УДК 656.025.4

Технологии склеивания как альтернатива контактной точечной сварки в ремонте кузова автомобиля

Ходоркова Валентина Михайловна – старший преподаватель кафедры Машиноведения и технических систем Балтийского федерального университета им. И. Канта.

Буйлова Мария Валерьевна – старший преподаватель кафедры Машиноведения и технических систем Балтийского федерального университета им. И. Канта.

Василенко Анастасия Владиславовна – студент бакалавриата по направлению «Сервис транспортных средств» Балтийского федерального университета им. И. Канта.

Северчукова Виктория Ивановна – студент бакалавриата по направлению «Сервис транспортных средств» Балтийского федерального университета им. И. Канта.

Аннотация: В данной статье рассматриваются все виды склеивания, нашедшие широкое применение в автомобилестроении и ремонте автомобиля, из них выделяются наиболее перспективные и сравниваются с технологией контактной точечной сварки по параметру прочности на сдвиг и затратам на осуществление услуги по ремонту с применением технологий склеивания и сварки.

Ключевые слова: виды клеев, технология склеивания, ремонт металлических деталей кузова, прочность соединения, контактная точечная сварка, склеивание в автомобильной промышленности.

Сварка является хорошо изученным и часто применяемым способом получения неразъёмных соединений металлических деталей при ремонте кузова автомобиля. Самые популярные из основных видов на станциях технического обслуживания – точечная контактная и аргонно-дуговая сварка. Сварка отличается высокими показателями прочности и надёжности получаемых соединений, однако у данного процесса имеется ряд существенных недостатков, таких как высокий уровень трудоёмкости работ, снижение первоначальных прочностных характеристик свариваемого металла в следствии его нагрева и пластического деформирования, риск появления гальванической коррозии в местах сваривания разнородных металлов. Данные негативные эффекты существенно сокращают срок службы отдельной детали кузова, поскольку с каждым новым проведением ремонтных работ в одной и той же области соединения посредством сварки, усталость металла будет существенно возрастать, что в конечном итоге приведёт к вынужденной замене металлической кузовной детали на новую [1].

Продлить срок службы элементов кузова можно за счёт минимизации негативного воздействия на металл в местах соединения посредством использования клеев.

Склеивание можно рассматривать в трёх направлениях его применения в ремонте металлических деталей кузова автомобиля:

  1. Как альтернатива сварному соединению: предполагает полное исключение сварки из ремонтного процесса. Склеивание рассматривается как самостоятельный метод получения неразъёмного соединения поверхностей.
  2. Склеивание деталей заранее скреплённых несколькими сварными точками: основным средством соединения также остаётся клей, сварная точка в свою очередь призвана повышать прочность общей конструкции. Требует весомых трудозатрат на расчёт местоположения сварных точек.
  3. Заполнение пространства между большим количеством сварных точек клеем: основной вид соединения – сварка. Клей используется для герметизации, гашения вибрационных и шумовых воздействий, повышения жёсткости, минимизации риска возникновения электрохимической и щелевой коррозии и равномерного распределения усилий по площади соединяемого шва.

Классифицируются клеи по нескольким основным признакам:

  1. По функциональному назначению клеи делят на специальные, конструкционные и неконструкционные.
  2. Физическое состояние клеев идентифицируется зачастую как жидкое, твёрдое, пастообразное и плёночное.
  3. По условию отверждения, например, составы влажностного, анаэробного, термического отверждения и прочие.
  4. По температуре отверждения, бывают клеи как горячего, так и холодного отверждения.
  5. По допустимым температурным пределам во время эксплуатации бывают термостойкое, для умеренных температур и т.д.
  6. По количеству входящих в состав компонентов, это зачастую одно-, двух- и трёхкомпонентные клеевые составы.
  7. По химической принадлежности связующего компонента.

