий наполнитель в соединяемых внахлестку элементах должен располагаться параллельно клеевому шву, а в соединении на ус — параллельно плоскости листа или трубчатого элемента.

Прочность при сдвиге нахлесточных соединений об­разцов боропластика, наружные слои которого располо­жены под углом ±0,61 рад к направлению действия на­грузки, меньше прочности образцов боропластика с па­раллельным действию нагрузки расположением контак­тирующих с клеем волокон бора. Результаты испытаний свидетельствуют о том, что конструктивные возможности клеевого соединения не могут быть полностью реализо­ваны до тех пор, пока не повысится прочность при меж­слойном рдвигс,

. Прочность соединения на ус деталей из материалов различной жесткости можно повысить, дополнительно приформовывая материал с более низкой жесткостью или удаляя часть более жесткого материала в зоне шва [393, с. 36), Притупление: кромки более эластичного (например, стеклопластикового) элемента оказывает не­значительное влияние на прочность соединения.

Конструкции клеевых соединений," показанные на рис. VI.3, б, в' и д, рекомендуются тогда, когда требует­ся гладкий переход между деталями. Однако такие соединения обладают более низкой или такой же проч­ностью, как нахлесточпые соединения [397] и на реко­мендуются для тяжело нагруженных узлов.

Соединения с двойной нахлесткой и встык с двумя накладками (рис. VI,3, г и в") ведут себя при нагруже­нии лучше, чем односрезные соединения (рис.'УІ. З, а—вг, д). При увеличении длины нахлестки в клеевом соедине­нии с двойной нахлесткой стали и боропластика разру­шающее напряжение снижается [69], как и в случае простого нахлесточного соединения. При этом изменяет­ся характер разрушения: если при длине нахлестки 1а= 10 мм происходит межслойный сдвиг по пластику (т = 30 МПа), то при /н = 20 мм идет разрушение по клею (т=15 МПа). Это объясняется тем, что стальной лист, характеризующийся большим пластическим удлинением, отслаивается от пластика в направлении, перпендику­лярном склеиваемой поверхности.

т

Длину нахлестки для соединений, изображенных на рис. VI. .3, д, в' и в", выбирают равной соответственно (2,5—5)6, (5—10)6 и (10—15)5 (где 6 — толщина дета­лей) [2, с. 284].

Зависимости разрушающих нагрузки и напряжений сдвига от длины, нахлестки при соединении встык с дву­мя накладками аналогичны зависимостям для обычного иахлесточного соединения. [397]. Длину нахлестки в со­единении встык с двумя накладками можно найти из вы-

Болыиинство исследователей считает, что скашивание краев накладок в соединении» показанном на рис. VI.3, в", _ повышает прочность склеивания. Однако при склеива - ” нии термопластов (длина нахлестки 5—20 мм) скашива­ние краев не приводило к повышению прочности [397].

Одним из лучших вариантов считают [406, с. 76] со­единение на ус со скошенными накладками.

При конструировании уголковых соединений (рис. VL3,w—и}, необходимо обеспечить по-возможно - сти большую площадь склеивания. Расположение угол­ковых накладок уступами (ряс. VI.3, ж) способствует более равномерному распределению напряжений.- Фор­ма шва, показанная...на рис. VI.3, и пригодна также для выполнения пазовых соединений. В этом случае в угол­ковом профиле выполняют пазы для присоединения листов (рис. VI.3.-C).

Клеевые швы при изготовлении полых профилей не­обходимо располагать в зоне малой напряженности, на­пример при работе последних на изгиб — у нейтральной линии.

В соединениях, показанных на рис. V. I.3, т—щ, при растяжении, сжатии или кручении действуют только сдвиговые напряжения. Длина нахлестки в круглых со­единениях должна быть меньше, чем в плоских.

При конструировании соединений полых деталей, ко­торые в процессе эксплуатации находятся под давлени­ем изнутри или извне и из которых одна является ме­таллической, необходимо учитывать различия в моду­лях упругости пластиков и металлов. Детали соединяют таким образом, чтобы при давлении изнутри металличе­ская деталь охватывала бы пластмассовую; при. внеш­немдавлении — наоборот, , ’ :

Рис. VI. ІЗ. Схемы соединений, плохо (/) и хорошо (//) работающих при отслаивании:

а присоединение тонкостенного уголкового профиля к жесткому основанию; б — Т'Обр. ЙЗЯОС соединение двух тонкостенных уголковых профилей И ЛИСТО­ВЫХ деталей; л —соединение профиля с листовыми деталями и трехслойной конструкции; г — присоединение листовой детали к жесткому бруску; / — тон­костенный уголковый профиль; 2 — жесткое основание; 3 — листовая деталь; <4 — профиль; 5 — жесткий брусок*

Для пазовых соединений (рис. VI.3, /г:—с) или дета­лей круглой формы необходимо подбирать такие клеи, которые способны о-тверждаться в зазоре без дав­ления.

