2/2015 Technologia i Automatyzacja Montażu

56

WYTRZYMAŁOŚĆ POŁĄCZEŃ KLEJOWYCH I NITOWYCH

Anna RUDAWSKA, Tomasz WARDA, Przemysław MIŁOSZ

S t r e s z c z e n i eW artykule zaprezentowano zagadnienia wytrzymałości specjalnie ukształtowanych połączeń nitowych oraz klejowych blach stalowych wraz z uchwytami stalowymi oraz polimerowymi. Każdy rodzaj połączenia (nitowe i klejowe) wykonano w czterech wariantach. W przypadku połączeń nitowych, powierzchnia blach stalowych, przed przystąpieniem do ich wykonania, została poddana procesowi malowania oraz zastosowano dwa rodzaje nitów: stalowe i aluminiowe. Badaniom poddano również połą-czenia klejowe, w których analizowano dwa rodzaje blach: blachy z powłoką malarską (epoksydową) oraz bez, wykonane za pomocą kleju epoksydowego Epidian 57/PAC/1:1. Badania eksperymentalne polegały na analizie porównawczej wytrzymałości różnych wariantów połączeń nitowych oraz klejowych blach stalowych i uchwytów. W aspekcie wytrzymałościowym zauważo-no, że w obu przypadkach uchwytów w formie haczyków oraz obu rodzajów blach (malowanej i niemalowanej) korzystne jest zastosowanie połączenia nitowego. Połączenia klejowe wykonane za pomocą kleju epoksydowego Epidian 57/PAC/1:1 posia-dają wiele zalet, ale ich wytrzymałość jest mniejsza niż połączeń nitowych.

S ł o w a k l u c z o w epołączenia klejowe, połączenia nitowe, wytrzymałość

1. Wprowadzenie

W procesie montażu występują różnorodne połącze-nia montażowe, zarówno rozłączne, jak i nierozłączne [1, 2]. Wybór określonego rodzaju połączeń uzależniony jest od wielu czynników, wśród których można wymienić: ce-chy geometryczne połączenia, rodzaj łączonych materia-łów, wymagania dotyczące rodzaju połączenia, warunki eksploatacyjne i wiele innych [3–5]. Przedmiotem analiz były wybrane zagadnienia montażu uchwytów wykorzy-stywanych do przymocowania plandeki na przyczepie rolniczej (rys. 1). a) b)

Rys. 1. Widok: a) – przyczepy rolniczej wraz z zamocowaną plandeką, b) – uchwytu mocującegoFig.1. View of: a) – agricultural trailer fitted with a tarp, b) – fixture

Przeprowadzone badania miały na celu dokonanie analizy porównawczej wytrzymałości połączeń nitowych i klejowych oraz analizy możliwości zastąpienia dotych-czas stosowanych czasochłonnych sposobów montażu, technologią klejenia. Wykorzystanie metody łączenia kle-jem epoksydowym umożliwia w łatwy sposób uzyskanie płaskiej powierzchni od strony widocznej, co ma wpływ

na estetykę i bezpieczeństwo montażu plandeki na przy-czepę rolniczą. Jednakże konieczne jest uwzględnienie czasu utwardzania w przypadku połączeń klejowych, w celu uzyskania połączenia o wymaganej wytrzyma-łości.

2. Metodyka badań

2.1. Opis materiałów • Uchwyty i blachy

W badaniach doświadczalnych użyto uchwytów (w formie haczyków) polimerowych oraz stalowych do plandek, które zostały wykonane ze stali S235JR (rys. 2).

a)

b)

Rys. 2. Widok uchwytów mocujących: a) – stalowego, b) – po-limerowegoFig. 2. View of fixture: a) – steel, b) – polymer

TiAM_2_2015.indd 56 2015-05-06 11:54:24

Technologia i Automatyzacja Montażu 2/2015

57

Do badań doświadczalnych zastosowano blachy sta-lowe o grubości 1,5 mm ze stali S235JR. Część blach została pomalowana farbą epoksydową (o oznaczeniu Rust-Oleum Epoxy 9100, RAL 601) w celu przeprowa-dzenia badań porównawczych. • Nity

