|
ФPAГMEHT КНИГИ (...) Когда процесс производства налажен, ттжис поверочные испытания («тул квалифпкэйшн тест») выполняют лишь эпизодически -при изменении конструкции изделия, оснастки, или технологического режима или периодически для I % изготовленных изделий.
Обычный систематический контроль готовой продукции (этап /I по схеме на фиг. 71) включает в себя наряду с визуальным осмотром, контролем формы и размеров изделия, «просмотром фактических параметров режима склеивания, простукиванием и испытанием вакуумом также и испытания, связанные с местным повреждением изделия, — испытания на отрыв обшивки. Подробнее о последних видах испытаний, специфических для сэидвичевых конструкций и применяемых, в частности, фирмой Норт Ачерикэн, сказано в § 45. Если завод выпускает продукцию, устойчивую по качеству, то объем контрольных испытаний, особенно портящих изделие и требующих последующей заделки повреждений, сокращается.
R настоящее время еще не созда«ны удовлетворительные способы контроля прочности клеевых соединений без «их «разрушения, о чем уже упоминалось в § 29. Исследования в этом направлении продолжаются.
Значительно лучше обстоит дело с неразрушающлми способами контроля качества склеивания, способами обнаружения такого распространенного и опасного дефекта, как «пепроклей».
В печати сообщалось 35, что французское самолетостроительное общество SNCASO применяет ультразвуковой контроль «в производстве многоцелевого самолега «Вотур», в конструкции которого широко использовано склеивание металлов.
Нели склейка качественная и: обеспечивает сплошность контакта, поток ультразвуковых волн может беспрепятственно проходить через склеенные материалы и клеевой шов. Если в клеевом соединении имеется дефект хотя бы в виде тончайшей прослойки воздуха, то попадающие туда волны будут отражаться, сигнализируя о наличии дефекта.
При разработке метода кот роля и соответствующей аппаратуры необходимо подобрать конструкцию, а также расположение излуча-1 ел я колебаний и устройств, воспринимающих ответные сигналы и частоту волн, так, чтобы получить их достаточную проницаемость, в
нужных случаях отражаемость, обеспечить возможность установления размеров дефектного участка и отсутствие вредного воздействия применяемых колебаний или волн на фгоико-механичсокие свойства испытуемого изделия.
В технике широко применяются два рода ультразвукового контроля. Одни способы предназначены для обнаружения внутренних дефектов в однородных материалах. Они неудобны или непригодны для контроля клееных конструкций, так как требуют свободного доступа элементов испытательной аппаратуры с двух противоположных сторон обследуемой части конструкции и, кроме того, часто вызывают необходимость погружения в жидкость. Другие способы используются для проверки «глухих стен» и изделий, к которым имеется доступ лишь с одной стороны. Такого рода инструменты основаны на принципе отражения импульсов энергии.
Именно на этом принципе работает созданный французской са-мо л с то с т ро нте л ь н о й компанией SNCASO совместно с обществом по применению ультразвука испытательный ультразвуковой резонансный аппарат «Аэрозоник Тестер». Прибор позволяет определять дефекты менее 2 см- в склеенных металлах общей толщиной от 1,2 до 30 мм. Прибор питается переменным током напряжением 90/240 в и частотой 50/60 гц. Аппарат обладает достаточно широким диапазоном частоты, причем последняя может изменяться непрерывно без смены контактора {«щупа»). Точность работы прибора и его «избирательность» пе зависят от контактного давления щупа. Аппаратура действует безотказно в атмосфере повышенной влажности и при температуре до 60°.
Для контроля качества приклейки обшивки к пластмассовым или металлическим сотам, а также для контроля клеевого соединения и сцепления металла с пенопластом в полых лопастях воздушных винтов самолетов и вертолетов физиками Исследовательского института в Стэнфорде в Калифорнии (США) разработан прибор «Стаб Me тер» [70].
Пьезоэлектрический вибратор, подключенный к измерительной аппаратуре, прикладывается к поверхности проверяемой сэндвичевой конструкции. Реакция изделия превращается прибором в электрический сигнал, сообщающий о наличии или отсутствии на обследуемом участке хорошей связи между металлом обшивки и сердцевиной. Испытатель рассматривает изображение иа экране осциллографа. Отклонение от картины, свойственной качественной панели, свидетельствует о неудовлетворительной склейке. Указывается, что данный прибор, помимо обнаружения «непроклея», сможет достаточно точно предсказывать механическую прочность соединения. Прибор может быть построен в форме, позволяющей использовать его не только в лабораторной обстановке, но и в полевых условиях.
