POLITECHNIKA POZNAŃSKA
WYDZIAŁ MASZYN ROBOCZYCH I TRANSPORTU
INSTYTUT MASZYN ROBOCZYCH I POJADÓW SAMOCHODOWYCH
mgr inż. Dariusz ULBRICH
BADANIE POŁĄCZENIA ADHEZYJNEGO POWŁOKI Z PODŁOŻEM
Praca doktorska
Promotor:
dr hab. inż. Marian JÓSKO, prof. nadzw. PP
Poznań – 2015
2 Składam serdeczne podziękowania
prof. dr. hab. inż. Marianowi Jósko
za przekazaną wiedzę, cenne uwagi i wskazówki, które wpłynęły na kształt niniejszej pracy.
Pragnę także podziękować rodzicom i babci za wsparcie w trudnych chwilach
powstawania tej pracy.
3
BADANIE POŁĄCZENIA ADHEZYJNEGO POWŁOKI Z PODŁOŻEM Streszczenie
Połączenia adhezyjne są szeroko stosowane w budowie, naprawie i regeneracji części nowoczesnych maszyn i pojazdów samochodowych. Jednak, podczas ich wykonywania zdarzają się błędy technologiczne, rzutujące na jakość i trwałość takich połączeń. Dlatego istnieje potrzeba opracowania nieniszczącej metody diagnostycznej, umożliwiającej kontrolę tych połączeń zarówno na etapie ich wytwarzania, jak i eksploatacji. Jedną z metod możliwych do zastosowania w ocenie połączeń, w tym także adhezyjnych, jest metoda ultradźwiękowa.
Ogólnym celem niniejszej rozprawy jest opracowanie nieniszczącej metody diagnostycznej, dedykowanej do oceny procesu konstytuowania i degradacji wybranej powłoki o adhezyjnym charakterze połączenia z podłożem, która jest stosowana w budowie i eksploatacji maszyn i pojazdów samochodowych.
Badania poprzedzono analizą stanu wiedzy z zakresu nieniszczących metod badawczych, w szczególności metody ultradźwiękowej w zakresie konstytuowania i degradacji połączeń adhezyjnych oraz badań korelacyjnych, umożliwiających powiązanie niszczących i nieniszczących miar przyczepności powłoki do podłoża. Opracowano metodykę badania okresu konsolidacji połączenia powłoki szpachlówkowej z podłożem stalowym za pomocą ultradźwiękowej fali podłużnej i powierzchniowej.
Wyznaczono przebiegi modułu ciśnieniowego współczynnika odbicia, uznanej nieniszczącej miary przyczepności, które następnie odniesiono podczas badań korelacyjnych do wyników prób niszczących. Jako niszczącą miarę przyczepności obrano wytrzymałość połączenia powłoki z podłożem. Równocześnie monitorowano cały okres istnienia połączenia ultradźwiękową falą powierzchniową, wyznaczając przebiegi wzmocnienia impulsu ultradźwiękowego oraz takich parametrów widma amplitudowo-częstotliwościowego, jak częstotliwość rezonansowa i pasmo przenoszenia. Badania degradacyjne o charakterze zmęczeniowym przeprowadzono na specjalnym stanowisku, które umożliwia pomiary w założonych, stałych warunkach.
Otrzymane rezultaty badań pozwoliły na poznanie przebiegu wybranych parametrów ultradźwiękowych i opracowanie metody diagnostycznej dedykowanej do kontroli połączeń powłoki z podłożem.
4
EXAMINATION OF ADHESIVE CONECTION OF COATING AND SUBSTRATE
Abstract
Adhesive connections are widely used in the construction, repair and regeneration of parts of modern machines and motor vehicles. However, during their production, technology errors occur, with effects on the quality and stability of such a connection. Therefore, there is a need to develop a non-destructive diagnostic method allows to control of these connections, both during their manufacture and exploitation. One of the methods used in assessing the adhesive connections is ultrasonic method.
The overall aim of this dissertation is to develop a non-destructive diagnostic method, dedicated to evaluation of the constitution and the degradation of a connection between the adhesive coating and substrate, which is used in the construction and operation of machines and motor vehicles.
Research were preceded by an analysis of current state of knowledge in the field of non–destructive methods, especially in the area of ultrasonic methods dedicated to evaluation the constitution and degradation process of adhesive joints and also correlative study, that allows linking destructive and non-destructive measurement of adhesion for connection between coating and substrate. A method for testing the period of consolidation of the connection car putty coating with the steel substrate using ultrasonic longitudinal wave and ultrasonic surface was developed.
The changes in reflection coefficient were determined, which is considered a non-destructive measurement of adhesion, then referenced to destructive testing results during correlation study. As destructive measurement of adhesion was chosen durability of the connection of coating and substrate. At the same time the lifetime of the connection by ultrasonic surface wave was monitored. Gain of ultrasonic signal waveforms and parameters such amplitude-frequency spectrum, as the resonance frequency and bandwidth were designated. The study of a fatigue degradation was carried out on a special stand, which allows the measurement in the established, under constant conditions.
The obtained results of the study allowed us to get to know the changes of selected ultrasonic parameters and the development of ultrasonic diagnostic method dedicated to the control of the adhesive connection between coating and substrate.
5
Spis treści
1. WPROWADZENIE ... 7
1.1. Geneza i aktualność zagadnienia ... 7
1.2. Zakres pracy i jej układ ... 8
2. ANALIZA STANU WIEDZY ... 11
2.1. Charakterystyka przedmiotu badań ... 11
2.1.1. Podstawowe terminy ... 11
2.1.2. Rodzaje połączeń adhezyjnych ... 13
2.2. Metody oceny przyczepności powłok ... 20
2.2.1. Metody niszczące ... 20
2.2.2. Metody nieniszczące ... 23
2.3. Zastosowania metody ultradźwiękowej w badaniach połączeń adhezyjnych ... 25
2.4. Podsumowanie analizy stanu wiedzy ... 47
3. BADANIA ROZPOZNAWCZE ... 49
3.1. Wstęp ... 49
3.2. Metodyka badań etapu konstytuowania połączenia adhezyjnego ... 50
3.3. Monitorowanie etapu konsolidacji połączenia adhezyjnego ... 53
3.3.1. Cel badań ... 53
3.3.2. Przebieg badań ... 53
3.3.3. Analiza wyników badań rozpoznawczych ... 64
3.4. Badania wpływu grubości nakładanej powłoki na parametry fali ultradźwiękowej odbitej od granicy połączenia ... 68
3.5. Wnioski z badań rozpoznawczych ... 75
4. SFORMUŁOWANIE PROBLEMATYKI BADAWCZEJ ... 77
4.1. Teza pracy ... 77
4.2. Cele i zadania badawcze ... 78
5. BADANIE PROCESU KONSTYTUOWANIA POŁĄCZENIA POWŁOKI Z KAROSERIĄ POJAZDU ... 82
5.1. Cel badań ... 82
5.2. Przebieg badań ... 83
5.3. Wyniki badań ... 89
5.4. Wnioski ... 96
6
6. KORELACJA PARAMETRU ULTRADŹWIĘKOWEGO
Z WYTRZYMAŁOŚCIĄ MECHANICZNĄ POŁĄCZENIA ... 98
6.1. Wstęp ... 98
6.2. Cel badań korelacyjnych ... 99
6.3. Metodyka badań korelacyjnych ... 99
6.4. Przebieg badań korelacyjnych ... 103
6.5. Wyniki badań i ich analiza ... 113
6.6. Wnioski ... 119
7. MONITOROWANIE POŁĄCZENIA ADHEZYJNEGO ULTRADŹWIĘKOWĄ FALĄ POWIERZCHNIOWĄ ... 121
7.1. Wstęp ... 121
7.2. Cel badań ... 122
7.3. Metodyka badań etapu istnienia połączenia adhezyjnego ... 123
7.4. Próbki i aparatura badawcza ... 126
7.5. Przebieg badań ... 129
7.6. Wyniki badań i ich analiza ... 136
7.7. Matematyczny opis okresu konstytuowania ... 146
7.8. Wnioski ... 153
8. ANALIZA MOŻLIWOŚCI DIAGNOZOWANIA POŁĄCZENIA ADHEZYJNEGO POWŁOKI Z PODŁOŻEM W ŚWIETLE BADAŃ WŁASNYCH ... 155
8.1. Wstęp ... 155
8.2. Ocena przydatności parametrów ultradźwiękowych do opisu stanu połączenia adhezyjnego ... 156
8.3. Modele diagnostyki połączenia powłoki z podłożem ... 159
8.4. Algorytm realizacji diagnostyki ultradźwiękowej ... 163
8.5. Podsumowanie ... 166
9. PODSUMOWANIE PRACY ... 169
9.1. Osiągnięcie celów pracy ... 169
9.2. Propozycje kierunków dalszych badań ... 170
LITERATURA ... 172
SPIS RYSUNKÓW ... 179
SPIS TABEL ... 186
7
1. WPROWADZENIE
1.1. Geneza i aktualność zagadnienia
Połączenia adhezyjne, obok innych połączeń takich jak np. połączeń spawanych, zgrzewanych, nitowych, znajdują obecnie szerokie zastosowanie w budowie maszyn i pojazdów samochodowych. Spośród połączeń adhezyjnych rozróżnia się połączenia klejowe, uszczelniające, a także połączenia powłoki z podłożem. Intensywny rozwój przemysłu motoryzacyjnego w ostatnich latach sprawia, iż wzrasta zapotrzebowanie na części zamienne dla eksploatowanych samochodów. Zastosowanie różnych typów powłok regeneracyjnych i prewencyjnych w procesie naprawy powoduje, że ogranicza się ilość stosowanych części zamiennych, co może zmniejszyć koszt naprawy. Wpływa to również pozytywnie na środowisko naturalne, ponieważ mniej jest elementów przeznaczonych do utylizacji.