Основное требование — действие в клеевом шве толь­ко сдвиговых напряжений — не всегда выполнимо. От­слаивающие напряжения, особенно опасные при соеди­нении тонкостенных деталей, могут быть устранены с помощью ряда конструктивных мер [297, с. 200], схе­матически показанных на рис. VI.13. Применение комби­нированных, например клеемеханических соединений, также решает эту проблему.

Использование заклепок дополнительно к склеива­нию при соединении боропластика с титановым листом не влияет на статическую прочность, но повышает уста­лостную прочность.

Важным моментом в проектировании трехслойных клееных панелей из стеклопластиков, например с сото­вым заполнителем, является выбор конструкции закон­цовки и мест с повышенной концентрацией напряжений по длине панелей. Законцовка (см. гл. III), которая может быть выполнена из стеклопластика, древесного пластика или металла, не только воспринимает нагрузки при стыковке панелей друг с другом или их заделке В. корпус, НО И уплотняет торец, препятствуя Проникно-! вению в заполнитель загрязнений и влаги.

1 Технология склеивания пластмасс включает следую­щие операции: приготовление клея, подготовку соединяе­мых поверхностей, нанесение клея^ открытую выдержку, приведение соединяемых поверхностей в контакт, от­верждение .или затвердевание клея, контроль качества клеевого шва. Расчет каких-либо технологических, пара­метров процесса склеивания в настоящее время невозмо­жен.

Приготовление клея заключается в смешивании его отдельных компонентов в соотношении и последова­тельности, определяемых рецептурой. Основное правило при смешивании — введение отвердителя или ускорителя непосредственно перед применением клея. В ряде слу­чаев потребитель получает уже готовый клей, так что необходимость в этой операции отпадает.

Подготовка соединяемых поверхностей является одной из важнейших операций в технологии склеивания [406, с. 93], Она заключается в подгонке их друг к дру­гу и специальной обработке и/или очистке. Ровные, хо­рошо подогнанные поверхности склеиваемых материа­лов необходимы для получения тонкой и равномерной по толщине клеевой прослойки. Особенно тщательная подгонка поверхностей должна быть при склеиваний клеями, которые в момент запрессовки обладают как малой, так и слишком большой текучестью..

Способ обработки поверхностей*' зависит от типа пластмассы и природы клея. Композиционные пластики и пластмассы на основе" отвержденных реактопластов перед склеиванием обрабатывают преимущественно ме­ханическим способом (зашкуривание, дробеструйная об­работка, опескоструивание, снятие стружки) [38, 115, 273, 306, 307, 325, 328]. При этом не только увеличивается истинная площадь склеивания, и на поверхности мате - * риала обнажаются частицы более легко склеивающегося наполнителя, но и удаляются различные загрязнения, смазки и т. д. Так, прочность склеивания необработан­ного полиэфирного стеклопластика может быть на поря­док ниже прочности обработанного. Механическая обработка рекомендуется в первую очередь для пласти­ков с гладкой поверхностью [273, с. 125; 328]. Стекло­пластики зашкуривают до оголения стекловолокна наж-

дачной бумагой средней зернистости (120—140) [398]. Для обработки карбопластиков рекомендуется бумага с зернистостью не - менее 280 [38]. При дробеструйной об­работке паилучшие результаты получены при использо­вании отбеленного чугуна с размером частиц 0,2—0,5 мм [115]. Карбопластики зачищают влажным порошком карбида кремния. Образовавшиеся при обработке пыль и стружку отсасывают, удаляют обдувкой воздухом или щеткой.

Перед нанесением клея обработанные поверхности промывают растворителем (кетоны, хлорпроизводные уг­леводороды, бензин) или протирают тампоном, смочен­ным в растворителе и сушат при 293—338 К в течение нескольких минут.

Наряду с механической обработкой для "некоторых типов отвержденных реактопластов применяют химиче­скую оібработку. Например, фенопласты обрабатывают ацетоновым раствором оксипроизводных бензола и дру­гих ароматических соединений.

