Склеивание — это способ создания неразъемного соединения элементов конструкции с помощью клея. Процесс склеивания основывается на явлении адгезии — сцепления в результате физических и химических сил взаимодействия клея с различными материалами при определенных условиях.
Конструирование клеевых соединений
Элементы конструкции, сборка которых осуществляется склеиванием, должны иметь для этого специально спроектированное соединение. При проектировании клеевого соединения необходимо:
• определить величину и тип нагрузки на всю конструкцию и особенно на клеевое соединение;
• определить изменение свойств клеевого соединения под воздействием среды, в которой оно будет работать;
• выбрать материал конструкции;
• выбрать клей;
• рассчитать размеры и остальные конструкционные параметры соединения с учетом запаса прочности;
• выбрать технологию склеивания (обработку поверхности, способ нанесения клея, режим отверждения);
• экономически обосновать выбранную конструкцию и технологию.
При конструировании клеевых соединений необходимо учитывать следующие рекомендации:
• площадь склеивания должна быть как можно большей;
• нагрузку должна нести максимальная часть площади склеивания;
• необходимо добиваться, чтобы напряжение в клеевом шве действовало в направлении его максимальной прочности;
• оптимальные зазоры между склеиваемыми поверхностями в зависимости от марки клея и конструкции должны быть в пределах:
0,05…0,15мм при склеивании металлов между собой;
0,05…0,2мм при склеивании металлов с неметаллическими материалами;
0,1…0,2мм при склеивании металлов с резиной.
В процессе эксплуатации клеевые соединения воспринимают различные нагрузки, которые могут быть приведены к четырем основным типам (рис. 34). В табл. 42 представлены типы конструкций клеевых соединений, способных воспринимать различные нагрузки.
Рис. 34. Основные типы нагруження клеевого соединения:
а — сдвиг; б — равномерный отрыв; в — отдир; г — внецентровой отрыв
42. Рекомендуемые типы конструкции клеевых соединений в зависимости от направления нагрузки
Клеевые соединения |
Клеевые соединения |
Угловые стыковые |
Стыковые с одной и двумя накладками |
Угловые с загибом кромки |
Стыковые нахлесточные |
Угловые в паз |
Соединения полых профилей |
Тавровые стыковые |
Соединение труб С формированным гладким раструбом |
Тавровые с уголком |
С двухраструбной муфтой |
Тавровые в паз |
С гладкой надвижной муфтой |
Стыковые с нахлестом |
|
Стыковые в паз |
Разных диаметров |
Стыковые на ус |
Расчет клеевых соединений
Для расчета наиболее распространенных соединений пользуются приближенными формулами [2].
Действующие напряжения при сдвиге нахлесточного соединения:
τ = F / (ba),
где F — сдвигающая сила; b, a — ширина и длина нахлестки.
Для неответственных соединений длина нахлестки
а = (2,5…5)s,
где s — толщина склеиваемых листов.
При динамических нагрузках прочность при сдвиге принимают равной 1/3 ее значения при статическом нагружении.
Расчетные формулы для определения действующих напряжений в соединениях на «ус» листов и труб представлены в табл. 43.
43. Расчетные формулы для определения напряжений в клеевых соединениях на «ус»
Соединяемые элементы |
Вид деформации |
Касательные напряжения τ |
Нормальные напряжения |
Листы |
Растяжение Изгиб |
||
Трубы |
Растяжение Изгиб |
Обозначения:F — растягивающая сила; М — изгибающий момент; θ — угол скоса; r0, r1 — внешний и внутренний радиусы трубы; s — толщина листов; b — ширина листа.
Для клеевых соединений деталей из полимерных, композитных и других материалов с малым модулем упругости уточненные расчеты следует вести с учетом деформации деталей [3, 4].
Эпюра удельных нагрузок имеет обычную вогнутую форму с максимальными значениями по концам.
В случае приклейки полки линейно-упругого уголка к жесткому основанию и действия отрывающей нагрузки вдоль другой полки распределение давления в клеевом слое подчиняется зависимостям для балки на упругом основании.
В реальных конструкциях наблюдается значительный разброс показателей прочности. Это следует учитывать при проектировании конструкций, вводя коэффициент запаса прочности, который назначают в результате экспериментальной отработки клеевого соединения.
