20. dubna 2018 00:35

Spájanie lepením pri výrobe automobilov

V porovnaní s klasickými metódami spájania materiálov má lepenie mnohé výhody, pričom umožňuje získať spoje s vlastnosťami, ktoré inými spôsobmi spájania nie je možné dosiahnuť. Lepením možno spájať rozdielne alebo rovnaké materiály bez ohľadu na ich hrúbku, pričom sa dosiahne tlmenie vibrácií v konštrukcii a zvyšuje sa tuhosť a pevnosť spojov. Lepený spoj zabraňuje vzniku elektrolytickej korózie kovových dielcov a dosahuje vysoké pevnosti spojov pri namáhaní v šmyku a rázovej húževnatosti.

Zásady a výhody lepenia

Pri lepení je potrebné dodržať určité zásady. Najvyššia pevnosť a životnosť lepeného spoja sa dosiahne za predpokladu, že vybrané kovové substráty sú z hľadiska štruktúry homogénne a majú optimálne mechanické a chemické parametre. Podľa potreby sa upravuje konštrukcia adhézneho spoja tak, aby bol súčasťou celkovej konštrukcie. Rozdielne kovové materiály by nemali mať veľmi rozdielne niektoré vlastnosti, najmä hodnoty modulu pružnosti a koeficientu tepelnej rozťažnosti. Ak tento predpoklad nie je dodržaný je potrebné zvoliť také lepidlo, ktoré tieto rozdiely znižuje. Kovy by mali mať homogénny povrch, aby sa zabezpečili na každom mieste povrchu rovnaké vlastnosti.

Lepenie umožňuje pružné uchytenie plechov, pričom sa dosahuje vyššia tuhosť a pevnosť karosérie automobilu. Povrch spájaných miest je celkom hladký, nie je potrebné začisťovanie a spoje sú tesné. Tesnosť spojov má významný vplyv na antikorózne vlastnosti karosérie, ktoré určujú životnosť vozidla. Vrstva lepidla predstavuje elektroizolant, preto nemôže pri kontakte rôznych kovov nastať elektrolytická korózia. Lepený spoj sa vlastnosťami vyrovná integrálnej konštrukcii, pričom medzi spájanými plechmi nemôže vzniknúť klepanie či škrípanie a umožní sa podstatné zníženie hlučnosti vozidla. Kvôli vyššej pevnosti karosérie pri lepení rastie bezpečnosť pri haváriach. Lepenie umožňuje spájanie kovov s rôznymi inými materiálmi ako je sklo, drevo a keramika. Moderné lepidlá sú vhodné na lepenie v automobilovom priemysle s použitím automatických liniek.

Adhézne spoje pri výrobe automobilov a vlastnosti adhezív

Lepené spoje pri konštruovaní automobilov možno rozdeliť do nasledovných skupín:

• konštrukčne lepené spoje karosérie,
• tmelenie karosérie,
• lepenie lepidlami, ktoré obsahujú rozpúšťadlá,
• lepenie okenných skiel,
• lepenie tavnými lepidlami,
• lepenie samolepiacimi páskami,
• lepenie frikčných materiálov.

Lepidlá vhodné pre výrobu automobilov musia mať tieto vlastnosti:

• odolávať teplotám v rozmedzí −50 až +80 °C, v niektorých prípadoch je potrebná odolnosť proti pôsobeniu vyšších teplôt,
• odolávať poveternostným vplyvom, roztokom solí, pohonným hmotám, olejom a brzdovým kvapalinám po dobu životnosti vozidla,
• lepiť rôzne materiály, pričom je často potrebné lepiť ťažko lepiteľné a znečistené povrchy,
• výrobné náklady lepenia musia byť nižšie ako náklady tradičných spôsobov spájania.

Spájanie bočných plechov automobilov sa pôvodne uskutočňovalo použitím nitovania a zvárania. Ukázalo sa však, že oveľa výhodnejšie je použiť lepenie a to z nasledujúcich dôvodov: dosiahne sa lepšia odolnosť spojov proti zmenám teploty a pevnejšia konštrukcia.