Авиационная фирма Дуглас {Калифорния, США) установила возможность проверки качества приклейки обшивки к сотам в сэнд-Еичевых панелях с помощью резонансного испытания с применением зерен песка, насыпанных на поверхность клееной панели [37]. Была построена установка, состоящая из генератора звука (подобною
электронной трубке электрического органа) и трубы с обращенным кверху широким раструбом или рупором, на который через специальные опорные прокладки кладется испытуемая панель. Частота волн, генерируемых источником звука, могла доходить до 50 ООО гц, что далеко выходит за пределы слышимости человеческого уха. В опытных работах зерна песка брались шести различных размеров и окрашивались в разные цвета, однако было установлено, что размер зерен не сказывается существенно на результатах испытания. При включении генератора и постепенном изменении частоты звуковых волн (обычно лучше начинать с частоты порядка 20 ООО периодов в сек.) зерна песка начинают двигаться по поверхности панели ц «скатываются» с тех мест, под которыми соты lie приклеены к обшивке панели. Когда эти области были очерчены мелом, а панель затем разрезана, то оказалось, что меловые помелей совпадали с границами «непроклея».
До енх пор в практике склеивания наряду с указанными объективными методами контроля «непроклея» применяют простой, но субъективный способ простукивания на слух приклеенных обшивок, полагаясь на искусность, внимательность и добросовестность контролера.
ПРИМЕНЕНИЕ КЛЕЕВ В СЛОИСТЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЯХ С ЛЕГКИМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМ
Одним из самых ответственных и новых применений клеев для металлов является изготовление конструкций типа «сэндвич». Они состоят обычно из сердцевинного материала легкою веса — заполнителя, прикрепленного с двух противоположных сторон к металлическим обшивкам. Американское общество испытания материалов дает следующее довольно широкое определение такого рода кон-
Фиг. 72. Поперечное сечение трех различных тнлоп элементов конструкций с сотовым заполнителем (фирма Глен» Чартнго).
струкциям и материалам: «Слоистая конструкция из сочетания различных разнохарактерных простых пли сложных материалов, собранных и прочно скрепленных друг с другом так, чтобы, используя свойства отдельного материала, добиться определенных преимуществ для конструкции к целом».
Практически в слоистых конструкциях сэндвич (фиг. 72) всегда имеются три элемента: две обшивки и сердцевина. Функция сердцевины разделить обшивки для создания панели, достаточно жесткой, чтобы предотвратить общую эйлеровекую потерю устойчивости (упругую неустойчивость) и удерживать обшивки от местного выпучивания под напряжением. Поэтому иногда трехслойные панели сэндвичевого типа называют панелями с «разнесенной» обшивкой. Под названием «сэндвич», «трехслойные материалы с заполпн-
телем» или «слоистые конструкции с заполнителем» понимают как полуфабрикат — листовой слоистый материал, так и конструктивные элементы различных форм и габаритов, которые представляют собой сочетание двух обшивок с заполнителем между ними.
Сочетание сердцевины из легкого но весу материала и относительно прочных обшивок даст прочную, легкую, высоко эффективную конструкцию, пригодную для ответственных и неответственных агрегатов в самолетах и управляемых летающих снарядах, в кузо иах автомобилей, железнодорожных вагонах, жилищном строительстве, в производстве мебели, в контейнерах для перевозки Iрузов и т. п. В настоящее время уделяется большое внимание, этим материалам, как пригодным для декоративных целей.
Крепление решетчатой или сотовой сердцевины к металлической обшивке дает возможность применять сравнительно тонкие обшивки и создавать конструкцию, которая выдерживает без выпучивания более высокие сжимающие нагрузки, чем одна толстая обшивка, при одинаковом весе. При сжатии ненодкрелленная металлическая обшивка может прогнуться в ту или иную сторону при напряжениях гораздо меньших, чем предел прочности материала на сжатие. Если имело место выпучивание при сжатии, то этот лист обшивки не в состоянии выдерживать дальнейших сжимающих нагрузок. В само летах такое выпучивание обшивки хорошо знакомо и часто обходится дорого, тане как оно может привести к преждевременному усталостному разрушению -конструкции.
Чтобы устранить возможность появления выпучивания обшивки в конструкциях с «работающей» обшивкой, последнюю подкрепляли металлическими элементами жесткости — стрингерами — с помощью клепки, точечной сварки или склеивания. Чем больше таких элементов жесткости, т. е. чем меньше промежутки между ними, тем более высокие сжимающие, нагрузки могут выдерживать конструкции без потери устойчивости обшивки. Там, где вес является важным фактором, учитываемым при конструировании изделия и расчете его на прочность (как в авиации), существует предел, за которым даль нейшее добавление элементов жесткости становится нецелесообразным.
