Почему склеивание металлов становится предпочтительным методом

История развития склеивания металлов

Склеивание материалов применяется уже давно, но склеивание металлов стало актуальным всего лишь последние 50 лет.

Это связано не с низкой адгезией к металлам, а с тем, что когезионная прочность клеев значительно ниже, чем у большинства металлов.

Реальная возможность соединения металлов с использованием клея появилась лишь после разработки составов с высоким модулем упругости, накопления практического опыта и теоретических знаний.

Однако долгое время склеивание оставалось второстепенным способом, который использовался как альтернатива традиционным методам соединения.

Первые успехи военного времени

Во время Второй мировой войны компания De Havilland Aircraft (Великобритания) представила первые самолеты с клееными деревянными конструкциями, укрепленными металлом. Уникально, что в это время был использован клей на основе фенолоформальдегидной смолы, модифицированной поливинилацеталем.

Хотя успех этой компании стал первым в своём роде, к концу войны появились высокопрочные клеи на основе эпоксидных смол, специально предназначенные для металлов. Однако недостаток знаний и опыта в этой области вызывал недоверие к этому методу соединения.

Даже спустя 25 лет после войны специалисты всё ещё задавались вопросом, что же лучше: клеить, клепать или сваривать?

Сегодня уже можно с уверенностью сказать, что без склеивания нельзя представить как внеземные (ракеты, спутники, луноходы), так и наземные конструкции (огромные радиолокаторы и другое оборудование).

Преимущества склеивания металлов

Склеивание имеет несколько значительных преимуществ по сравнению с традиционными методами соединения металлов:

• Возможность соединять разные металлы, которые сложно клепать или сваривать
• Соединение металлов с неметаллическими материалами
• Равномерное распределение напряжений по площади соединения
• Укрепление конструкции в местах соединения, где клепка или сварка могут её ослабить
• Снижение вибрации конструкции
• Герметичность соединения в условиях давления и вакуума
• Отсутствие значительных температурных колебаний, как при сварке
• Возможность демонтажа большинства клеевых соединений при нагреве без повреждения субстратов
• Лучший внешний вид и более ровная поверхность

Кроме вышеперечисленных плюсов, есть и другие, не менее значимые: клеевое соединение является электрически изолированной системой (если не используются проводящие клеи).

Это свойство может быть как преимуществом, так и недостатком, а иногда даже опасным. Поэтому квалификация работников, занимающихся склеиванием, должна быть на высоком уровне.

Выбор клеев и подготовка поверхности

Сегодня склеивание рассматривается как один из лучших способов неразъемного соединения материалов. Ключевым моментом для достижения максимальной прочности и долговечности клеевых соединений металлов является правильный выбор субстрата и клея.

Для склеивания металлических поверхностей важно учитывать их физико-механические свойства и геометрические размеры. Разные субстраты должны как можно меньше различаться по моду упругости и термическому коэффициенту расширения. Если это невозможно, следует выбирать клей, который минимизирует эти различия.

Если ни один клей не соответствует требованиям, выбирают эластичный клей или комбинацию систем. Например, при соединении эластичного и твердого субстратов используют эластичный клей для эластичного субстрата и жесткий клей для твердого. Оба клея должны быть совместимыми и хорошо адгезироваться друг к другу.

Ключевым моментом является предварительная обработка металлов перед склеиванием.

Влияние шероховатости поверхности

Однако в этой области много еще неразрешенных вопросов. Влияние шероховатости, которая должна обеспечивать механическое заклинивание клея, ещё не полностью изучено.

Существует мнение, что клей служит для выравнивания неровностей на поверхности субстратов. В то же время известно, что наилучшая прочность достигается при склеивании травленных металлов, так как оставшиеся после обработки неровности меньшие, чем те, что остаются после механической обработки. Клей должен обладать необходимыми физико-химическими и физико-механическими, адгезионными и когезионными свойствами.

Для повышения адгезии применяют различные добавки к клеям, такие как хлорированные каучуки, поливиниловый спирт или адгезионные грунты, обладающие высокой адгезией к субстрату. Они способствуют устранению различий в механических константах субстрата и клея.

