1. Подготовка склеиваемых поверхностей – заключается в подгонке, зачистке и обезжировании склеиваемых поверхностей. Иногда требуется специальная обработка поверхностей перед склеиванием.
Подгонка должна обеспечить плотное прилегание склеиваемых поверхностей. Качество подгонки зависит от вида применяемого клея. Если клей имеет малую когезионную прочность, то подгонка должна быть очень точной, а клеевой слой – тонким. Если же клей имеет высокую когезионную прочность и малую усадку при отверждении, то подгонка может быть менее тщательной, так как клей после отверждения обеспечит необходимую плотность клеевого соединения и его высокую прочность.
Зачистка проводится в целях получения чистых склеиваемых поверхностей, удаления с них окалины, жировых пятен и в целях создания оптимальной шероховатости склеиваемых поверхностей.
Установлено, что отполированные поверхности склеиваются хуже, чем поверхности с оптимальной шероховатостью. Для создания оптимальной шероховатости применяют механические методы обработки склеиваемых поверхностей, например, зачистку наждачной шкуркой оптимальной зернистости, зачистку металлическими щетками с применением специального оборудования, пескоструйную обработку и др.
Существуют термические методы очистки поверхности металлов путём отжига изделий в атмосфере водорода, окислительно-восстановительный отжиг. Можно поверхности подвергать ионной бомбардировке, обработке пламенем, тлеющим коронным разрядом, струёй ионизированного газа и др.
Иногда более эффективными являются методы химической обработки поверхности. Например, алюминиевые сплавы обрабатывают электрохимическим методом в кислотных ваннах или растворах, содержащих окислители, что приводит к образованию окисной пленки на поверхности металла. Кроме всего прочего при такой обработке увеличивается площадь контакта клея со склеиваемым материалом.
В некоторых случаях наличие окисной плёнки на склеиваемых поверхностях категорически недопустимо.
Иногда применяют модификацию поверхностей склеиваемых материалов органическими и элементоорганическими веществами. Доказано, что адгезия полиэтилена к металлам повышается, если поверхность металла предварительно покрыть мономолекулярным слоем органической кислоты.
Обычно трудно склеиваются “инертные” термопласты – неполярные полимеры (полиэтилен, полипропилен, политетрафтороэтилен и др.). При склеивании таких материалов необходима обработка их поверхности либо механическими методами (опескоструивание, зашкуривание), либо физическими (газопламенная обработка, обработка электрическим разрядом, ультрафиолетовыми лучами и др.), либо с помощью химических агентов (например, раствора металлического натрия в жидком аммиаке), изменяющих полярность поверхностных слоёв полимеров.
Обработка полиэтилена хромовой кислотой повышает прочность клеевого соединения на полиуретановом клее ПУ-2 при сдвиге от 1 до 90…95 кгс/см2. Аналогичные результаты получают и при обработке поверхности полиэтилена разбавленными водными растворами КМnО4.
Обезжиривание – необходимая и очень важная технологическая операция в процессе склеивания. Обезжиривание желательно проводить растворителем, применяемым в составе клея. После обезжиривания склеиваемые поверхности высушивают. Иногда обезжиривание проводят методами химической обработки, путем прокаливания при высоких температурах и др. Обезжиривание можно совмещать с процессом растворения склеиваемых поверхностей растворителями, которые одновременно выполняют и обезжиривающую функцию.
2. Приготовление клеев, их контроль и испытания.
Для однокомпонентных клеев или сложных по составу высыхающих или затвердевающих при повышенных температурах клеев эта операция сводится к оценке внешнего вида клея, проверке его однородности, прозрачности или равномерности по цвету и других свойств. Контроль проводят на основе соответствующих ТУ.
Вязкость клея должна соответствовать нормам, приведенным в ГОСТах или ТУ. Ее проверяют с помощью вискозиметров различной конструкции.
При необходимости определяют сухой остаток клея (по ТУ или ГОСТу), а также механические свойства клеевых соединений исследуемых материалов, склеенных данным клеем по рекомендуемой технологии (определяется предел прочности при разрыве, предел прочности при сдвиге, предел прочности при равномерном отрыве и др.). Испытания проводят по ГОСТам или соответствующим ТУ.
Для многокомпонентных затвердевающих клеев процесс приготовления заключается в смешивании компонентов (клей, отвердитель, пластификатор или другие компоненты многокомпонентных клеев). После приготовления клея проводят оценку его свойств аналогично тому, как это делается для однокомпонентных или многокомпонентных высыхающих или затвердевающих клеев.
Многокомпонентные затвердевающие клеи после их приготовления могут затвердевать при комнатной температуре (клеи холодного отверждения) или при определенной повышенной температуре (клеи горячего отверждения). Один и тот же клей в зависимости от применяемого отвердителя может затвердевать как при комнатной, так и при повышенной температуре.
Для клеев холодного отверждения важной контролируемой характеристикой является его жизнеспособность.
Жизнеспособность клея – это время от момента приготовления отверждающегося клея до того момента, когда вязкость его станет настолько большой, что его уже невозможно нанести равномерным тонким слоем на склеиваемые поверхности.