В зависимости от степени ответственности конструкции и условий ее работы выбирают значение коэффициента запаса прочности от 1,5 до 3.
Выбор клея
При выборе
клея для конкретного назначения и конкретных условий эксплуатации клеевого
изделия необходимо учитывать следующие факторы:
природу
склеиваемых материалов;
условия
эксплуатации;
уровень
требуемой прочности;
особенности
клееной конструкции;
физико-механические
и химические свойства клея;
технологию
склеивания.
Основные
требования, предъявляемые к конструкционным клеям:
клей должен
быть нейтральным по отношению к склеиваемым материалам, т. е. не вызывать
коррозии и не способствовать ее развитию;
отверждение
клея должно происходить без выделения летучих веществ;
клей должен
быть не хрупким, обладать стойкостью к различным агрессивным жидкостям в
зависимости от назначения;
клей должен
иметь достаточную жизнеспособность, хорошую зазорозаполняемость;
клеевые
соединения металлов должны обладать высокой прочностью, не зависящей от
действия переменных температур и других факторов.
Одним из важнейших
показателей конструкционных клеев является термостойкость. По этому признаку
клеи можно разделить на группы: до 80°С, до 150°С, до 200…350°С, до 700°С и
выше.
Технологические
характеристики некоторых
клеев и прочностные свойства соединений на этих клеях, применяемых для склеивания
металлов между собой и с неметаллическими материалами, приведены в табл. 44.
Для одних и тех же сочетаний материалов указано несколько различных по
свойствам клеев, поэтому выбор конкретного клея в каждом случае будет
определяться прочностью соединения, его устойчивостью к эксплуатационным
условиям, условиями технологических процессов склеивания и требованиями по
обеспечению надежности клееной конструкции.
Клеи для
склеивания резин между собой
и с другими материалами. Для склеивания резиновых изделий, резин к металлам,
дереву, пластмассам, стеклу и другим материалам применяют клеи на основе
различных синтетических каучуков.
Конструкционные
резиновые клеи, кроме каучуков, содержат вулканизующие вещества.
В зависимости
от типа используемого вулканизующего вещества клеи отверждаются при комнатной
или повышенной (140… 150°С) температуре.
Невулканизующиеся
клеи, склеивание которыми происходит в результате испарения растворителя,
обеспечивают относительно невысокую прочность. Основой таких клеев является
натуральный каучук.
Основные
свойства, условия применения и назначения клеев приведены в табл. 45.
Клеи для
изготовления инструмента.
Клеи для
таких целей должны обеспечивать термостойкость до ~700°С; клеевые соединения
должны выдерживать ударные нагрузки и вибрацию в процессе работы. Клеи должны
быть стойкими к действию смазочно-охлаждающих жидкостей, обладать теплопроводностью.
Для
изготовления конкретного типа режущего инструмента клей выбирают в соответствии
с его физико-механическими характеристиками, термостойкостью и
технологическими свойствами (табл. 46).
