Влияние коррозионной среды на прочностные свойства клеесварных конструкций выполненных способами контактной сварки

Прочность клеевой прослойки в течение всего срока эксплуатации изделий с клеесварными конструкциями должна находиться на исходном высоком уровне. Однако, известно, что прочность клеевой прослойки и соответственно клеесварных конструкций при эксплуатации значительно снижается. В связи с этим конструкторы при расчете клеесварных конструкций совершенно обоснованно не учитывают клеевую прослойку, т.е. прочность от нее идет в запас прочности. Следовательно, преимущества от применения клеесварных конструкций не используются полностью. Например, до сих пор не удалось увеличить шаг сварных точек в клеесварных конструкциях, что обеспечило бы снижение трудоемкости и уменьшило разупрочнение материала.

Одна из основных причин, не позволяющих учитывать прочность клеевой прослойки при расчете, — отсутствие систематизированных экспериментальных данных по прочности клеевой прослойки после длительной эксплуатации или натурной выдержки в различных климатических зонах. Имеются только весьма ограниченные данные по прочностным свойствам клееных образцов после натурных и ускоренных коррозионных испытаний. Кроме того, до сих пор нет обоснованных допустимых норм прочности клеевой прослойки в клеесварных конструкциях после определенного срока эксплуатации.

Для получения указанных данных исследовали влияние защитных покрытий и способов подготовки поверхности на прочностные свойства клеесварных конструкций после длительных натурных и ускоренных коррозионных испытаний. При испытании использовали двухточечные образцы из сплава Д16Т в сочетании лист + профиль толщиной 1,2 + 1,5 мм. Две пластины из плакированного листа размером 100×30 мм каждая сваривали встык с накладкой в виде профиля (уголок ПР102) длиной 60 мм и шириной полки 15 мм. Все образцы изготовляли методом сварки по клею без защитных лакокрасочных покрытий и с покрытиями № 1, 2, 3 и 6. Прочность соединений определяли после следующих испытаний: 1) выдержки в открытой атмосфере и на складе в различных климатических зонах нашей страны (субтропики, Крайний Север, средняя полоса) в течение 1, 3, 5, 7 и 10 лет; 2) выдержки в воде в течение 30, 60, 90 суток; 3) выдержки в тропической камере (термовлажностное старение) в течение 30, 60 и 90 126 клеем ВК-1МС на складе в районе субтропиков, Крайнего Севера и средней полосы прочность снизилась соответственно на 40, 37 и 50%, а в открытой атмосфере на 55, 77 и 80%.

Применение лакокрасочных покрытий не дает возможности сохранить прочность в процессе длительных климатических испытаний. Для образцов с покрытием отмечается только замедление темпа падения прочности по сравнению с образцами без покрытий во всех климатических зонах. Например, после выдержки 5 лет в открытой атмосфере в районах субтропиков, Крайнего Севера и средней полосы образцов с покрытием прочность их снизилась соответственно на 45, 40 и 52%, а образцов без покрытия на 92, 100 и 100%.

Предел прочности клеевой прослойки в исходном состоянии после зачистки поверхности вращающейся металлической щеткой на 10…20% выше, чем после травления. Это объясняется тем, что после зачистки получается более развитая поверхность и площадь соприкосновения клея с поверхностью образца увеличивается. В связи с этим ранее считали, что зачистка поверхности должна обеспечить большую стабильность прочностных свойств по сравнению с травлением при длительных натурных испытаниях. Однако данные табл. 1 показывают, что снижение прочности как на образцах с зачищенной поверхностью, так и на травленых практически одинаково. Например, после выдержки 5, 7 и 10 лет в открытой атмосфере суток; 4) выдержки в 3%-ном растворе NaCl в течение 30, 60, 90, 120 и 180 суток.

Таблица 1. Результаты механических испытаний клеесварных образцов после пребывания и различных климатических зонах страны (средние данные по десяти образцам)

Результаты механических испытаний образцов с высверленной сварной точкой после выдержки в различных климатических зонах показали значительное снижение прочности всех исследованных клеев (табл. 1). После 7 лет выдержки в открытой атмосфере прочность образцов без покрытия с клеями ВК-1МС, КЛН-1 и К-4С снизилась практически до нуля во всех климатических зонах. Прочность образцов с клеем ВК-1МС и покрытием № 2 после выдержки 1, 3, 5, 7 и 10 лет в открытой атмосфере субтропиков снизилась соответственно на 20, 28, 35, 55 и 80%. После выдержки образцов с клеем ВК-1МС в районах Крайнего Севера и средней полосы получены практически аналогичные зависимости. Прочность после выдержки образцов на складе заметно выше, чем при выдержке в открытой атмосфере. Например, через 7 лет выдержки образцов с образцов с зачищенной поверхностью прочность их снизилась соответственно на 87, 100 и 100%, а для травленых образцов на 92, 100 и 100% (клей ВК-1МС). Таким образом, зачистка поверхности не дает никаких преимуществ при длительных натурных испытаниях. С учетом того, что при зачистке поверхности повышается трудоемкость и резко снижается производительность сварки, рекомендовать ее как способ подготовки для клеесварных соединений нецелесообразно.