Простое и эффективное решение этой проблемы заключается и использовании конструкций с заполнителем. Стенки ячеек сердцевины, скрепленные с обшивкой (имеется в виду сотовый заполнитель), играют роль элементов жесткости, сокращая размеры участков обшивки, не имеющих опоры. В результате достигается преимущество в весе и простоте изготовления. Кроме того, обшивка практически поддерживается во всех точках ее поверхности, особенно при использовании в качестве заполнителя материалов, значительно более гомогенных, чем соты, например, мелкопористых или мелкоячеистых пенопластов.
Такие конструкции возможны только в том случае, если сердце-вину можно хорошо соединить с обшивками. Попытки применять заклепки или точечные сварные швы -в цельнометаллических слоистых конструкциях с сотовым заполнителем потерпели неудачу
вследствие чересчур большого количества требующихся отдельных креплений. В настоящее время установлено, что склеивание является наиболее подходящим способом изготовления этих конструкций. Разнородные материалы сердцевины и обшивок возможно н удобно соединять только клеем.
JI. Марквардт, заместитель директора Лаборатории лесных ма териалов, в 1951 г. так охарактеризовал ведущую роль клеев в этом отношении: «Важное значение клеев нельзя переоценить. Они являются ключом к сэндвич-конструкциям».
§ 42. Материалы обшивки и заполнителя
Цель создании материала или конструкции типа «сэндвич» — получить изделие легкого веса, но высокой прочности. Поэтому сердцевинный материал (заполнитель) должен быть как можно более легким. Вместе с тем он должен быть достаточно жестким и прочным, чтобы противостоять сдвигающим и сжимающим напряжениям, которым он может подвергнуться при передаче силового потока от одной обшивки к другой. Материалы обшивок, которые стабилизируются сердцевиной, часто должны служить многим целям в зависимости от применения. Во всех случаях обшивки несут основные нагрузки. Они должны противостоять изгибающим, растягивающим, сжимающим и скручивающим силам. Поэтому от свойств обшивок в большой степени зависят несущая способность и долговечность конструкции. Кроме обеспечения стабильности размеров и жесткости конструкции в целом, от обшивок могут потребоваться аэродинамически гладкие поверхности, декоративные поверхности, иногда поверхности, стойкие к истиранию (для платформ), и т. п. Для выигрыша в весе обычно применяют наиболее тонкие обшивки, отвечающие, однако, требованиям прочности1.
Самым ранним материалом для сердцевины была древесина с низкой плотностью. Слоистый материал «Метэлайт», разработанный а широко используемый фирмой Чанс Воут, состоит из облицовок из алюминиевого сплава, склеенных с торцевой поверхностью древесины бальзы клеем па фенольной основе (например, Дюрез 12041 и Сайклвелд). Метэлайт в настоящее время широко используется в стабилизаторах и Крыльях морских истребителей «Корсар». Этот материал также опробовали при изготовлении лыж. Таким образом можно получить облегченные, более прочные и долговеч-ные гладкие лыжи. Подобные металл — бальза — металл конструкции, склеенные ридаксом, как сообщают, применяются в управляемых летающих снарядах «Регулюс» Морских Военно воздушных сил США.
Пенопласты, губчатые резины и материалы в виде сот приобретают все более важное значение в качестве сердцевинных материа-
1 В Советском Союзе, как и ш других странах, был проведем ряд исследовашгй, посвященных расчету слоистых конструкций с заполнителем па прочность и установлению оптимальных соотношений между конструктивными параметрами таких конструкций с учетом механических свойств материалов обшивок к заполнителя. Примечание редактора.
лов. Иногда с этой целью используют фанеру и фибру. Плотность материалов-заполнителей обычно составляет 0,05 — 0,26 г/см. В число губчатых материалов или пен входят: ячеистый ацетат целлюлозы (дю-Понт), ячеистый твердый эбонит на основе синтетического каучука (фирмы Опондж Раббер Продактс), вспененный полистирол (например. Стирофоум фирмы Доу Кемикэл) и вспененные силиконовые смолы (фирмы Доу Кор шип), которые обладают высокой теплостойкостью, но являются недостаточно прочными для большинства конструкционных применений. Ведутся работы даже над пеной из алюминия (Бьоркстеновская исследовательская лаборатория)
В настоящее время известны материалы, когорье можно вспенить непосредственно в изделии. Они соединяются с предварительно приготовленными металлическими обшивками во время процесса вспенивания смолы. Имеются в распоряжении Промышленности пенопласт «Локфоум», разработанный фирмой Локхид. и некоторые другие материалы, также основанные на реакции изоцианатов с алкилами в присутствии влаги или кислот. Был разработан ряд иных композиций, пригодных для вспенивания в изделии и обладающих более высокой теплостойкостью.