Adhezyjne powłoki regeneracyjne znajdują zastosowanie podczas regeneracji elementów takich jak wały, korpusy pomp, bębny, sworznie, prowadnice, ale przede wszystkim nadwozia pojazdów samochodowych podczas ich napraw. Jak pokazują dane z jednego z poznańskich autoryzowanych serwisów pojazdów samochodowych w latach 2010 – 2013 w blisko 47% zrealizowanych napraw blacharsko-lakierniczych użyto powłoki szpachlówkowej [111]. Wszystkie te naprawy zostały wykonane zgodnie z zaleceniami i technologią opracowaną przez producenta pojazdów. Zastosowanie powłoki szpachlówkowej pozwoliło na uzupełnienie innych technologii, stosowanych podczas naprawy nadwozi pojazdów samochodowych.
Praktyka stosowania powłoki szpachlówkowej w naprawach stalowych nadwozi samochodowych wymusza zastosowanie kontroli połączenia adhezyjnego szpachlówki z blacha karoseryjną. Kontrola jest uzasadniona odstępstwami technologii nakładania powłoki w praktyce od wymaganych warunków technologicznych. Słabe połączenie szpachlówki z blachą rzutuje na jakość naprawy i trwałość powłoki szpachlówkowo – lakierniczej w rzeczywistych warunkach eksploatacji, determinowanych dynamicznymi obciążeniami.
Jakość połączenia adhezyjnego powłoki z podłożem można oceniać zarówno w sposób niszczący, jak i nieniszczący. Metody należące do pierwszej grupy posiadają zasadniczą wadę, a mianowicie powodują destrukcję elementu podczas jego badania (nie można ich stosować na etapie wytwarzania i eksploatacji elementów maszyn i urządzeń). Dlatego coraz
8 większe znaczenie podczas kontroli wytwórczej lub diagnostyki odgrywają metody nieniszczące. Do potencjalnych metod kontrolnych połączeń adhezyjnych można zaliczyć metody organoleptyczne [70], interferometrii holograficznej [82], termograficzne [3, 40, 59]
oraz metoda ultradźwiękowa [5, 11, 17, 18, 29, 43, 64]. Szczególnie duże możliwości wykazuje ostatnia z wymienionych metod, która wykorzystuje propagację fal ultradźwiękowych w różnych ośrodkach.
Metoda ultradźwiękowa umożliwia pomiar grubości powłoki [28, 121] oraz ocenę wytrzymałości połączenia adhezyjnego [41, 42, 110]. Pozwala również na wykrywanie nieciągłości, które mogą powstać na granicy połączenia. Dotychczasowe, nieliczne badania powłok adhezyjnych tą metodą prowadzono w zakresie ich degradowania. Istotny z punktu widzenia trwałości połączenia jest również okres jego konstytuowania. Przebieg tego etapu nie jest jeszcze dobrze poznany, a czas konstytuowania połączenia w warunkach rzeczywistych może różnić się od czasu deklarowanego przez producentów materiałów regeneracyjnych. Oprócz aspektu poznawczego, ważny jest aspekt praktyczny badań, pozwalający opracować metodę kontroli połączenia szpachlówki z blachą samochodu na etapie jego konsolidacji.
Praca jest poświęcona badaniom połączenia powłoki o adhezyjnym charakterze powiązania z podłożem stalowym z zastosowaniem metody ultradźwiękowej.
1.2. Zakres pracy i jej układ
W niniejszej pracy badania realizowano na wybranym połączeniu adhezyjnym, jakim jest połączenie powłoki szpachlówkowej z podłożem stalowym, reprezentującym ważną grupę połączeń stosowanych w naprawach nadwozi pojazdów samochodowych. Spośród wielu metod badań nieniszczących wybrano i stosowano metodę ultradźwiękową.
W badaniach ultradźwiękowych zastosowano zarówno ultradźwiękową falę podłużną, jak i falę powierzchniową, które są generowane i odbierane przez zestaw odpowiednio dobranych głowic oraz defektoskopy cyfrowe (UMT 15, USLT 2000).
Monitorowanie, wybranych parametrów ultradźwiękowych, takich jak np. wzmocnienie względne sygnału Ww, częstotliwość rezonansowa f, podczas procesu konsolidacji i degradacji połączenia, pozwoliły na poznanie ich wartości oraz tendencji zmian w trakcie wytwarzania i przyspieszonej degradacji połączenia powłoki szpachlówkowej z podłożem stalowym.
Obliczone na podstawie wzmocnienia ultradźwiękowej fali podłużnej wartości modułu
9 ciśnieniowego współczynnika odbicia, a więc uznanej, nieniszczącej miary przyczepności, odniesiono do siły niezbędnej do zniszczenia połączenia adhezyjnego. Uzyskane wyniki badań ultradźwiękowych i mechanicznych etapu konstytuowania i degradacji połączenia powłoki szpachlówkowej z podłożem stalowym pozwoliły na opracowanie metody diagnostycznej tego połączenia w wybranej chwili jego istnienia.