44. Свойства и назначение конструкционных клеев
Марка клея, химическая основа |
Физическое состояние |
Жизнеспособность (срок хранения) |
Режим отверждения |
Интервал рабочих температур, °С |
Прочность, МПа |
Склеиваемые материалы, назначение и свойства |
|||
T, °C |
p, МПа |
τ, ч |
σсдв |
σp |
|||||
БФ-4, фенолоформальдегидный |
Жидкий, пленка |
1 год |
140…150 |
0,5…1,0 |
— |
-60…+85 |
16…20 |
— |
Цветные металлы, коррозионностойкие стали, |
ЭАФ-2, эпоксидный |
Жидкий |
1,5 ч |
20 50…80 0 |
0,005…0,3 |
Не менее 4 2…3 Не менее 18 |
-60…+60 |
6…8 |
25…35 35…40 35…40 |
Металлы, пластмассы, пенопласты. Отверждение клея и |
ПУ-2, полиуретановый |
Пастообразный |
2ч |
20 110 75…85 |
0,1…0,5 |
24…48 3…4 5…6 |
-60…+80 |
4 20 — |
— 35 — |
Металлы, пластмассы, керамика, стекло, дерево, |
ВК-41, эпоксидный, модифицированный |
Пленка толщиной 0,22…0,3 мм |
3 мес |
120 |
0.3..Д5 |
3 |
-60…+80 |
32 |
45 |
Металлы, стеклопластики. Для создания |
Циакрин ЭО, акр штатный |
Жидкий |
6 мес |
20 |
0,01…0,1 |
24 |
-60…+100 |
9 |
12…15 |
Металлы, стекло, дерево, резина и др. Ограниченная |
КМ-200, КМ-203, акрилат-ный |
Жидкий |
6 мес |
20 |
0,01…0,1 |
24 |
-196…+125 (КМ-200), -60.. .+125 (КМ-203) |
8 |
20 (КМ-200), 16 (КМ-203) |
Металлы, стекло, каучуки, пластмассы. Влагостойки. |
ТК-200, ТК-201, акрилатный |
Тоже |
6 мес |
20 |
0,01…0,1 |
24 |
-60…+130 |
10…12 |
25…28 |
Металлы, стекло, каучуки, пластмассы. Зазор между |
ТК-300, ТК-301, акрилатный |
Тоже |
6 мес |
20 |
0,01…0,1 |
24 |
-60…+250 |
10 |
20 |
Металлы (сталь, алюминий, латунь с гальваническим |
ЭЛ-20, эпоксиполиамидный |
Тоже |
З…4ч |
20 20, затем 50…70 |
0,05…0,3 |
24 20, затем 4…S |
-60…+125 |
4 8 |
20…23 30…40 |
Стали, алюминиевые и титановые сплавы, вольфрам, |
БЭН-85П, БЭН-20П, эпоксино-волачный |
Пленка толщиной 0,02…0,2мм |
18мес |
180 150 |
0,5 0,5…1 |
6…7 6 |
-60…+125 |
27 34 |
— |
Металлы, сотовые конструкции |
УП-5-207, эпоксидный |
Пастообразный |
1 год |
120…150 |
0,1…0,5 |
40 мин |
-60…+200 |
25 (Ст3) |
— |
Сталь, алюминий, латунь, медь, пермолой, ковар, |
УП-5-240, эпоксидный |
Тиксотропный |
6 мес |
120…150 |
0,1…0,5 |
40 мин |
-60…+200 |
38 |
— |
Сохранение прочности 95% исходной после имитации |
ВИЛАД Пк-1, полиуретановый |
Вязкая жидкость |
3…6 ч |
20 120 |
Контактное |
5 сут 2 |
-40…+100 До 135 кратковременно |
25…30 |
— |
Металлы, стекло, керамика, дерево, пластмассы. Не |
УП-5-230, эпоксидный |
Тоже |
0,25…0,5 ч |
20 |
0,3…0,5 |
7сут |
-60…+150 |
28 |
38 |
Металлы, стеклопластики; для склеивания деталей |
УП-5-245, эпоксидный |
Жидкость |
0,3…0,5 ч |
20 |
0,3…0,5 |
7сут |
-60…+150 |
— |
25 |
Металлы, кварц, керамика, феррит, стекло с металлом. |
УП-5-246, эпоксидный |
Вязкая жидкость |
З…4ч |
20 |
0,3…0,5 |
24 |
-60…+150 |
24 |
35 |
Металлы, асбо- и стеклопластики. Обладает |
БФТ-52, фенолоформальдегидный модифицированный |
Жидкий |
бмес |
170… 180 |
0,5…1 |
20… 30 мин |
