Opracował: Aleksandra Lewandowska, Sławomir Chorek
Klejenie metali w przemyśle
Klejenie nie jest podstawową metodą łączenia metali. To wciąż rozwijająca się dziedzina. Istnieją bardziej popularne sposoby wykorzystujące tradycyjne metody technologii mechanicznej. Czasami jednak warto lub nie ma innego wyjścia i trzeba wybrać właśnie sposób łączenia tworzywa za pomocą spoiwa powstałego na drodze chemicznej. Kiedy więc warto sięgnąć po tę metodę?
Kiedy kleimy?
Na pewno nie jest to dobra metoda na łączenie elementów o dużej grubości. Klejenie warto rozważyć, gdy powstała konstrukcja ma się charakteryzować dużą sztywnością w połączeniu z niską masą. Takie wymogi występują w przemyśle konstrukcji transportowych. Pierwszą gałęzią, w której zaczęto stosować tę technologię było lotnictwo. Potem zaczęto ją wdrażać do nadwozi izotermicznych, autobusów, samochodów i kontenerów. Inna przesłanka to gdy jeden z elementów jest mniejszy o jeden, dwa rzędy od pozostałych. Sięgamy również po klej w sytuacji, gdy metale łączymy z tworzywami z innego surowca – szkłem czy tworzywami sztucznymi.
Pamiętajmy jednak, że przed przystąpieniem do działania musimy odpowiedzieć sobie na kilka ważnych pytań, by dobrze rozeznać się w technologicznych możliwościach wykonania połączenia klejonego. Wskazówką do użycia kleju mogą być dysproporcje w wymiarach elementów łączonych, co eliminuje posiłkowanie się tradycyjnymi metodami łączenia. Czasem to warunki fizyczne determinują wybór spoiwa chemicznego, które będzie obojętne dla tych warunków. Inny powód to względy bezpieczeństwa, jak było w przypadku wymiany zardzewiałych podpór osłony przeciwsłonecznej na zbiorniku z gazem w Elektrociepłowni EC III w Łodzi. Jako ciekawostkę podamy, że użyto wtedy kleju Monolith® EP 2579-1.
Zalety.
Żadna inna technologia nie da nam takich rezultatów jak klejenie. Dzięki łączeniu metali za pomocą klejów nie występuje korozja bimetaliczna, czy odkształcenia termiczne a dodatkowo zachodzi tłumienie drgań. Kolejna zaleta to pełne wykorzystanie wytrzymałości łączonych materiałów. Proces klejenia nie powoduje powstawania naprężeń, czyli nie osłabia części łączonych, jak ma to miejsce na przykład w spawaniu. Zachowujemy również powierzchnie materiału, bo nie ma potrzeby wiercenia otworów i wkręcania śrub, czy nitowania. Plusem jest to, że kleje samoistnie uszczelniają złącza, dzięki temu nie potrzeba już dodatkowych uszczelniaczy. Klejenie umożliwia łączenie elementów o różnej grubości. Jest to jedyna technologia umożliwiająca łączenie bez przebarwień blach nierdzewnych bezotworowo i bezzakładkowo.
Istotną zaletą, szczególnie w klejeniu przemysłowym, są zdecydowanie niższe wymagania kwalifikacyjne pracowników. Tradycyjne procesy technologii mechanicznej łączenia materiałów często wymagają specjalnych kwalifikacji nabywanych na kursach lub w szkole. Jeżeli chodzi o klejenie, praktycznie może je wykonywać każdy pracownik zaznajomiony z tą technologią.
Klejenie a inne metody.
Podobną metoda do klejenia jest lutowanie, jednak klejenie posiada zasadniczą przewagę nad lutowaniem. Jest to metoda bardziej uniwersalna, nadaje się do większej liczby materiałów. Lutowanie miękkim lutem daje spoinę tylko niewiele mocniejsza od połączenia klejonego.
