Применение конструкционных клеев для соединения металлов перед жидкой и порошковой окраской

Конструкционный клей уже давно используется для соединения деталей при сборке таких изделий, как металлическая офисная мебель, оборудование ОВК, кузовы грузовых автомобилей, металлические двери, сельскохозяйственная техника, вывески и архитектурные панели.

В этих областях применения конструкционный клей обычно заменяет сварку, точечную сварку или механический крепеж (например, болты, заклепки и винты) и обеспечивает высокопрочное соединение металлических деталей, которые уже окрашены или имеют покрытие.

Другим вариантом применения в производстве является соединение металлических деталей перед процессом нанесения жидкой краски или порошкового покрытия, однако эта процедура сопряжена с некоторыми сложностями при использовании конструкционного клея. Наряду с долговечностью и высокой прочностью соединений в готовом изделии, отвердевший клей должен обеспечивать следующее:

  • выдерживать погружение в агрессивную среду и циклы высокотемпературной предварительной обработки промывкой;
  • проводить достаточно электричества для заземления металлических деталей при электростатическом распылении порошковых покрытий;
  • впитывать жидкую краску или порошковое покрытие, чтобы итоговый цвет клея соответствовал цвету металлических деталей при наличии выступающих или открытых краев отвердевшего клея;
  • обладать способностью выдерживать тепловую нагрузку при достаточно высокой температуре, чтобы удерживать детали вместе в процессе горячей сушки или при нахождении в сушильной печи.

Некоторые типы эпоксидных и акриловых конструкционных клеев соответствуют этим требованиям и могут использоваться в модернизированных производственных процессах, что позволяет получить более прочное и привлекательное с эстетической точки зрения готовое изделие.

ПРЕИМУЩЕСТВА КЛЕЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ

Существует множество конструктивных, эксплуатационных и экономических факторов, которые побуждают инженеров рассматривать применение конструкционных клеев в качестве замены термических и механических методов соединения при изготовлении металлических сборных изделий. Эти преимущества включают в себя:

Равномерное распределение нагрузки.

При сдвиге, растяжении и сжатии конструкционный клей распределяет приложенное усилие по всей площади склеивания, что способствует устранению концентрации напряжения. При использовании механических методов соединения чаще всего детали соединяются в одной точке, в которой под воздействием приложенной силы могут возникнуть высокие местные напряжения.

Этот фактор особенно важен для соединений, подвергаемых циклическим нагрузкам, поскольку высокие местные напряжения, обусловленные механическим соединением, при каждом цикле могут вызывать небольшие повреждения соединенных материалов, которые, в конечном счете, приведут к преждевременному разрушению соединения.

Равномерное распределение напряжений при использовании конструкционного клея обеспечивает равноценную или большую прочность в сравнении с термическими и механическими методами соединения металлических конструкций (рисунок 1).

Рисунок 1. Сравнение прочности соединения.

Целостность подложки.

Большинство термических и механических методов соединения может привести к повреждению деталей вследствие образования отверстия в подложке, термического воздействия или деформирования металла или разрушения защитного покрытия.

Это может ослабить механическую прочность подложек и понизить их стойкость к погодным условиям и воздействию окружающей среды. Конструкционный клей, напротив, склеивает поверхности без вреда для самих деталей.

Снижение веса.

Поскольку конструкционный клей приклеивается к поверхностям, существует потенциальная возможность уменьшить толщину (а следовательно и вес) соединенных деталей. В отличие от многих термических и механических методов соединения, адгезия не зависит от механической прочности самих подложек, что позволяет использовать более тонкие металлические компоненты.

В транспортной отрасли особое внимание уделяется снижению веса легковых автомобилей, автобусов и железнодорожных вагонов в связи с возможной экономией топлива и сокращением выбросов, поэтому конструкционные клеи идеально подходят для элементов данного типа.

Соединение и уплотнение одновременно.

При использовании в качестве непрерывной полосы по периметру соединения жидкий конструкционный клей может заполнить зазоры между сборными деталями и обеспечить отличное уплотнение, предотвращающее проникновение воды и влаги.

Термические и механические соединения обычно требуют применения отдельных уплотнителей или герметиков, чтобы обеспечить приемлемые уплотняющие свойства.

Улучшение внешнего вида.

Угловые сварные швы отчетливо видны в готовых изделиях и требуют существенной дополнительной работы и усилий на шлифование. Точечные сварные швы оставляют выпуклости, которые видны даже после покраски. Болты, заклепки и винты, несомненно, тоже видны в готовом изделии. Будучи скрытым внутри поверхности склеивания между двумя соединенными деталями, конструкционный клей исключает эти нежелательные видимые эффекты и обеспечивает более гладкий, эстетически привлекательный внешний вид готового изделия.