-60…+250 |
16 |
— |
Металлы, неметаллические материалы. Приклеивание |
ВК-9, эпоксиполиамидный* |
Пастообразный |
2…3ч |
20 20, затем 50…70 |
0,01…0,2 |
24 20, затем 2..3 |
-60…+125 До 250 кратковременно |
4 15…20 (Д16) |
— 34…40 (Д16) |
Стали, алюминиевые и титановые славы, вольфрам, |
СТЫК, полиуретановый, модифицированный полиэфиром. |
Жидкий |
— |
-30…+90 |
— |
1…72 |
-253…+200 |
10 |
— |
Металлы, полимеры, стекло, дерево, резина. СТЫК-К вспенивающийся, заполняет зазоры до 20мм |
АНАТЕРМ-105, акриловый |
Тоже |
12мес |
20 |
Контактное |
24 |
-60…+150 |
— |
45 |
Металлы. Клей анаэробный. Склеивание и герметизация |
ВК-13М, фенолоформальдегидный, модифицированный |
Вязкая жидкость, пленка |
24 ч |
160 |
0,4… 0,8 |
2 |
-60…+200 |
22 |
— |
Металлы, стеклотекстолит, силикатные стекла, |
ВК-32-200 |
Вязкая жидкость |
24 ч |
170…180 |
0,6…2 |
2 |
-60…+200 |
13 |
16 |
Металлы, стеклотекстолит, силикатные стекла, |
Эластосил 11-01а, кремний-органический |
Пастообразный |
3 мес |
20 |
0,01…0,1 |
24 |
-60…+200 в среде воздуха |
— |
1,6 |
Сталь, алюминий, медь, стекло, керамика, бетон, |
ВК-18М, фенолоформальдегидный, модифицированный |
Вязкая жидкость |
— |
180…200 |
0.03…2 |
3 |
-60…+500 (до 800 кратковременно) |
17 |
30 |
Металлы, работающие при 500 °С. Водо-, влаго-, |
К-300-61, эпоксикремний-органический |
Пастообразный |
2ч |
20 50…60 70…80 |
0,05…0,3 |
48 10 4…6 |
-60…+250 |
20…36 |
19 |
Металлы, асботекстолит, асбоцемент, стеклотекстолит, |
К-400, эпоксикремний-органический |
Тоже |
2ч |
200 80 |
0,3…1 |
48 4 |
-196…+250 (до 400 кратковременно) |
20-32 |
19 |
Стали, алюминиевые, магниевые и титановые сплавы, |
ВК-43М, карборануретановый |
Пастообразный |
3ч |
100…120 |
0,01…0,2 |
4…6 |
-60…+400 |
20; 6 (400°С) |
— |
Металлы, углепластики, графит, металлы и |
ВК-22, кремний-органический |
Тоже |
3…4ч |
20 |
Контактное |
3…5сут |
-60…+600 |
25 |
25 |
Теплоизоляционные, теплозащитные материалы с |
ВК-15, кремний-органический |
Вязкая жидкость |
— |
150 |
0,1…0,3 |
2 |
-60…+700, до 1200 кратковременно |
9 |
10 |
Стали, титановые сплавы, стеклотекстолит, графит. |
ВК-20, ВК-20М, полиуретанкарборановый |
Жидкий |
5…7 ч |
150 20 (ВК-20М) 80…90 (ВК-20М) |
0,05…0,15 |
3 сут 3…5сут 6 сут |
-60…+400 До 800 кратковременно До 1000 кратковременно |
19,7 8…10 |
— |
Сталъ, титановые сплавы, латунь, стеклопластики, |
ВК-36 эпоксидный |
Пленка толщиной 0,24мм |
3 мес |
175 |
0,5… 1 |
3 |
-60…+150 |
33, 25 (150°С) |
— |
Металлы, стеклопластики, композиционные материалы, |
ВК-50 |
Пленка |
3 мес |
130…140 |
1…3 |
3 |
-60…+200 |
15 |
24 |
Металлы, композиционные материалы. Швы |
*BK-9
применяется также для изготовления режущего инструмента (разверток, метчиков,
протяжек, калибров, абразивного инструмента).
Обозначения:
Т- температура; р-давление; τ — время отверждения; σсдв —
предел прочности при сдвиге; σр — предел прочности при
равномерном отрыве.
