طراحی اتصال های چسبی و آب بندی (3)

اتصال های لبه به لبه

ساده ترین اتصال در واقع اتصال های لب به لب مربوط به صفحات است. به هر حال، اتصال های لب به لب، نمی توانند در برابر نیروهای خمشی مقاومت کنند زیرا چسب در این حالت، تحت تنش کلیواژ قرار می گیرد. اگر سطوح چسبندگی برای طراحی نازک باشند مشابه اتصال های ساده ی هم پوشانی کننده، اتصال لب به لب می توانند با استفاده از روش هایی مستحکم تر شود (شکل 1). تمام اتصال های لب به لب اصلاح شده موجب کاهش اثر کلیواژی می شوند که بوسیله ی بارگذاری از طرفین ایجاد می شود. اتصال های شیاری- زبانه ای دارای این مزیت هستند که آنها به طور خودکار هم تراز می شود و به عنوان یک منبع برای چسب تلقی می شوند. اتصال های نر و ماده به گونه ای هستند که محور بارگذاری در خطی منطبق با اتصال قرار دارد و از این رو، نیازی به عملیات های ماشین کاری، نیست.

اتصال های لبه روی لبه (Lap joints)

این اتصال ها در واقع به صورت متداول در اتصال های چسبی مورد استفاده قرار می گیرند زیرا ساخت آنها ساده است و می توان از آنها در سطوح چسبندگی نازک استفاده کرد. به هر حال، سطوح چسبندگی در اتصال های لبه روی لبه، اغلب انحراف دارد و نیروهای برشی در آنها اغلب به صورت خطی نیست (شکل 7 بخش دوم این مقاله). این پیچش در نمونه های برشی در حالت لبه روی لبه، منجر به تنش های کلیواژ در انتهای اتصال می شود. این مسئله در واقع موجب می شود تا بازده اتصال، افت کند. اصلاح طراحی لبه روی لبه، شامل موارد زیر است:
1. طراحی مجدد اتصال به منظور اعمال خطی نیرو بر سطوح چسبندگی
2. افزایش صلبیت سطوح چسبندگی در نزدیکی ناحیه ی اتصال (شکل8 بخش دوم این مقاله)
3. لبه های نواحی پیوندی را انعطاف پذیرتر بسازید تا بتوانند به انطباق بهتری داشته باشد
اصلاح های انجام شده در زمینه ی اتصال های لبه روی لبه، در شکل 2 نشان داده شده است. اتصال های لبه روی لبه ی انحنا دار بهترین روش برای تحمل بارهایی است که هم راستا هستند. این اتصال می تواند به سادگی و با خم کردن سطح چسبندگی، ایجاد شود. این نوع از اتصال همچنین سطحی ایجاد می کند که اعمال فشار بر روی آن نیز ساده است. اتصال های لبه روی لبه ی دوتایی نیز دارای ساختاری متعادل است به نحوی که اگر بارهای بر روی سطح دوتایی لبه متعادل نباشد، قطعه متحمل خمیدگی می شود. اتصال لبه روی لبه ی اریب نیز اثربخشی بیشتر نسبت به اتصال لبه روی لبه ی ساده دارد. لبه های اریب که با کاهش تدریجی انتهاهای سطوح چسبندگی، ایجاد می شوند، اجازه می دهند تا در طی بارگذاری، تطابق خوبی با باراعمالی، ایجاد شود. این مسئله موجب می شود تا تنش کلیواژ ایجاد شده بر روی انتهای اتصال، کاهش یابد. همانگونه که در شکل 3 قابل مشاهده می باشد، کاهش و یا پخ شدن لبه های اتصال موجب بهبود قابل توجه در قابلیت بارگذاری می شود زیرا این عمل موجب می شود تا نواحی انتهایی، به خوبی خمیده شوند و از این رو، تنش در طول ناحیه ی خمش تا حدی، توزیع شود. مقایسه ی نمودار یک و دو که به ترتیب مربوط به یک اتصال لبه روی لبه ی ساده و لبه رو لبه ی با انتهاهای نازک می باشند، نشان می دهد که نوع اصلاح شده از این اتصال ها، به چه میزانی موجب بهبود اتصال می شود. شکل 4 نشاندهنده ی متوسط استحکام است که می تواند بوسیله ی اصلاح لبه های نمونه ایجاد شود.