Химическая природа связующего позволяет сформировать наиболее полное представление о клеевом составе, она определяет не только химические свойства клеев, но и физические и механические, определяет область их пременения и ограничивает условия эксплуатации. Классификация клеев по химической природе связующего представлена на Рисунке1.

1

Рисунок 1. Классификация связующих клеевых составов по химической природе.

Расписывая каждый из видов более подробно, заключаем, что клеи на основе кремнийорганических полимеров отличаются невысокой прочностью соединения и не так массово применяются, однако пригодны для эксплуатации при достаточно высоких температурах, до 250 °C. Клеи на основе кремнийорганических смол востребованы при производстве липких лент; кремнийорганические каучуки входят в состав герметизирующих средств при пайке и сварке в автомобильном производстве; эпоксикремнийорганические клеи могут быть использованы в соединении силовых конструкций, но изрядно уступают по прочностным характеристикам фенольным и эпоксидным клеям [2].

Клеи на основе бороорганических полимеров также характеризуются высокой теплоустойчивостью, но не находят частого применения при изготовлении и ремонте автомобилей [3].

Металлоорганические полимеры в свою очередь используются в основном в пастах, выполняющих функции соединения материалов с хорошей вакуумной плотностью и высокой электропроводностью. Данные пасты допускают эксплуатацию при температуре до 800 °C, при этом процесс их отверждения протекает при комнатной температуре. В зависимости от входящих в состав компонентов характеризуются прочностью при разрыве в 10-38 МПа.

Клеи на основе полиэфирных смол также используются в основном в качестве герметиков, но они могут применятся и в качестве несущего материала при восстановлении бампера кузова.

Затем стоит обратить отдельное внимание на эпоксидные клеи, они уже нашли широкое применение во всех областях жизни человека, активно используются в ремонте автомобиля в самых различных условиях. Отличаются высокой прочностью и адгезионными свойствами, незначительной усадкой.

А вот фенолоформальдегидные клеи редко применяются в качестве материала склеивания для металлов, поскольку одним из главных недостатков данного состава является неустойчивость к напряжениям, возникающим при расширении металла в следствии нагрева, что затрудняет эксплуатацию транспортного средства в дорожных условиях.

Карбамидоформальдегидные смолы в клеях удобны в работе в основном с древесиной и другими неметаллическими деталями. Состав обеспечивает эстетичные вид соединения, шов отличается прозрачностью, может использоваться в отделке салона автомобиля.

Резорциноформальдегидные клеи в свою очередь также более пригодны для работы с декоративными деталями салона, такими как древесина и кожа.

Останавливаться на меламиноформальдегидных клеях не имеет смысла, хоть они и отличаются высокой влагостойкостью и активно применяются при формировании несущих конструкций, но в основном только из древесины.

Использование же изоцианатного клея предполагает соединение не только дерева с деревом, но и дерева с алюминием, на другие металлы главный компонент может дать ответную реакцию полимеризации, реагируют также с аминами, спиртами и водой.

Полиуретановые клеи более устойчивы к перепадам температур и способны создавать упругое ударопрочное соединение как однородных, так и разнородных материалов, но имеют высокую чувствительность к влажности в процессе отверждения, требуют автоматизированного нанесения. В ремонте кузова зачастую применяется в качестве герметика или же для склеивания стеклопластиков. Однако полиуретановые клеи для металлов на сегодняшний день являются одним из объектов пристального исследования и разработок [4].

Распространённый в быту поливинилацетатный клей в зависимости от модификации способен склеивать широкий диапазон материалов, от бумаги до металла, однако в автомобильной промышленности применяется крайне редко, пригоден для склеивания мелких деталей.

Клеи же на основе производного от поливинилацетата поливинилового спирта обладают высокой стойкостью к различным жирам и органическим растворителям, однако характеризуются низкими прочностными характеристиками, неудовлетворительной водо- и теплостойкостью. Данные недостатки устраняются путём добавления в состав всевозможных пластификаторов, повышающих те или иные характеристики.