Praca składa się z 9 rozdziałów. W rozdziale pierwszym przedstawiono genezę i aktualność zagadnień związanych z połączeniami powłoki z podłożem i oceną tych połączeń różnymi metodami. Rozdział drugi zawiera analizę aktualnego stanu wiedzy w zakresie tematyki rozprawy. Szczególnie zwrócono uwagę na zastosowanie metody ultradźwiękowej w badaniach połączeń adhezyjnych na etapie ich konstytuowania i degradacji. Wyróżniono wyniki badań, w których poddano analizie połączenie typu powłoka szpachlówkowa – podłoże stalowe. Biorąc pod uwagę wnioski z analizy literatury naukowej oraz własne badania rozpoznawcze i doświadczenie, określono braki w istniejącym stanie wiedzy, które wymagają uzupełnienia. W rozdziale trzecim wykonano serię badań rozpoznawczych, poświęconych monitorowaniu etapu konstytuowania połączenia powłoki szpachlówkowej z podłożem stalowym (podłoże o znacznej grubości 60 mm) za pomocą ultradźwiękowej fali podłużnej.
W kolejnym rozdziale przyjęto tezę pracy i sformułowano cel główny oraz cele cząstkowe pracy, wyznaczające kolejne z realizowanych zadań badawczych. W rozdziale piątym opracowano metodykę badania ultradźwiękową falą podłużną etapu konstytuowania, połączenia powłoki szpachlówkowej z blachą karoseryjną. Wykonano badania na elementach karoserii pojazdu samochodowego, co doprowadziło do uzyskania przebiegów wybranych parametrów ultradźwiękowych podczas badania okresu konstytuowania połączenia adhezyjnego. Badaniom korelacyjnym, które uwzględniały wpływ temperatury utwardzania powłoki adhezyjnej na proces konstytuowania połączenia poświęcono rozdział szósty.
Przedstawiono w nim cel badań, układ pomiarowy, uzyskane wyniki oraz najważniejsze wnioski wynikające z przeprowadzonego eksperymentu.
Rozdział siódmy zawiera opis realizacji oraz wyniki badań okresu istnienia połączenia adhezyjnego powłoki szpachlówkowej z podłożem stalowym ultradźwiękową falą powierzchniową. Szczególną uwagę zwrócono na przebieg wybranych parametrów ultradźwiękowych w dziedzinie czasu i częstotliwości podczas konsolidacji i degradacji tego połączenia. Uzyskane zmiany wzmocnienia impulsu ultradźwiękowej fali powierzchniowej, w okresie konsolidacji tego połączenia, opisano równaniami matematycznymi.
10 W rozdziale ósmym przedstawiono propozycję metody diagnostycznej, opracowanej na podstawie wyników badań własnych, która może znaleźć zastosowanie w zakładach produkcyjnych i naprawczych, wykorzystujących połączenia adhezyjne powłoki z podłożem stalowym.
W ostatnim rozdziale pracy dokonano podsumowania rozważanych zagadnień i problemów, które pozwoliło na określenie stopnia realizacji założonych celów w pracy.
Wysunięto również propozycje dalszych kierunków badań w tematyce podjętej rozprawy.
11
2. ANALIZA STANU WIEDZY 2.1. Charakterystyka przedmiotu badań
2.1.1. Podstawowe terminy
Biorąc pod uwagę specyficzną budowę połączeń adhezyjnych oraz sposób ich powstawania należy w pierwszej kolejności określić podstawowe terminy charakteryzujące te połączenia. Jakość i trwałość połączenia adhezyjnego jest związana ze zjawiskiem przyczepności powłoki do podłoża. Przyczepność (ang. – adherence) określa się jako spójność, powiązanie lub przyleganie powłoki do podłoża [7]. Zależy ona głównie od sposobu przygotowania powierzchni podłoża, a także od czynników, które oddziałują podczas nakładania powłoki [7].
Według [68], synonimem przyczepności jest pojęcie adhezji, czyli powierzchniowego łączenia się warstw dwóch różnych ciał, które się ze sobą stykają na skutek występowania przyciągania międzycząsteczkowego. Autor pracy [123] odwołuje się do języka łacińskiego (adhaesio-sczepianie) i określa omawiane zjawisko jako powierzchniowe wiązanie warstw wierzchnich dwóch ciał pod działaniem sił przyciągania między nimi. Zbliżoną definicję terminu adhezji zastosował J. Kuczmaszewski w pracy [62]. Zwraca on również uwagę, podobnie jak M. Żenkiewicz [123], na niewłaściwe i niekonsekwentne stosowanie tego terminu. Taka sytuacja może być spowodowana złożonością zjawiska adhezji i niedostateczną wiedzą z zakresu mechanizmu, który powoduje tworzenie się połączeń adhezyjnych.
W literaturze [1, 61, 62, 97, 123] istnieje wiele hipotez i teorii adhezji przedstawianych oraz weryfikowanych przez różnych autorów. Do najważniejszych i najczęściej wyszczególnianych zalicza się [50, 61, 123]: teorię mechaniczną oraz teorię adhezji właściwej, z którą są związane takie zjawiska jak np. adsorpcja fizyczna, adsorpcja chemiczna, dyfuzja, zjawiska energetyczne i elektrostatyczne.
W przypadku teorii mechanicznej występuje – przede wszystkim – zjawisko kotwiczenia materiału na makronierównościach, a także na mikro- i submikronierównościach powierzchni, co powoduje uzyskanie odpowiedniej wytrzymałości połączenia.
Fizykochemiczna teoria adhezji, oparta na zjawiskach adsorpcji fizycznej i chemicznej, wyszczególnia występowanie oddziaływań międzycząsteczkowych w postaci np. sił Van der Waalsa. Kolejna z teorii dotyczącej adhezji specyficznej (teoria adhezji właściwej)
12 – dyfuzyjna omawia zjawisko dyfuzji cząstek dwóch łączonych materiałów, które znajdują się w bezpośrednim kontakcie. Zjawisko sczepiania, czyli łączenia przez zahaczenie, stanowi podstawę energetycznej teorii adhezji. Powstawanie w obszarze międzyfazowym tzw.
podwójnej warstwy elektrycznej na skutek oddziaływań elektrostatycznych, tzn. przepływu elektronów między łączonymi ciałami, wiąże się z elektrostatyczną teorią adhezji. Na rys. 2.1 przedstawiono zestawienie zjawisk zachodzących podczas powstawania połączenia adhezyjnego, opracowane na podstawie prac [50, 59, 61, 123].
POŁĄCZENIE ADHEZYJNE
ADHEZJA MECHANICZNA ADHEZJA
SPECYFICZNA
Kotwiczenie na makronierównościach
Zakleszczenie na mikronierównościach
Zakleszczenie na submikronierównościach Zjawiska
rekrystalizacyjne
Zjawiska dyfuzyjne Zjawiska dyfuzyjne
Zjawiska adsorpcyjne Zjawiska
elektrostatyczne
Sczepianie
Wiązania wodorowe Wiązania Van
der Waalsa Wiązania chemiczne
Siły polarne
Siły indukcyjne
Siły konformacyjne Siły dyspersyjne
Rys. 2.1. Klasyfikacja zjawisk determinujących połączenie adhezyjne: opracowanie własne na podstawie [50, 59, 61, 123]
Pomimo istnienia różnych teorii adhezji, żadna z nich nie opisuje w pełni zjawisk związanych z powstawaniem połączeń adhezyjnych, przedstawionych na rys. 2.1. Dlatego istnieje koncepcja stworzenia uogólnionej teorii adhezji, która jednoznacznie określa warunki powstania połączenia adhezyjnego o dużej wytrzymałości i bazuje głównie na teorii fizyko- chemicznej [123].
13 Oprócz zjawiska adhezji, istotne znaczenie w przypadku np. połączeń klejowych, ale także połączeń powłoki z podłożem ma zjawisko kohezji, czyli wzajemnego przyciągania się cząstek w wyniku działania sił spójności (międzycząsteczkowych) [7, 61, 102].