Spawanie posiada znaczące wady. Wprowadza naprężenia, których usunięcie wymaga zastosowania dodatkowych metod termicznych, a to generuje dodatkowe koszty. Ponadto elementy o bardzo małych przekrojach ulegają trwałym deformacjom. Są materiały, których nie można spawać, np. stal z aluminium. Spawanie niszczy powłokę galwaniczną i trwale odbarwia blachę nierdzewną. Tej metodzie łączenia metali często muszą towarzyszyć dodatkowe czynniki, takie jak osłony z gazów obojętnych czy stosowanie specjalnych kosztownych elektrod.
Kolejna powszechnie stosowana, lecz kosztowna metoda to złącza śrubowe. Są to jednak połączenia nieszczelne i podatne na korozję bimetaliczną. Do łączenia blach w niewielkim przedziale grubości stosuje się zgrzewanie. Trudno jednak uzyskać szczelność połączenia, a zgrzanie punktowe powoduje spiętrzenie naprężeń. Połączenia wciskane przy małych grubościach ścian elementów nie pozwalają uzyskać wystarczających sił mocujących, a elementy pasowane wymagają dodatkowej obróbki, przez co rośnie koszt tej metody.
Czynniki mające wpływ na wybór kleju.
Przed wyborem odpowiedniego kleju uwzględnić należy następujące czynniki:
• Rodzaj łączonych powierzchni – ocynowane czy nieocynowane,
• Narażenie na korozję,
• Temperaturę, w jakiej złącze będzie pracować,
• Łatwość układania złączy i ich własności mechaniczne,
• Koszty procesu klejenia.
Rodzaje klejów.
Przeprowadzano szereg badań, które miały na celu znalezienie spoiw wykazujących najlepsze właściwości adhezyjne dla konkretnych materiałów. Wyszczególniono grupy klejowe o różnych bazach chemicznych dedykowane do poszczególnych zadań. Oto podstawowe grupy klejów:
• Kleje anaerobowe – Produkowane są na bazie żywic metakrylowych. Metal pełni rolę katalizatora. Gdy nie będzie dostępu powietrza, a tym samym tlenu, w kontakcie dwóch powierzchni, minimum jedna musi być metalem, klej przechodzi z postaci płynnej do twardo-elastycznego ciała stałego. Gdzie wykorzystuje się ten rodzaj klejów? Przydatny jest on w zabezpieczaniu połączeń gwintowych (demontaż poprzez podgrzanie do temperatury wyższej od maksymalnej dla kleju), osadzaniu łożysk, kół zębatych, tulej, piast, czy przy uszczelnianiu powierzchni przylgowych korpusów i pokryw przekładni. Wpływ na czas utwardzania klejów anaerobowych ma aktywność materiału. Do materiałów aktywnych zaliczamy: miedź, stale konstrukcyjne, niehartowane stale węglowe i żeliwo. Materiały nieaktywne to natomiast stale wysokostopowe, aluminium sezonowane i powierzchnie galwanizowane.
• Kleje cyjanoakrylowe – To substancje jednoskładnikowe, produkowane na bazie metylu, etylu i alkoksy. Najwięcej zastosowań znajdują kleje na bazie etylu. Polimeryzacja zachodzi dzięki katalitycznym właściwościom wilgoci zawartej w powietrzu. Ten typ klejów cechuje się bardzo krótkim czasem reakcji. Dzięki nim możemy uzyskać mocne połączenie na stali czy aluminium, ale też na tworzywach sztucznych i różnych połączeniach tych materiałów. Kleje cyjanoakrylowe mają szerokie zastosowanie, gdyż cechuje je bardzo szybkie i mocne działanie. Dzięki tym właściwościom służą głównie do łączenia małych elementów. Używa się ich w produkcji narzędzi chirurgicznych oraz w aplikacjach automatyzowanych.