Данные табл. 39 хорошо согласуются с данными работ, где приведены изменения прочности клееных образцов после длительной натурной выдержки в трех различных климатических зонах: в сухом жарком климате (пустыня в штате Аризона, США), в жарком влажном климате (зона Панамского канала) и в умеренном климате (штат Нью-Джерси, США).

После выдержки в условиях тропического климата у всех исследованных клеевых композиций отмечено значительное снижение прочности. Через 5 лет для клеев на эпоксидной основе снижение прочности доходит до 65…100% (образцы без покрытий). В условиях умеренного климата прочность снижается на 30…45%. В то же время после выдержки 5 лет в условиях сухого жаркого климата прочность сохраняется на исходном уровне, а для некоторых клеев на эпоксидной основе даже повышается на 5…10%.

Таким образом, не старение клеев, а изменение адгезионных сил на границе раздела клей—металл является решающим фактором, определяющим прочность клеевой прослойки в клеесварном соединении. Прочность модельных клеесварных образцов в исходном состоянии в 2…2,2 раза больше, чем сварных в районе Батуми. После выдержки 5 лет прочность клеесварных образцов без покрытия практически равна прочности сварной точки. Прочность клеесварных образцов с покрытием № 2 после выдержки 10 лет определяется прочностью сварной точки. Только применение сверхсложного и тяжелого покрытия с герметикой У30мэс5 (покрытие № 6) обеспечивает через 10 лет прочность клеесварных соединений в 1,37 раза больше, чем сварных в исходном состоянии (табл. 2).

Таблица 2. Результаты механических испытаний клеесварных соединений после длительной выдержки в открытой атмосфере, г. Батуми (средние данные по десяти образцам)

Условия эксплуатации изделий с клеесварными соединениями отличаются от условий длительной выдержки модельных образцов в различных климатических зонах страны. Поэтому интерес представляют данные о прочностных свойствах клеесварных соединений после длительной эксплуатации серийных изделий (табл. 3). Разрушающее усилие среза клеесварных образцов после эксплуатации в течение 10 лет уменьшилось на 32% (клей ВК-1МС) и на 55% (клей КЛН-1). Предел прочности при сдвиге клеевой прослойки после эксплуатации в среднем равен 6,8 МПа (клей ВК-1МС) и 1,75 МПа (клей КЛН-1). По сравнению с исходной прочностью клеевой прослойки отмечается снижение соответственно на 61 и 85%.

Таблица 3. Результаты механических испытаний клеесварных образцов, вырезанных из натурных изделий после 10 лет эксплуатации

Анализ результатов длительных климатических испытаний модельных и натурных образцов показал, что клеесварные соединения с защитными лакокрасочными покрытиями при применении стандартных способов подготовки поверхности имеют незначительные преимущества перед сварными соединениями после выдержки (эксплуатации) в различных климатических зонах нашей страны.

Результаты ускоренных испытаний в воде, тропической камере и в 3%-ном растворе NaCl показывают, что через 30 суток пребывания в воде прочность образцов с клеями ВК-1МС, К-4С, КЛН-1, ВК-17, ВК-37 и ВК-39 снизилась соответственно на 24, 22, 26, 21,18 и 19%, а через 90 суток — соответственно на 71, 72, 68, 70, 42 и 58%. На образцах с клеем КВС-4 снижение прочности не отмечено при выдержке как 30 суток, так и 90 суток (табл. 4 и 5). После пребывания в тропической камере (термовлажностное старение) снижение прочности образцов значительно больше, чем после пребывания в воде. Например, для образцов с клеем ВК-1МС после пребывания 90 суток в воде и в тропической камере прочность снизилась соответственно на 71 и 92%. Данные по прочности образцов после выдержки в 3%-ном растворе NaCl показывают, что эта коррозионная среда вызывает большее снижение прочности по сравнению с выдержкой в воде и тропической камерой. У образцов с клеем ВК-1МС без покрытий через 30 суток пребывания в воде, тропической камере и 3%-ном растворе NаС1 прочность снизилась соответственно на 24, 41 и 70% по сравнению с исходной прочностью. У образцов с покрытиями № 1, 2 и 3 после пребывания в течение 90 суток в 3%-ном растворе NаС1 снижение прочности достигает соответственно 63, 66 и 55%. Следовательно, даже применяя многослойные защитные покрытия для образцов невозможно предохранить их от значительного снижения прочности под действием 3%-ного раствора NaCl.

Таблица 4. Результаты ускоренных коррозионных испытаний клеесварных соединений (средние данные по пяти образцам)

Таблица 5. Прочностные свойства клеевой (ВК-1МС) прослойки в зависимости от типа защитных лакокрасочных покрытий

При оценке клеевых композиций по результатам ускоренных коррозионных испытаний необходимо иметь данные о допустимой остаточной прочности. В некоторых работах предлагается оценивать клеевые композиции по критерию сохранения  исходной прочности после выдержки 5 лет в условиях тропического климата (образцы без покрытий) и выдержки 10 лет (образцы с покрытиями). При этом подчеркивается, что предел прочности при испытании на сдвиг после 10 лет выдержки в любых климатических условиях должен быть в пределах 9,8…14,7 МПа. При такой остаточной прочности клеевую прослойку можно принять в расчет и соответственно уменьшить массу изделия и снизить трудоемкость его изготовления.