За последние несколько лет все большее значение приобретаю! материалы в виде сот. Они изготовляются параллельным склеиванием листов или полос в местах выступающих участков и образуют подобие пчелиных сот. Широко используются соты пз бумаги, хлопчатобумажной и стеклоткани, обычно пропитанных тер море активной смолой, а также соты из тонкого металла. Алюминиевые соты имеют особенно важное значение в настоящее время в авиационной промышленности, хотя пропитанные смолой бумажные соты благодаря их дешевизне имеют большие потенциальные возможности для пе-воепиых применений. Стальные соты преднавначаются для объектов, эксплуатирующихся при высоких температурах.
Механические свойства любого материала-за-полнителя сильно зависят от его плотности, возрастая почти линейно с увеличением плотности. В качестве облицовочного материала (обшивок) особен но широко используются алюминиевые сплавы в виде листов, такие, как 75ST6. 24ST3 и 14ST6. Толшина листа обычно бывает от 0,3 до 1,6 мм. Плакированные листы предпочтительнее пеплакирован тгых благодаря их лучшей стойкости против коррозии.
Облицовки нз листовой стали предпочитают алюминиевым в тех случаях, когда скорее требуются более высокая механическая прочность, температурная и абразивная стойкость, присущие стали, чем высокая коррозионная стойкость и легкий вес, свойственные плакированному дуралюмину. Примерами применения стальных облицовок являются лопасти пропеллеров, передние кромки лопастей геликоптера ц наружная обшивка летающих снарядов (эти обшивки приклеиваются специальными, теплостойкими клеями, описанными в главе IV).
Хотя с облицовками из магниевых сплавов были проведены толь, ко экспериментальные работы, высокое отношение жесткости к удельному весу магния делает его достойным внимания и в дальнейшем. Многие другие материалы, включая фанеру, пропитанную смолой стеклоткань и картон, могут применяться в качестве обшивок слоистых конструкций с заполнителем.
§ 43. Клеи для металлических конструкций с сотовым заполнителем
В цельнометаллической трехслойной панели с заполнителем из металлических сот может быть несколько различных типов клеевых соединений. Соединение заполнителя с обшивками особенно важно с точки зрения прочности конструкции и ее веса. Для того чтобы обшивки и сердцевина выполняли свои функции, ш необходимо надежно связать в единое целое. Поэтому при склеивании облицовок с сердцевиной, так же как и для склеивания самого сотового заполнителя, применяют конструкционные клеи — на фенольной или эпоксидной основе пли их сочетания.
При склеивании необходимо уделять внимание подготовке склеиваемых поверхностей, нанесению клея и условиям отверждения. Подготовка к склеиванию та же, что и обычно применяемая при склеивании металлов. Сердцевина из алюминиевых сот чаще всего не нуждается в очистке, если она не побывала в условиях, где могло произойти сильное загрязнение, например, при механической обработке.
При склеивании обшивки с сердцевиной широко используют методы вакуумной запрессовки, часто с применением автоклава.
Для клеев, предназначенных для склеивания металлов в монолитных конструкциях, прочность соединения внахлестку берется за предварительный критерий при выборе подходящего состава клея. Для слоистых конструкций с легким заполнителем эта прочность ни в коем случае не является решающей. Стенки сотовых ячеек прикрепляют к обшивке преимущественно Т-образным соединением в виде наплыва (фиг. 73). Небольшой треугольничек в поперечном сечении шва отвержденного клея является самым эффективным вариантом наплыва. Высоковязкис клеи, например, клеи иа эпоксидной основе, с хорошими свойствами смачивания и растекания создадут такие наплывы у стенок ячеек. Клеи на фенольной основе, такие, как НАЛ «Хай-Темп», которое обычно дают плохо наполненные швы — «филлет» — можно модифицировать умеренным добавлением наполнителя или эластомерных материалов (клей СИТ) для получения хороших соединений обшивки с сердцевиной.
Клеи в соединении должны противостоять нескольким различным видам сил. Обшивка может подвергаться растяжению, напри мер, при изгибе сэндвичевой панели. В этом случае все соединение стечка ячейки сот, 2 — клей. 3 — обшивка.