• Kleje epoksydowe – Są to substancje dwuskładnikowe. Wytwarza się je na bazie polimerowych żywic epoksydowych. Stosowane są w klejeniu konstrukcyjnym: stali węglowych, stali stopowych, stali nierdzewnych, aluminium, metali kolorowych, większości tworzyw sztucznych twardych, ceramiki, szkła, betonu, minerałów i drewna oraz klejenia tych materiałów z metalami. Idealnie nadają się do sklejania małych sztywnych elementów.
• Kleje metakrylowe – To kleje chemoutwardzalne, dwuskładnikowe, powstające na bazie metakrylanu metylu. Nie wymagają dokładnego przygotowania powierzchni i zmniejszają pola odkładcze. Podstawowe zastosowanie tego typu klejów to łączenie tworzyw sztucznych, ale służą też do łączenia ich z metalami, czy metalu z metalem. W przemyśle używa się ich do produkcji pojazdów, wież wiatrowych lub w konstrukcjach metalowych i z tworzyw sztucznych.
• Silikony – Polimery syntetyczne krzemoorganiczne, o strukturze siloksanów. Dzielą się na silikony octowe, metoxy, silikony alkoholowe i silikony addycyjne. Ich główną zaletą jest wysoka elastyczność. Do klejenia metali najlepiej sprawdzają się silikony octowe. Również do klejenia metali, ale także szkła i ceramiki, wykorzystuje się silikony addycyjne. Ich główną zaletą jest utwardzanie w całej objętości bez skurczu. To ta właściwość pozwala używać ich jako kleje i zalewy montażowe. Stosuje się je tam, gdzie wymagane jest dopuszczenie do kontaktu z żywnością.
• MS polimery (MS-silany) – To polimery modyfikowane silanami. Tworzą grupę pośrednią między poliuretanami i silikonami. Są wysoce elastyczne i mają dużą siłę wiązania. Cechuje ich dobra przyczepność do metali i wielu innych podłoży. Zaletą jest odporność na promieniowanie UV, lepsza adhezja od poliuretanu z aktywatorem i kohezja, którą można dobierać zależnie od okoliczności. Dzięki wymienionym właściwościom kleje z tej grupy znajdują zastosowanie w klejeniu materiałów, które mają różne wartości współczynników rozszerzalności cieplnej, w środowiskach narażonych na stałe zawilgocenie lub w połączeniach narażonych na wpływ wibracji. Stosuje się je także do łączenia dużych elementów, zbudowanych z cienkich powłok, wspartych na usztywnieniach.
Jak kleić metale?
Tak jak w przypadku innych materiałów, należy zacząć od dobrego przygotowania powierzchni. Gdy dany element jest duży lub jego masa jest krytyczna, stosuje się różne sposoby trawienia i pokrywania powłokami, na przykład kataforezę. To skomplikowane procesy wymagające kąpieli chemicznych i specjalnych zabezpieczeń BHP. Prostsza ścieżka to przeprowadzenie samego odtłuszczania czy nakładania warstw podkładów, które mają za zadanie wiązać zanieczyszczenia. Kolejnym etapem jest nałożenie kleju. Istnieją różne techniki. Kluczowe jest takie nałożenie i przyłożenie drugiej powierzchni, by pomiędzy dwa elementy nie dostało się powietrze. Należy we właściwy sposób pobrać klej z pojemników. Rzadki klej, w tubach kartuszach lub butelkach, jest tak zaprojektowany, by sam wypierał powietrze i samoczynnie opływał złącze. Proces ten zachodzi na przykład w złączach gwintowych, gdzie stosowane są kleje nawet o właściwościach kapilarnych.
Bąbel powietrza jest zawsze źródłem nieciągłości złącza i może powodować delaminację. Stąd w połączeniach konstrukcyjnym zagadnienie zapowietrzania złącza jest dużym problemem, z którym trzeba się zmierzyć. Dlatego w tych przypadkach nie tylko nałożenie kleju może sprawiać problem, ale również przyłożenie powierzchni. Nie można stosować kieszeni konstrukcyjnych lub technologicznych bo może w nich zostać uwięzione powietrze, które wyprze klej na zewnątrz.
