طراحی اتصال های چسبی و آب بندی (1)

مقدمه

استحکام مربوط به یک اتصال چسبی و یا اتصال آب بندی، در غیاب فاکتورهای خارجی و محیطی، بوسیله ی خواص مکانیکی مواد تعیین می شود که در واقع تشکیل دهنده ی اتصال هستند. علاوه بر این، استحکام بوسیله ی فاکتورهایی همچون میزان تماس سطح مشترک و تنش های باقیمانده در داخل اتصال، تحت تأثیر قرار می گیرد. برای طراحی یک اتصال به صورت تجربی، این ضروری است که تا حد ممکنه در مورد الزامات سرویس دهی مانند تنش های موجود و معیارهای محیطی، مطلع باشیم.
طراحی اتصال های چسبی و مواد آب بندی یک فاکتور قابل توجه در تعیین این مسئله است که چگونه این اتصال، در برابر بارهای خارجی، مقاومت می کند. اگر چه این تلاش ممکن است انجام شود که اتصال های چسبی به همراه اتصال های مکانیکی مورد استفاده قرار گیرد. در واقع طراحی های مناسب برای بدست آوردن خواص بهینه، ضروی است. در واقع استفاده از طراحی هایی که برای روش های اتصال دیگر ابداع شده اند، منجر به نتایج نامطلوبی می شود.
مشابه با فرایندهای اساسی دیگر که در چسب ها و مواد آب بندی مشاهده می شود، طراحی اتصال بدون در نظر گرفتن ملاحظات مربوط به فاکتورهای دیگر، قابل انجام نمی باشد. در واقع باید چسب ها، خواص فیزیکی آنها و شرایط عمل آوری آنها، به خوبی، مورد بررسی قرار گیرد. همچنین مسائل مربوط به الزامات و هزینه های اتصال و آماده سازی زیرلایه در هندسه های مختلف نیز از جمله مباحث مهمی است که باید مورد توجه قرار گیرد. در نهایت، باید نوع تنش های ایجاد شده در حین سرویس دهی اتصال، جهت اعمال و مدت زمان اعمال و جهت گیری خود اتصال نیز مورد توجه قرار گیرد.
این مقاله انواع تنش هایی را تعریف می کند که در اتصال های چسبی و آب بندی، ایجاد می شود. دلیل این مسئله که چرا تنش های برشی نسبت به تنش های کلیواژ یا پوسته کننده ترجیح داده می شوند، هنوز واضح نیست. طراحی های مختلف برای چندین شکل هندسی از اتصال، پیشنهاد شده است. آنالیز توزیع تنش منجر به ایجاد روش هایی می شود که بوسیله ی آنها، اثربخشی مربوط به اتصال، ماکزیمم می شود.

انواع تنش ها

یک الگوی توزیع تنش یکنواخت در یک اتصال چسب یا اتصال ماده ی آب بندی، به ندرت ایجاد می شود. در واقع، توزیع های تنشی غیر یکنواخت متداول ترند. از آنجایی که شکست زمانی آغاز می شود که تنش های نقطه ای از استحکام آن نقطه، بیشتر شوند. در این مکان، تمرکز تنشی ایجاد می شود که اثر بزرگی بر روی شکسته شدن استحکام یک اتصال دارد. تنش های داخلی باقیمانده و تمایل آنها به ایجاد نواحی تمرکز تنش از جمله مسائلی است که بعداً در مورد آنها صحبت خواهد شد. این مقاله اعمال نیروهای خارجی بر روی اتصال را مورد بررسی قرار داده است.
بارهای خارجی موجب تشکیل تنش های محلی و یا نقطه ای می شود که ممکن است در بسیاری از مواقع، تنش های متوسط ایجاد کند. این تمرکز تنش اغلب غیر قابل پیش بینی است و در واقع این تنش ها، ممکن است نیروهای واقعی را ایجاد کنند که این نیروها، بر روی پایداری اتصال، مؤثرند. این مسئولیت طراح یک اتصال است که این اثرات را مینیمم کند و در واقع این اثرات در صورتی مینیمم می شود که اطلاع کافی از این نیروها، موجود باشد.
4 نوع اساسی از تنش های بارگذاری در چسب ها و مواد آب بندی، عبارتند از: تنش های کششی، تنش های برشی، کلیواژ و تنش های پوسته ای کننده.این تنش ها در شکل 1 آورده شده است.