обшивка — сердцевина будет находиться в напряженном состоянии. Если в клеевом соединении произойдет местное разрушение, то может возникнуть тенденция к его дальнейшему распространению и последовательному отслаиванию обшивки от сердцевины. Чем выше прочность клеевого соединения на отдир, тем лучше оно сопротивляется этому разрушению. Повышенная прочность при отдире сообщает клеевому соединению также стойкость к вибрациям, к ударным нагрузкам при эксплуатации изделия и к нагрузкам, возникающим во время механической обработки в процессе его изготовления. Прочность на растяжение соединения обшивка — сердцевина в направлении, перпендикулярном поверхности обшивки - отрыв, должна быть не меньше, чем прочность на сжатие самого сердцевинного материала в направлении, перпендикулярном плоскости приклейки его к обшивке. Это обусловливается тем, что обшивка при потере устойчивости во время сжатия вдоль обшивки — продольный изгиб в равной мере может дать выпучивание как внутрь, так и наружу.
Для соединения обшивки трехслойного материала с заполните тем желательно, чтобы клей позволял приклеивать обе обшивки к заполнителю за одну операцию. Опять-таки можно применять клей с относительно высоким содержанием твердых продуктов или соответствующим образом модифицированный клей на фенольной основе.
Необходимо, чтобы образовавшиеся при склеивании обшивок с сердцевиной клеевые швы — валики — были в основном непористы-ми. Отверстия и пустоты в клеевом шве в данном случае, так же как з клеевом шве в соединении внахлестку, значительно снижают работоспособность пзделия 2.
Метод, применяемый фирмой Норт Америкэн Авиэйшн для улучшения склеивания обшивок с сотовым заполнителем, заключается в нашсенгаи покрытия клея иа материал сот окунанием. Когда используют клей СНТ или 422, то края алюминиевых сот сначала погружают в разбавленный раствор (примерно 10%-НЫЙ в ацетоне) СНТ или НАА «Хай-Темп». После высушивания выполняют обычную процедуру склеивания. Дополнительное -капиллярное действие, вызываемое стенками ячеек, дает улучшенное качество клеевых швов — «наплывов», связывая стенки сот с обшивкой. Часто сердцевину грунтуют, например, нанесением с помощью клеевых валь-цев клея, которым осуществляется склеивание.
Толщина -клеевого слоя, наносимого на обшивку, является другим важным фактором наряду с вязкостью клея и нанесением клея
1 Автор не подкрепляет эго мнтереопое положение (о -наличии связи между прочностью клеевых соединений при отдире и их пибростойхосгью и сопротивляемостью ударным нагрузкам) каюими-либо опытными данными. Примечание редактора.
2 Повпдимому, не исключена возможность того, что в отдельных случаях окажется приемлемым путь вспенивания клеевого покрытая, нанесенного на металл, я создания, таким образом, нетолстого стоя «пенопласта», связмиающсго воедино обшивку и сотовый заполнитель. Примечание редактора.
на соты. Недостаточная величина клеевых наплывов около стенок сот (см. фиг. 73) может быть результатом слишком тонкого слоя клея. Однако можно значительно сэкономить в весе, если избегать излишне толстых слоев.
Обычно применяют клеевые покрытия, имеющие удельный все 0,14 — 0,49 кг на кв. м площади обшивки.
Хотя плотность заполнителя, а отсюда и сто механические свой ства зависят главным образом от толщины стенок ячеек, тем не менее прочность соединения обшивка — заполнитель для определенного клея является в основном функцией размера ячейки. Это особенно справедливо в случае заполнителя из сотового материала. На фиг. 74 показано повышение прочности клеевого соединения с уменьшением размера ячейки. Этот последний параметр определяется как диаметр окружности, вписанной внутрь правильного шестиугольника ячейки. Мелкие ячейки дают большую поверхность склейки при данной толщине стенки. Кроме того, гораздо слабее проявляется тенденция тонких обшивок втягиваться в соты, покрываться «ямочками».
Присутствие в клеевом со единении прокладки из ткани, пропитанной клеем, очцнь полезно для повышения прочности на отдир соединения обшивки с сердцевиной. Многие клеи поставляются в таком виде. В противном случае большинство клеев, особенно жидких, можно применять в соединении, сочетая их с прослойкой из ткани. Установлено, что стеклоткань весьма подходит для этой цели.
Другой способ также часто применяется для повышения прочности соединения на отдир, особенно если употребляются клеи на эпоксидной основе. В этом случае иа обшивки наносят топкое грунтовое покрытие из более «гибких» податливых клеев, например, клесв на основе каучука или фенольных клеев, модифицированных вини ловымн смолами или эластомерами, таких, как FM-47. Это покрытие хорошо высушивают и по крайней мере частично отверждают перед нанесением клеев, которые в отвержденном состоянии являются более хрупкими.
