Jak zbadać połączenie klejowe? Metody badań i interpretacja zerwania

Jak zbadać połączenie klejowe? Metody badań

Po wyborze odpowiedniego kleju, przygotowaniu powierzchni, wyborze techniki nakładania kleju i w końcu sklejeniu wybranych elementów nadal zastanawiasz się, czy połączenie klejowe spełni stawiane przed nim wymagania? Czy okaże się wystarczająco wytrzymałe, trwałe i odporne na różne czynniki? W tym artykule podpowiemy, jak rozwiać te wątpliwości i jakie zastosować dostępne metody badania złączy klejowych.

Zastosowanie połączeń klejowych w wielu branżach jest w pełni możliwe dzięki opracowaniu metodyki badań jakości tych połączeń. Opiera się ona głównie na badaniach wytrzymałościowych. Opracowano wiele sposobów, umożliwiających badanie połączeń klejowych w warunkach odpowiednich dla ich pracy – obecności naprężenia ścinającego, odrywającego i rozciągającego oraz w warunkach pękania samego kleju.

Procedury badania połączeń klejowych

Najczęściej spotykane podejścia testowe to:

• próba na ścinanie,
• próba oddzierania na rolkach,
• próba paska kleju,
• testy starzenia.

Próba na ścinanie

Ścinanie jest najczęściej występującym rodzajem obciążenia działającego na połączenia klejowe. Wytrzymałość kleju na ścinanie jest traktowana jako jego główna właściwość wytrzymałościowa. Próba na ścinanie określona jest w normie DIN EN 1465 i jest najczęściej praktykowana. Metoda ta stosowana jest, gdy spajane elementy wykonane są z określonych materiałów (np. stal, drewno, szkło, kompozyt) i o określonych wymiarach.

Geometria próbki (DIN EN 1465)

• długość elementów: 100 mm,
• szerokość: 25 mm,
• grubość: 1,6 mm,
• długość zakładki: 12,5 mm.

Zdj. 1 – próbka przed próbą ścinania przygotowana wg normy DIN EN 1465

Dwie w ten sposób przygotowane próbki, sklejone ze sobą (proste połączenie zakładkowe) są rozciągane na płaszczyźnie kleju. Bardzo ważne w tym przypadku jest zastosowanie odpowiedniej grubości kleju. Wytrzymałość kleju na ścinanie z reguły maleje wraz ze wzrostem grubości jego warstwy. Wynika to głównie ze zmiany stanu naprężenia w spoinie. W tej metodzie należy zastosować równoległe działanie siły do powierzchni klejonej i powodować jej ciągły wzrost aż do zerwania.

Analiza obrazu zerwania

Po zerwaniu próbek należy dokonać analizy obrazu zerwania. Najczęściej spotykane przypadki to:

• zerwanie adhezyjne – klej oddziela się od części spajanej (jeden z elementów został źle dobrany lub źle przygotowany do klejenia),
• zerwanie kohezyjne – zniszczenie wewnętrznej struktury kleju (pożądany obraz zerwania: klej pozostaje na obu elementach),
• zerwanie części spajanej – w praktyce pożądane, jednak nie dostarcza informacji o wytrzymałości kleju,
• zerwanie mieszane – mieszanka różnych obrazów zerwania.

Zdj. 2 – obraz zerwania próbki kleju elastycznego (aluminium i szkło pokryte sitodrukiem)

Inne metody związane z obciążeniem ścinającym

• klej anaerobowy do osadzania elementów współosiowych (np. osadzanie łożyska na wale) – próba ściskania/ścinania wg DIN 54452, próba skręcania/ścinania DIN 54455
  
• klej anaerobowy do gwintów – badanie wytrzymałości połączeń gwintowych klejonych DIN EN ISO 10964
  
• gruba próbka na ścinanie – w przypadku braku możliwości przygotowania grubości próbek wg normy: DIN 54451
  
• wytrzymałość długotrwała – czasowa granica pełzania: DIN EN 15336
  

Próba oddzierania na rolkach

Metoda badania wytrzymałości kleju na oddzieranie polega na stworzeniu sytuacji, w której jeden ze sklejonych elementów będzie oddzierany od drugiego, co będzie skutkować powstaniem naprężenia rozciągającego klej. Próba oddzierania na rolkach określana jest normą DIN EN 1464. Stosowanie tej metody także jest uzależnione od rodzaju materiałów o określonych wymiarach.

Geometria próbki (DIN EN 1464)

• długość części sztywnej: 300 mm,
• długość części elastycznej: 250 mm,
• szerokość: 25 mm,
• grubość części sztywnej: 2,5 mm,
• grubość części elastycznej: 0,5 mm,
• długość zakładki: 200 mm.

Zdj. 3 – próbka taśmy przed próbą oddzierania na rolce

W ten sposób przygotowane próbki są poddawane działaniu siły prawie prostopadłemu do powierzchni klejenia, a jej ciągły wzrost powoduje naddarcie, a następnie dalsze oddzieranie. Różnica między próbą na ścinanie a oddzieranie jest taka, że przy ścinaniu siła oddziałuje na całą powierzchnię klejonej próbki, a przy oddzieraniu siła oddziałuje liniowo.

Metoda oddzierania może być stosowana zarówno w przypadku oddzierania od siebie dwóch elementów sztywnych, jak i oddzierania elementu elastycznego od sztywnego podłoża. Tę metodę często wykorzystuje się w badaniach różnego rodzaju taśm. Na etapie projektowania złącza klejowego zaleca się ograniczać możliwość powstawania siły odzierającej, ponieważ kleje są na nią najmniej odporne. Zdecydowanie częściej projektuje się złącza tak, aby dominowały obciążenia ścinające.