Клеи на основе полимеров акриловой кислоты, довольно интересный объект для рассмотрения, они используются в частности для склеивания легких, не принимающих на себя весомых нагрузок конструкций, в основном это работа с пластиком и стеклом. Может применятся для склеивания пластиковых деталей и стали в комбинации с резиновой прослойкой и эпоксидным клеем. Анаэробные клеи на основе полифункциональных соединений акрилового ряда получили большее распространение в автомобильной промышленности, используются для герметизации резьбовых соединений и их уплотнения, также предотвращают коррозию. Цианоакрилатные клеи считаются относительно универсальными средствами склеивания, сочетающиеся с разнородными материалами, характеризуются хорошей скоростью отверждения и долговечностью соединения. Также в качестве клеящего материала применяется закалённый акрил, он быстро застывает и отличается высокой прочностью, работает с широким спектром материалов, но отличается наличием в составе летучих легковоспламеняющихся мономеров, что требует дополнительной установки системы отвода паров.

Обращаясь к метакрилатным клеям, можно проследить конкретное их предназначение, они распространены в ремонте твёрдых пластиковых деталей и рассеивателей автомобильных фар. Удобен для этих целей метакрилат в связи с тем, что по сути представляет собой термопластичный акрил, заменяющий собой повреждённый акрил детали.

Клеи же на основе ароматических полимеров бывают четырёх видов. Полиимидные клеи пригодны для соединения металлических конструкций, подвергающихся нагрузкам, предназначены для высоких и низких температур эксплуатации, однако процесс отверждения состава сопровождается специальными температурными условиями, а именно нагревом области клеевого шва до 250 °C более часа, что больше вписывается в условия заводского производства. Полибензимидазольные клеи образуют ещё более надёжные соединения, применяемые в авиа- и аэрокосмической промышленности, но в этом случае температура отверждения также увеличивается до 400 °C на довольно длительных промежутках времени, что исключено на станциях технического обслуживания. Полибензотиазоловые клеи малоизучены, но обладают хорошим прочностным потенциалом даже при повышенных температурах эксплуатации, из явных недостатков низкая растворимость и текучесть. Также перспективны в изучении и полифениленовые клеящие составы.

Предпоследними в списке остаются клеи на основе каучуков, которые в свою очередь незаменимы для соединения различного рода резин или резины с другим материалом, например, с металлами, стеклом, пластмассами и т.д.

И наконец, поливинилхлоридные клеи, они предназначены в основном для работы с пластмассами, однако модификация эпоксидными смолами позволяет клеям быть пригодными к применению с металлическими деталями. 

Стоит отметить, что практически все группы клеев обладают хорошим потенциалом и при совершенствовании их химического состава и добавления всевозможных наполнителей возможно кардинально изменить свойства клеевого состава и его эксплуатационные характеристики. Но процесс разработки новых составов очень трудоёмок, улучшая одни показатели, можно снизить другие не менее важные. Возникает вопрос целесообразности работы над продуктами, требующими неоправданно больших вложений труда и денежных средств. Однако, автомобильная промышленность стремительно прогрессирует и стремится к использованию новых материалов для ремонта транспортного средства и методов его осуществления, альтернативных традиционным и общепринятым. Уже сегодня эпоксидные и полиуретановые клеи могут выступить в качестве альтернативы контактной точечной сварки при ремонте металлических деталей кузова автомобиля. Рассмотрим их подробнее [5].

Эпоксидный клей – довольно распространённый клеящий материал с набором существенных достоинств, относительно других клеев:

  1. высокая поверхностная активность и смачивающая способность по отношению к большому числу материалов;
  2. высокая когезионная прочность отвержденных полимеров;
  3. минимальный уровень усадки в связи с отсутствием летучих продуктов в процессе отверждения;
  4. значительное сохранение прочности при длительном нагружении по сравнению с термопластичными клеями;
  5. возможность улучшения требуемых свойств путемвведения различных добавок и наполнителей;
  6. возможность спроектировать соединение различных материалов с широким спектром свойств.

