Особенности подготовки поверхности под контактную сварку клеесварных соединений

При изготовлении клеесварных конструкций методом введения клеев после сварки можно применять разные способы подготовки поверхности под склеивание. Основным требованием, предъявляемым к поверхности перед склеиванием, является обеспечение высокого и стабильного уровня адгезионных сил на границе раздела клей—металл. В течение длительного времени при изготовлении клеесварных конструкций требование по созданию оптимальных условий для склеивания не учитывали. Во всех случаях при подготовке поверхности выполняли только требования контактной сварки. Это приводило к тому, что в клеесварных соединениях достигалась сравнительно высокая исходная адгезионная прочность клеев. Однако под действием воды и других коррозионных сред она быстро снижалась.

В большинстве работ, опубликованных до 1975 г., в качестве оптимального способа подготовки под склеивание алюминиевых сплавов рекомендовался «пиклинг-процесс» обработка в растворе серной кислоты с концентрацией 25…30% мас. ч. и бихромата натрия — 6…10% мас. ч. остальное вода; температура травления 60…65° С, время 20…30 мин. После промывки детали сушат на воздухе при температуре не выше 65° С.

В последние годы все большее число работ посвящено изучению различных способов анодирования для подготовки поверхности алюминиевых сплавов под склеивание. Рекомендуется применение анодирования в серной, хромовой и фосфорной кислотах.

Для стабилизации уровня адгезии клеевых композиций рекомендуется применение адгезионных грунтовок или СПМ (система поверхностной модификации).

Для магниевых сплавов под склеивание рекомендуется отработка в растворе следующего состава: 10…15% хромата калия, 15…20% азотной кислоты, остальное вода; температура ванны 20° С, время травления 1…2 мин.

В некоторых работах сравнивается эффективность различных методов подготовки поверхности титановых сплавов: травление в щелочах, кислотах и в фосфатно-фторидном растворе. Отмечается, что фосфатно-фторидная обработка является наиболее совершенной.

В других работах указывается, что при 60° С, относительной влажности 90…95% срок службы клеевых соединений из титана, обработанного предварительно в растворе с фосфатно-фтористыми соединениями, в 7…10 раз превышает срок службы клеевых соединений титана, обработанных предварительно в щелочном растворе.

Известно, что прочность клеевых соединений коррозионно-стойкой стали типа 302 и углеродистой типа 1020 зависит от способа подготовки поверхности. Прочность соединений с подготовкой поверхности травлением в серной кислоте, больше, чем с подготовкой других видов.

Все рекомендованные способы подготовки поверхности под склеивание были рассмотрены с точки зрения специфических условий сварки. Оценку пригодности этих способов под склеивание для клеесварных соединений проводили по величине и стабильности контактного сопротивления и прочности клеевой прослойки в клеесварном соединении.

В табл. 1 приведены результаты замеров контактных сопротивлений после различных методов подготовки поверхности. Применение химической подготовки поверхности по рекомендации в работе [32] обеспечивает получение низкого и стабильного контактного сопротивления в течение  суток с момента подготовки. При нанесении на поверхность образцов адгезионных грунтов контактное сопротивление заметно меняется, причем степень изменения определяется маркой адгезионного грунта и наличием сушки перед измерением сопротивления. При использовании адгезионного грунта СПМ-20 контактное сопротивление растет медленно и в течение 7 ч остается в пределах допустимого при сварке. Применение грунта СПМ-70 без последующей сушки обеспечивает возможность сварки в течение  мин с момента нанесения. Нанесение грунта СПМ-21 сразу приводит к таким контактным сопротивлениям, при которых сварка невозможна  мкОм).

Таблица 1. Контактное сопротивление, мкОм, после подготовки поверхности различными способами (средние данные по пяти образцам)

После сушки образцов с грунтами СПМ-21 и СПМ-70 контактное сопротивление в десятки раз превосходит допустимый предел. Таким образом, до сварки возможно нанесение только грунта СПМ-20.

На оксидированных поверхностях контактное сопротивление достигает 400…3000 мкОм. После анодирования в серной и хромовой кислотах контактное сопротивление достигает 8000…25000 мкОм. Эти величины в сотни раз больше допустимого предела при контактной сварке ( мкОм).