Inne metody badania obciążeń odzierających

• Próba na obciążenia oddzierające DIN EN ISO 11339
  
• Test klina DIN 65448
  
• Próba zginania/oddzierania DIN 54461
  

Próba paska kleju

Próba paska kleju jest określona normą DIN 54457 i polega na naniesieniu paska elastomeru (kleju elastycznego) na określoną powierzchnię, a następnie odrywaniu paska przy jednoczesnym i systematycznym jego nacinaniu. Dzięki temu pasek ma kolejną szansę, by się rozerwać.

Zdj. 4 – badanie paska kleju przygotowane wg normy DIN 54457

Testy starzenia

W celu optymalnego zbadania wytrzymałości złącza klejowego, w pierwszej kolejności wykonuje się testy mechaniczne (opisane powyżej), następnie testy starzenia, aby później ponownie wykonać testy mechaniczne. Po takim cyklu otrzymujemy obraz wpływu starzenia na dane złącze klejowe.

Starzenie się kleju to zmiany zachodzące z czasem w połączeniu klejowym. Połączenia klejowe starzeją się na skutek wielorakich obciążeń, co przyczynia się m.in. do obniżenia ich wytrzymałości i trwałości. Obciążenia wpływające na proces starzenia połączeń klejowych to:

1. Temperatura

Przy podwyższonych temperaturach zmniejsza się kohezja klejów, przyspieszają reakcje chemiczne i procesy starzenia (np. wnikanie wody). Niska temperatura może przyczyniać się do kruchości łącza klejowego.

2. Wilgoć/chemikalia

Gdy złącze klejowe jest narażone na wysoką wilgoć lub chemię, może wystąpić m.in. zmniejszenie adhezji (przerwanie oddziaływań fizycznych), spadek kohezji (efekt zmiękczania) lub hydroliza łańcuchów polimerowych. Na starzenie narażone jest nie tylko złącze klejowe, ale także same elementy klejone (np. metal – korozja, tworzywa – zmiękczenie).

3. Promieniowanie (najczęściej UV)

Nadmierne promieniowanie może powodować zmniejszenie lub utratę adhezji, pojawienie się kruchości lub zmianę koloru poprzez odbarwienie.

4. Obciążenia mechaniczne

Złącze klejowe obciążane mechanicznie szybciej się starzeje, a przy określonym poziomie obciążeń może dochodzić do odkształceń plastycznych i mikropęknięć.

5. Grzyby/mikroorganizmy

Niektóre typy grzybów w odpowiednich warunkach mogą wykorzystywać komponenty klejów, wpływając na wytrzymałość złącza.

6. Wędrowanie dodatków modyfikujących

W tworzywach sztucznych stosuje się wypełniacze, plastyfikatory oraz środki antyadhezyjne, które z biegiem czasu mogą migrować na powierzchnię, osłabiając złącze klejowe.

Przykładowe testy starzenia

• test klimatu stałego – np.: 85⁰C / 85% wilgotność / 2000 h (jeden cykl może trwać od 30 do 90 dni),
• test klimatu zmiennego – cykle temperaturowe (często stosowane w branży automotive),
• test imersyjny – próbki składowane (zamoczone) w substancji w ustalonej temperaturze,
• test słonej mgły – spryskiwanie próbek 5% roztworem soli kuchennej,
• test kataplazmy – próbka owinięta wilgotnym kompresem, w zamkniętym worku z wodą dejonizowaną, wygrzewana w 70⁰C przez 7 lub 14 dni, a następnie schładzana do -20⁰C i pozostawiona na 15 h.

Zdj. 5 – próbka badania paska kleju przygotowana wg normy DIN 54457 po teście kataplazmy

Oferta badań połączeń klejowych

Firma Melkib, jako podmiot od wielu lat działający w branży klejów stosowanych w przemyśle, ma możliwości wykonywania badań złączy klejowych w certyfikowanym laboratorium wg obowiązujących norm. Najczęściej wykonuje się badanie w postaci testu kataplazmy, w połączeniu z testem ścinania DIN EN 1465, jak również z testem paska kleju DIN 54457. Firma Melkib posiada w swoich szeregach wykwalifikowane osoby w szeroko rozumianej technologii klejenia i dozowania.

Jaki jest koszt badań?

Koszt zależy od liczby próbek oraz zakresu badań. Szczegóły znajdziesz na stronie: Kontakt.

FAQ – badania połączeń klejowych

Jak dobrać metodę badania do realnego obciążenia złącza?

Najpierw określa się dominujący typ obciążenia w aplikacji (ścinanie, odrywanie/odzieranie, rozciąganie) i dopiero do tego dobiera metodykę testu oraz geometrię próbki.

Co oznacza obraz zerwania adhezyjny i czy to problem?

Zerwanie adhezyjne oznacza oddzielenie kleju od podłoża. W praktyce może wskazywać na problem z doborem kleju, przygotowaniem powierzchni lub warunkami procesu.

Czy grubość warstwy kleju ma wpływ na wynik próby ścinania?

Tak. W wielu przypadkach wytrzymałość na ścinanie maleje wraz ze wzrostem grubości warstwy, co wiąże się ze zmianą stanu naprężeń w spoinie.

Dlaczego testy starzenia wykonuje się „przed i po” testach mechanicznych?

Porównanie wyników mechanicznych sprzed starzenia i po starzeniu pozwala ocenić, jak środowisko i czas wpływają na trwałość złącza.

Jakie czynniki najczęściej przyspieszają degradację połączeń klejowych?

Najczęściej są to: temperatura, wilgoć/chemikalia, promieniowanie UV, obciążenia mechaniczne oraz specyficzne czynniki materiałowe (np. migracja dodatków z tworzyw).

Autor

Marcin Filipczyk – wieloletni specjalista w dziedzinie klejenia.