45. Свойства и назначение клеев для склеивания резин
между собой и с другими материалами
Марка клея, химическая основа |
Жизнеспособность (срок хранения) |
Режим отверждения |
Интервал рабочих температур, °С |
Прочность соединения |
Назначение клея и свойства соединения |
|||
Т, °С |
р, МПа |
τ, ч |
Сочетание материалов |
σр, σоткл, МПа |
||||
88-НП, наирит |
6 мес |
20 |
0,02 |
24 |
-40…+70 |
Резина со сталью |
2-0 (σоткл) 1,1(σр) |
Вулканизованные резины общего назначения с |
продолжение табл. 45
Марка клея, химическая основа |
Жизнеспособность (срок хранения) |
Режим отверждения |
Интервал рабочих температур, °С |
Прочность соединения |
Назначение клея и свойства соединения |
|||
Т, °С |
р, МПа |
τ, ч |
Сочетание материалов |
σр, σоткл, МПа |
||||
Лейконат, изоцианат |
1,5 года |
По режиму вулканизации |
— |
-60…+130 |
Резина П-64а или 3826 с металлами |
4,0 (σр) |
Невулканизованные резины на основе наиритового, |
|
ЛН, наирит |
1 год |
20 |
0,02…0,05 |
24 |
-60…+120 |
Резина с металлами |
2,4 (σотсл) |
Резины типа НО-68-1 и другие с металлами, |
НТ-150-1, наирит |
— |
20 |
Контактное |
24…48 |
-50…+60 |
Резина НО-68-1 со сталью |
1,2…1,5 (σотсл) |
Резины типа НО-68-1 с металлами, резины с резиной |
51К-41 |
— |
20 |
Тоже |
24 |
-60…+250 |
— |
— |
Фторкаучуки и резинотканевые материалы |
СФ-2а, бутадиеннитрильный |
6 мес |
20 |
Тоже |
24 |
-60…+80 |
— |
— |
Резины на основе этиленпропиленового каучука с |
51-К-34, наирит |
6 мес |
20 |
Тоже |
24 |
-40…+70 |
— |
— |
Резины общего назначения между собой и с другими |
51-К-36, наирит |
6 мес |
20 |
Тоже |
24 |
-50…+70 |
— |
— |
Тоже |
Циакрин СО-9 |
8 мес |
20 |
Тоже |
24 |
-60…+100 |
Резина с металлом |
1,4…4,0(σр) |
Все марки резин, кроме силоксановых к металлам и |
КТ-75″К», кремний-органический |
— |
20 |
Тоже |
48 |
-60…+300 |
Резина ИРП-1401 со сталью 30ХГСА |
1.8 (σр) |
Вулканизованные кремнийорганические резины к |
Эластосил 11-01″Б», кремний-органический |
6 мес |
20 |
0,02…0,03 |
Не менее 2 |
-60…+200 |
Резина ИРП-1338 сИРП-1338 Резина ИРП-1266 с алюминием |
1.96(σотсл) 1,6(σотсл) |
Кремнийорганические резины между собой и с |
КР-5-18, бутадиеннитрильный |
— |
20 |
Контактное |
48 |
-60…+80 |
Резина 203Б со сталью |
4,8(σотсл) |
Вулканизованные и невулканизованные резины на основе |
88-СА, наирит |
6 мес |
20 |
Тоже |
24 |
-60…+60 |
Резина 56 со сталью, алюминием |
1,3 (σр) 2,5(σотсл) |
Резины общего назначения с металлами, стеклом, др. |
ВКР-7, бутадиен-нитрильный |
— |
20 |
— |
— |
-60…+80 |
См. назначение клея |
12(σотсл) |
Вулканизованные резины на основе нитрильного и |
51-К-10, наирит |
6ч |
20 |
— |
— |
-60…+80 |
Резина НО-68-1 с алюминием |
2,5…6,0(σотсл) |
Вулканизованные резины различной химической природы |
78-БЦС-П, наирит, неопрен |
3 мес |
20 |
— |
— |
-60…+70 |
Резина с металлом |
Не менее 1.3 (σр) 2,5(σотсл) |
Резины общего назначения с металлами и другими |
УП-5-247, эпоксидный |
20 100 |
0,05 |
3…7сут 50 мин |
-60…+150 |
Резина и ИРП-1316 с ИРП-1316 |
9,8 (σр) |
Резины общего назначения и фторорганические резины. |
|
51-К-13, хлорбутадиеновый и метилвинилцерезиновый, |
3 мес |
В процессе вулканизации |
-60.. .+70 |
Резина ИРП-1390 со сталью |
Не менее 4,0 (σр) |
Резины марки ИРП-1390 совместно с праймером 51-К-19 |
||
51-К-26, 51-К-27, хлорбутилкаучук |
3 мес |
В процессе вулканизации |
-60…+120 |
(См. назначение клея) |
— |
Резины 51-1632, 51-1639 к металлу совместно с |
||
51-К-22, натуральный каучук |
З…6мес |
То же |
-60…+90 |
Полуэбонит 51-1629 со сталью |
Не менее 3,5 (σр) |
Полуэбонит 51-1629 к металлу с последующей |
||
Эластосил’ 137-83, кремний-органический |
6 мес |
20 |
0,01…0,1 |
24 |
-130…+300 |
(См. назначение клея) |
1,5(σотсл) 2,0 (σр) |
Кремнийорганические резины к металлу. Для склеивания |
*
Используется также в качестве конструкционного клея.