Также в отношении эпоксидных смол в 2018 проводились исследования Исмаила Сарач, Хамита Адин и Шемсеттин Темиз по вопросу добавления наночастиц Al2O3, TiO2 и SiO2 в двухкомпонентный эпоксидный клей для улучшения эксплуатационных характеристик состава, как один из вариантов повышения показателей этих самых характеристик. Наночастицы были добавленных в состав с различным процентным содержанием (2%, 4%, 6%), после чего группа учёных осуществила анализ изменений механических свойств соединений, полученных с применением данного клея, включая среднюю разрушающую нагрузку и усталость-прочность в геометрии одиночного соединения внахлест. Полученные от эксперимента результаты показали, что все разрушающие нагрузки армированных соединений были выше, чем у неармированных, за исключением соединений, армированных 2% SiO2, а максимальной (10,42 кН) разрушающая нагрузка была при содержании в составе 4 мас.% Al2O3. Также было установлено, что армирование нано-Al2O3 и нано-SiО2 увеличило предел выносливости клеевых соединений на 22,3% и 11,3% соответственно, а армирование нано-TiO2, снизило этот предел на 22%. Данный эксперимент наглядно показывает возможность улучшения эксплуатационных свойств эпоксидного клея путём внедрения в его состав различных компонентов [6].

Эпоксидные клеи обычно демонстрируют более высокую водостойкость по сравнению с другими адгезивами, хотя устойчивость к влаге во многом зависит от типа используемого отвердителя. Ароматические аминовые отвердители обычно рекомендуются вместо других отвердителей для долговременной влагостойкости. Отвердитель 1,3-диаминобензол (DAB) придает улучшенную влаго- и термостойкость по сравнению с другими, обычно используемыми с эпоксидными клеями отвердителями, образованными DGEBA (диглицидиловый эфир бисфенола A). Нитриловые эпоксидные клеи демонстрируют хорошую устойчивость к окружающей среде в большинстве атмосферных условий, за исключением прибрежных регионов. Эпоксидные смолы могут работать в диапазоне температур от –250°C до 175°C, хотя на практике максимальная рабочая температура снижается до 120°C и 50°C для систем термического отверждения и отверждения при комнатной температуре соответственно. Но имеются и специальные составы (например, тетрафункциональные эпоксидные смолы) с более высокими рабочими температурами (~ 215°C), однако только на короткие периоды времени (~ 3000 часов) [7].

Как уже было отмечено, полиуретановые клеи по металлу представляют собой относительно новый состав, обладающий явными преимуществами, он устойчив к демпфированию, ударам, и усталостным нагрузкам. В отличие от эпоксидных клеев лучше работает с более толстыми линиями среза. Клеевые составы на основе полиуретанов находятся в процессе активного тестирования и постоянных всевозможных экспериментов, в силу возраста технологии она подвергается обоснованному сомнению и её надёжность должна быть объективно измерена в различных условиях.

Так, одним из испытаний материала стало циклическое испытание на усталость в исследованиях, опубликованных в «Journal of Advanced Joining Processes» в 2021 году. В данных исследованиях использовались алюминиевый сплав 5754 и однокомпонентный полиуретановый клей DINITROL 500. Клеевые соединения испытывались при циклическом нагружении с постоянной амплитудой и отношением напряжений R = 0,1 с частотой 6 Гц. Образцы были испытаны при различных значениях нагрузки (20%, 40%, 60%, 80% и 100%) средней статической разрушающей нагрузки. Проведение эксперимента позволило установить, что наклон кривой усталости полиуретановых клеевых соединений более плоский, чем с эпоксидными клеями, следовательно, это указывает на то, что эпоксидные соединения более чувствительны к усталостным циклическим нагрузкам. Эти результаты подтверждают, что пластичные клеи лучше реагируют на усталость, нежели жесткие.