Интересно отметить, что в алюминиевых сотах, выпускаемых фирмой Гекссль Продактс, делают крошечные отверстия в стенках сот. Когда летучие вещества удаляются во время отверждения клея, они могут выходить через эти отверстия. Если бы летучие вещества остались внутри конструкции с легким (сотовым) заполнителем.
Вторым типом клеевого соединения, -играющим важную роль в слоистых конструкциях с сотовым заполнителем, является соединение в выступающих местах соприкасающихся листов или полос, -образующих соты. Это соединение осуществляется в процессе изготовления сотового материала. Обычно для этой цели применяют клеи на фенольной основе. Клеевые соединения внутри сотового материала помогают выдерживать напряжения сдвига и повышают прочность материала на сжатие в направлении, перпендикулярном к плоскости с клейки их с обшивкой, т. е. параллельным плоскости стенок ячеек сот. Однако эти соединения далеко не так сильно напряжены, как соединения между обшивками и сотовым заполнителем, вследствие относительно большей площади склейки в первом случае по сравнению со вторым.
В сэндвичевых панелях используются еще два типа клеевых соединений: соединения смежных отсеков заполнителя и соединения заполнителя с обладающими высокой плотностью вкладыша мн.
окантовками и узлами, например, деталями приводных механизмов, петлями шарниров, частями стопорных устройств и т. п.
Обычно отсеки заполнителя подгоняют механически, а затем клей заливают в промежуток между ними. Чаще всего применяют клеи на эпоксидной основе или с высоким содержанием наполнителей. Иногда применяют пропитанную ткань — в зависимости от формы соединяемых частей. Клей должен заполнять кромки металлических пластинок, плотно прилипая к ним без давления, и отверждаться в изделии без усадки и вытекания.
Аналогично для соединения материала заполнителя с вкладышами, окантовками или узлами требуется клей, который во время процесса отверждения не вытекает из вертикально расположенных деталей.
Может возникнуть необходимость в клеевом слое значительной толщины для обеспечения гарантированного контакта. Особенно хороши для этой цели эпоксидные клеи, поскольку они могут образовывать сплошные клеевые соединения при большой толщине клеевого слоя.
В обоих случаях предпочитают использовать клеи, обладающие качествами зазорозаполиитслей. Выбор клея имеет меньшее значение, если окантовка приклеивается после завершения первого этапа сборки, однако обычно применяют склеивание всех деталей, входящих в слоистую конструкцию с заполнителем, за одну операцию.
§ 44. Методы изготовления клееных металлических слоистых конструкций с легким заполнителем
Большинство специальных методов, используемых при изготовлении сэндвичевых конструкций, уже рассматривалось ранее в связи с клеями. Часто при нанесении клея и его отверждении требуются вспомогательные меры. Обычно клеи наносят пульверизатором или1 кистью на облицовки как грунтовое покрытие, которое составляет приблизительно 5% общего веса клея. Желательно удержать клей прежде всего на облицовке.
Иногда в клеевой шов во время нанесения клея помещается т-кань — хлопчатобумажная, найлоновая или стеклянная, особенно если не применяется пленочный клей на подкладке. Если нужно наносить клей непосредственно на сердцевину, то для плоских участков подходит обычный клеенамазыватель типа, известного в фанерной промышленности для нанесения клея на шпон. Может потребоваться несколько операций нанесения клея с каждой сторонй панелей заполнителя.
Для сердцевин с фасонным контуром чаще всего применяют пульверизацию, нанесение кистью или с помощью валка. В любом случае можно применять способ погружения в достаточно жидкий клей, если конфигурация панели сотового заполнителя «е слишком сложная. Практически приемлемы любые способы, которые дают чистое равномерное распределение клея.
Клеи в виде тонких листов или пленки на подкладке с точки зрения удобства работы являются более предпочтительными, но они
более дорогие. Самые эффективные пленочные «леи клеи на подт кладке из ткани.
Температуры внутри1 клеевого шва для отверждения «лея в соединениях слоистых металлических конструкций с легким заполнителем рекомендуются такие же, как при обычном склеивании металлов. Следует устанавливать термопары внутри или у клеевого шва. Если применяется вакуумный метод склеивания, то передача тепла осуществляется медленнее, поэтому для получения оптимальных соединений часто требуются более длительные циклы отверждения или источник тепла с более высокой температурой.
Низкое давление при склеивании, накладываемое извне на облицовку, оказывается во много раз большим в местах контакта с торцами стенок ячеек сотового заполнителя. Оно возникает в результате очень небольшой площади соприкосновения сердцевины с обшивкой сравнительно с площадью всей обпгпвки. Следовательно, внешнее давление запрессовки, применяемое при изготовлении слоистых конструкций с сотовым заполнителем, может быть значительно меньше, чем давление, требующееся для приготовления соединений внахлестку монолитных материалов.
