Badanie połączeń klejowych wg ISO 4587 i PN-EN 1465 – próba ścinania

ISO 4587 – co określa ta norma?

ISO 4587:2003 opisuje metodę oznaczania wytrzymałości na rozciąganie ze ścinaniem połączeń klejowych wykonanych ze sztywnych elementów połączonych na pojedynczą zakładkę.

Norma określa sposób przygotowania oraz badania znormalizowanej próbki w ustalonych warunkach. Jej głównym zastosowaniem jest możliwość wykonywania porównywalnych badań systemów klejenia.

ISO wprost zaznacza również, że badanie według ISO 4587 nie dostarcza danych przeznaczonych bezpośrednio do projektowania konstrukcji klejonych. Wynik należy traktować jako wynik znormalizowanej próby wykonanej dla określonej geometrii, materiałów i warunków.

ISO 4587 a PN-EN 1465 – jaka jest różnica?

W starszych materiałach można znaleźć informację, że ISO 4587 została zastąpiona przez PN-EN 1465. Takie przedstawienie relacji pomiędzy normami jest obecnie nieprawidłowe.

ISO 4587:2003 oraz EN 1465:2009 funkcjonują jako odrębne dokumenty normalizacyjne opisujące bardzo zbliżoną metodę badania połączeń zakładkowych.

Jeżeli laboratorium, klient albo dokumentacja techniczna wymaga badania według konkretnej normy, w raporcie należy podać dokładne oznaczenie zastosowanego dokumentu i jego wydanie.

Jak przygotowuje się próbki do badania połączenia klejowego?

Jedną z najbardziej charakterystycznych cech tego badania jest prosta geometria próbki. Dwa sztywne elementy są sklejane końcami tak, aby powstało pojedyncze połączenie zakładkowe.

Typowa geometria stosowana w badaniu obejmuje:

• długość pojedynczego elementu: około 100 mm,
• szerokość: około 25 mm,
• grubość: około 1,6 mm,
• długość zakładki: około 12,5 mm.

Geometria ta jest powszechnie wykorzystywana dla metalowych elementów próbnych. W zależności od materiału, celu badania i wymagań konkretnej normy mogą być stosowane inne parametry – muszą być jednak jednoznacznie opisane w dokumentacji badania.

Przygotowanie powierzchni musi być powtarzalne

Przed klejeniem trzeba dokładnie określić sposób przygotowania powierzchni. Może on obejmować między innymi oczyszczanie, odtłuszczanie, obróbkę mechaniczną, obróbkę chemiczną lub zastosowanie odpowiedniego primera.

Jeżeli porównujemy dwa kleje, a próbki przygotowano w różny sposób, nie porównujemy już wyłącznie produktów – porównujemy dwa całe systemy klejenia.

Kontrola zakładki i grubości spoiny

Podczas przygotowania próbek trzeba zachować osiowość elementów i powtarzalną długość zakładki. W laboratoriach wykorzystuje się do tego odpowiednie formy lub przyrządy montażowe.

Kontrolować należy również grubość warstwy kleju. Jest ona jednym z parametrów wpływających na rozkład naprężeń i wynik badania.

Jak przebiega próba ścinania połączenia klejowego?

Po przygotowaniu, sklejeniu i pełnym utwardzeniu próbka jest mocowana w uchwytach maszyny wytrzymałościowej.

Siła rozciągająca jest przykładana wzdłuż głównej osi próbki. Obciążenie zwiększa się aż do zniszczenia połączenia lub jednego z jego elementów.

Podczas próby rejestrowana jest przede wszystkim siła potrzebna do zniszczenia próbki. Na tej podstawie można wyznaczyć nominalną wytrzymałość połączenia zakładkowego odniesioną do powierzchni klejenia.

Jak oblicza się wynik próby ścinania?

W uproszczeniu nominalną wytrzymałość połączenia na ścinanie określa się jako stosunek maksymalnej siły osiągniętej podczas badania do nominalnej powierzchni zakładki:

τ = F_max / A

gdzie:

• τ – nominalna wytrzymałość połączenia na ścinanie,
• F_max – maksymalna zarejestrowana siła,
• A – nominalna powierzchnia sklejonej zakładki.

Jeżeli siłę podaje się w niutonach, a powierzchnię w mm², wynik otrzymujemy w N/mm², czyli MPa.

Co oznacza obraz zerwania połączenia klejowego?

Sama maksymalna wartość siły nie daje pełnej informacji o zachowaniu złącza. Po badaniu należy obejrzeć obie powierzchnie próbki i określić sposób zniszczenia połączenia.

Aktualna ISO 10365:2022 opisuje oznaczenia głównych wzorców zniszczenia stosowanych w badaniach mechanicznych połączeń klejowych.

Zerwanie adhezyjne

Klej oddziela się przede wszystkim od powierzchni jednego z łączonych materiałów.