При склеивании отвержденных реактопластов на основе кремнийорпанических смол на склеиваемые по­верхности наносят в качестве подслоя соединения типа этоксисиланов или поверхности обрабатывают раствором окислителя, например серной кислоты.

Эффективный способ повышения прочности склеива­ния— нанесение подслоев (грунтов) из. разбавленных растворов полимеров. В то время как обработка поверх­ности полиэфирного стеклопластика разбавленным (10%-ным) раствором у-аминопропилтриэтоксисилана и эпоксидным лаком не повлияла на прочность при сдвиге соединения стеклопластика с металлом, после нанесен и я подслоя полиэфира из 20%-ного раствора в стироле или полиуретана из 10%-ного раствора в ацетоне она возро­сла на 35% [321, 333].

Одним из современых способов подготовки поверхно­стей пластиков, упрочненных волокнистым наполните­лем, служит нанесение перед формованием детали на участки, подлежащие склеиванию, слоя ткани из тер­мопластов или стеклянной ткани, покрытой фторопла­стом или кремнийорганичсским полимером, и удаление этого слоя непосредственно перед нанесением клея. Эти защитные слои [409, с. 128], называемые иногда «жерт­венными», защищают пластик на стадиях переработки,

предшествующих склеиванию, и способствуют созданию шероховатого рельефа поверхности. Из терйопластич - пых тканей наиболее подходящими оказались полиамид­ные, а также полиэфирные (лавсановые) [409, с. 128] ткани.

Загрязнения со склеиваемых поверхностей обычно удаляют с помощью растворителей, быстро испряющих - ся с поверхности после ее обработки. Положительное влияние на прочность соединения в ряде случаев оказы­вает некоторое набухание поверхностного слоя в рас­творителях [410],

Для обеспечения высокого качества склеивания важ­но не только удалить с поверхности инородные тела, но и исключить повторное ее загрязнение [406, с. 98]. Однако даже будучи завернутыми в бумагу детали из стеклопластиков с подготовленными поверхностями мо­гут храниться ограниченное время (до двух недель при 296 К и относительной влажности 50%).

Применение клеев, которые адсорбируют жировые и масляные загрязнения, исключает из технологического процесса операцию очистки. Таким клеем является эпоксидный клей марки Epasol FVZIS 939, разработан­ный в ГДР [411]. Он не чувствителен даже к кремний - органическим маслам.

Обработку поверхности пол ними дных пленок (осо­бенно полипиромсллитимидных) с целью придания ей шероховатости для облегчения склеивания с металлами при производстве изделий электронного назначения (на­пример, печатных плат) проводят гидразином. Участки пленки, не требующие обработки, покрывают защит­ным гидрофобным слоем.

Полиимиды обрабатывают также при 293—373 К соединениями щелочных металлов или аммония [412], однако этот способ имеет ряд существенных недостатков. Предложен способ обработки полиимидной пленки элек­трическим разрядом перед ее приклеиванием к металлу. Обработку ведут при напряжении 2700 В и частоте 10 кГц со скоростью перемещения пленки 150 см/мин [340]. Выдержка полиимидных пленок в течение 3—10 с при 498—548 К после нанесения на их поверхность рас­твора смеси, содержащей пол и ал кил и мины и полиалкил - полиамины и хлористую соль четвертичного аммониево­го основания,, заметно повышает адгезию.

Обработку поверхностей термопластов также произ­водят механическим, химическим, физическим или ком­бинированным способами [12]. Зашкуриванием и обез­жириванием можно ограничиться при склеивании аморфных термопластов — полиакрилатов [358], жест­кого поливинилхлорида [305, 347], полистирола і[357]. Чтобы исключить образование рисок в результате появ­ления остаточных напряжений, в некоторых случаях де­тали из полиакрилатов и полистирола подвергаются перед склеиванием термообработке при температуре, близкой к температуре стеклования термопласта [357, 358]. Растворитель для обезжиривания ие должен вызы­вать набухание термопласта. Для ускорения очистки применяют ультразвук.

Поверхность деталей из поликарбоната перед склеи­ванием обезжиривают керосином, гептаном, изопропило­вым спиртом или метанолом и подсушивают при 403 К для удаления влаги [361]. При сильном загрязнении по­ликарбонат очищают теплой водой, в которую добавле­но моющее средство [111]. Прочность склеивания повы­шается после шлифования поверхности, опескоструива - ния или обработки водяным паром.