Эксперимент на усталостную прочность алюминиевого однокомпонентного полиуретанового клея в свою очередь проводился и со сплавом алюминия с медью 5754 и однокомпонентным полиуретановый клеем DINITROL 500 Ясминой Бутар, Сами Наими, Рекардо Карбас и Салах Мезлини. Результаты утомляемости показали, что долговечность соединения сильно пострадала как от шероховатости поверхности, так и от толщины стыка, было заключено, что оптимальной шероховатостью склеиваемых поверхностей будет являться Ra ≈ 0,6 мкм и толщиной e = 1 мм, данные цифры обеспечат максимальный срок службы связанного алюминия с медью [8].

Также известны исследования, проводимые в 2021 году по улучшению прочностных характеристик двухкомпонентного полиуретанового клея путём примеси частиц железа в его состав. В работе был использован сверхтонкий порошок железа, поставляемый Sagwell USA Inc, данный материал был выбран специально из-за его превосходных магнитных свойств и небольшого диаметра частиц. В качестве адгезива был выбран полиуретан EL420R . Для того, чтобы оценить влияние содержания микрочастиц железа на полиуретановый клей, в рамках исследования были проведены испытания на растяжение соединений, скленных составами с различным количеством порошка железа (0, 1 и 5% по объему). Результаты исследования показывают, что включение микрочастиц железа однозначно усиливает полиуретановый клей. В частности, при количестве частиц железа 1% по объему средняя прочность на разрыв увеличивается на 434%. Для частиц объемом 5% увеличение в свою очередь составляет 172% [9].

2

Рисунок 2. Сопоставление значений прочности на сдвиг различных методов соединения тонколистового металла Al в нормальных условиях.

И следует всё же обозначить разницу в прочности таких двух методов соединения металла как склеивание и сварка на примере прочности на растяжение-сдвиг. Результаты, взятые из различных экспериментов, были подобраны с учётом схожести условий, а конкретно:

  1. Измерение прочности на сдвиг клеевого шва, выполненного улучшенным эпоксидным клеем, производилось между Al и Al при толщине линии клеевого соединения 0,75 и 0,99 в нормальных неэкстремальных условиях окружающей среды [10].
  2. Измерение прочности на сдвиг клеевого шва, выполненного полиуретановым клеем, также производилось между Al и Al в нормальных неэкстремальных условиях окружающей среды [11].
  3. Измерение прочности на сдвиг сварного шва, выполненного контактной точечной сваркой между Al и Al в нормальных неэкстремальных условиях окружающей среды [12].

Выделенный значения прочности можно рассмотреть на Рисунке 2.

Также следует сопоставить те затраты, что оказывают влияние на формирование себестоимости производства услуг по ремонту кузова автомобиля. Наглядное сравнение эпоксидного склеивания как наиболее прочного и точечно-контактной сварки приведено на Рисунке 3.

3

Рисунок 3. Сопоставление оказывающих влияние на себестоимость услуги факторов при соединении двух деталей по 30 см2.

Исходя из вышеизложенного, можно заключить, что склеивание металлических конструкций кузова хоть и является довольно перспективным способом соединения, исключающим негативные эффектны от проведения сварочных работ, но пока ещё значительно уступают сварке в прочности на значение как минимум в 283,33%. Однако, нужно учитывать, что уже сейчас проведение работ по склеиванию могут обойтись в 1,5 раза дешевле, и вместе с тем ведутся активные исследования в области разработки наиболее эффективных клеев, выдерживающих большие силовые напряжения.