W niniejszej pracy autor posługuje się pojęciem przyczepności powłoki do podłoża, jako najczęściej dotychczas stosowanego określenia powiązania powłoki z podłożem.
W pracach [7, 16, 47, 48, 90] posługiwano się także sformułowaniem połączenia powłoki z podłożem. Dlatego, w dalszej części pracy jest używane to sformułowanie, szczególnie iż przedstawione badania dotyczą trwałości oraz oceny jakości połączenia powłoki z podłożem.
Opracowana i przedstawiona w niniejszej pracy nieniszcząca metoda oceny rozpatrywanego połączenia adhezyjnego umożliwia jego kontrolę oraz ocenę przyczepności powłoki w trakcie procesu wytwarzania, regeneracji lub jego eksploatacji.
2.1.2. Rodzaje połączeń adhezyjnych
Połączenie adhezyjne między powierzchniami dwóch ciał (materiałów) powstaje na skutek wystąpienia sił adhezji [62, 123]. Przed wykonaniem połączenia adhezyjnego powierzchnie ciał są od siebie odseparowane. Ze względu na charakter połączenia adhezyjnego bardzo trudno jest je sklasyfikować oraz opracować jeden uniwersalny model, który opisywałby takie połączenie [12].
Podejmując próbę klasyfikacji tych połączeń należy również uwzględnić możliwości zastosowania metody ultradźwiękowej do ich kontroli. Bardzo rzadko zdarza się, aby połączenie adhezyjne składało się z dwóch identycznych materiałów. Zastosowanie dwóch lub większej ilości różnych materiałów w połączeniu powoduje, iż fala ultradźwiękowa, która propaguje przez takie połączenie napotyka ośrodki o różnych właściwościach akustycznych, takich jak np. tłumienie fali ultradźwiękowej oraz akustyczna oporność falowa.
Uwzględniając powyższe stwierdzenia oraz inne klasyfikacje połączeń adhezyjnych opisywane w literaturze [12, 77], zaproponowano podział przedstawiony na rys. 2.2.
Przedstawiona klasyfikacja uwzględnia połączenia adhezyjne stosowane w budowie nowoczesnych pojazdów samochodowych oraz wydziela połączenia powłok z podłożem, jako grupę, która wymaga kontroli na etapie wytwarzania i degradacji. Metodyka badań falą ultradźwiękową połączeń powłoki z podłożem jest podobna w wielu aspektach do badań innych połączeń adhezyjnych. Dlatego, istnieje możliwość wykorzystania dotychczas
14 uzyskanych wyników badań nieniszczących połączeń adhezyjnych do oceny połączeń typu powłoka jedno– lub wielowarstwowa – podłoże.
POŁĄCZENIE ADHEZYJNE
Połączenia klejowe Połączenia powłok
z podłożem
Połączenia jednowarstwowe
Połączenia wielowarstwowe
Połączenia lutowane/
lutospawane
Rys. 2.2. Klasyfikacja połączeń adhezyjnych
Rozpatrując zastosowanie omawianych połączeń należy wyróżnić takie, które zbudowane są tylko z dwóch materiałów (faz), a także połączenia adhezyjne wykonane z większej ilości warstw (faz), np. połączenie szpachlówkowo – lakiernicze, stosowane w naprawie nadwozi pojazdów samochodowych.
Według [12], powłoka jest to warstwa materiału, która została wytworzona w sposób naturalny bądź sztuczny, a następnie nałożona na powierzchnię przedmiotu w celu uzyskania odpowiednich i pożądanych jego właściwości technicznych lub dekoracyjnych. W przypadku występowania tylko jednej warstwy powłoki i podłoża wyróżnia się model jednowarstwowy (rys. 2.3a). Natomiast, jeżeli występuje więcej warstw, taki model połączenia nazywa się modelem wielowarstwowym (rys. 2.3b) [12].
Model powłoki wielowarstwowej (rys. 2.3b), jest bardziej złożony od modelu jednowarstwowego. Inne jest również rozchodzenie się fali ultradźwiękowej przez takie połączenie. Dlatego w badaniach przedstawionych w kolejnych rozdziałach pracy skupiono się głównie na połączeniach jednowarstwowych powłoki szpachlówkowej z podłożem stalowym, wykorzystywanych w procesie renowacji karoserii pojazdu samochodowego.
15 Rys. 2.3. Schemat budowy powłok: a) jednowarstwowej; b) wielowarstwowej; opracowano na
podstawie [12]
Wymienione modele połączenia powłoki z podłożem (rys. 2.3) posiadają duży stopień uproszczenia i nie uwzględniają zjawisk, jakie zachodzą między warstwą powłoki a podłożem. Dla powłok na bazie tworzyw sztucznych, nakładanych na podłoże metalowe, autor pracy [50] zaproponował bardziej złożony model (schemat budowy powłoki), przedstawiony na rys. 2.4.
Rys. 2.4. Schemat połączenia powłoki na osnowie tworzywa sztucznego z podłożem metalowym: WWpo, WWpd – warstwa wierzchnia odpowiednio powłoki i podłoża, SP – strefa
połączenia; opracowano na podstawie [50]
16 Oprócz podziału połączenia powłoki z podłożem pod względem budowy, istnieje również w literaturze [12] klasyfikacja, która uwzględnia przeznaczenie takiego połączenia adhezyjnego. Pod względem przeznaczenia powłoki dzieli się na [12]:
ochronne,
dekoracyjne,
techniczne,
ochronno-dekoracyjne.
Taki podział uwzględnia – przede wszystkim – właściwości, jakie powinna spełniać określona powłoka nałożona na podłoże. Powłoki ochronne separują podłoże od agresywnej atmosfery, czyli mają za zadanie ochronę przed korozją, która powstaje w skutek reakcji elektrochemicznej. Drugi z wymienionych rodzaj powłok stosuje się w celu uzyskania wymaganej barwy, połysku, bądź odporności na pokrywanie się nalotem. Są to powłoki, które mają spowodować uzyskanie szczególnych własności mechanicznych lub technologicznych, wymaganych w danych warunkach. Do grupy powłok technicznych można zaliczyć między innymi: powłoki prewencyjne, stosowane w celu zwiększenia odporności powierzchni na ścieranie lub powłoki stosowane dla uzyskania zmiany współczynnika tarcia.
Ostatnia z wymienionych powyżej grup powłok ma za zadanie zarówno ochronę przed korozją, jak i zapewnienie odpowiednich walorów estetycznych. Powłoki dwuwarstwowe, np.
nikiel-chrom na stali, miedzi i jej stopach oraz powłoki trójwarstwowe typu miedź – nikiel – chrom na stali oraz odlewach ze stopów cynku, należą do najpowszechniej stosowanych powłok w przemyśle samochodowym. Są one stosowane na takie elementy jak zderzaki, kołpaki kół, listwy ozdobne itp. Zewnętrzne warstwy chromu na powłokach wielowarstwowych ochronno-dekoracyjnych są grubości rzędu 0,25–1,5 μm [12].
Jak już wspomniano wcześniej, obszar zastosowania powłok jest bardzo szeroki i zależy w dużej mierze od funkcji jakie mają one zapewniać. Dlatego w literaturze, np. [7, 8, 12, 51, 77, 122] nazwa połączenia adhezyjnego powłoki z podłożem jest bezpośrednio zaczerpnięta od funkcji powłoki jaką ma spełniać lub od materiału z jakiego jest wykonana.
