Действие клеев при соединении неразъемных составных частей изделия основано на образовании межмолекулярных связей между клеевой пленкой и поверхностями склеенных материалов. Клееные соединения применяют для соединения металлических, неметаллических и разнородных материалов, причем в настоящее время имеется тенденция к расширению применения этих соединений. Так, например, клееные соединения применяют в таких ответственных конструкциях, как летательные аппараты и мосты.
Достоинства клееных конструкций заключаются в возможности соединения практически всех конструкционных материалов в любых сочетаниях, любой толщины и конфигурации, причем обеспечивается герметичность и коррозионная стойкость соединений. В отличие от сварных, клееные соединения почти не создают концентрации напряжений, не вызывают коробления деталей и надежно работают при вибрационных нагрузках. По сравнению с другими клееные соединения дешевле, а клееные конструкции обычно легче других при прочих равных условиях. Недостатки клееных соединений: сравнительно невысокая прочность, в особенности при неравномерном отрыве, относительно невысокая долговечность некоторых клеев («старение»), низкая теплостойкость, необходимость соблюдения специальных мер по технике безопасности (установка приточно-вытяжной вентиляции); для большинства соединений требуется нагрев, сжатие и длительная выдержка соединяемых деталей.
Клеи делят на конструкционные (для прочностных соединений) и неконструкционные (для ненагруженных соединений).
По природе основного компонента различают неорганические, органические и элементоорганические клеи. К неорганическим клеям относят жидкие стекла, применяемые для склеивания целлюлозных материалов.
Существует большое разнообразие конструкционных клеев отличающихся физико-механическими свойствами и технологией их применения. Наибольшее применение в машиностроении и приборостроении имеют органические клеи на основе синтетических полимеров, например универсальные клеи БФ, технические условия на которые стандартизованы, и эпоксидные клеи с наполнителем и без наполнителя. При необходимости повышенной теплостойкости (до 1000° С) применяют элементоорганические клеи, обладающие сравнительно меньшей эластичностью. Клеи не являются проводниками, поэтому при необходимости обеспечить электропроводность в них добавляют порошкообразное серебро.
Клеи, предназначенные для создания неразъемных соединений из металлических и неметаллических конструкционных материалов, – в табл. 1.
Таблица 1. Свойства и назначение синтетических клеев
| Марка | Прочность
при 20° С |
Склеиваемые материалы, свойства клея | |
| на сдвиг,
МПа |
на отрыв,
Н/м |
||
| Фенольные | |||
| БФ-2, БФ-4 | 30 | 280 | Металлы, текстолит, аминопласты, стекло,
древесина, фибра, фарфор, кожа; вибростоек |
| БФ-6 | Ткани, резина, войлок между собой и для
приклеивания его к металлам |
||
| ВК-32-200 | 15 | 320 | Дуралюмин, стали, текстолиты, пенопласты |
| ВС-350 | 18 | — | |
| ВС-10Т | 18 | 320 | Металлы, стеклотекстолиты и текстолиты |
| БС-10М | 20 | 320 | |
| КР-4 | — | — | Пластмассы, древесина, текстильные
материалы |
| КБ-3 | — | — | |
| Бакелитовые | |||
| СБС-2 | — | — | Пластмассы, тонкие древесные, бумажные
и текстильные материалы |
| Эпоксидные | |||
| ЭД-5, ЭД-6 | — | — | Металлы, винипласт, оргстекло, фарфор, керамика, древесина,
пластмассы, приклеивание вулканизированной резины к металлам |
| ВК-32-ЭМ | 25 | 200 | Стали, дуралюминий между собой и с пенопластами; стоек в различных
кинематических условиях |
| ВК-7 | 7,5 | — | Стали, алюминиевые и титановые сплавы,
работающие при температуре 60ч250 °С |
| Л-4 | 4,0 | — | Металлы между собой и со стеклопластиками в узлах несилового назначения |
| Полиамидные | |||
| ПФЭ-2/10 | 6,0 | 600 | Металлы, текстолит, древесина, капроновое волокно, полиамидные пленки, кожи |
| ПК-5 | 15 | — | Полиамидная пленка |
| МПФ-1 | 17 | 650 | Металлы и неметаллические материалы;
эластичен; обладает длительной прочностью |
| Карбомидные | |||
| КМ-3 | — | Пластмассы, древесина, бумага, текстильные материалы; вибростоек | |
| К-17 | 14 | — | |
| КМ-12 | — | ||
| Полиуретановые | |||
| ПУ-2 | 14 | — | Стали, алюминиевые сплавы между собой и с неметаллическими материалами;
обладает длительной прочностью и выносливостью, стоек в различных климатических условиях |
| ВК-5 | 7,5 | — | Стали, алюминиевые и титановые сплавы между собой и с неметаллическими
материалами, работающие при ±60 °С в течение 1000 ч; вибростоек |
| Перхлорвиниловые | |||
| Д-10; М-10 | — | — | Поливиниловые пластики между собой и с металлами |
| «Лейкопат» | — | 400 | Невулканизированная резина с металлами |
| Б-10 | |||
| ХВК-2а | — | — | Винипласт, ткани и пластики с металлами |
| Глифталевые | |||
| АМК | — | 750 | Стекло, теплоизоляция с металлами |
| ИП-9 | Силиконовые резины с металлами | ||
| Металлические | |||
| Мелкадин | — | — | Металлы, керамика, органические
полимеры и др.; электропроводен, выдерживает нагрев до 700-800 °С |
| Фосфатные | |||
| Алюмофосфатный клей | — | — | Стекло, ситалл, керамика, металлы (никель, молибден, вольфрам, титан,
тантал, ковар, констант), работающие при 60ч1400 °С |
| Цианакриловые | |||
| Циакрин | 14 | — | Различные материалы |
| Эпоксидно-фурфурольно-ацетатные | |||
| БОВ-1 | — | — | Металлы и пластмассы; химически стойкие, теплостойкие |
| БОВ-2 | |||
| БОВ-3 | |||
Подготовка поверхностей. Для склеивания деталей требуется механическая и химическая подготовка их поверхностей. Механическую подготовку и пригонку металлических деталей производят на металлорежущих станках или вручную напильником, сложные поверхности подвергают пескоструйной обработке; пластмассовые детали обрабатывают резанием или зачищают наждачной шкуркой. Химическая подготовка заключается в очищении и обезжиривании склеиваемых поверхностей ацетоном, спиртом, бензином или бензолом.