W eksperymencie wykorzystano nity aluminiowe rurkowe zrywalne oraz nity stalowe rurkowe zrywalne. Wszystkie nity miały jednakową średnicę wynoszącą d = 5 mm, co przedstawiono na rys. 3.

a)

b)

Rys. 3. Nity zrywalne: a) – geometria [6]: dm = 2,95 mm; p = 27 mm; k = 2,1 mm; dk = (8,7 – 10,5) mm, l = 12 mm; b) – widok Fig. 3. Rivets: a) – geometry [6]: dm = 2.95 mm; p = 27 mm; k = 2.1 mm; dk = (8.7 – 10.5) mm, l = 12 mm; b) – view

• Klej i pozostałe środkiDo łączenia uchwytu metalowego oraz polimerowe-

go z blachą malowaną i niemalowaną zastosowano klej epoksydowy Epidian 57/PAC/1:1. Podczas odtłuszczania powierzchni uchwytów zastosowano środek odtłuszcza-jący Loctite 7061. Kleje przygotowane na bazie żywicy epoksydowej Epidian 57 z utwardzaczem PAC charakte-ryzują się większą elastycznością niż z wykorzystaniem innych rodzajów utwardzaczy, np. Z-1.

2.2. Warunki wykonania połączenia • Połączenia nitowe i klejowe

Badaniom wytrzymałościowym poddano po cztery warianty połączeń nitowych oraz klejowych (każdy wa-riant obejmował 7 połączeń, Tabela 1), których kształt zamieszczono na rys. 4.

a)

b)

Rys. 4. Widok próbek połączeń: a) – nitowych, b) – klejowychFig. 4. View of joints samples: a) – rivet, b) – bonded

• Technologia wykonywania połączeń nitowych Technologia wykonania połączeń nitowych obejmowa-

ła następujące czynności: – odtłuszczanie powierzchni uchwytów środkiem od-

tłuszczającym Loctite 7061;

– piaskowanie powierzchni blach stalowych oraz nało-żenie powłoki z farby epoksydowej,

– nitowanie z zastosowaniem nitów aluminiowych i stalowych, za pomocą nitownicy ręcznej.

• Technologia wykonywania połączeń klejowych Technologia wykonania połączeń klejowych składała

się z następujących czynności: – piaskowanie powierzchni blach stalowych i nałoże-

nie powłoki z farby epoksydowej oraz odtłuszczanie Loctite 7061 (I wariant);

– odtłuszczanie powierzchni blach Loctite 7061 (II wa-riant);

– odtłuszczanie powierzchni uchwytów środkiem od-tłuszczającym Loctite 7061;

– przygotowanie kleju poprzez zmieszanie mechanicz-nie żywicy epoksydowej Epidian 57 oraz utwardza-cza PAC, w stosunku 1:1 oraz nakładanie kleju;

– wywarcie nacisku o wartości około 0,012 MPa;

– utwardzanie kleju, które przebiegało w temperaturze 21±2°C, przy wilgotności powietrza 41±2% przez 14 dni.

Tabela 1. Warianty połączeń nitowych oraz klejowychTable 1. Variants of riveted and bonded joints

Lp.Połączenia nitowe Połączenia klejowe

Rodzaj nitu Rodzaj uchwytu Rodzaj blach Rodzaj uchwytu

1 stalowymetalowy

malowanametalowy

2 aluminiowy niemalowana

3 stalowypolimerowy

malowanapolimerowy

4 aluminiowy niemalowana

TiAM_2_2015.indd 57 2015-05-06 11:54:24

2/2015 Technologia i Automatyzacja Montażu

58

2.3. Badania wytrzymałościoweDo badań wytrzymałościowych wykorzystano maszy-

nę wytrzymałościową Zwick/Roell Z150 oraz program TestExpert. Badania przeprowadzono zgodnie z normą DIN EN 1465 [7], stosując specjalnie zaprojektowany uchwyt do mocowania badanych próbek [8].

3. Wyniki badań

3.1. Wyniki badań połączeń nitowychWyniki wartości średniej arytmetycznej siły maksymal-

nej niszczącej badane połączenia nitowe przedstawiono na rys. 5.