اتصال های تسمه ای

اتصال های تسمه ای (Strap joints) به گونه ای طراحی شده اند که موجب می شوند بارهای عملیاتی هم راستا باشند. از این اتصال ها در جاهایی استفاده می شود که استفاده از اتصال های هم پوشانی کننده، عملی نباشد. علت این مسئله در واقع ضخامت سطوح چسبندگی می باشد. طراحی های تسمه ای در شکل 5 نشان داده شده است. مشابه اتصال لبه روی لبه، تسمه های منفرد تحت نیروهای خمشی، احتمال ایجاد تنش های کلیواژ را افزایش می دهند. در واقع اتصال های تسمه ای مضاعف در زمانی مناسب ترند که تنش های خمشی به نمونه اعمال می شود. تسمه های دوتایی پخ شده و تسمه ای طاقچه ای مانند (recessed) بهترین طراحی در بین طراحی های مربوط به اتصال تسمه ای هستند. بدبختانه این اتصال ها، نیازمند ماشین کاری های پرهزینه می باشند. وقتی غشاهای نازک با استفاده از صفحات زخیم تر، به هم متصل می شوند، بارهای عملیاتی عموماً موجب پوسته ای شدن این غشاها می شوند. این مسئله در شکل 6 نشان داده شده است. در این شکل نشان داده شده است که چگونه می توان احتمال پوسته ای شدن را کاهش داد. اغلب این صفحات ناک از جنس ماده ای هستند که صلب تر است. وقتی یک چنین صفحاتی خم می شوند، اتصال های ایجاد شده، تحت تنش کلویواژ قرار می گیرند. برخی از روش های طراحی برای کاهش میزان تنش های کلیواژ در شکل 7 نشان داده شده است. مقاومت غشاهای سفت نسبت به نیروهای خمشی با توسعه ی ناحیه ی پیوند، افزایش می یابد و بدین صورت انعطاف پذیری فلنچ بهتری ایجاد می شود و بدین صورت، میزان سفتی صفحه ی پایه، افزایش می یابد.

اتصال های استوانه ای

چندین طراحی پیشنهادی برای تیوب ها و اتصال های میله ای در شکل 8 نشان داده شده است. این طراحی ها، باید به جای استفاده از اتصال های لب به لب ساده، مورد استفاده قرار گیرند. مقاومت آنها در برابر نیروهای خمشی و کلیواژهای ایجاد شده، بهتر است و ناحیه ی پیوند ایجاد شده در آنها نیز بیشتر است. بدبختانه، بیشتر این طراحی ها، نیازمند ماشین کاری های پر هزینه می باشند.

اتصال های گوشه ای و زاویه دار

یک اتصال لب به لب ساده ترین روش برای ایجاد اتصال بین دو سطحی است که با یک زاویه ی خاص، به هم رسیده اند. اگر چه اتصال های لب به لب مقاومت خوبی در برابر نیروهای فشاری و کششی دارند، استحکام خمشی آنها بسیار ضعیف است. اتصال های زاویه ای T شکل و L شکل در شکل 9 نشان داده شده است. در واقع این اتصال ها دارای ویژگی های بهبود یافته ای هستند. طراحی T شکل یک اتصال زاویه ای ترجیح داده است زیررا ناحیه ی سطح آن بزرگ است و استحکام آن در تمام جهات، مناسب می باشد. اتصال های گوشه ای برای سطوح چسبندگی با انعطاف پذیری نسبی مانند صفحات فلزی، باید به گونه ای طراحی شود که این صفحات، تحت حمایت قرار گیرند. طراحی های گوشه ای مختلف، در شکل 10 نشان داده شده است. با وجود سطوح چسبندگی بسیار نازک، اتصال زاویه ای استحکام پایینی ایجاد می کند که علت آن، غلظت های پوسته ای شدن بالاست. یک طراحی شامل صفحات گوشه ای با زاویه ی راست یا اتصال های لغزشی، بهترین کارایی را ایجاد می کنند. غشاهای ضخیم و صلب مانند میله های مستطیلی و چوب ها، ممکن است به صورت اتصال های لبه به لبه به هم متصل شوند اما در این حالت، استحکام بالاتر می تواند با استفاده از ایجاد زبانه، بدست آید. غشاهای توخالی مانند قطعات اکسترود شده، با استفاده از اتصال های تاجی و نوارهای باریک، به هم متصل می شوند.

اتصال های پلاستیکی و الاستومری

طراحی مربوط به اتصال های مورد استفاده برای پلاستیک ها و الاستومرها، عموماً مشابه اتصال های فلزی است. به هر حال، طراح باید از ویژگی های خاص هر یک از این مواد آگاه باشد و بر اساس آنها، طراحی خود را انجام دهد. یک چنین ویژگی هایی شامل انعطاف پذیری، مدول پایین، ضریب انبساط حرارتی بالا، وجود مقاطع نازک و آنیزوتروپی می باشد. این ویژگی ها موجب می شود تا میزان توزیع تنش غیر یکنواخت در اتصال کاهش یابد. بنابراین، چسب های انعطاف پذیر و با تافنس بالا، عموماً برای اتصال دهی پلاستیک ها و زیرلایه های الاستومری، پیشنهاد می شوند.