Dôležitým faktorom pri výbere lepidla a technológie lepenia sú vlastnosti lepeného súboru požadované pri jeho použití. Sú to nároky na mechanickú pevnosť, tepelnú odolnosť, chemickú stálosť, vodovzdornosť spoja a ďalšie požiadavky. Nie je možné vyhovieť všetkým nárokom súčasne, a preto je potrebné zvážiť, ktoré sú z hľadiska funkcie najdôležitejšie a voliť kompromisné riešenie. Adhezívum predstavuje systém, ktorý pozostáva z piatich zložiek. Prax ukazuje, že najvýhodnejšie je považovať lepidlo za systém z piatich zložiek:

• adhézny základ,
• nosné médium – nosič,
• katalyzátory a tvrdidlá,
• urýchlovače, inhibítory, retardéry,
• modifikátory – modifikačné prísady.

Druhy adhezív používaných pri výrobe automobilov

Tavné adhezíva

Tavné adhezíva sa zaraďujú k plastomérnym typom adhezív preto, lebo sa pôsobením tepla tavia, čo je charakteristické pre plastoméry. Charakteristické vlastnosti týchto adhezív sú vysoké adhézne vlastnosti a pomerne malé zmeny objemu pri tuhnutí. Teplota tavenia tavných adhezív sa pohybuje v intervale 65 až 180 °C. Hlavnými zložkami tavných adhezív sú:

• polyméry s vysokou molekulovou hmotnosťou, ktoré zabezpečujú viskozitu taveniny a po stuhnutí kohezívnu pevnosť,
• syntetické elastoméry, ktoré zvyšujú priľnavosť, elasticitu a dynamickú pevnosť,
• vosky, ktoré sa môžu pridávať na zníženie viskozity, a teda na zlepšenie nanášania,
• živice, syntetické alebo prírodné na ovplyvnenie priľnavosti a tekutosti a na zvýšenie zmáčavosti.

Výhodou tavných lepidiel je dlhá a nenáročná skladovateľnosť, pomerne rýchle nadobudnutie manipulačnej pevnosti spoja, rýchlo nadobúdajú výslednú pevnosť, pričom neznečisťujú prostredie odparovaním rozpúšťadiel. Ich nevýhodou je nevyhnutnosť vyšších teplôt, ťažká kontrola nanesenej vrstvy, niektoré adherendy musia predhrievať, adherend musí znášať teplotu tavenia lepidla, ktorá býva niekedy vysoká. Tavné lepidlo sa nanesie za tepla vo forme taveniny na jeden z dielcov a spoj sa čo najrýchlejšie uzavrie, fixuje sa tlakom a spoj stuhne po ochladení.

Roztokové adhezíva

Roztokové alebo disperzné adhezíva obsahujúce termoplastický alebo elastomérny polymér dispergovaný vo vode sa nanesie na tenkostenný dielec a nechá sa pri otvorenom zostavovaní spoja predsušiť odstránením organického rozpúšťadla alebo vody odparením. Spoj sa uzavrie a adhezívum sa aktivuje zvýšením teploty za súčasného pôsobenia tlaku na lepený súbor.

Reaktívne adhezíva

Zo sortimentu reaktívnych lepidiel sa na konštrukčné lepenie automobilov používajú epoxidy, polyuretány a akrylátové adhezíva. Výrobcovia automobilov často používajú aj lepidlá na inej polymérnej báze, napr. silikónové, polysulfidové a kaučukové na lepenie a utesňovanie okien. Epoxidové adhezíva, ktoré sú rovnako ako polyuretánové lepidlá vytvrdzované v priebehu chemickej reakcie, pozostávajú zo živíc používaných v kombinácii s tvrdidlom najmä na lepenie kovov navzájom alebo s inými substrátmi. Adhézne spoje kovov vytvorené epoxidovými lepidlami sa vyznačujú vysokou pevnosťou, ktorá je vo väčšine prípadov vyššia ako materiálová pevnosť lepených substrátov. Epoxidové adhezíva majú viaceré výhodné vlastnosti, ktorými prevyšujú vlastnosti iných druhov adhezív, vysokú povrchovú aktivitu, schopnosť zmáčania veľmi širokého sortimentu materiálov, vysokú kohéznu pevnosť vytvrdeného lepidla a neobsahujú žiadne prchavé zložky, ktoré sú príčinou zmrštenia pri vytvrdení.