تنش های کششی و فشاری

تنش های کششی در زمانی ایجاد می شود که نیروها به صورت عمودی نسبت به صفحه ی اتصال، اعمال شوند و به صورت یکنواخت در کل ناحیه ی اتصال، ایجاد شوند. در حالت کششی، چسب ها نواحی تنش بالایی را در لبه های خارجی، ایجاد می کنند (شکل 2) و این لبه ها، سپس از یک میزان بی تناسب از بار حمایت می کند. اولین ترک ریز که در ضعیف ترین ناحیه از یکی از لبه های تحت تنش، ایجاد می شود، به سرعت گسترش یافته و منجر به شکسته شدن اتصال می شود. به هر حال، اگر اتصال به خوبی طراحی شده باشد، این اتصال مقاومت خوبی در برابر بارگذاری کششی دارد زیرا بارگذاری در این حالت، به سهولت قابل توزیع می باشد.
طراحی مناسب نیازمند این است که اتصال دارای سطوح زیرلایه ای موازی و بارهای محوری باشد. بدبختانه در کاربردهای عملی، تلورانس ضخامت پیوند به سختی کنترل می شود و بارهای اعمالی، به ندرت حالت محوری هستند. بنابراین، این تمایل وجود دارد که تنش های کلیواژ نامطلوب و یا پوسته ای کننده، ایجاد شوند. اتصال های کششی باید به گونه ای طراحی شود که محدودیت های فیزیکی مناسبی داشته باشند تا بدین صورت اطمینان حاصل شود که در برابر بارگذاری محوری پیوسته، مقاومت هستند. سطوح پیوند باید همچنین صلبیت مناسبی داشته باشند تا بدین صورت، تنش های ایجاد شده، به صورت یکنواخت در کل ناحیه ی پیوند، توزیع شوند.
در عمل، توزیع تنش ها در اتصال های کششی ساده مانند اتصال کششی لبه به لبه، در شکل 2 نشان داده شده است. این تنش های در صورتی یکنواخت است که چسب ها و سطوح چسبندگی به صورت جانبی تغییر شکل ندهد. در این حالت، اتصال تحت تنش قرار می گیرد. بارگذاری فشاری برعکس بارگذاری کششی است. مشابه بارهای کششی، این مهم است که بارها به صورت هم راستا اعمال شوند به نحوی که چسب ها، به صورت خالص فشاری در نظر گرفته شوند. یک چسب که به صورت فشاری تحت بارگذاری قرار می گیرند، بعید است که شکسته شود اگر چه، این اتصال ممکن است در برخی از نقاط ترک پیدا کند (به دلیل توزیع تنش های غیر یکنواخت). در واقع، یک اتصال که به طور خالص، متحمل نیروی فشاری شود، به سختی نیازمند اتصال های دیگر است. اگر نیروهای فشاری به اندازه ی کافی بالا باشند و حرکتی در قطعات وجود نداشته باشد، قطعات در موقعیت نسبی قرار می گیرند مگر آنکه چسب به صورت پیوسته بشکند.
به عنوان مثال، در دماهای بالا، پلی آمید- ایمید اتصال یاتاقان گرم می شود و به دلیل وجود یک بخش خارجی فولادی، تنش های ناشی از تفاوت در ضریب انبساط حرارتی، در آنها ایجاد می شود. در دماهای سرویس دهی یک چسب برای سرویس دهی استفاده نمی شود و اتصال ها به صورت بست های گرمایی به هم متصل می شوند. به هر حال، در دماهای عملیاتی کم تر، اثر برعکس ایجاد می شود. استوانه ی داخلی بیشتر از پوسته ی فولادی منقبض می شود و چسب در این حالت، نیروهای کششی بالایی را تحمل می کند.
تنش های کششی و فشاری به عنوان نیرو بر واحد سطح اتصال، اندازه گیری می شود. این تنش ها معمولا به صورت واحد پوند بر اینچ مربع (psi) تعریف می شوند. برای مثال، اگر دو میله ی استوانه ای با قطر یک اینچ، به صورت لبه به لبه به هم متصل شوند، استحکام کششی به عنوان بالاترین باری تعریف می شوند که بوسیله ی ناحیه ی سطحی، تحمل می شود. این استحکام در واحد psi بیان می شود.
در سیستم SI، تنش در واحد مگاپاسکال (MPa) تعریف می شود. در واقع یک psi معادل 0.006895 MPa می باشد (یک مگاپاسکال معادل 145 psi است).

تنش برشی

تنش برشی وقتی ایجاد می شود که نیروها در صفحه ی چسب اعمال شوند و موجب شوند تا سطوح چسبندگی از هم جدا شوند. اتصال هایی که به استحکام برشی سطوح چسبندگی وابسته می باشند، به سهولت ایجاد می شوند و به طور متداول در عمل، استفاده می شوند. چسب ها عموماً در زمانی قوی ترند که تنش ها به صورت برشی اعمال می شوند، علت این مسئله این است که تمام مساحت پیوند در استحکام اتصال مؤثرند و زیرلایه ها، به سهولت در کنار هم حفظ می شوند.
اتصال برشی روی هم (شکل 3 سمت چپ)، بیان کننده ی متداول ترین اتصال در اتصال های چسبی است. تنش های برشی مشابه با نیروهای کششی اندازه گیری می شوند و این تنش ها نیز به صورت نیرو بر واحد سطح (psi) بیان می شوند. با هم پوشانی دو زیرلایه یک مساحت مناسب برای تحمل نیروهای برشی ایجاد می شود. مرکز اتصال روی هم، مشارکت کمی در استحکام اتصال، ایجاد می کند. در حقیقت، وابستگی به هندسه و خواص فیزیکی مربوط به چسب و ماده ی آب بندی موجب می شود تا دو اتصال کوچک چسب در هر انتهای بخش هم پوشانی، استحکام پیوند مشابهی داشته باشند؛ مشابه وقتی کل ناحیه ی هم پوشانی با چسب پیوند داده شود. دلیل این مسئله در ادامه مورد بحث قرار می گیرد.