Температурные характеристики клеев

Большинство металлов хорошо проводят тепло. Поэтому клеи, которые изменяют свои свойства при нагреве, следует использовать только в условиях, исключающих повышение температуры.

Сейчас существует достаточно типов клеев для металлов, способных выдерживать температуру от +80 °С до +110 °С на протяжении длительного времени.

Для более сложных условий существуют клеи, которые выдерживают температуры от +120 °С до +180 °С в течение длительного времени (кратковременное воздействие до +500 °С).

Механические характеристики соединений

Клеевые соединения показывают хорошую стойкость к сдвигу и равномерному отрыву, но хуже противостоят неравномерному отрыву, отклеиванию и отслаиванию. Кроме того, они относительно плохо справляются с резкими ударами. Эти факторы необходимо учитывать при проектировании соединений. Напряжения, вызывающие отклеивание или удары, должны приходиться на металлические части соединения, поэтому лучше использовать конструкции с различными усиливающими элементами.

Долговечность и защита соединений

Клеевые соединения часто подвергаются воздействию воды, её паров и разных химических реагентов. Необходимо защитить обработанную поверхность металла до начала склеивания.

Особенности подготовки поверхности

Поверхности металлов обычно склеивают сразу после химической подготовки. При этом стоит учитывать, что обработанная поверхность может некоторое время сохранять кислую или щелочную реакцию, что отрицательно влияет на отверждение клея. Например, «кислые» поверхности после травления могут замедлять или полностью останавливать отверждение цианакрилатных клеев.

Пленка на поверхности металла от синтетических моющих средств, которые используются для обезжиривания субстратов, может повышать адгезию при использовании клеев на основе эпоксидных смол, но мешает отверждению анаэробных составов. Поэтому желательно, чтобы поверхность субстрата имела нейтральную реакцию и была сухой.

Проблемы коррозии

Некоторые клеевые соединения имеют низкую долговечность, так как отвержденный клей в условиях эксплуатации может гидролизоваться или разлагаться, что ведет к утрате клеящей способности. Агрессивные вещества могут мигрировать через клеи, вызывая коррозию субстратов.

Коррозия может привести к значительному увеличению объема продуктов коррозии, который превышает объем исходного металла. Это может снизить адгезию и даже разрушить клеевое соединение.

Клеи, которые отверждаются кислотами, могут вызывать коррозию. При склеивании алюминия причиной коррозии становится избыток щелочного отвердителя. Клей не должен образовывать гальваническую пару с металлическим субстратом. В зависимости от электродного потенциала это может активизировать, замедлять или защищать поверхность металла от коррозии. В клеевом соединении может быть реализована анодная или катодная защита.

Наиболее эффективным и экономически целесообразным является анодный способ.

Однако самый простой вариант — это использование качественной защитной обработки всей площади клеевого соединения, особенно по краям клеевого слоя. Хорошо зарекомендовали себя эпоксидные и силиконовые покрытия, которые одновременно улучшают внешний вид изделия. Такими покрытиями следует обрабатывать соединения, работающие в жидкой или агрессивной среде.

Современные решения для склеивания

Быстрое отверждение

В большинстве случаев необходимо, чтобы клей быстро отверждался. Для этого используют клеи-расплавы (которые расплавляются с помощью индукционного или высокочастотного нагрева). Отверждение происходит из-за затвердевания расплава при определенном давлении. Этот способ по сути похож на точечную сварку.

Но на практике возникают сложности с точным расположением соединяемых элементов, их параллельностью и тщательной очисткой соединительных участков. Этот метод требует сложных конструкций для фиксации элементов.

Склеивание металлов и других неметаллических конструкционных материалов является одной из самых важных областей применения клеев.

Современные клеевые системы

Клеевые соединения металлов и других конструкционных материалов должны обладать высокой прочностью, долговечностью в разных климатических условиях и термостойкостью. При выборе клеев для соединения различных пар металлов и неметаллических материалов целесообразно использовать справочные материалы.

Широкий ассортимент цианакрилатных клеев Permabond поможет решить любые задачи по соединению металл-металл. Линейка клеев Permabond включает высокоэффективные, мгновенно отверждающиеся, устойчивые к температурам, не окрашивающиеся и с низким запахом химические соединения, которые могут склеить любые материалы: от пластика и дерева до металлов и керамики.