Rys. 5. Siła niszcząca (maksymalna) badane połączenia nitowe Fig. 5. Failure force (maximum) of tested riveted joints

W przypadku połączeń blach z uchwytem metalowym zanitowanym nitem stalowym uzyskano siłę niszczącą wynoszącą 1081 N, natomiast dla połączeń z uchwytem metalowym zanitowanym nitem aluminiowym uzyskano siłę niszczącą równą 906 N, co stanowiło 17% różnicę. W przypadku obu wariantów połączeń nitowych z uchwy-tem polimerowym otrzymano porównywalne wyniki war-tości siły niszczącej.

3.2. Wyniki badań połączeń klejowychWyniki wartości średniej arytmetycznej siły maksymal-

nej (niszczącej) dwóch wariantów połączeń klejowych blach z uchwytem metalowym oraz uchwytem polimero-wym przedstawiono na rys. 6.

Rys. 6. Siła niszcząca (maksymalna) badane połączenia klejowe Fig. 6. Failure force (maximum) of tested bonded joints

Na podstawie wyników zaprezentowanych na rys. 6 można zaobserwować, iż większą wytrzymałością cha-rakteryzowały się połączenia klejowe, w których uchwyty (metalowy i polimerowy) zostały połączone za pomocą kleju z blachą niepoddaną procesowi malowania.

3.3. Omówienie wyników badańPorównując wyniki badań połączeń nitowych (rys. 5),

zauważono, że istotny wpływ na wytrzymałość bada-nych połączeń ma przede wszystkim rodzaj materiału, z którego wykonany jest uchwyt. Większą siłę niszczącą zaobserwowano w przypadku połączeń nitowych blach z uchwytami metalowymi niż z uchwytami polimerowymi, a różnica ta wynosi około 50%.

Zbliżone zależności zauważono w przypadku łączenia uchwytów z blachami za pomocą kleju epoksydowego Epidian 57/PAC/1:1 (rys. 6). Ponadto w przypadku po-łączeń klejowych zaobserwowano także pewien wpływ sposobu przygotowania powierzchni łączonych elemen-tów. Wytrzymałość połączeń klejowych, w których zasto-sowano uchwyt metalowy, a powierzchnię poddano pro-cesowi malowania, stanowi 86% wytrzymałości połączeń klejowych, w których powierzchnia łączonych elementów nie posiadała powłoki malarskiej.

a)

b)

Rys. 7. Widok: a) – zdeformowanego haczyka metalowego w połączeniach nitowych, b) – zniszczonego połączenia klejo-wegoFig. 7. View of: a) – the deformed metal fixture in riveted joints, b) – failure the adhesive joint

W przypadku połączeń nitowych podczas próby wy-trzymałościowej w wielu przypadkach wystąpiła deforma-cja jednego z elementów połączenia – uchwytu (rys. 7a). Nastąpiło zniszczenie przez odrywanie. Wyniki te doty-czyły zarówno połączeń nitowych z nitem stalowym, jak i aluminiowym. Deformacja uchwytów nastąpiła wów-czas, gdy siła niszcząca przekroczyła wytrzymałość ma-teriału, z którego wykonany jest uchwyt. W odniesieniu do połączeń klejowych w większości przypadków połączeń z uchwytami metalowymi nastąpiło zniszczenie adhezyj-no-kohezyjne (rys. 7b), co może m.in. świadczyć o do-brym przygotowaniu powierzchni.

TiAM_2_2015.indd 58 2015-05-06 11:54:24

Technologia i Automatyzacja Montażu 2/2015

59

4. Wnioski

Na podstawie rezultatów przeprowadzonych badań sformułowano następujące spostrzeżenia: • rozpatrując jednakowy sposób łączenia elementów,

większą wytrzymałość uzyskały połączenia wyko-nane za pomocą nitów stalowych rurkowych zrywal-nych, niż z użyciem nitów rurkowych aluminiowych;

• porównując wyniki połączeń klejowych, w których klejone są uchwyty do blach malowanych i niemalo-wanych, można zauważyć, że uchwyty przyklejone do blach niemalowanych wykazały większą wytrzy-małość na ścinanie, ale także na odrywanie;

• stan powierzchni łączonych materiałów istotnie wpływa na wytrzymałość połączeń klejowych i pod-czas projektowania tego rodzaju połączenia należy uwzględnić ten czynnik. W przypadku niektórych analizowanych połączeń klejowych wytrzymałość samego połączenia okazała się większa niż rodzime-go materiału, z którego były wykonane próbki. Może to świadczyć między innymi o prawidłowym sposobie przygotowania powierzchni do klejenia oraz warun-ków wykonania połączenia;

• większe wartości wytrzymałości uzyskano dla połą-czeń, w których uchwyty w postaci haczyków zani-towano nitami rurkowymi zrywalnymi, niż połączeń klejowych, dotyczyło to zarówno blach malowanych, jak i niemalowanych.