پلاستیک ها و الاستومرهای انعطاف پذیر

زیرلایه های پلیمری انعطاف پذیر و یا نازک ممکن است با استفاده از یک اتصال لبه روی لبه ساده و یا اصلاح شده، به هم متصل شوند. اتصال تسمه ای دوگانه بهترین انتخاب است اما زمان مورد نیاز برای ایجاد این اتصال، بیشتر است. مواد مورد استفاده در ساخت اتصال های تسمه ای باید از جنس همان ماده ای باشد که در حال اتصال به هم هستند و یا حداقل، استحکام، انعطاف پذیری و ضخامت تسمه ها و مواد زیرلایه مشابه باشد. چسب ها باید حداقل انعطاف پذیری مشابه با سطوح چسبندگی داشته باشند.
اگر سطوح مقطع نسبتا ضخیم به هم متصل شوند، یک اتصال روی هم مناسب می باشد. طول این اتصال باید حداقل 4 برابر ضخامت باشد و برخی اوقات می توان از قطعات روی هم بزرگتری نیز استفاده کرد.
وقتی مواد الاستیک به هم متصل می شوند، نیروهای موجود در مواد الاستومری در طی عمل آوری چسب باید به دقت کنترل شوند زیرا فشار اضافی موجب ایجاد تنش های باقیمانده در اتصال فلز- رابر می شود. تمرکز تنش ممکن است همچنین با استفاده از حذف گوشه های تیز و استفاده از فلز با ضخامت مناسب، برطرف شود.
مشابه تمام طراحی های مربوط به اتصال ها، اتصال های پلاستیک و الاستومری باید به گونه ای طراحی گردد که تنش پوسته ای شدن، مینیمم شود. شکل 11 نشاندهنده ی روش هایی از اتصال زیرلایه های انعطاف پذیر است به نحوی که چسب ها، در جهت قوی تر خود، تحت تنش قرار گیرند.

پلاستیک های تقویت شده

پلاستیک های تقویت شده اغلب موادی آنیزوتروپ هستند. این بدین معناست که خواص استحکامی آنها به جهت وابسته است. اتصال های ایجاد شده از زیرلایه های آنیزوتروپ باید به گونه ای طراحی شوند که تنش در جهت با استحکام حداکثر اعمال شود. برای مثال لایه های پلاستیکی باید به صورت موازی با لایه ها، تحت تنش قرار گیرند. تنش های عمود بر لایه ها، ممکن است موجب شوند تا لایه های مختلف زیرلایه از هم جدا شوند. اتصال های لبه روی لبه ی منفرد و انحنا دار به احتمال زیاد موجب لایه ای شدن بیشتر اتصال می شود. تغییرات اتصال تسمه ای در زمانی مفید است که بارهای خمشی ایجاد شود.

اتصال چوبی

چوب یک ماده ی آن ایزوتروپ است که پایداری ابعادی آن پایین است. خواص این ماده با تغییر جهت گیری دانه های آن، تغییر می کند. اتصال ها باید از یک نوع باشند و برش های خاصی از چوب ایجاد شود به نحوی که از تمرکز تنش، جلوگیری گردد.
استحکام کششی چوب در خط دانه ها، تقریباً 10 برابر بزرگتر از جهت عمود بر دانه ها، می باشد. اتصال های چسبی باید به گونه ای طراحی شود که این فاکتور، در آنها مورد توجه قرار گیرد.
چوب با جذب رطوبت تغییر ابعادی می دهد. میزان پایداری ابعادی همچنین به جهت دانه ها نیز وابسته است. وقتی چوب به طور مناسب به هم متصل شود، در برابر بارهای ایجاد شده از تغییرات ابعادی، مقاومت می کند.
یک اتصال صفحه ای روسری با شیب های بسیار مسطح، مؤثرترین نوع طراحی اتصال برای چوب است اما این اتصال نیازمند استفاده از فشار عرضی و یا جانبی در طی زمان سخت شدن چسب می باشد. اتصل های چوبی متداول که در واقع خود تطبیق پذیر هستند و نیازمند فشار نیستند، در شکل 12 و 13 بخش چهارم این مقاله نشان داده شده است. منبع تحقیق :
Handbook of adhesives and sealants/ Edxard M. Petrie
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.