Максимальное допускаемое давление в большой степени ограничивается пределом прочности на сжатие материала сот при температуре отверждения. Редко применяется давление свыше 5 кг/см9. Наличие ткани внутри соединения обшивки с сердцевиной предотвращает излишне большое «выдавливание» клея, иоторос могло бы привести к «голодному» соединению. В этом случае только утолщения у стенок обеспечили бы прочность соединения, а доля прочности. связанная с приклейкой обшивки к торцам ячеек, была бы очонь незначительной.
Нормально плоские сэндвичевые конструкции требуют при склеивании давления всего 0,7 — 2,1 кг/см?. Некоторые фасонные панели нуждаются в давлении до 3,5 кг/см2 для более равномерного и тес ного контакта обшивки с заполнителем. Для деталей с различной степенью кривизны очень удобно использовать гидравлическое давление — воздух, пар, инертные газы или их смеси, осуществляемое гибкими камерами и чехлами из резины или непроницаемых пластиков.
Панели типа сэндвич любого профиля можно изготовлять при наличии соответствующих форм. Плоский сэндвич экономично склеивать в прессе с подогреваемыми плитами; особенно выгодны много-секционные прессы.
Если при склеивании обшивки с заполнителем слоистой конструкции применяют формы, то их следует проектировать так, чтобы поверхность изделия, соприкасающаяся с формой, была внешней (лицевой) стороной изделия. Она будет наиболее гладкой из двух поверхностей трехслойной панели. Па поверхности панели, соприкл сающсйся с камерой или чехлом, при запрессовке может появиться коробление, сморщивание или рябь; при. этом чем крупнее раз-мор ячеек сот заполнителя, тем сильнее проявляется уклиннная теплен ция. Чтобы получить гладкие выпуклые внешние поверхности го го
вого изделия, в производстве самолетных деталей употребляются почти исключительно матрицы, а не пуансоны.
Подушка, набитая хлопчатобумажными концами, листовая резина или другой эластичный материал часто подкладывается по крайней мере с одной стороны склеиваемой панели для более равномерного распределения давления в соединении обшивки с заполнителем в случае изделий сложной формы.
§ 45. Методы контроля клеевых соединений в слоистых металлических конструкциях с легким заполнителем
Несомненно, самым важным контролем является контроль во время процесса изготовления. Панель типа сэндвич, изготовленная в соответствии с технической документацией, казалось бы, не должна требовать после изготовления контроля или испытаний. Однако а любом процессе, где принимает участие работой персонал, вполне возможны те или иные отклонения. По этой причине методы испытания, особенно без разрушения, играют весьма важную роль в контроле качества клееных изделий.
Полный разбор методов контроля, применяемых или разрабатываемых, мог бы быть сам по себе материалом для целой книги. Ниже приводятся только краткие указания относительно способов контроля качества склеивания металлических слоистых конструкций с легким заполнителем.
Методы контроля без разрушения. Визуальный контроль. Немедленно после извлечения панели из приспособления, где осуществлялось склеивание, дефекты склейки можно обнаружить, осмотрев, нет ли вспученных участков обшивки. После охлаждения эти участки панели обычно опадают и становятся незаметными.
Просматривание при особом освещении. Этот и предыдущий методы, вероятно, имеют большое значение при контроле сэндвичей из алюминиевых сот с облицовкой из стекла. Такие слоистые конструкции в настоящее время производятся промышленностью и находят все большее распространение для многих случаев невоенного назначения.
Простукивание. Квалифицированный работник может установить область «непроклея» в соединении обшивки с сердцевиной прослушиванием звуков при выстукивании монетой или другим металлическим предметом свободно опертой панели. Однако этим способом нельзя установить непрочно склеенные участки. 4
Контроль ультразвуком. Для установления раковин и других дефектов в металлических отливках, поковках и других изделиях часто применяют колебания высокой частоты. Попытки применить этот метод к трехслойным панелям не увенчались большим успехом вследствие сильного влияния изменений плотности материала сердцевины.
Выдержка в вакууме. Если материал облицовки относительно воздухонепроницаем, а материал сердцевины слегка воздухолрони-
цаем, то отсос с поверхности вызывает небольшое растягивающее усилие (не свыше 1 кг/см-), действующее на соединение обшивки с сердцевиной. Таким образом, все имеющиеся пустоты расширяются и их можно видеть. Однако установить место непрочной склейки и при этом методе нельзя.