Podsumowując badania nad doborem sposobu łącze-nia uchwytów stalowych i polimerowych do blach stalo-wych w aspekcie wytrzymałościowym, zauważono, że w obu przypadkach uchwytów korzystne jest zastosowa-nie połączenia nitowego. Połączenia klejowe wykonane za pomocą kleju epoksydowego Epidian 57/PAC/1:1

mają wiele zalet, ale ich wytrzymałość jest mniejsza niż połączeń nitowych. Jednakże, w niektórych przypad-kach, gdy zaistnieje konieczność montażu bez możliwo-ści wykonywania otworów lub braku nitownicy można za-stosować połączenia klejowe (uwzględniając wymaganą wytrzymałość połączeń).

LITERATURA

1. Rutkowski A.: Części maszyn. Wyd. Szkolne i Peda-gogiczne SA, Warszawa 1986.

2. Kula W.: Projektowanie połączeń rozłącznych i nie-rozłącznych. Instytut Technologii i Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2005.

3. Godzimirski J.: Problemy klejenia konstrukcyjnego. Technologia i Automatyzacja Montażu, nr 1, 2009, s. 25–31.

4. Rudawska A.: Wytrzymałość połączeń klejowych blach aluminiowych w aspekcie montażu połączeń nierozłącznych. Technologia i Automatyzacja Monta-żu, nr 2, 2009, s. 35–38.

5. Mucha J., Witkowski W.: Nośność wybranych roz-wiązań połączeń nitowych podczas próby ścinania i rozciągania. Zeszyt Naukowy Politechniki Rze-szowskiej, z. 83 (279), nr 4, 2011, s. 33–42.

6. http://www.sklep.neronpila.pl/pl/p/Nit-Nity-zrywalne--z-lbem-plaskim (grudzień, 2014)

7. DIN EN 1465. Adhesives. Determination of tensile lap-shear strength of bonded joints.

8. Rudawska A., Warda T., Wzór użytkowy: Uchwyt wiertarski ustalający. W. 123609.

________________________Dr hab. inż. Anna Rudawska, prof. PL – Katedra Podstaw Inżynierii Produkcji Politechniki Lubelskiej, ul. Nadby-strzycka 36, 20-618 Lublin.Mgr inż. Tomasz Warda – Katedra Podstaw Inżynierii Produkcji Politechniki Lubelskiej, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin.Mgr inż. Przemysław Miłosz jest absolwentem Wydziału Mechanicznego Politechniki Lubelskiej.

ADHESIVE JOINTS AND RIVET JOINTS STRENGTH

A b s t r a c tThe paper presents issues of riveted joints, and adhesive joints strength of specially shaped steel sheets with steel fixtures and polymer fixtures. Each type of joints (riveted and adhesive) was carried out in four variants. In the case of riveted joints, a steel sheet surface, prior to their joining, has undergone a process of painting and combined with the use of two types of rivets: steel and aluminium. The adhesive joints of two types of sheet: the sheet with colour coating (epoxy), and without colour made of epoxy epidian 57/PAC/1:1 adhesive were tested. Experimental studies relied on a comparative analysis of different variants of the strength of riveted joints, and adhesive joints of steel sheets and fixtures. In terms of strength, it is noted that in both cases the fixtures and two types of steel sheets (painted and unpainted), preferred is the use of a riveted joint. Adhesive joints made of epoxy adhesive epidian 57/PAC/1:1 have many advantages, but their strength is lower than the riveted joints.

K e y w o r d sadhesive joints, rivet joints, strength

TiAM_2_2015.indd 59 2015-05-06 11:54:24