Może to wskazywać między innymi na problem z przygotowaniem powierzchni, niewłaściwą kompatybilność kleju z podłożem albo niewystarczającą adhezję w danych warunkach. Nie należy jednak diagnozować przyczyny wyłącznie na podstawie samego wyglądu – wymaga to analizy całego procesu.

Zerwanie kohezyjne

Zniszczenie przebiega wewnątrz warstwy kleju, dzięki czemu po obu stronach połączenia pozostaje część materiału klejowego.

W wielu badaniach taki obraz wskazuje, że granica klej–podłoże nie była najsłabszym miejscem połączenia. Nie oznacza jednak automatycznie, że cały system spełnia wymagania – nadal liczy się osiągnięta wartość wytrzymałości.

Zniszczenie materiału łączonego

Jeżeli przed zniszczeniem spoiny pęka lub trwale uszkadza się samo podłoże, oznacza to, że w danej konfiguracji połączenie klejowe było mocniejsze od badanego materiału.

Taki wynik nie pozwala jednak określić rzeczywistej granicznej wytrzymałości samej spoiny.

Zerwanie mieszane

Na powierzchni próbki występują jednocześnie różne mechanizmy zniszczenia, na przykład obszary zniszczenia kohezyjnego i adhezyjnego.

W profesjonalnym raporcie warto dokumentować nie tylko nazwę mechanizmu zniszczenia, ale również jego udział na powierzchni próbki, jeżeli wymaga tego procedura badawcza.

Co wpływa na wynik badania połączenia klejowego?

Dwa laboratoria mogą otrzymać różne wyniki dla tego samego kleju, jeżeli próbki lub warunki badania nie są takie same. Dlatego podczas porównywania danych trzeba zwrócić uwagę na cały zestaw parametrów.

Dlatego wyniku z karty technicznej kleju nie powinno się porównywać z wynikiem własnego laboratorium bez sprawdzenia, w jaki sposób przygotowano i przebadano obie próbki.

Co powinien zawierać raport z badania?

Raport powinien umożliwiać odtworzenie najważniejszych warunków badania i ocenę, czy wyniki można porównywać z innymi seriami próbek.

W zależności od zastosowanej normy, procedury laboratorium i celu badania dokumentacja powinna obejmować między innymi:

• dokładne oznaczenie zastosowanej normy i jej wydania,
• identyfikację kleju i – jeżeli jest to istotne – partii produktu,
• materiał, wymiary i liczbę elementów próbnych,
• dokładny sposób przygotowania powierzchni,
• geometrię zakładki,
• sposób kontroli grubości spoiny,
• warunki i czas utwardzania,
• warunki kondycjonowania lub starzenia,
• warunki przeprowadzenia badania,
• maksymalną siłę i/lub obliczoną wytrzymałość próbek,
• wyniki poszczególnych próbek oraz odpowiednie zestawienie statystyczne,
• opis obrazów zerwania,
• odstępstwa od standardowej procedury, jeżeli wystąpiły.

DIN 2304, DIN 6701 i ISO 21368 – co się zmieniło?

W starszej literaturze dotyczącej jakości procesów klejenia często pojawiają się normy DIN 2304-1 oraz DIN 6701. W ostatnich latach sytuacja normalizacyjna uległa istotnej zmianie.

DIN 2304-1

DIN 2304-1:2020 dotycząca wymagań jakościowych dla procesu klejenia została wycofana. W niemieckim systemie normalizacyjnym zastąpiła ją DIN EN ISO 21368:2024-10.

W Polsce opublikowano PN-EN ISO 21368:2024-02, dotyczącą wytycznych dla wytwarzania konstrukcji klejonych oraz procedur raportowania odpowiednich do oceny ryzyka takich konstrukcji.

DIN 6701 i kolejnictwo

Starsze części DIN 6701 dotyczące klejenia pojazdów szynowych zostały wycofane. Dla obecnych zastosowań kolejowych DIN wskazuje EN 17460:2022 dotyczącą klejenia pojazdów szynowych i ich komponentów.

Badania mechaniczne takie jak próba według EN 1465 mogą być elementem kwalifikacji materiałów, walidacji technologii, kontroli procesu lub analizy problemu, ale zakres wymaganych badań powinien wynikać z konkretnego systemu jakości i zastosowania.

Dlaczego warto badać połączenia klejowe?

Dobór kleju i przygotowania powierzchni

Badania pozwalają porównać różne kleje oraz różne sposoby przygotowania powierzchni na materiale rzeczywiście wykorzystywanym w produkcji.

Walidacja parametrów procesu

Można sprawdzić wpływ czasu i temperatury utwardzania, grubości warstwy kleju, primera czy innych parametrów technologicznych.