Существует очень много методов обработки фторсо­держащих полимеров, полиолефинов, полиамидов и других кристаллизующихся термопластов |[7, 146, 273, 356, 410, 415, с. 441; 416]. Один из них — дублирование со стеклотканью, стекловолокном или с другими арми­рующими материалами, выполняемое на прессах с на­гретыми плитами или на каландрах. Оклеивание поли­амидов тканями производят с помощью, например, рас­твора полиамида в смеси резорцина и спирта таким об­разом, чтобы ткань не имела сквозной пропитки [344]. В те участки деталей из фторопласта-4, которые подле­жат склеиванию, вводят, наполнители — оксиды железа и хрома, кварцевую муку, цемент, порошки металлов, металлические сетки.

На поверхность полиэтиленовой пленки экструзией наносят слой полимера (поливиниловый спирт, поливи - нилацетат, эфиры целлюлозы) [273, с. 121], обладающе­го более высокой, чем у полиэтилена, поверхностной энергией. На поверхности полиамидов хорошо удержи­вается, подслой из отвержденного феполоформальдегид - ного связующего или фурилового лака.

Составы ванн и режимы химической обработки тер­мопластов перед склеиванием приведены в табл. VI.4.

К физическим методам обработки поверхностей перед склеиванием относятся: электрическая обработка, в том числе наиболее эффективная се разновидность—обра­ботка электронно-возбужденным инертным газом [416], ультрафиолетовое и радиоактивное облучение.

К смешанным способам относят обработку с по­мощью газовой горелки, радиоактивное облучение в при­сутствии мономеров и др.

Нанесение клея выполняется вручную с помощью кисти, шпателя или шприца [417] или механизирован­ным путем [418]. Пленочные клеи разрезают на куски, по размеру соответствующие склеиваемым участкам, и укладывают на подслой жидкого клея (нанесенного точками) или на подогретую поверхность. Термопластич­ные клеи могут подаваться в зазор между склеиваемыми деталями с помощью специальных устройств.

Чтобы обеспечить достижение полного контакта клея и склеиваемых поверхностей, клеи применяют в виде растворов, дисперсий или эмульсий в жидких маловяз - кнх средах, а также в виде расплавов. Этому же способ­ствует давление, предварительный нагрев соединяемых поверхностей, ультразвуковое воздействие на клеевой слой.

Открытая выдержка дается Для удаления из клеевого слоя растворителя, для вытеснения воздуха из пор и неровностей поверхности и обеспечения дальнейшего за­полнения их клеем и для - выравнивания толщины клеевого слоя. Продолжительность открытой выдержки определяется свойствами и консистенцией клея, состоя­нием поверхности. Ускорению испарения растворителя способствует нагревание поверхности. Точку перегиба на кривой испарения можно считать соответствующей опти­мальной продолжительности открытой выдержки [308].

Приложение давления (запрессовка) во время при­ведения - соединяемых поверхностей в контакт обеспечи­вает фиксирование деталей; достижение более полного контакта между клеем и склеиваемым материалом и создание клеевой прослойки оптимальной толщины. Чем меньше толщина клеевой прослойки, тем выше проч­ность соединения при равномерном отрыве или сдвиге. Для каждого клея давление определяется эмпирически

от вязкости клея, точности подгонки. покерХНО* стей, жесткости конструкции ;[ 115, 123]. ■ ' .

Выведена [420] зависимость толщины слоя клея (I от его реологических свойств,, размеров склеиваемых поверхностей и приложенной нагрузки. При нанесении клея с избытком

где %—начальная вязкость клея; t—время, за которое вязкость клея возрастает в е раз; S — площадь клеевого шва; р— давление запрес­совки; /(=1—0,01 У, где У— относительная объемная усадка после образования геля; F— коэффициент (в случае склеивания плоских

прямоугольных пластин длиной I и шириной b F= j-

При нанесении клея точкой с радиусом г, которая под действием нагрузки Р растекается между плоскими дис­ками диаметром D

(JkV/a 16 V ptJ

Давление при склеивании создают различными спо­собами [297, с. 67], зависящими от конструкции изде­лия, формы и размеров шва, типа клея, серийности про­изводства: с помощью груза, в пневматических или гидравлических прессах, в автоклавах, с помощью вакуумного мешка, в прессах с винтовыми или эксцент­риковыми зажимами, стягивающими лентами, в сбороч­ных стапелях, дополнительно оборудованных различны­ми зажимными устройствами.

Отверждение клеев на основе реактопластов является наряду с подготовкой поверхностей важнейшей опера­цией в технологии склеивания. Выбор режимов (темпе­ратуры, продолжительности, давления) отверждения клея зависит не только от его природы, но и от типа соединяемого материала и условий эксплуатации изде­лий.