Список литературы

  1. Maláková, Silvia, Anna Guzanová, Peter Frankovský, Vojtech Neumann, and Erik Janoško. ‘Glued joints in the automotive industry’. Acta Mechatronica 4, no. 4 (31 December 2019): 23–28. https://doi.org/10.22306/am.v4i4.53.
  2. Edwards, Gavin L. ‘One or More CC Bond(s) Formed by Substitution: Substitution of Halogen’. In Comprehensive Organic Functional Group Transformations, 105–69. Elsevier, 2014. https://doi.org/10.1016/B0-08-044705-8/00248-X.
  3. Miyaura, N., and Y. Yamamoto. ‘Boron’. In Comprehensive Organometallic Chemistry III, 145–244. Elsevier, 2007. https://doi.org/10.1016/B0-08-045047-4/00112-6.
  4. Boutar, Yasmina, Sami Naïmi, Salah Mezlini, Ricardo J.C. Carbas, Lucas F.M. da Silva, and Moez Ben Sik Ali. ‘Cyclic Fatigue Testing: Assessment of Polyurethane Adhesive Joints’ Durability for Bus Structures’ Aluminium Assembly’. Journal of Advanced Joining Processes 3 (June 2021): 100053. https://doi.org/10.1016/j.jajp.2021.100053.
  5. Cavezza, Francesca, Matthieu Boehm, Herman Terryn, and Tom Hauffman. ‘A Review on Adhesively Bonded Aluminium Joints in the Automotive Industry’. Metals 10, no. 6 (1 June 2020): 730. https://doi.org/10.3390/met10060730.
  6. Saraç, İsmail, Hamit Adin, and Şemsettin Temiz. ‘Experimental Determination of the Static and Fatigue Strength of the Adhesive Joints Bonded by Epoxy Adhesive Including Different Particles’. Composites Part B: Engineering 155 (December 2018): 92–103. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.08.006.
  7. Broughton, W. ‘Assessing the Moisture Resistance of Adhesives for Marine Environments’. In Adhesives in Marine Engineering, 155–86. Elsevier, 2012. https://doi.org/10.1533/9780857096159.2.155.
  8. Boutar, Y., S. Naïmi, S. Mezlini, R.J.C. Carbas, L.F.M. da Silva, and M. Ben Sik Ali. ‘Fatigue Resistance of an Aluminium One-Component Polyurethane Adhesive Joint for the Automotive Industry: Effect of Surface Roughness and Adhesive Thickness’. International Journal of Adhesion and Adhesives 83 (June 2018): 143–52. https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2018.02.012.
  9. Silva, C.I. da, M.R.O. Cunha, A.Q. Barbosa, R.J.C. Carbas, E.A.S. Marques, and L.F.M. da Silva. ‘Functionally Graded Adhesive Joints Using Magnetic Microparticles with a Polyurethane Adhesive’. Journal of Advanced Joining Processes 3 (June 2021): 100048. https://doi.org/10.1016/j.jajp.2021.100048.
  10. Saldanha, D.F.S., C. Canto, L.F.M. da Silva, R.J.C. Carbas, F.J.P. Chaves, K. Nomura, and T. Ueda. ‘Mechanical Characterization of a High Elongation and High Toughness Epoxy Adhesive’. International Journal of Adhesion and Adhesives 47 (December 2013): 91–98. https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2013.08.001.
  11. Faneco, T. M. S., R. D. S. G. Campilho, F. J. G. Silva, and R. M. Lopes. ‘Strength and Fracture Characterization of a Novel Polyurethane Adhesive for the Automotive Industry’. Journal of Testing and Evaluation 45, no. 2 (1 March 2017): 20150335. https://doi.org/10.1520/JTE20150335.
  12. Ovchinnikov. «Science Intensive Technologies of Welding in Aluminum Alloy Vehicle Manufacturing». Science Intensive Technologies in Mechanical Engineering 1, вып. 5 (30 апреля 2016 г.): 3–9. https://doi.org/10.12737/18708.

Интересная статья? Поделись ей с другими:

Внимание, откроется в новом окне. PDFПечатьE-mail