Większość z opisanych wyżej rodzajów powłok jest nanoszona na etapie produkcji danego elementu maszyny lub pojazdu samochodowego. Istnieją również powłoki regeneracyjne, które są wykonywane w trakcie naprawy uszkodzonych elementów maszyn i powodują przywrócenie ich pierwotnych właściwości, kształtu lub wymiarów. Powłoki regeneracyjne mogą być wykonane z tworzyw sztucznych i występują w postaci past
17 regeneracyjnych. Przykłady zastosowania powłok regeneracyjnych w postaci pasty Belzona lub Chester Metal przedstawiono na rys. 2.5.
a) b)
c) d)
Rys. 2.5. Zastosowanie powłok regeneracyjnych [36, 37]: a) uszkodzony wał i wpust, b) nałożona powłoka Belzona, c) uszkodzony czop wału, d) czop z naniesioną powłoką Chester Metalu
Oprócz połączenia powłoki z podłożem, szeroko w przemyśle stosowane są połączenia klejowe, przede wszystkim w budowie pojazdów, jako uszczelniacze oraz kleje strukturalne przenoszące obciążenia, działające na karoserię pojazdu [14, 55, 59, 71, 104, 108]. Na rys.
2.6a przedstawiono ogólny model połączenia klejowego oraz zastosowanie przemysłowe różnego rodzaju klejów. Rysunki 2.6b i 2.6d przedstawiają klej w elementach karoserii pojazdu (pokrywa silnika i drzwi), którego zadaniem jest uszczelnienie połączenia między blachami. Natomiast na rys. 2.6c przedstawiono połączenie klejowe podłużnicy (narty), czyli elementu nośnego pojazdu. Zastosowany w tym miejscu klej przenosi obciążenia, jakim jest poddawane nadwozie pojazdu samochodowego, poruszającego się po drodze.
18
a) b)
c) d)
Rys. 2.6. Połączenie klejowe: a) model połączenia klejowego, gdzie: 1 – adhezja, 2 – kohezja [99], b, c, d) zastosowanie przemysłowe
Jakość połączeń klejowych jest determinowana przez siły przyczepności powierzchniowej, tzn. siły adhezji oraz siły wzajemnego przyciągania się cząstek kleju, czyli siły kohezji [15, 99, 123]. Ze względu na zakres pracy, autor w niewielkiej części opisał połączenia klejowe, które są znane od wielu lat i coraz powszechniej stosowane w przemyśle.
W budowie pojazdów występują również połączenia adhezyjne blachy karoseryjnej z tworzywami sztucznymi, które nazywane są materiałami hybrydowymi. Dzięki zastosowaniu dwóch różnych substancji uzyskuje się jeden materiał konstrukcyjny, charakteryzujący się lepszymi właściwościami. Ponieważ takie połączenie może być uznane jako połączenie powłoki z podłożem, może ono zostać poddane badaniu ultradźwiękowemu.
Jak opisano powyżej, połączenie szpachlówki z blachą karoseryjną może być traktowane jako powłoka jednowarstwowa. Szpachlówka jest materiałem regeneracyjnym
2
1 1
19 używanym na etapie przywrócenia właściwości, głównie kształtu karoserii pojazdu samochodowego. Nakłada się ją w miejsca uszkodzeń elementów karoserii, zarówno metalowych, jak i wykonanych z tworzyw sztucznych w celu wyrównania powstałych wgłębień i pęknięć. Aplikacja tego materiału może odbywać się ręcznie za pomocą plastikowych pacek lub natryskowo – przy użyciu pistoletu lakierniczego. Przed procesem lakierowania, a po związaniu szpachlówki z podłożem, poddaje się ją operacji szlifowania.
Szpachlówka powstaje na skutek zmieszania ze sobą dwóch składników, tzn. bazy szpachlówkowej i utwardzacza. Tak powstała masa nadaje się do nałożenia na podłoże przez kilka następnych minut, po czym konsoliduje się na skutek działania utwardzacza.
Spośród różnych szpachlówek dostępnych na rynku, wyróżnia się np. szpachlówkę uniwersalną [34], wzmocnioną włóknem szklanym [35], szpachlówkę bumper fix [33], wykorzystywaną do naprawy tworzyw sztucznych oraz szpachlówkę natryskową [31].
Wykorzystanie odpowiedniej szpachlówki z szerokiego wyboru materiałów regeneracyjnych, jest determinowane przez materiał naprawianego elementu pojazdu samochodowego oraz rodzaj i wielkość uszkodzenia. Przykładową aplikację szpachlówki na nadwozie pojazdu samochodowego przedstawiono na rys. 2.7.
Rys. 2.7. Element pojazdu w trakcie operacji szpachlowania [32]
Połączenie adhezyjne powłoki z podłożem cechuje złożoność procesów zachodzących podczas jego wytwarzania. Technologiczna procedura ich wytwarzania nie jest zazwyczaj skomplikowana. Niemniej należy zaznaczyć, iż jakiekolwiek odstępstwa i nieprawidłowości na etapie wytwarzania takiego połączenia mogą skutkować ich uszkodzeniem lub utratą
20 właściwości na etapie eksploatacji maszyn i pojazdów samochodowych. Dlatego istnieje konieczność opracowania prostych i szybkich procedur kontroli takich połączeń zarówno podczas ich konsolidacji, jak i użytkowania.
2.2. Metody oceny przyczepności powłok
2.2.1. Metody niszczące
Istnieją dwie grupy metod oceny przyczepności powłok adhezyjnych. Do jednej z nich zalicza się metody niszczące, czyli te, które skutkują uszkodzeniem badanej powłoki, co uniemożliwia dalszą eksploatację elementu, na którym się ona znajduje. Według [7], metody niszczące oceny przyczepności powłoki do podłoża można podzielić na:
metody jakościowe,
metody półilościowe,
metody ilościowe.
Pierwsza grupa z wymienionych metod – ocena jakościowa, charakteryzuje się łatwością i szybkością przeprowadzenia badania, co wiąże się jednak z niepewnością uzyskanego wyniku. Ponadto, metody jakościowe nie są powtarzalne oraz nie można porównać wyników uzyskanych tymi metodami. Wyniki badania zależą niejednokrotnie od samego sposobu prowadzenia próby. Istota badania przyczepności metodami jakościowymi sprowadza się do wykorzystania naprężeń własnych powłok, na różnicach plastyczności, bądź też na różnicach współczynników rozszerzalności cieplnej metalu powłoki i metalu podłoża.
Wyniki prób jakościowych nie dają rzeczywistej informacji o sile, jaka wiąże powłokę z podłożem. Spośród metod jakościowych wyróżnia się [7]: metodę rysy, piłowania lub tarcia.
Metoda rysy sprowadza się do nacięcia ostrym nożem badanej powłoki siatką rys, które krzyżują się pod kątem prostym i są oddalone od siebie o 3 mm. Należy je wykonać w taki sposób, aby dochodziły do metalu podłoża, czyli powinny całkowicie przecinać badaną powłokę. Siatka powinna mieć powierzchnię większą nić 5 cm2 i należy ją wykonać w trzech różnych obszarach badanej powłoki. Jeżeli powłoka złuszcza się, bądź odwarstwia od czworoboków powstałych w skutek nacięć, przyczepność określa się jako złą. W przeciwnym wypadku (czworoboki bez złuszczeń i odwarstwienia) – przyczepność jest dobra.
21 W przypadku powłok lakierniczych, przyczepność określa się na podstawie metody bardzo podobnej do metody rysy, którą jest metoda siatki nacięć, opisana w normie PN-EN ISO 2409 [96]. Polega ona na wykonaniu siatki nacięć na powłoce w dwóch prostopadłych kierunkach. W kolejnym etapie badania, na miejsca nacięć nakłada się specjalną taśmę klejącą i ją odrywa. Siatkę nacięć po oderwaniu taśmy przedstawiono na rys. 2.8. Na podstawie wyglądu oderwanej taśmy wykonuje się jakościową ocenę przyczepności powłoki do podłoża.