СКЛЕИВАНИЕ ПЕРЕД ОКРАСКОЙ ИЛИ НАНЕСЕНИЕМ ПОРОШКОВОГО ПОКРЫТИЯ

Большинство клеевых соединений выполняется на готовых компонентах, поскольку окрашенные металлические детали зачастую крепятся к различным подложкам, таким как пластмассы, стекло, древесина и другие материалы, которые не окрашиваются и не имеют покрытия. Однако при соединении металлических компонентов, на которые наносится одна и та же краска или порошковое покрытие, существует ряд преимуществ в пользу склеивания перед окраской (а не после нее). Эти преимущества включают в себя:

Улучшенный процесс производства.

Конструкционный клей можно использовать для склеивания деталей из оголенного металла, благодаря чему процесс окраски потребуется только для одного сборного узла, а не для нескольких отдельных компонентов. На все покрытые клеем края также наносится краска или порошковое покрытие, что обеспечивает более равномерный цвет готового изделия.

Краски, вызывающие сложности при склеивании.

Конструкционный клей, как правило, обеспечивает качественное склеивание с большинством химических составов красок и покрытий, включая эпоксидные, уретановые и полиэфирные соединения. Однако некоторые краски с низкой поверхностной энергией (преимущественно фторсодержащие краски, например, на основе ПВДФ) не так хорошо соединяются с конструкционными клеями.

Выполнив соединение металлических деталей конструкционным клеем перед окраской, можно устранить проблему недостаточного сцепления с такими красками.

Более прочное соединение.

Общая прочность конструкции с клеевым соединением зависит не только от того, насколько хорошо клей прилипает к окрашенной поверхности, но и от того, насколько хорошо краска держится на металлической подложке. Используя конструкционный клей для соединения компонентов из оголенного металла (перед окраской), можно исключить этот дополнительный слой и обеспечить высокопрочное соединение непосредственно с металлическими подложками.

ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННОГО КЛЕЯ

Инженерам и технологам доступен широкий ассортимент конструкционных клеев, пригодных для долговечного соединения промышленных узлов, от цианоакрилатного моментального клея и отверждаемого термопластичного клея до пленочного эпоксидного клея горячего отверждения. Каждый из них имеет свои индивидуальные преимущества, однако только определенные типы двухкомпонентных конструкционных клеев отверждаются при комнатной температуре и обладают исключительной прочностью склеивания, устойчивостью к химическому воздействию и способностью выдерживать статическую нагрузку при высокой температуре, необходимую при соединении металлов перед нанесением жидкой краски или порошкового покрытия. Выбор типа клея для конкретной области применения зависит от характеристик готового отвердевшего клея и от простоты использования в производственном процессе.

Типы клеев бывают следующими:

Упрочненные эпоксидные клеи.

Эти высокомодульные, высокопрочные эпоксидные конструкционные клеи содержат частицы резины или другие модификаторы ударной прочности, которые существенно увеличивают прочность и стойкость клеевых соединений при динамических нагрузках, таких как ударная, усталостная нагрузка и вибрация. Эпоксидный клей обладает отличной адгезией с оголенными металлами, превосходной устойчивостью к воздействию окружающей среды и термостойкостью.

Эти продукты чаще всего используются в качестве непосредственной замены сварки, точечной сварки и механического крепежа в металлических сборных изделиях, предназначенных для работы в напряженном режиме. Однако, чтобы обеспечить максимально возможную прочность склеивания, необходима качественная подготовка поверхности. Обычно это означает, что нужно выполнить тщательную очистку поверхности (растворителем, например, ацетон) для удаления следов масла, отпечатков пальцев и других загрязнений, затем легкую абразивную очистку с использованием пескоструйной обработки, наждачной бумаги или кругов 3M™ Scotch-Brite™ (товар зарегистрирован в РФ), затем протереть другим растворителем, чтобы удалить шлифовальный мусор; или же выполнить очистку растворителем, а затем химическое травление.

Эпоксидный клей отверждается сравнительно медленно, поэтому необходимо подождать достаточное количество времени, чтобы конструкционный клей отвердился, перед выполнением процесса окраски соединенных деталей. При комнатной температуре время отверждения для достижения конструкционной прочности обычно составляет от нескольких часов до суток. Характерные свойства упрочненных эпоксидных конструкционных клеев можно посмотреть в спецификациях эпоксидных клеев 3M™ Scotch-Weld™ DP420 и DP460.

Акриловые клеи “Metal bonder”.

Эти высокопрочные акриловые конструкционные клеи содержат модифицированные сырьевые материалы или добавки для противодействия потенциальным коррозионным свойствам стандартных акриловых клеев на некоторых поверхностях из оголенного металла, таких как сталь и медь (рисунок 2).

Рисунок 2. Сохранение прочности после воздействия высокой температуры и влажности.

Акриловый клей сам по себе жесткий, поэтому составы для высококачественных соединений металлических деталей также должны упрочняться путем добавления частиц резины или других модификаторов ударной прочности. Несмотря на то, что функциональность и долговечность этих продуктов может быть чуть ниже, чем у эпоксидных конструкционных клеев, акриловые клеи обеспечивают несколько существенных преимуществ для производственного процесса. В зависимости от используемого металла и защитной смазки соединения с помощью акрилового клея можно выполнять с минимальной подготовкой поверхности или вообще без нее. Благодаря своему химическому составу акриловый клей может абсорбировать защитную смазку и другие слои легкого масла, чтобы создать сцепление с основным металлом.