Для клеев холодного отверждения жизнеспособность может быть от нескольких минут до нескольких часов. Срок использования клея не должен превышать времени его жизнеспособности. Это накладывает определенные жесткие условия на массу приготавливаемой партии клея и время его использования. По истечении жизнеспособности клей уже невозможно использовать по назначению. Чтобы исключить упомянутые выше ограничения, в промышленных условиях чаще применяют клеи горячего отверждения. Это не только исключает возможность самопроизвольного затвердевания клея, но и позволяет, как правило, получить более высокие механические характеристики клеевых соединений.
3. Нанесение клея на склеиваемые поверхности, сушка, открытая выдержка и пропитка.
Нанесение клея на склеиваемые поверхности выполняют механизированными методами, аналогичными используемым при нанесении лакокрасочных покрытий или вручную с помощью кисти, штапеля, шприца и др. инструментов.
Пленочные клеи вырезают по размеру склеиваемых поверхностей и укладывают на нанесенный точками жидкий клей или подогретую поверхность. Термопластичные клеи можно подавать в нагретом состоянии в зазор между склеиваемыми деталями с помощью устройств типа литьевых машин. При этом периметр клеевого соединения необходимо герметизировать.
На прочность клеевого соединения оказывает влияние толщина клеевого слоя. Для большинства клеев с уменьшением толщины клеевого слоя прочность соединения увеличивается. Однако это наблюдается не всегда. Например, закономерность не соблюдается при использовании некоторых высокопрочных адгезивов, таких, как клей на основе бутадиен-нитрильного каучука.
После нанесения клея проводится открытая выдержка склеиваемых деталей. При этом происходят испарение растворителей, если они применяются, и пропитка поверхностного слоя деталей клеем. Клей растекается по всей поверхности, что способствует выравниванию толщины клеевого слоя и вытеснению воздуха из пор и неровностей поверхности. Время открытой выдержки зависит от вида применяемых растворителей.
Иногда после нанесения первого слоя клея, его сушки и частичного отверждения наносится второй слой клея, который также подвергается открытой пропитке или сушке. В качестве первого слоя можно использовать другой клей в целях защиты склеиваемых поверхностей от агрессивного воздействия основного клея.
4. Соединение склеиваемых поверхностей и их запрессовка (создание сжимающего давления).
Запрессовка обеспечивает фиксирование деталей, достижение более полного контакта между клеем и склеиваемыми поверхностями, способствует образованию клеевой прослойки оптимальной толщины.
Величина давления зависит от вязкости клея, точности подгонки поверхностей, жесткости конструкции. Его оптимальные значения подбираются для каждого клея эмпирически. Для создания давления при склеивании применяют пневматические или гидравлические прессы, автоклавы, различные зажимные устройства, атмосферное давление в комбинации с вакуумированием и др.
5. Сушка термопластичных клеев и отверждение многокомпонентных затвердевающих клеев и клеев на основе термореактивных смол.
Отверждение термопластичных клеев происходит путем испарения растворителей. Время сушки зависит от вида склеиваемых материалов, формы, размеров склеиваемых поверхностей и других факторов.
Отверждение термореактивных и затвердевающих клеев является, наряду с подготовкой поверхностей, наиболее важной операцией технологии склеивания. Выбор режимов этого процесса (температура, давление, продолжительность) зависит не только от природы клея, но и типа соединяемых материалов и условий эксплуатации изделий. Соединения, образуемые эпоксидными и полиуретановыми клеями при повышенных температурах отверждения, имеют более высокую прочность, теплостойкость и водостойкость, при этом улучшаются электроизоляционные свойства клеевых соединений. Термореактивные клеи отверждаются всегда при повышенных температурах. Склеиваемые детали нагревают в термостатах, термошкафах, контактными нагревателями, с помощью токов высокой частоты и другими методами.
Продолжительность выдержки при повышенной температуре и под давлением зависит от скорости нагрева зоны шва до заданной температуры и скорости отверждения клея.
Затвердевание термопластичных клеев происходит в результате испарения растворителя или охлаждения зоны шва (столярный клей).
После отверждения клеевого слоя детали извлекают из зажимных систем, устройств или приспособлений и некоторое время выдерживают при комнатной температуре для релаксации напряжений и уменьшения общего уровня внутренних напряжений.
6. Контроль качества клеевых соединений.
Обычно применяют два вида контроля:
а) пооперационный – осуществляется в процессе склеивания;
б) окончательный; для ответственных деталей применяются различные виды неразрушающего контроля, такие, как ультразвуковой, рентгенконтроль и др.
Выборочно проводят также разрушающие виды контроля (для определения предела прочности, ресурса и других характеристик).
Для получения качественных клеевых соединений технологические процессы склеивания должны разрабатываться и осуществляться так, чтобы в клеевом соединении не возникало внутренних остаточных напряжений. Надо иметь в виду, что возникновению таких напряжений способствуют следующие факторы:
1) плохая подгонка склеиваемых деталей;
2) неравномерный слой клея;
3) неравномерное давление запрессовки;
4) большая усадка клея при отверждении;
5) различные коэффициенты удельного термического расширения клея и склеиваемых материалов (для клеев с горячим отверждением);
6) неравномерность температуры при горячем отверждении;
7) слишком высокая жесткость клеевого слоя по сравнению с жесткостью склеиваемых материалов и др.