Клеевые соединения на основе эпоксидных или поли­уретановых клеев имеют высокую прочность даже после отверждения цри комнатной температуре. Отверждение этих клеев при повышенных температурах ведет к полу­чению более теплостойкого и водостойкого соединения. Обязательным является нагрев при склеивании компо-

зициоштых пластиков фетголоформальдегидными, крем - нийоргаяическими и полнимидными клеями. Нагрев зоны шва способствует ускорению отверждения, более полно­му удалению растворителя, образованию более высоко­молекулярного полимера и прохождению химических реакций на границе контакта клея и склеиваемого ма­териала. При склеивании термопластов температура отверждения определяется теплостойкостью склеивае­мых материалов.

Нагрев склеиваемых участков производят в термо­шкафу, контактными нагревателями, высокочастотным способом или с помощью ультразвука [409, с. 290; 421].

Давление во время отверждения необходимо увели­чить по сравнению с давдением в момент запрессовки, если повышается противодавление летучих продуктов в клеевом шве [308].

Продолжительность выдержки под давлением и при температуре склеивания зависит от скорости нагрева зоны шва до заданной температуры и скорости отверж­дения клея. Снижению продолжительности нагрева до температуры склеивания способствует применение высо­кочастотного или ультразвукового нагрева. Высокотем­пературный (673 К) нагрев (тепловой толчок) [422] вряд ли можно рекомендовать для склеивания пласт­масс. Более подходящим может быть индукционный на­грев клеевой прослойки.

Определение оптимальной продолжительности от­верждения производят эмпирически. Ее снижению спо­собствует введение в состав, например, эпоксидных клеев, отверждаемых аминами, ускорителей типа трифе - пилфосфита, отверждаемых дициандиамидом, — октила- та натрия и т. д. . /

Затвердевание термопластичных клеев происходит в результате испарения растворителя или охлаждения зоны шва.

Получение качественного соединения обеспечивается постадийным контролем процесса склеивания, который включает несколько этапов [423]: проверка исходных свойств клея (вязкости, . жизнеспособности, скорости отверждения, содержания летучих) и чистоты поверх­ности, регулирование параметров отверждения клея, контроль склеенных изделий. Контроль качества готовой продукции производят разрушающими 'и неразрушаю-

2G2

Щймй Методами. Разрушающими методами определяй» механическую прочность при сдвиге, равномерном и не­равномерном отрыве, при отслаивании (расслаивании) [123, с. 462], Методы и образцы для определения этих характеристик стандартизованы.

К неразрушающим методам контроля относят визу­альный осмотр, простукивание, инфракрасную дефекто­скопию, световой метод, рентгеиодефектоскопию, радио - интроскопию и ультразвуковую дефектоскопию. Наи­большее распространение получил последний метод, ос­нованный на измерении длины волны, амплитуды, часто­ты или скорости распространения ультразвуковых коле­баний в контролируемом клееном изделии. В ультразву­ковой дефектоскопии используют несколько разновидно­стей — теневой метод, эхо-метод, резонансный, импе - дансный и метод свободных колебаний, для реализации которых в пашей стране и за рубежом разработаны со­ответствующие приборы [406, с. 232] (см, гл. IV).

Задача совершенствования методов дефектоскопии клеевых соединений продолжает оставаться актуальной. Одними из перспективных представляются тепловой метод [424] и контроль с помощью жидких кристаллов [406, с. 254; 409, с. 433],

[1] В работе [21, с, 55] приведены значения коэффициентов сухо­го трения термопластов по различным контртелам.

[2] Найденная зависимость параметра іл от структуры материала не согласуется с результатами работы [69], Этот вопрос должен быть признан изученным не до конца,, так как характеристики компо­зиционного материала, влияющие на выбор параметра %, зависят of изменения ориентации волокон в материале.

[3] Рекомендация относительно диаметра отверстия под вставки.«Dodge», приведенная в работе [98], не согласуется е данными по зависимости удерживающей силы от этого параметра.

[4] Два первых числа (например, 500X500) отвечают размерам проема.

[5] В некоторых работах [62, 131] отмечалось, что все термо­пласты (кроме поливинилхлорида и производных целлюлозы [62]) в том числе и стєклонацолненіше, можно также соединять с металли­ческой арматурой с помощью ультразвука. - •

[6] В литературе этот способ иногда называется «сварной про­плавлением», однако этот термин не отражает сущности способа.

[7] В литературе этот способ иногда называется «сваркой оплав­лением», однако этот термин не отражает сущности способа.

12*