Rys. 2.8. Siatka nacięć po oderwaniu taśmy [39]
Drugą grupę metod niszczących, stosowanych do oceny przyczepności powłok, stanowią metody półilościowe. W trakcie badania tymi metodami nie oznacza się wprost siły, która wiąże powłokę z podłożem, lecz zwykle określa się odkształcenie występujące podczas łamania próbek, bądź też mierzy się siłą potrzebną do ścięcia powłoki. Ponieważ oznaczanie półilościowe przyczepności powłok do podłoża jest trudniejsze niż oznaczanie jakościowe, wymaga ono odpowiedniego zaplecza technicznego, które umożliwi – przede wszystkim – odpowiednie przygotowanie próbek. Do metod półilościowych zalicza się metodę przegięć podwójnych, która polega na mierzeniu długości odcinków, wzdłuż których powłoka po złamaniu próbki oddzieliła się od metalu podłoża.
Metody ilościowe stanowią trzecią grupę metod stosowanych do oceny przyczepności powłoki do podłoża. Pozwalają one w sposób ilościowy zmierzyć siłę wiążącą powłokę z podłożem. Wadą tych metod jest trudność w stosowaniu, pracochłonność podczas przygotowywaniu próbek oraz konieczność posiadania zaplecza technicznego, podobnie jak w metodach półilościowych. Wśród metod ilościowych można wyróżnić metodę grzybka kobaltowego oraz metodę odrywania pręta wraz z modyfikacjami.
22 Jedną z odmian metody odrywania pręta, powszechnie stosowaną w badaniach przyczepności powłok, jest metoda odrywania krążka o średnicy nie mniejszej niż 20 mm [58]. Pomiar przyczepności rozpoczyna się od przyklejenia na badanej powłoce krążka.
Następnie powłoka zostaje odcięta nożem po obwodzie przyklejonego elementu. Kolejnym etapem jest przyłożenie siły osiowej, która powoduje oderwanie krążka wraz z powłoką od podłoża. W trakcie odrywania rejestrowana jest siła odrywająca. Odnosząc ją do pola powierzchni zastosowanego krążka, uzyskuje się miarę przyczepności powłoki do podłoża.
Schemat badania przyczepności powłok za pomocą krążka oraz przyrząd wykorzystywany podczas badania przedstawiono na rys. 2.9.
a)
b)
Rys. 2.9. Pomiar przyczepności metodą krążka: a) schemat pomiaru [27], b) przyrząd pomiarowy [38]
W zależności od rodzaju i przeznaczenia powłoki istnieje szereg metod niszczących, które pozwalają na określenie jej przyczepności do podłoża. Jednak, zasadnicza wada jaką jest efekt końcowy badania – zniszczenie powłoki, powoduje, że metody te są stosowane w ostateczności, gdy nie można określić przyczepności w inny sposób. Ponadto,
23 pracochłonność i wymóg posiadania odpowiedniego zaplecza technicznego, które umożliwi przygotowanie próbek zgodnie z procedurą badania, powodują zastępowanie metod niszczących innymi metodami, w tym nieniszczącymi.
W niniejszym rozdziale, autor skupił się tylko na metodach badania przyczepności powłok. Ze względu na charakter i obszar tematyczny rozprawy, pominięte zostały inne metody niszczące, służące do kontroli i badania takich właściwości powłok, jak np.
odporność na zarysowanie [94], twardość [95] lub odporność na ścieranie [89].
2.2.2. Metody nieniszczące
Jak wykazała analiza zawarta w poprzednim rozdziale pracy, metody niszczące nie są przydatne do kontroli połączeń adhezyjnych, w tym przyczepności powłoki do podłoża.
Dlatego też, coraz szerzej są stosowane metody nieniszczące, które oprócz oceny przyczepności powłoki do podłoża, pozwalają na wykrycie wad w połączeniu lub umożliwiają monitorowanie zmian ich właściwości. Najważniejszy jest jednak fakt, iż metody nieniszczące nie ingerują destrukcyjnie w badane połączenie, które po przeprowadzeniu testu może być dalej eksploatowane. Najczęściej stosowane metody nieniszczące w badaniach połączeń powłoki z podłożem, to metody: ultradźwiękowa, radiograficzna, termograficzna i holograficzna. Badania ultradźwiękowe w zastosowaniu do oceny przyczepności nie zostaną przedstawione w tej części pracy, ponieważ wymagają głębszej analizy, która została zawarta w kolejnym rozdziale rozprawy.
Metoda radiograficzna, w przypadku badania połączenia powłoki z podłożem, sprowadza się do jego prześwietlenia promieniowaniem jonizującym, a następnie zapisie i analizie cieniowych obrazów występujących wad [69]. Źródła promieniowania jonizującego są różne, np. promieniowanie rentgenowskie, gamma, alfa, itp. Metoda radiograficzna pozwala na wykrywanie porowatości i pęknięć w połączeniu. Istotę badania radiograficznego, pozwalającego na wykrywanie nieciągłości, przedstawiono na rys. 2.10.
24 Rys. 2.10. Zasada tradycyjnej, analogowej kontroli radiograficznej [103]: 1 – źródło promieniowania, 2 – wiązka promieniowania, 3 – przesłona, 4 – zmniejszenie grubości przedmiotu, 5 – wada wewnętrzna (pęcherz gazowy), 6 – badany przedmiot, 7 – okładki wzmacniające, 8 – film
radiograficzny, 9 – wzrost natężenia promieniowania po przejściu przez badany przedmiot, 10 – kaseta, 11 – wada wewnętrzna, 12 – zwiększenie grubości przedmiotu
Metoda termograficzna opiera się na zjawisku przenikania ciepła podczas podgrzewania połączenia powłoki z podłożem. Zazwyczaj, takie połączenie jest podgrzewane od spodu impulsem ciepła, a od góry obserwowany jest przepływ ciepła (spadki temperatury) za pomocą kamery termowizyjnej. Termografia umożliwia wykrycie tzw. zimnych obszarów [59], czyli miejsc o całkowitym braku lub zmniejszonej w porównaniu do innych obszarów przyczepności. Metoda ta jest z powodzeniem stosowana do kontroli połączeń o niewielkiej grubości, znajdujących się na dużych powierzchniach [59].
Badania połączeń adhezyjnych metodą holografii optycznej sprowadza się do generowania wiązki światła za pomocą laserowego źródła światła w zakresie widzialnych długości fal. Tak wytworzona wiązka zostaje podzielona na wiązkę odniesienia i wiązkę padającą na badany obiekt. Wiązka, która wcześniej została ukierunkowana przez zwierciadła i odpowiednio poszerzona przez układ optyczny, padając na próbkę ulega rozproszeniu i interferuje z wiązką odniesienia w obszarze lokalizacji materiału światłoczułego. Następnie rejestrowane jest pole interferencyjne w materiale światłoczułym, dając pierwszy z dwóch obrazów obiektu badanego. Drugi obraz zostaje uzyskany po obciążeniu badanego połączenia
25 adhezyjnego i różni się występowaniem dodatkowych prążków w materiale światłoczułym.
Dzięki otrzymaniu dwóch obrazów, powstaje dwuekspozycyjny hologram, a poprzez porównanie możliwe jest wykrywanie odstępstw od stanu wyjściowego w postaci np.
obniżenia wytrzymałości połączenia adhezyjnego [59].