Несмотря на то, что обсуждаемые ранее методы подготовки поверхности остаются рекомендованными, акриловый клей гораздо лучше переносит недостаточную или неоднородную подготовку поверхности (рисунок 3).

Рисунок 3. Влияние подготовки поверхности.

Акриловые конструкционные клеи отверждаются гораздо быстрее, чем эпоксидные с тем же временем жизни, что позволяет быстрее приступить к процессу окраски. Например, 10-минутному эпоксидному клею скорее всего потребуется 4-8 часов, чтобы достичь надлежащей прочности склеивания и выдержать отверждение порошкового покрытия в печи, в то время как для 10-минутного акрилового клея потребуется менее 1 часа. Поэтому акриловый клей лучше подходит, если важны скорость изготовления и сокращение объема незавершенного производства. Характерные свойства упрочненного акрилового конструкционного клея можно посмотреть в спецификации акрилового клея 3M Scotch-Weld Metal Bonder DP8407NS Gray.

ПРОВЕРКА КЛЕЯЩИХ СВОЙСТВ

Чтобы подтвердить способность данных конструкционных клеев обеспечивать качественное скрепление металлических деталей с последующим процессом окраски, было проведено два отдельных эксперимента.

Испытания на удержание статической нагрузки.

Образцы для испытания на сдвиг подвергались нагрузке разной силы с помощью устройства с пружинной нагрузкой, затем находились в печи при 204,44°C (400°F) в течение 1 часа.

Поскольку отвержденный конструкционный клей должен держать все склеенные детали, подвешенные в окрасочной линии, в данном испытании измеряется, какой вес может выдержать клей при высокой температуре (рисунок 4).

Рисунок 4. Способность выдерживать статическую нагрузку при отверждении покрытий в печи.

Оба типа обсуждаемых в данной статье конструкционных клеев показали хорошие результаты, при этом упрочненный эпоксидный клей выдерживает сдвиговое напряжение как минимум ~ 14 kgf/cm2 (200 фунтов/кв. дюйм), а акриловый клей “metal bonder” – как минимум ~ 5 kgf/cm2 (75 фунтов/кв. дюйм).

Такая удерживающая способность считается достаточной для большинства металлических сборных узлов.

Испытания с порошковыми покрытиями.

Плоские металлические детали были склеены с помощью конструкционного клея и отправлены на стандартную технологическую линию нанесения порошковых покрытий, чтобы определить, выдержит ли клей циклы предварительной обработки промывкой, будет ли он проводить достаточно электричества для заземления металлических деталей при электростатическом распылении порошка и удержит ли он порошковое покрытие на открытых, покрытых клеем, краях.

Цикл предварительной промывки состоял из 15-минутного погружения в щелочной очиститель металла (pH=11) при 65,56°C (150°F) и 5-минутного погружения в кислый (pH=4.5) водный раствор железофосфатного покрытия при 48,89°C (120°F). Этот полный факторный эксперимент включает два разных клея (эпоксидный клей 3M Scotch-Weld Epoxy Adhesive DP420 Off-White и акриловый клей 3M Scotch-Weld Metal Bonder Acrylic Adhesive DP8407NS Gray), две металлические подложки (алюминий и холоднокатаная сталь), две поверхности склеивания (толщиной 0,03 см и 0,09 см) и три разных по составу порошковых покрытия (эпоксид, полиэфир и полиэфирный триглицидилизоцианурат).

Отвержденные конструкционные клеи успешно выдерживали циклы промывки и удерживали металлические детали вместе.

Во всех комбинациях, за исключением одной, порошок был нанесен полностью и равномерно на все металлические поверхности, в результате чего была получена готовая металлическая конструкция с качественным покрытием. Некоторые проблемы с нанесением порошка возникли при испытании сборки с толстой линией склеивания (0,09 см) и упрочненного эпоксидного клея.

В этой комбинации эпоксидный конструкционный клей не смог обеспечить достаточное заземление для правильного распределения порошка. Этот же клей показал отличные результаты с более тонкой (и более типичной) поверхностью склеивания 0,03 см, в свою очередь, акриловый клей “metal bonder” обеспечил качественно окрашенное изделие при обоих вариантах толщины.

ПРИМЕНЕНИЕ КОНСТРУКЦИОННОГО КЛЕЯ

Предназначенные для соединения широкого диапазона металлов, упрочненные эпоксидные и акриловые конструкционные клеи могут обеспечить прочность и стойкость, необходимую для замены сварки, точечной сварки и механического крепежа в различных промышленных областях применения.

Эти продукты также обладают способностью выдерживать статическую нагрузку и высокую температуру, необходимую при склеивании металлических деталей перед нанесением жидкой краски или порошкового покрытия, что улучшает конструкционные и эстетические характеристики готового изделия и обеспечивает технологические преимущества для изготовителя.