Клей наносят на поверхность кистью или пульверизатором. Прочность клееного соединения в значительной степени зависит от толщины клеевого слоя, которая в основном определяется вязкостью клея и давлением при склеивании. Рекомендуют толщины клеевого слоя для различных клеев в пределах 0,05- 0,25 мм; при толщине клеевого шва 0,5 мм и более прочность соединения значительно снижается. Наибольшее влияние на прочность клееного соединения оказывает температура эксплуатационного режима, которая для большинства конструкционных клеев рекомендуется в пределах от минус 60° С до плюс 80° С. Типовые режимы склеивания различных материалов синтетическими клеями – в табл. 2.
Таблица 2. Типовые режимы склеивания различных материалов синтетическими клеями
| Марка клея | Температура, °С | Давление, МПа | Выдержка до
отверждения, ч |
| Для металлов | |||
| К-153 | 25 | 0,1-1,5 | 16-20 |
| БФ-2, БФ-4 | 140-150 | 1,0-2,0 | 1 |
| ВС-10Т | 180 | 0,05-0,2 | 1-2 |
| ВК-32-ЭМ | 150 | 0,05-0,3 | 3 |
| ВС-10М | 180 | 0,3-1,0 | 2-3 |
| ВК-32-200 | 180 | 1,0-2,0 | 1-2 |
| П-4 | 120 | 0,01-0,73 | 4 |
| ПК-5 | 80 | 0,05-0,3 | 6 |
| ПУ-2М | 105 | 0,05-0,3 | 4 |
| ВС-350 | 200 | 0,1-0,2 | 2 |
| Карбонильный | 20 | 0,03-0,05 | 24-30 |
| Для неметаллических материалов | |||
| MAC-1 | 150 | 0,2-0,3 | 0,5 |
| КТ-15 | 200 | 0,2-0,3 | 2 |
| К-17 | 15 | 0,05-0,3 | 6-8 |
| № 88 | 15 | Без давления | 3 |
| АМК | 105 | Без давления | 4 |
| АК-20 | 18 | Без давления | 8 |
| ВК-32-2 | 20 | Без давления | 10 |
| К-32-70 | 65 | 0,1-0,15 | 4 |
| В-31-ф | 20 | 0,1-0,3 | 10-12 |
| ПВ-16 | 20 | 0,1-0,15 | 4 |
| В-107 | 15 | 0,5-0,3 | 10-12 |
| ВИАМ-БЗ | 16 | 0,05-0,5 | 10-12 |
| ВИАМ-К-12 | 16 | 0,05-0,5 | 8-10 |
| ВИАМ-Ф | 18 | 0,05-0,5 | 12-15 |
В прочностных клееных конструкциях наиболее распространены соединения встык и соединения внахлестку, примеры которых приведены на рис. 1.
Рис. 1. Разновидности клеевых соединений деталей: а – соединения встык с накладкой; б – с косым стыком; в – стыковое; г – стыковое соединение труб одинакового диаметра; д – внахлестку; е – внахлестку шпунтовое; ж – с косым стыком соединение труб одного диаметра; з – внахлестку (телескопическое) соединение труб разного диаметра
Прочность клееного соединения деталей зависит от площади склеивания. Наиболее прочными являются соединения, работающие на сдвиг или равномерный отрыв, когда напряжения по всей площади склеивания можно полагать распределенными равномерно (табл. 3).
Таблица 3. Прочность клееного соединения
| Марка клея | Предел прочности клея
(МПа) при |
Примечание | |
| срезе
(сдвиге), τв |
растяжении
(разрыве), σв |
||
| Карбонильный | 13…37 | 13…37 | Температура от + 60 до — 60º С |
| Универсальные клеи БФ | 6…10 | 23…25 | |
При работе на отслаивание (неравномерный отрыв) прочность соединения не определяется площадью склеивания, так как оно будет разрушаться последовательными участками; в таких случаях применяют комбинированные соединения – клеезаклепочные или клеесварные.
При расчете на прочность клеевого шва внахлестку где L – размер нахлестки; δ – толщина склеиваемых деталей; [σр] – допускаемое напряжение на растяжение этих деталей; [τ] – допускаемое напряжение на срез клеевого шва.
Расчетные формулы на сдвиг и отрыв для клееных соединений имеют вид
где F – действующая сила; Ак – площадь склеивания.
Допускаемое напряжение на сдвиг
а на отрыв
где допускаемый коэффициент запаса прочности [s] = 1,2…1,5, зависящий от температуры (с ростом температуры значения увеличиваются) и характера нагрузки.
Для распространенных клеев предел прочности при сдвиге τв ≤ 60 МПа, предел прочности при растяжении σв ≤ 50 МПа.