Все попытки осуществить сварку по анодным и оксидным пленкам успеха не имели. С целью разрушения анодной пленки, обладающей высоким сопротивлением, применяли высокие усилия сжатия (до 98 кН), ударное усилие, наложение ультразвуковых колебаний, сварочный импульс высокой частоты, многоимпульсные режимы сварки и т.п. Результаты всех этих экспериментов показали, что нет надежного и стабильного способа разрушения анодной или оксидной пленки в процессе контактной сварки. Во всех случаях отмечаются прожоги, выплески, литое ядро неправильной формы.

Применение в качестве подготовки под сварку любых модификаций так называемого пиклинг-процесса приводит к высоким начальным контактным сопротивлениям (160…600 мкОм). Кроме того, при использовании пиклинг-процесса высокая исходная прочность клеевой прослойки в клеесварном соединении резко снижается после действия коррозионных сред. Например, после выдержки образцов с клеем ВК-1МС в воде в течение 90 суток прочность клеевой прослойки снизилась практически до нуля. В связи с этим пиклинг-процесс нецелесообразно применять для подготовки поверхности клеесварных конструкций.

С учетом изложенного единственно возможными перспективными способами подготовки поверхности под склеивание для клеесварных соединений являются анодирование и оксидирование после сварки до введения клеев.

Анодирование — один из основных методов защиты алюминия и его сплавов от коррозии. Наряду с высокими защитными свойствами анодная пленка обладает также высокими адгезионными свойствами, благодаря чему она является хорошей основой для клеев и лакокрасочных покрытий.

Под нахлесткой сварных точечных соединений при анодировании в серной, хромовой и фосфорной кислотах надежно формируется анодная пленка. Однако толщина анодной пленки под нахлесткой существенно меньше, чем на открытой поверхности, и составляет 2…4 мкм. Макроструктура анодных пленок, формирующихся под нахлесткой сварных соединений, приведена на рис. 1.

Рис. 1. Макроструктура поверхностного слоя анодирования в кислотах, ×370:

а – серной; б - хромовой

В табл. 2 приведены прочностные свойства клеевой прослойки в клеесварном соединении в зависимости от толщины анодной пленки и температуры анодирования в сернокислотном электролите (анодирование без наполнения пленки). Наибольшая прочность достигается в случае анодной пленки относительно небольшой толщины (2…5 мкм), имеющей минимальную пористость. После анодирования в серной кислоте пленка обладает высокой адсорбционной способностью, поэтому влага быстро попадает в пленку. Так как поры пленки имеют очень малый размер (порядка 0,1 мкм), то влага удаляется из них с большим трудом. С увеличением толщины анодных пленок, полученных в сернокислотном электролите, прочность клеевой прослойки снижается, причем тем интенсивнее, чем выше температура анодирования.

Таблица 2. Влияние режимов анодирования в серной кислоте  на прочностные свойства клеевой прослойки (средние данные по пяти образцам)

Наполнение пленок как в хромпике, так и в воде приводит к значительному снижению прочности клеевой прослойки. Степень снижения прочности определяется длительностью анодирования и наполнения (табл. 3). С учетом этого при использовании анодирования в серной кислоте как способа подготовки поверхности для клеесварных соединений применение операции наполнения не рекомендуется. Оптимальное время анодирования в серной кислоте 3…10 мин при температуре электролита не выше 15° С.

Таблица 3. Влияние режимов наполнения на прочностные свойства клеевой прослойки при анодировании в серной кислоте (средние данные по пяти образцам)

Для оценки влияния различных способов химической подготовки на структуру поверхностного слоя проводили электронно-микроскопические исследования образцов с помощью электронного микроскопа УЭМВ-100В с увеличением 10000 и 30000 раз. Реплики были приготовлены двухступенчатым методом с использованием рентгеновской пленки для первой ступени и угля для второй.

На рис. 2 представлены поверхности образцов из алюминиевого сплава Д16Т после различных способов их подготовки.

Рис. 2. Микрорельеф поверхности образцов из алюминиевого сплава Д16Т, ×10000:

а – состояние поставки; б – травление в щелочи 5 мин; в – пассивирование в ортофосфорной кислоте 15 мин; г – анодирование в серной кислоте 10 мин без наполнения; д – анодирование в хромовой кислоте 60 мин

При сравнении видов поверхностей установлено, что наиболее развитый микрорельеф образуется после анодирования в серной и хромовой кислотах, что и обеспечивает высокий уровень адгезии клеев в этом случае. Увеличение времени анодирования с 5 до 20 мин приводит к значительному изменению размеров микропористости анодной пленки.