Видеоканал РЦИТ на YouTUBE


Яндекс.Метрика

Рейтинг@Mail.ru


Статьи технической тематики из периодических изданий
«Регионального Центра Инновационных Технологий»
Исследование прочности клеевого соединения
автомобильных стекол


Исследование прочности клеевого соединения
автомобильных стекол

  Проблема прочности и долговечности клеевых соединений охватывает комплекс разнообразных вопросов, многие из которых изложены в [1, 2]. По этому в статье рассмотрено главным образом дли тельное и кратковременное действие температурно-влажностных и временных факторов на клеевое соединение стекло – окрашенный металл.

   В настоящее время на ОАО "Автоваз" для вклеивания автомобильных стекол семейства автомобилей ВАЗ-2110 и семейства автомобилей ВАЗ-1118 используют полиуретановые клеи марок "Теростат8590UHV/M" фирмы "Хенкель" и "Бета сил 1701" и фирмы "Дау". Для достижения наибольшей прочности адгезии фирмами–производителями клеевых систем рекомендуется использовать соответствующие очистители и праймеры, которые подбирают в зависимости от типа склеиваемых материалов.

   Очиститель – разбавитель применяют, как правило, производства той же фирмы, что и клей, для очистки поверхностей перед склеиванием или уплотнением. Для стекла применяют специальные очистители, которые не оказывают вредного воздействия на краску.

   Праймер – это защитный слой, который применяют для предохранения клеевого соединения от воздействия ультрафиолетовых лучей и для лучшей адгезии стекла с металлом. Его наносят на стекло и краску на кузове.

   В авиации, машиностроении и некоторых других отраслях промышленности получили распространение испытания на прочность клеевых соединений при заданных условиях, обусловленных конкретными требованиями к клеевому соединению в данной конструкции.

   Одним из главных показателей при испытаниях клеевого соединения является прочность при сдвиге:

τсд = F / S ,

   где τсд – прочность при сдвиге, МПа;
F – разрушающая нагрузка, Н;
S – площадь склеивания, м2.

   Испытанию подвергают как неотвержденные, так и отвержденные клеи, подвергнутые температурно-влажностным и временным воздействиям.

   Факторами, в значительной степени влияющими на скорость полимеризации полиуретанов, являются температура и относительная влажность окружающей среды, в которой происходит операция склеивания материалов.

   Отличительной особенностью механизма полимеризации полиуретановых клеевых систем следует отметить кинетику отверждения от верхнего слоя в глубину нанесенного шва. Время полной полимеризации Т0 полиуретановых клеевых систем при температуре (23±2)°С и относительной влажности (50±5) % с применением праймера составляет семь суток.

   Если к прочности клеевого соединения подходить с теоретической точки зрения, то рассмотрим один из наиболее часто встречающихся случаев: отверждение клея произведено при повышенной температуре (напряжениями, возникшими при отверждении, пренебрегаем); испытания соединения проводятся при нормальной температуре. Это означает, что [1] при F > 0:

ϑ = ∆T = Tис - T0,
где ∆T – приращение температуры Т2Т1, К;
Тис – температура испытаний соединения;
ϑ – изменение температуры:
при ϑ < 0 – уменьшение температуры;
при ϑ > 0 – увеличение температуры.

   Тогда
ɛq1 - ɛq0 = (a1 - a0) ϑ,
где ɛq1 – деформация усадки после изменения температуры;
ɛq0 – деформация усадки после отверждения;
a1 – коэффициент линейного расширения адгезива;
a0 – коэффициент линейного расширения субстата.

   Обычно у полимерного адгезива коэффициент линейного расширения больше, нежели у субстата, т.е. a1 > a0.

   Средний коэффициент линейного теплового расширения
аср = ∆l / (l0∆T), 
где ∆l – приращение длины образца, мм;
l0 – начальная длина образца.


 Рис. 1. Теоретическая кривая зависимости адгезионной прочности τ от температуры Т

   Далее получаем формулу для предела прочности при сдвиге при максимальном значении τ1(x) в момент разрушения [1]:


где v – перепад температур;
ω
– постоянная материала:

b – ширина нахлестки;
g – параметр жесткости пограничного слоя:
g = G / h;
h – высота адгезива;
k – постоянная Больцмана:

   Теоретические кривые зависимости адгезионной прочности τ от температуры испытаний на сдвиг соединений внахлестку представлены на рис. 1.

   Способность рассматриваемой адгезионной модели противостоять, не разрушаясь, температурному воздействию условно назовем термической прочностью.

   В общем случае модель может разрушиться от действия влаги (набухания), усадочных деформаций при отверждении адгезива и т.п.

   В случае с рассматриваемыми полиуретановыми клеями происходят также процессы изменения прочности под влиянием влажности – ее увеличение в определенных условиях. Поэтому для наглядности происходящих адгезионных процессов можно ограничиться рассмотрением лишь термической прочности модели.

   Целью настоящей работы было определение влияния температурно-влажностных факторов и времени выдержки полиуретановых (ПУ) клеевых систем на прочность вклейки стекол.