Epoxidové adhezíva

Epoxidové adhezíva vynikajú aj vysokou odolnosťou proti studenému toku a možno ich modifikovať aditivovaním inými polymérmi, plnidlami alebo pigmentmi. Vo vytvrdenom stave dosahujú epoxidy výborné fyzikálne a chemické vlastnosti. Sú odolné proti účinku agresívnych činidiel do vyššej miery ako polyestrové adhezíva, proti pôsobeniu alkalických činidiel. Odolávajú tiež pôsobeniu studenej vody, avšak dlhodobé pôsobenie horúcej vody spôsobuje mliečne zakalenie, pokles mechanických vlastností (rázovej húževnatosti a pevnosti v ťahu) polyepoxidov. Polyepoxidy majú značnú odolnosť proti účinkom kyseliny chlórovodíkovej, zriedenej kyseliny sírovej, vodných roztokov zásad a solí, a alkoholov.

Polyuretánové adhezíva

Rovnakú kvalitu ako epoxidové lepidlá, avšak s vyššou elastickosťou a tepelnou odolnosťou, ktorá sa pohybuje v rozmedzí teplôt od −40 °C do +130 °C, dosahujú jednozložkové a dvojzložkové polyuretánové adhezíva často používané v automobilovom priemysle a pri výrobe železničných vozňov na lepenie a tmelenie. Vzhľadom na jednoduchú manipuláciu a dobré mechanické vlastnosti sú pri konštrukcii automobilov používané jednozložkové polyuretánové lepidlá (napr. Dinitrol, Sikaflex, Emfimastic). Dlhodobý vývoj, laboratórne a prevádzkové skúšky polyuretánových tmelov potvrdili ich výborné lepiace a tesniace vlastnosti, ktoré zabezpečujú trvale pružný a nekorodujúci spoj, ktorý tlmí vibrácie, znižuje hlučnosť vozidla a predlžuje jeho životnosť. Výhodou polyuretánových tmelov je možnosť ich brúsenia a lakovania, pričom majú výbornú odolnosť voči UV žiareniu, mimoriadne dlhú životnosť a výbornú priľnavosť na takmer všetky materiály. Citlivosť na vzdušnú vlhkosť môže byť pri polyuretánových adhezívach regulovaný správnym výberom reakčných zložiek. Najznámejšie a najpoužívanejšie sú dvojzložkové polyuretánové adhezíva, pričom reakcia oboch základných zložiek (polyester a polyizokyanát) môže prebiehať aj pri laboratórnej teplote. Po vytvrdení polyuretánových adhezív sa vytvára spoj vyznačujúci sa nerozpustnosťou a netaviteľnosťou. Regulovaním vzájomného pomeru oboch zložiek lepidla sa pripraví tvrdý alebo elastický spoj. Nižšia koncentrácia polyizokyanátu má za následok vznik mäkšieho adhézneho spoja, vyššia koncentrácia polyizokyanátu vytvára spoj tvrdší s vyššou adhéziou lepidla k adherendu. Dostatočne dlhé sú doby vytvrdenia, ktoré sa pri plnených kompozitných systémoch pohybujú od 10 minút do 24 hodín. Je potrebné zdôrazniť, že úplne vytvrdenie polyuretánových adhezív nastáva až po niekoľkých dňoch. Polyuretánové adhezíva sa používajú na spájanie viacerých materiálov, najčastejšie kovov, dreva, termosetov a termoplastov. Dosahujú dobré mechanické vlastnosti spoja, pružnosť a odolnosť proti dynamickému namáhaniu, a tiež odolnosť proti vlhkosti a poveternostným podmienkam. Zmrštovanie polyuretánových adhezív pri vytvrdení môže zapríčiniť vytváranie napätia v adhéznom spoji a nepriaznivo ovplyvňovať pevnosť spoja. Spracovanie polyuretánových adhezív môže prebiehať v širokom intervale teplôt, pričom sú použiteľné aj teploty okolo 0 °C. Tepelná odolnosť spojov pripravených pomocou polyuretánových adhezív je až do + 170 °C a dobrú pevnosť si zachovávajú ešte pri − 120 °C.