Ocena trwałości po starzeniu

Porównanie próbek przed i po ekspozycji na temperaturę, wilgoć, wodę albo określone media pozwala ocenić wpływ warunków środowiskowych na połączenie.

Kontrola powtarzalności procesu

Regularnie przygotowywane próbki kontrolne mogą pomóc wykrywać zmiany procesu, zanim problem pojawi się w gotowym produkcie.

Analiza awarii

Wartość siły połączona z analizą obrazu zerwania pomaga ustalić, czy słabym punktem była warstwa kleju, granica klej–podłoże, materiał łączony czy inny element systemu.

Porównywanie wariantów technologicznych

Próby można wykorzystać do wyboru pomiędzy różnymi systemami przygotowania powierzchni, klejami, parametrami aplikacji lub sposobami kondycjonowania.

FAQ – badanie połączeń klejowych ISO 4587 i EN 1465

Czy ISO 4587 została wycofana?

Nie. Aktualną wersją jest ISO 4587:2003. Wycofana została wcześniejsza ISO 4587:1995.

Czy PN-EN 1465:2003 jest nadal aktualna?

Nie. PN-EN 1465:2003 została wycofana i zastąpiona przez PN-EN 1465:2009.

Co bada ISO 4587?

Norma opisuje metodę określania wytrzymałości połączeń wykonanych ze sztywnych elementów połączonych pojedynczą zakładką i obciążonych siłą rozciągającą.

Jakie wymiary ma próbka do próby zakładkowej?

Typowa geometria dla metalowych próbek obejmuje elementy około 100 × 25 × 1,6 mm połączone zakładką o długości około 12,5 mm. Szczegółowe wymagania i tolerancje należy zawsze sprawdzić w stosowanym wydaniu normy.

Co oznacza wynik próby w MPa?

Jest to nominalne naprężenie obliczone przez odniesienie maksymalnej siły do powierzchni zakładki. Nie należy traktować tej wartości jako bezpośredniej dopuszczalnej wartości projektowej dla rzeczywistej konstrukcji.

Czy zerwanie kohezyjne jest najlepszym wynikiem?

Zerwanie kohezyjne często oznacza, że granica klej–podłoże nie była najsłabszym miejscem próbki. O jakości systemu nadal decydują jednak osiągnięta wytrzymałość, powtarzalność wyników i wymagania konkretnego zastosowania.

Co oznacza zerwanie adhezyjne?

Oznacza oddzielenie kleju od powierzchni podłoża. Może być związane między innymi z przygotowaniem powierzchni, doborem kleju lub warunkami procesu, ale przyczynę należy ustalać na podstawie pełnej analizy.

Czy ISO 4587 wystarczy do zaprojektowania połączenia klejowego?

Nie. ISO 4587 jest metodą badawczą i nie dostarcza bezpośrednio danych projektowych. Projekt złącza wymaga uwzględnienia rzeczywistej geometrii, obciążeń, temperatury, środowiska, trwałości oraz współczynników bezpieczeństwa.

Czy laboratorium wykonujące ISO 4587 musi być akredytowane?

Nie każda próba według ISO 4587 musi być wykonywana w laboratorium akredytowanym. Jeżeli jednak projekt, klient lub procedura jakości wymaga raportu akredytowanego, należy upewnić się, że dana metoda znajduje się w zakresie akredytacji laboratorium.

Podsumowanie

Próba połączenia zakładkowego według ISO 4587 lub EN 1465 jest jednym z najważniejszych narzędzi wykorzystywanych do porównywania i kontroli przemysłowych procesów klejenia.

Jej wartość wynika przede wszystkim z powtarzalnej geometrii oraz kontrolowanych warunków badania. Żeby wynik miał znaczenie, trzeba jednak kontrolować nie tylko sam klej, ale również materiał podłoża, przygotowanie powierzchni, grubość spoiny, utwardzanie, starzenie i sposób przeprowadzenia próby.

Najważniejsza jest analiza całego wyniku: wartości mechanicznej, rozrzutu pomiędzy próbkami oraz obrazu zerwania. Dopiero takie podejście pozwala wykorzystać badanie do świadomego rozwoju i kontroli procesu klejenia.

Źródła i dokumentacja

• ISO 4587:2003 – Adhesives — Determination of tensile lap-shear strength of rigid-to-rigid bonded assemblies.
• PN-EN 1465:2009 – Kleje — Oznaczanie wytrzymałości na ścinanie przy rozciąganiu połączeń na zakładkę.
• ISO 10365:2022 – Adhesives — Designation of main failure patterns.
• PN-EN ISO 21368:2024-02 – Kleje — Wytyczne dotyczące wytwarzania konstrukcji klejonych oraz procedury raportowania odpowiednie do oceny ryzyka takich konstrukcji.
• EN 17460:2022 – Railway applications — Adhesive bonding of rail vehicles and their components.