Analizując wszystkie z opisanych powyżej metod należy stwierdzić, iż uzyskane tymi metodami wyniki dają ocenę jakościową połączenia adhezyjnego. W przypadku metody termograficznej trzeba pamiętać o negatywnym wpływie na wyniki podgrzewania połączenia adhezyjnego w przypadku niektórych z połączeń. Ponadto, aparatura do tych badań podobnie jak do badań radiologicznych jest stosunkowo droga i wymaga od operatora wysokich kwalifikacji. Takich wad nie posiada metoda ultradźwiękowa. Pozwala ona na badanie połączenia adhezyjnego zarówno od strony powłoki, jak i od strony podłoża. Propagujące w połączeniu fale ultradźwiękowe nie wpływają na niego destrukcyjnie. Szeroki zakres stosowalności ultradźwięków w ocenie połączeń adhezyjnych przedstawiono w kolejnym rozdziale niniejszej rozprawy.
2.3. Zastosowanie metody ultradźwiękowej w badaniach połączeń adhezyjnych
Ultradźwięki – są to fale mechaniczne o częstotliwości powyżej 20 kHz [24, 25, 67, 78, 83, 101, 109], które mogą być wprowadzane w obszar połączeń adhezyjnych w celu wyznaczenia określonych właściwości tych połączeń. Jedną z takich właściwości technologicznych jest przyczepność powłoki do podłoża. Badanie połączenia adhezyjnego metodą ultradźwiękową na etapie jego wytwarzania sprowadza się do określenia jego jakości.
W przypadku kontroli na etapie eksploatacji, bada się aktualny stan takiego połączenia i prognozuje jego trwałość, aż do całkowitego odspojenia powłoki od podłoża. Jest to więc rodzaj diagnozowania połączenia.
Na podstawie przeglądu światowej i krajowej literatury należy stwierdzić, że badania ultradźwiękowe połączeń adhezyjnych prowadzi się w kilku kierunkach, do których zalicza się m.in.:
pomiar grubości połączenia (powłoki nałożonej na podłoże),
wykrywanie nieciągłości i wad występujących w połączeniu,
wyznaczanie właściwości akustycznych połączenia lub materiałów je tworzących,
26
badania czynników wpływających na propagację fali ultradźwiękowej w połączeniu adhezyjnym.
Metoda ultradźwiękowa umożliwia bardzo dokładne pomiary grubości połączeń, w tym również powłok o adhezyjnym charakterze połączenia z podłożem. Pomiary te mogą być prowadzone przy zastosowaniu fal nie tylko podłużnych i poprzecznych, ale również fal Rayleigh’a lub Lamba [28, 65, 79, 121]. Coraz częstsze stosowanie metody ultradźwiękowej do oceny grubości połączeń wiąże się z rozwojem aparatury kontrolno-pomiarowej, która pozwala na pomiary bardzo cienkich elementów.
Wykrywanie wad i nieciągłości znajdujących się w połączeniach adhezyjnych stanowi jeden z głównych kierunków, w którym prowadzone są prace naukowo-badawcze [5, 11, 20, 21, 30, 85, 98, 100, 104, 117, 119, 120]. Sprowadza się ono głównie do poszukiwania obszarów, w których jest brak przyczepności, występują pęknięcia, pęcherze lub różnego rodzaju zanieczyszczenia nie usunięte na etapie wytwarzania połączenia adhezyjnego.
Miejsca występowania wad w połączeniach adhezyjnych mogą stanowić źródło rozpoczynające proces degradacji takiego połączenia, dlatego ten kierunek badań jest istotny z punktu widzenia jego trwałości.
Połączenia adhezyjne składają się zazwyczaj z co najmniej dwóch lub kilku materiałów o różnych właściwościach akustycznych. Ważne jest więc określenie podstawowych parametrów akustycznych tych materiałów, takich jak np. tłumienie fali ultradźwiękowej lub prędkość jej propagacji w badanym ośrodku [53]. Pozwala to na lepsze poznanie zjawisk, zachodzących w obszarze połączenia adhezyjnego podczas propagacji fali ultradźwiękowej.
Zmiany w rejestrowanych parametrach fali podczas badania, na przykład okresu konstytuowania, degradacji lub w czasie pomiaru właściwości połączenia adhezyjnego, nie muszą być spowodowane procesami zachodzącymi w połączeniu, ale czynnikami zewnętrznymi. Dlatego wydaje się zasadne uwzględnienie tych czynników, które mogą mieć wpływ na propagującą w obszarze połączenia adhezyjnego falę ultradźwiękową. Do najważniejszych czynników zewnętrznych, mogących wpływać na wyniki pomiarów ultradźwiękowych, zalicza się:
parametry struktury geometrycznej powierzchni (podłoża),
wymiary połączenia adhezyjnego,
aparatura pomiarowa (defektoskop i głowice ultradźwiękowe),
warunki atmosferyczne,
parametry obciążeń występujących podczas badań degradacyjnych.
27 Ostatni z wymienionych powyżej czynników może mieć szczególny wpływ na sprzężenie akustyczne pomiędzy głowicami ultradźwiękowymi a podłożem stalowym.
Dlatego podczas badań laboratoryjnych – trwałościowych należy tak dobrać parametry degradacji połączenia powłoki z podłożem, aby w trakcie realizacji badań nie miały one wpływu na zastosowane sprzężenie akustyczne głowicy ultradźwiękowej z badanym elementem. W rozdziale poświęconym monitorowaniu okresu istnienia połączenia powłoki z podłożem, zrealizowano badania trwałości sprzężenia akustycznego przy zadanych parametrach obciążeniowych o charakterze zmęczeniowym. Starano się w ten sposób zmniejszyć do minimum wpływ sprzężenia akustycznego na wprowadzoną do badanej części falę ultradźwiękową i na wyniki pomiarów podczas degradacji połączenia powłoki z podłożem.
Wpływ warunków atmosferycznych nie jest przedmiotem badań, ale może mieć znaczenie podczas długotrwałych badań degradacyjnych. Dlatego w trakcie badań wykorzystano specjalnie przygotowane stanowisko i pomieszczenie klimatyzowane, umożliwiające zachowanie zbliżonych warunków podczas wszystkich badań ultradźwiękowych, przedstawionych w niniejszej pracy.
Aparatura pomiarowa, wykorzystywana w badaniach połączeń adhezyjnych, jest jednym z głównych czynników mogących mieć wpływ na wyniki badań. Nie bez znaczenia jest wybór techniki prowadzenia pomiarów (metodą echa, przepuszczania lub pogłosu).
Wybór jednej z nich determinuje zastosowanie odpowiednich przetworników ultradźwiękowych, umożliwiających wygenerowanie i odbiór fal ultradźwiękowych.
Następnie, istotne jest zastosowanie stałego sprzężenia akustycznego oraz niezmiennych w trakcie realizacji badań nastaw aparatury pomiarowej. W przypadku przetworników ultradźwiękowych, należy dobrać je nie tylko pod względem wymiarów i kształtu (aby umożliwić prawidłowe przeprowadzenie badania), ale również pod kątem ich parametrów fizycznych. Ponadto, badając połączenie powłoki z podłożem, którym jest karoseria pojazdu (element o niewielkiej grubości – 0,7 mm), należy uwzględnić odsunięcie przetwornika od obszaru badania, tak aby pomiary nie były realizowane w polu bliskim głowicy ultradźwiękowej, ponieważ może to wpłynąć na uzyskane wyniki.
W warunkach przemysłowych, połączenia adhezyjne występują na relatywnie dużych obszarach badanych obiektów (połączenia powłoki z podłożem na karoserii pojazdu, połączenia klejowe w autobusach). W badaniach laboratoryjnych wymiary połączenia są determinowane przez takie czynniki jak kształt i wielkość stanowisk badawczych oraz obecne możliwości aparatury kontrolno-pomiarowej. Dlatego kształt próbek i wymiary połączenia
28 adhezyjnego w badaniach laboratoryjnych są tak dobrane, aby umożliwić prawidłowe pomiary ultradźwiękowe, a w przypadku badań korelacyjnych również badania mechaniczne.