Теплопроводность. Скорость передачи тепла в трехслойной панели от одной обшивки -к противоположной исследуется как возможный критерий прочности соединения. Автор придерживается мнения, что вследствие краевого эффекта, различной толщины клеевого слоя и недостаточной чувствительности этот метод для установления непроклея не окажется лучше простого приема простуживания.
Другие испытания без разрушения. Предлагались и некоторые другие испытания, которые не вредят испытуемому клеевому соединению. К ним относятся определение емкостного сопротивления (см. гл. V) и другие электроиопытания, а также методы радиоактивных изотопов. Однако пи один из них пока еще не оказался вполне удовлетворительным.
Методы контроля с частичным нагружением. Испытание прочности приклейки обшивки местным растяжением («батн тест»). Металлический цилиндр приклеивают к обшивке и к нему прикладывают растягивающее усилие, перпендикулярное к поверхности. Таким образом можно обнаружить отдельные плохо склеенные участки. Однако требуется длительное время для исследования таким способом всей панели. Практически этот метод пригоден только для выборочных испытаний.
Испытание на местный отрыв обшивки. В обшивке просверливают отверстие диаметром 3,2 мм, в пего вставляют центр резца и в обшивке прорезают круглое кольцевое отверстие диаметром 25 мм. В отверстие устанавливают гайкопистон и используют его для того, чтобы отодрать диск обшивки. Требующееся для этого усилие является мерой прочности клеевого соединения. Поврежденное место обшивки с заполнителем затем заделывают вклеиванием на эпоксидном клее диска обшивки. Указанный метод также требует длительного времени, если нужно проконтролировать всю панель. Этот способ испытания применяет фирма Гленн Мартин.
Контрольные испытания. Контрольные испытания готовой детали. Законченную паиель нагружают на 50 70% расчетной прочности и отбирают некачественные экземпляры или же, используя специальное освещение, просматривают на поверхностях, находящихся иод нагрузкой, намечающееся коробление или сморщивание. Последний метод применяется фирмой Норт Америкэн Авиэйшн.
Контрольные испытания клееных образцов. Одновременно с изготовлением детали приготовляют образцы или заготовки, которые подвергают тем же технологическим процессам, что и деталь. Такие образцы можно отрезать от припусков панелей. Результаты испытания таких образцов являются показателями качества соединения законченной детали. Этот метод широко применяет фирма Коннэр и в отдельных случаях фирма Порт Амгршшн Лвпэйпш.
Механические испытания образцов слоистых панелей с заполнителем играют большую роль при проектировании слоистых конструкций, предоставляя необходимые данные для расчетов (см. гл. V).
§ 46. О перспективах развития клееных слоистых конструкций
Десять лег назад всего лишь небольшая группа работников занималась изготовлением для экспериментальных целей нескольких квадратных метров панелей типа сэндвич. Теперь выросла целая отрасль промышленности, в которой над производством слоистых ма териалов и конструкций с заполнителем трудятся тысячи инженеров, техников п рабочих. Хотя нет еще точных данных, определяющих объем выпуска этой продукции, но примерно высчитано, что количество произведенных металлических сэндвичей за 5 лет возросло в тысячу раз.
В связи с возросшим спросом па сэндвич-конструкции разрастается и промышленность клеев. По мере того как инженеры и конструкторы обогащаются знаниями и опытом в создании слоистых конструкций, возникает еще больший спрос на клеи. С созданием теплостойких клеев, таких, как СНТ и клей 422, сильно возросло число возможных применений слоистых конструкций с заполнителем. В основном исследовательская работа в области создания конструкций из металлического сэндвича до сих пор была направ лена на использование их в самолетах и управляемых снаряда^. Однако в настоящее время проводятся новые работы, которые введут эти материалы в быт.
Сэндвичи с сердцевиной из неметаллических материалов находят большое применение для конструкционных и неконструкционных назначений. Низкая теплопроводность газонаполненных пластических масс обеспечивает их использование в качестве прекрасных изоляционных прокладок.
Склеивание алюминиевых сот с облицовками из оконного стекла делает возможным их применение при отделке мебели, изготовление крышек столов, перегородок из матового стекла в учреждениях и потолочных окон. Введением красителей пли пигментов в клей можно получить различные цветовые эффекты.
Многообещающим оказывается применение сэндвичей в жилищном строительстве, кораблестроении, вагоностроении! и в перевозочных средствах. В промышленности транспортных средств звукоизоляционные свойства сэндвичевых материалов в сочетания с высоким соотношением жесткости к весу делают особенно желательным применение их для обшивки кузовов и различных перегородок.
Возрастающий спрос на слоистые конструкции с легким задал нителем стимулирует развитие промышленности клеев и дальнейших исследований и усовершенствований как в области синтеза клеев, так и в технологии склеивания.
|