Обозначения: Т- температура отверждения,
вулканизации; р — давление при отверждении; τ — время выдержки при
указанных температуре и давлении; σр — предел прочности
клеевого соединения при равномерном отрыве; σотсл — предел прочности
клеевого соединения при отслаивании.
46. Свойства и назначение клеев для изготовления
инструмента
Марка клея, химическая основа |
Физическое состояние |
Жизнеспособность (срок хранения) |
Режим отверждения |
Термостойкость, °С |
Кт, МПа/°С |
Предел прочности, при сдвиге σсдв, |
Изготавливаемый инструмент |
||
Т, °С |
р, МПа |
τ, ч |
|||||||
УП-5-207, эпоксидный |
Пастообразный |
1 год |
150 |
Контактное |
0,5 |
200 |
— |
49 (Ст45 с Т15К6) |
Расточные и подрезные резцы, фрезы, протяжки, зубчатые |
ТКЛ-75, эпоксикремний-органический |
То же |
4ч |
20 80 150 |
Контактное |
48 4…6 3 |
300 |
0,0794 |
29 |
Протяжки, расточные резцы, абразивный и |
ВК-2, полиуретан-карборановый |
Тоже |
4…7ч |
150 |
0,03… 0,05 |
3 |
До 700 кратковременно |
0,0333 |
20 |
Сверхтвердые материалы (карбонадо, эльбор и др.) с |
ВК-2И, полиуретановый |
Тоже |
8ч |
220 |
0,03…0,15 |
3 |
400, 700 кратковременно |
0,0117 |
25 |
Резцы, развертки, теплонапряженные инструменты |
КТИ-1, эпоксидный |
Таблетки, порошок |
1 год |
180 |
Контактное |
2 |
200 |
0,106 |
63 (сдвиг при сжатии) |
Резцы расточные и с механическим креплением, фрезы, |
ВК-31, эпоксидный |
Пленка |
3 мес |
175 |
0,5…1,0 |
1,5 |
150 |
0,231 |
72 |
Штампы, крупногабаритные инструменты |
ВК-28, эпоксидный, модифицированный карборан |
Вязкая жидкость |
1 мес |
150…200 |
0,02 |
1,2 |
250 |
— |
10…14 |
Концевой инструмент с твердосплавной рабочей частью |
Обозначения: Т- температура отверждения; р —
давление при отверждении; τ — время выдержки при указанных температуре и
давлении; KТ — коэффициент температурной чувствительности.
Обозначение клеевых соединений
1. В клеевых соединениях (ГОСТ 2.313-82) место соединения элементов изображается сплошной линией толщиной 2мм (рис. 35, а). Для обозначения клеевого соединения применяют условный знак, который наносят на линии-выноски сплошной основной линией.
2. Швы, выполняемые по замкнутой линии, следует обозначать окружностью диаметром от 3 до 5мм тонкой линией (рис. 35 б, в).
3. Обозначение клея (клеящего вещества) по соответствующему стандарту или техническим условиям следует приводить в технических требованиях чертежа записью по типу: «Клей БФ-2 ГОСТ…».
При необходимости в том же пункте технических требований следует приводить требования к качеству шва.
4. При выполнении швов клеями различных марок всем швам, выполняемым одним и тем же материалом, следует присваивать один порядковый номер, который следует наносить на линии-выноске. При этом в технических требованиях материал следует указывать записью по типу:
Клей БФ-4 ГОСТ… (№3)
Рис. 35. Обозначение клеевых соединений на чертежах