Akrylátové adhezíva

Akrylátové lepidlá majú všeobecne dobrú odolnosť proti vode, starnutiu a proti mnohým chemikáliam. Patria medzi anaeróbne lepidlá, ktoré polymerizujú bez prítomnosti kyslíka. Pri lepení kovov dosahujú polymetylmetakrylátové lepidlá šmykovú pevnosť do 45 MPa, dlhodobo do 10 MPa. Anaeróbne lepidlá sa dodávajú ako jednozložkové tak, že v monomérnej zložke je primiešaný organický peroxid, ktorý za vhodných okolností pôsobí ako tvrdivo. Niektoré kovové materiály, ako čistý hliník, kadmium pôsobia negatívne na vytvrdzovanie, preto sa používa katalyzátor, ktorý sa nanáša na substrát pred lepením vo forme roztoku meďnatých alebo kobalnatých solí v organickom rozpúštadle. Sú vhodné na lepenie malých plôch.

Lepenie hliníka a jeho zliatin

Lepenie hliníka a jeho zliatin, ktoré sa používajú pri konštruovaní automobilov predstavuje operáciu, ktorá vyžaduje presné dodržanie technologického postupu. Kvalita lepenia hliníka pri použití daného konštrukčného adhezíva závisí hlavne od kvality prevedenia úpravy povrchu kovového substrátu, kvality prípravy a plnenia použitého lepidla a od vytvrdzovacieho procesu použitých adhezív. Úspešnosť kvalitnej povrchovej úpravy hliníka závisí od relatívnej vlhkosti vzduchu. Ešte pred lepením môže povrch kovu reagovať s polárnymi molekulami vody vo forme vodnej pary, pri čom sa vytvára zložitá medzi vrstva pozostávajúca z vrstvy oxidu a častí sorbovaného plynu, ktorá bráni vzniku pravého adhézneho spoja. Úprava povrchu hliníka pred lepením musí zaistiť nielen maximálnu adhéziu, ale aj zabrániť podkorodovaniu lepidla. Prítomnosť vody, resp. vlhkosti znižuje priľnavosť lepidla pri nanášaní spôsobuje vznik slabej väzbovej vrstvy a znižuj životnosť adhézneho spoja. Kvalita úpravy sa kontroluje meraním uhla zmáčania, ktorý vytvorí kvapka vody. Ak na doštičku hliníkovej zliatiny sklonenú pod uhlom 30–45° umiestnia kvapky destilovenej vody, pričom tieto kvapky neskĺznu bez stopy zmáčania, ale zmáčajú väčšiu plochu, dokonca i nad miestom nanesenia kvapky, alebo ak sa kvapka vody dobre roztečie a vodný film sa nesťahuje ani po 30 sekundách, môžeme predpokladať, že kovový adherend bude dobre zmáčaný adhezívom. Najnižšia hodnota uhla zmáčania vodou sa dosiahne okamžite po úprave, pričom vplyvom chemických reakcií povrchu so vzdušným kyslíkom uhol zmáčania rastie a zmáčateľnosť kovového substrátu lepidlom s vyššou polaritou (epoxidové, polyuretánové, akrylátové) klesá. Stupeň zdrsnenia a úloha tzv. mechanickej adhézie priľnutím nemá zväčša rozhodujúci význam. Podmienkou dobrej adhézie je priblíženie molekúl lepidla ku kovovému adherendu na vzdialenosť niekoľkých desatín nanometrov. Najvýhodnejšou hĺbkou zdrsnenia kovového substrátu je pritom 1–6 μm. Úprava povrchu pieskovaním a brúsením sa uskutočňuje v prípade oxidovaného, mastného alebo inak znečisteného povrchu hliníka, pričom pieskovanie zrnami s veľkosťou 0,1–0,2 mm, alebo obrúsenie drsnejším (so zrnitosťou 100–12) a následne jemným (so zrnitosťou 800–1 000) brúsnym papierom poskytuje dobré pevnosti lepených spojov. Upravený povrch si po chemickej úprave ponecháva určitý čas kyslú alebo alkalickú reakciu, ktorá môže negatívne ovplyvniť vytvrdzovanie lepidla. Preto je snaha povrch kovového substrátu zneutralizovať a dosiahnuť aby bol suchý a aby sa pred nanášaním lepidla nevytvorila na povrchu kovu žiadna jemná vrstva, ktorá by mohla znížiť pevnosť adhézneho spoja.

Igor Novák, Štefan Florián, Ústav polymérov SAV