Zastosowanie radełkowania na powierzchniach bocznych próbek uniemożliwia występowanie dodatkowych odbić fali ultradźwiękowej, które mogłyby mieć wpływ na wyniki pomiarów.
Przygotowując próbki do badań laboratoryjnych należy brać pod uwagę nie tylko warunki przeprowadzania badań ultradźwiękowych, ale również inne czynniki, takie jak np.
wykonanie połączenia adhezyjnego zapewniającego oczekiwaną trwałość. W pracy [50]
przedstawiono wyniki pomiarów wzmocnienia impulsu fali podłużnej w trakcie badań degradacyjnych w zależności od grubości nałożonej powłoki (rys. 2.11).
2.11. Przebiegi wzmocnienia W impulsu ultradźwiękowej fali podłużnej padającej na granicę połączenia o różnej grubości g powłok Chester Metalu Super z podłożem ze stali 50HS, w zależności
od liczby cykli obciążeń [50]
Z rysunku 2.11 wynika, że największą trwałość mają połączenia powłoki z podłożem, w których grubość powłoki wynosi 2 mm. Trwałość takiego połączenia jest dwukrotnie większa niż w przypadku powłoki o grubości 2,5 mm i dziesięciokrotnie większa niż w przypadku powłoki o grubości 3 mm. Biorąc po uwagę powyższe wyniki oraz praktykę warsztatową, w której rzadko wykorzystywana jest powłoka szpachlówkowa grubsza niż 2 mm, w badaniach opisanych w niniejszej pracy zastosowano powłokę o grubości 2 mm.
Ostatnim z wymienionych, ale jednym z ważniejszych czynników mających wpływ na propagującą falę ultradźwiękową jest struktura geometryczna powierzchni podłoża. Fala ultradźwiękowa, która przemieszcza się w obszarze połączenia adhezyjnego podlega zjawisku rozproszenia, co wpływa w istotny sposób na jej osłabienie. Intensywność rozpraszania fal ultradźwiękowych (podłużnych, powierzchniowych) jest uzależniona od relacji jaka zachodzi
29 pomiędzy długością fali ultradźwiękowej λ, a średnim arytmetycznym odchyleniem profilu chropowatości lub maksymalną wysokością występujących na powierzchni podłoża nierówności. Szczególnie jest to ważne w przypadku fal powierzchniowych, które przed wprowadzeniem w obszar połączenia mogą propagować po powierzchni podłoża, zawierającej nierówności, powodujące jej osłabienie. W pracy [50] autor przedstawił wyniki wpływu schropowacenia podłoża (szlifowanie, piaskowanie, śrutowanie) na osłabienie fali ultradźwiękowej, którego miarą było wzmocnienie impulsu rozproszonej ultradźwiękowej fali powierzchniowej (rys. 2.12). Na podstawie otrzymanych rezultatów stwierdzono, że występuje nieznaczny wpływ na osłabienie fali powierzchniowej takich sposobów przygotowania powierzchni jak: szlifowanie zgrubne, obróbka papierami ściernymi, wytrawianie, piaskowanie drobnoziarniste elektrokorundem.
a) b)
Rys. 2.12. Zależność wzmocnienia impulsu W ultradźwiękowej fali powierzchniowej od wysokości nierówności podłoża powodowanych różnymi technikami jego schropowacenia, dla różnych częstotliwości głowic ultradźwiękowych [50]: a) defektoskop Unipan-512, b) defektoskop
DI-23 P, A – szlifowanie, B – schropowacenie papierem ściernym, C – wytrawianie, D – obróbka strumieniowo-ścierna, E – dłutowanie
W przypadku ultradźwiękowych badań połączeń adhezyjnych techniką echa, istotne jest określnie wpływu schropowacenia powierzchni na nieniszczącą miarę przyczepności, jaką jest moduł ciśnieniowego współczynnika odbicia. Autorzy prac [49, 52] przedstawili wyniki badań, w których wzrost nierówności powierzchni podłoża, uzyskany różnymi
30 metodami schropowacenia powierzchni, powoduje zmniejszenie wartości modułu ciśnieniowego współczynnika odbicia fali podłużnej od granicy połączenia adhezyjnego.
Profil powierzchni podłoża, uzyskany różnymi operacjami technologicznymi, ma również wpływ na parametry widma amplitudowo-częstotliwościowego. W pracy [44]
przedstawiono wyniki określające związki pomiędzy parametrami widma, a wartościami średniego arytmetycznego odchylenia profilu chropowatości Ra (rys.2.13). Zauważono, że częstotliwość fmax nie jest tak wrażliwa jak np. b – pasmo przenoszenia, na zmiany chropowatości podłoża i nanoszonych na nie powłok lakierniczych. Ponadto, wykonywane pomiary od strony podłoża i powłoki ujawniły różne wartości badanych parametrów, co może być istotne podczas wyboru metody badawczej.
a)
b)
Rys. 2.13. Parametry widma amplitudowo-częstotliwościowego w zależności od parametru Ra podłoża stalowego badane od strony podłoża i powłoki [44]: a) częstotliwość maksymalna fmax,
b) pasmo przenoszenia b
Oprócz kierunków badań połączeń adhezyjnych wymienionych powyżej, według autora niniejszej pracy istnieją jeszcze dwa inne, bardzo istotne z punktu widzenia jakości i trwałości połączenia adhezyjnego kierunki, wymagające badań, przedstawione na rys. 2.14.
31 BADANIA POŁĄCZEŃ
ADHEZYJNYCH
Ocena wytrzymałości połączeń Badanie kinetyki zmian
połączenia
Badanie okresu konstytuowania
Badanie okresu degradowania
Rys. 2.14. Istotne z punktu widzenia trwałości kierunki wymagające badań połączeń adhezyjnych
Wytrzymałość mechaniczna połączenia adhezyjnego, określana również mianem przyczepności, jest związana z przenoszonymi przez takie połączenie naprężeń normalnych oraz stycznych. Występujące w połączeniu naprężenia normalne można zmierzyć w próbie odrywania czołowego, poprzez pomiar siły niezbędnej do zniszczenia połączenia adhezyjnego odniesionego do powierzchni, na której się ono znajduje [50]. Dzięki możliwości określenia tej siły realne jest określenie korelacji między nieniszczącymi miarami przyczepności, a naprężeniami niszczącymi połączenie adhezyjne.
Wyznaczenie nieniszczących miar przyczepności wiąże się z ultradźwiękową oceną wytrzymałości połączenia adhezyjnego, która sprowadza się do wygenerowania impulsu fali ultradźwiękowej, wprowadzeniu jej w obszar badanego połączenia, a następnie detekcji, rejestracji i ocenie otrzymanego impulsu ultradźwiękowego. Badania ultradźwiękowe połączeń adhezyjnych są prowadzone z wykorzystaniem fal powierzchniowych, podłużnych, poprzecznych, Lamba oraz Stoneley’a [2, 16, 22, 45, 63, 66, 71, 86, 88, 112, 113].
W zależności od tego, którą z wymienionych fal wykorzystuje się w badaniach, należy zastosować odpowiedni układ pomiarowy, umożliwiający wprowadzenie fali w obszar połączenia, tj. wzdłuż granicy połączenia lub do niej prostopadle. W pracy [50] została przedstawiona możliwość badania połączenia adhezyjnego powłoki z podłożem za pomocą fali podłużnej, powierzchniowej oraz Stoneley’a (rys. 2.15).