تنش های کلیواژ و پوسته ای کننده

تنش های کلیواژ و پوسته ای کننده برای چسب ها و مواد آب بندی، مطلوب نیست. در حقیقت، کلیواژ به عنوان تنش هایی تعریف می شود که در زمان اعمال نیروها در یکی از انتهاهای صلب، ایجاد می شود. در واقع این نیروها، موجب می شوند تا به دلیل ایجاد خاصیت اهرم، چسب از هم جدا شود. تنش های پوسته ای کننده مشابه تنش کلیواژ است اما این تنش ها به اتصال هایی اعمال می شود که در آنها یک یا دو سطح چسبندگی، انعطاف پذیر باشند. بنابراین، زاویه ی جدایش در این حالت می تواند به حدی بزرگ باشد که موجب پوسته ای شدن شود نه ایجاد کلیواژ
اتصال هایی که به صورت کلیواژ یا پوسته ای شونده، بارگذاری می شوند، استحکام کمتری را نسبت به اتصال های برشی، تحمل می کنند زیرا تنش ها تنها در یک ناحیه ی کوچک از کل پیوند، متمرکز می شوند. توزیع تنش یک چسب در حالت کلیواژ در شکل 3 نشان داده شده است.
نیروهای کلیواژ و پوسته ای کننده به عنوان نیرو بر واحد طول خطی پیوند، تعریف می شوند. موردی را در نظر بگیرید که در آن، یک نوار با عرض یک اینچی بر روی یک زیرلایه ی آلومینیومی بچسبد و سپس با اعمال نیرو از این زیرلایه جداسازی شود و بدین صورت استحکام چسبندگی اندازه گیری شود. استحکام پوسته ای شونده در واحد پوند بر عرض این نوار تعریف می شود.
واحدهای مربوط به استحکام پوسته ای شونده و کلیواژ معمولاً به صورت پوند بر واحد اینچی بیان می شوند که عرض پیوند (piw) دارد. واحدهای SI مربوط به پوسته ای شدن، به صورت کیلوگرم بر متر است که در اینجا، یک 1 piw معادل با 17.858 kg/m می باشد.
تنش های پوسته ای شونده و کلیواژ باید تا حد ممکنه کاهش یابند زیرا این تنش ها، به لایه های بسیار نازک لبه های پیوند محدود هستند (شکل 3 سمت راست). چسب های ترد در عمل در برابر پوسته ای شدن، مقاومت ضعیفی دارند زیرا تنش های ایجاد شده در این حالت، در یک خط باریک از لبه ی پیوند تمرکز دارد (شکل 4). سفتی چسب ها موجب می شود تا توزیع تنش در یک ناحیه ی بزرگتر از ضخامت خط پیوند، نباشد. به عبارت دیگر چسب های انعطاف پذیر و با تافنس بالا تنش های پوسته ای شونده را در ناحیه ی پیوند وسیع تری توزیع می کنند و از این رو، مقاومت آنها در برابر نیروهای پوسته ای شونده، بالاتر است. چسب های اپوکسی صلب عموماً می توانند استحکام برشی بزرگتر از 2000 psi را تحمل کنند اما آنها ممکن است تنها استحکام پوسته ای شونده ای در حدود 2 piw را تحمل کنند. چسب های انعطاف پذیر و با تافنس بالا که دارای مقاومت به پوسته ای شدن بالایی هستند، می توانند مقادیر مقاومت به پوسته ای شدنی در حدود 25 تا 50 piw ایجاد کنند.

ماکزیمم کردن بازده اتصال

برای داشتن بازده اتصال ماکزیمم، توزیع تنش های غیر یکنواخت باید از طریق طراحی خوب و انتخاب مناسب متغیرهای طراحی، کاهش یابد. این مسئله نشاندهنده ی اهمیت تمرکز تنش در این اتصال ها می باشد. تعداد متغیرهایی که بر روی توزیع تنش مؤثرند، بسیار زیاد می باشد. متغیرهای زیر متغیرهای مهم تلقی می شوند.
1. خواص چسب ها
2. ضخامت چسب ها
3. هندسه ی ناحیه ی اتصال
4. خواص پیوستگی
اثر توزیع تنش غیر یکنواخت، این است که تنش متوسط همواره کمتر از تنش ماکزیممی است که در نواحی داخل اتصال، متمرکز شده است. تنها در مواردی که یک توزیع تنش نسبتا یکنواخت وجود دارد، متوسط تنش به سمت تنش ماکزیمم حرکت می کند. شکست در اتصال همواره از نواحی با تنش ماکزیمم شروع می شود. بنابراین، یک آگاهی در مورد توزیع تنش در یک اتصال از اهمیت اولیه در طراحی اتصال های چسبی، برخوردار است.
منبع تحقیق :
Handbook of adhesives and sealants/ Edxard M. Petrie
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.