Co w przypadku nanoszenia kleju tiksotropowego? Jest to gęsty klej, zawierający wypełniacze podnoszące jego wytrzymałość, odporność na odzieranie i opierające się wibracjom. Takie kleje o wysokiej wytrzymałości narażone są na zwiększone działanie karbu, co czyni je podobnymi do metali. Dlatego właśnie klej musi zostać nałożony nieprzerwaną strugą, bez bąbli powierza. W tym celu stosuje się przemysłowe metody przepakowania i podawania kleju prosto z opakowań. Do mniejszych złączy stosuje się specjalne aplikatory i kartusze (Ilustracja 6), a do dużych elementów używane są pompy podające klej wężami prosto z beczek lub wiader.
Kolejny etap to połączenie elementów. Tu napotykamy bardzo często popełniany błąd polegający na dociskaniu elementów. W większości przypadków nie powinniśmy tego robić. Trzeba je jedynie złożyć i ustalić położenie. Chyba że są to elementy odkształcające się, sprężynujące lub odpadające pod własnym ciężarem, wtedy oczywiście konieczne jest zabezpieczenie ich położenia do momentu uzyskania pożądanej spoiny. Choć tu też nie chodzi o dociskanie. Stosuje się dystanse, metalowe lub gumowe podkładki, by zapewnić odpowiednią grubość warstwy kleju. Dobrym przykładem są odpowiedzialne połączenia konstrukcyjne, gdzie stosuje się kleje ze specjalnymi szklanymi kulkami, które zapewniają odpowiednią grubość warstwy.
W tradycyjnych, mechanicznych metodach łączenia metali, takich jak spawanie czy lutowanie, po połączeniu elementów można zacząć dalszą pracę nad produktem. W klejeniu jest inaczej, co stanowić może wadę tej metody. Sklejone elementy musimy odłożyć na określony czas, do momentu utworzenia się spoiny. Technolodzy pracują nad zminimalizowaniem potrzebnego na to czasu, tak cennego w każdym procesie produkcyjnym.
Skrócenie czasu wiązania kleju.
Już na etapie produkcji kleju próbuje się opracować taką technologię, by uzyskać możliwie najmniejszy czas na utworzenie się połączenia klejonego. Produkuje się kleje z boosterem, szybkie kleje dwuskładnikowe, systemy no-mix lub aktywatory. Czas można zyskać też optymalizując metodę nakładania kleju. Optymalizacja procesu należy do producentów i dostawców urządzeń dozujących. Cel to jak najszybsze i jak najbardziej wydajne nałożenie szybkowiążącego kleju. Rośnie moc pomp, precyzja mieszania składników. Zwiększa się automatyzacja procesu nakładania i składania elementów. Wytwarzane są zamknięte pętle sprzężenia zwrotnego. W ciągu każdych kolejnych pięciu lat prawie o połowę spada koszt utrzymania procesów klejenia. Dzięki temu coraz mniejsi producenci mogą sobie pozwolić na zastosowanie tej metody.
Podsumowanie.
Istnieje wiele metod łączenia metali. Kluczową sprawą jest dobór właściwej technologii pozwalającej osiągnąć pożądany efekt. We współczesnym przemyśle kleje pełnią coraz większą rolę w łączeniu metali z rożnymi materiałami. Stąd mnogość ich rodzajów. To właśnie one umożliwiły połączenia materiałów, których wcześniej nie można było ze sobą zespoić i znacznie rozszerzyły możliwości technologiczne we współczesnym przemyśle. Klejenie to często metoda nie do zastąpienia. W przyszłości, gdy zostanie przekroczona bariera wiązań międzycząsteczkowych, tradycyjne technologie mechaniczne prawdopodobnie przejdą do historii.