   Для этого в лабораториях ИЦ ОАО "АвтоВАЗ" были проведены сравнительные испытания по определению прочностных характеристик соединений, полученных с использованием применяемых на заводе полиуретановых клеев, в различных временных и температурно-влажностных условиях.

   Собранные образцы соединений "стекло + окрашенный металл" выдерживали в течение 2,5 и 6 ч в различных условиях:
     - оптимальные условия – в камере при темпера туре (23$±2)°С и относительной влажности (50±5) %;
     - в пониженной влажности 20…22 % при комнатной температуре;
     - при дополнительном орошении водой в целях повышения скорости полимеризации. Орошение производили с помощью распылителя непосредственно на собранные образцы.

1. Механические характеристики физических свойств используемых материалов

Материал Модуль
упругости Е,
МПа
Предел
текучести
σт, МПа
Коэффициент
Пуассона, μ
Плотность
р, г/см3
Сталь 08Ю 185000 190 0,3 7,9
Стекло 74000 - 0,2 2,2
Клей 9 - 0,48 1,3

2. Результаты испытаний после выдержки образцов в течении 2.5 часов

Относительная
влажность, %
Прочность при сдвиге после выдержки
образцов при (23 ± 2)°С, ИПа
Теростат
8590UHV/M
Бетасил-1701
20 ... 22 0,04 0,04
50 ± 5 0,19 0,09
Дополнительное
орошение
0,12 0,09

3. Результаты испытаний после выдержки образцов в течении 2.5 часов

Относительная
влажность, %
Прочность при сдвиге после выдержки
образцов при (23 ± 2)°С, ИПа
Теростат
8590UHV/M
Бетасил-1701
20 ... 22 0,10 0,09
50 ± 5 0,50 0,20
Дополнительное
орошение
0,29 0,19

   Размер образцов, мм: металл – 100х50х1,5; стекло – 80х50х5,2. Площадь склеивания образцов 0,045 м2; точность метода до 1 %.
   Испытания проводили на разрывной машине, скорость движения зажима машины 50 мм/мин.
   Физико-механические свойства материалов со единения представлены в табл. 1.
   Результаты испытаний представлены в табл. 2, 3. Прочность клеевого соединения измеряли после выдержки образцов в течение 2,5 ч (табл. 2) и 6 ч (табл. 3).

    Повышение прочности клеевого соединения очевидно при повышении влажности воздуха (рис. 2).
    Результаты испытаний показали, что прочность клеевых материалов марок "Теростат8590UHV/M" и "Бетасил1701" после выдержки образцов в течение 2,5 ч недостаточна. Положительные результаты получены после выдержки образцов в течение 6 ч при (23±2)°С и относительной влажности (50±5) % и образцов с дополнительным орошением, собранных с применением клея "Теростат8590UHV/M". Очевидно, это обусловлено рецептурными особенностями клея, влияющими на скорость полимеризации клеевого шва.


 Рис. 2. Зависимость прочности τ клеевого соединения от влажности воздуха после выдержки образцов в течение:
а – 2,5 ч; б – 6 ч; – – – – "Теростат8590UHV/M"; –––– "Бетасил1701"

   Дополнительно были проведены сравнительные испытания образцов соединений стекло – окрашенный металл, собранных с использованием клея марки "Теростат8590UHV/M", которые выдерживали в условиях недостаточной влажности, в условиях оптимальной влажности и в условиях улицы при пониженных температурах. Результаты испытаний представлены в табл. 4 и на рис. 3.

4. Результаты испытаний на прочность при сдвиге образцов соединений с использованием клея марки "Теростат-859090UHV/M"

Время
выдержки,
ч
Прочность на сдвиг, МПа
Температура, °С
23 ± 2 - 20 ± 5
Относительная влажность, %
20 ... 22 50 ± 5 условия
улицы
244 0,40 0,94 0,12
48 0,48 1,24 0,13
72 0,60 1,72 0,13


 Рис. 3. Влияние прочности τ клеевого соединения исследуемых клеев в зависимости
от влажности воздуха после выдержки образцов в течение t = 24…72 ч:
1 – (23±2) °С, 20…22 %; 2 – (23±2) °С, (50±5) %; 3 – (20±5) °С

 Анализ результатов, приведенных на рис.3, показывает, что в условиях выдержки образцов при температуре (23±2)°С, относительной влажности 20…22 % и температуре (23±2)°С, относительной влажности (50±5) % отмечается постепенное увеличение прочности клеевого соединения при применении исследуемых марок полиуретановых клеев. В условиях выдержки образцов при минус (20±5)°С (условия улицы) прочность клеевого со единения не изменяется, т.е. процесс полимеризации клея останавливается.

   Полученные в ходе проведенной работы результаты исследований показывают, что прочность клеевого соединения полиуретановых клеев в значительной мере зависит от температуры и влажности, в которых производится операция вклейки стекол.

Вывод

   Экспериментальная проверка представленных теоретических расчетов доказывает взаимосвязь показателей прочности клеевого соединения и температурно-влажностновременных факторов.

Статья "Исследование прочности клеевого соединения автомобильных стекол"