При создании металлических конструкций возникает необходимость соединения различных металлов. Механические соединения — сварные, паяные, заклепочные и болтовые — не всегда эффективны. Известно, что сварка разнородных металлов — очень сложный технологический процесс, а в некоторых случаях, например при сварке магния с алюминием, образуются хрупкие соединения. Затруднительна сварка листов различной толщины. Кроме того, при контакте двух различных металлов возможно образование гальванической пары, способствующей возникновению коррозионных явлений. Пайка легких сплавов еще более сложный, а кроме того и менее надежный способ по сравнению с пайкой сталей. Невозможность полного удаления из некоторых паяных конструкций остаточных флюсов приводит к коррозии металла. Сверление отверстий под заклепки и болты увеличивает затраты времени и удорожает производство. Кроме того, наличие отверстий снижает прочность металлических конструкций. Сварные, паяные, заклепочные и болтовые соединения металлов подвержены коррозии, как правило, не герметичны и имеют негладкую поверхность.


Применение в металлических конструкциях клеев позволяет надежно и достаточно прочно соединять разнородные металлы разной толщины и исключает необходимость сверления отверстий, изготовления болтов и заклепок. Процесс соединения становится более простым и дешевым, а конструкция более легкой. В клеевом шве нагрузка распределяется равномерно по всей площади соединения, в то время как в заклепочных и болтовых соединениях возникает концентрация напряжений в местах болтов и заклепок.


При склеивании металлов клеевые соединения, как правило, имеют ровную гладкую поверхность. Кроме того, клеевое соединение не ослабляет металл, как это бывает при сварке (в результате изменения свойств металла в области сварного шва), оно не подвержено коррозии. В некоторых случаях возможно создание герметичных соединений, не требующих дополнительного уплотнения. Необходимо отметить, что использование клеевых соединений приводит к снижению веса конструкций, так как дает возможность применять более тонкие металлические листы. Так, в авиационной - промышленности при замене заклепочных и сварных соединений клеевыми можно на 25—30% облегчить изделия.


Клеевые соединения на современных клеях имеют высокие показатели прочности при сдвиге и равномерном отрыве, а также длительной и усталостной прочности; они обладают высокой эксплуатационной надежностью и длительным сроком службы в различных климатических условиях. Однако большинство клеев имеют сравнительно невысокую теплостойкость. Так, наиболее теплостойкие современные клеи на основе органических полимеров могут работать длительно при температурах около 300°С и кратковременно при 350—500 °С, в то время как клепаные и сварные соединения эксплуатируются при гораздо более высоких температурах. В последние годы созданы клеи с теплостойкостью до 1000 °С, но вследствие малой эластичности клеевых соединений области их применения ограничены. К недостаткам клеевых соединений относится и то, что они менее долговечны, чем сварные и клепаные. Кроме того, клеевые соединения металлов имеют относительно небольшую прочность при неравномерном отрыве, что небходимо учитывать при проектировании клеевых конструкций.


Совершенно очевидно, что в каждом конкретном случае" клеям для металлов и клеевым соединениям предъявляются особые специфические требования. Различным требованиям должны удовлетворять конструкционные клеи, предназначенные для использования в силовых конструкциях, и клеи для конструкций несилового назначения. Однако абсолютно-все клеи должны удовлетворять ряду общих требований: коррозионная неактивность; отсутствие выделения летучих при отверждении; отсутствие токсичности; стойкость к старению; грибо-, водо-и атмосферостойкость; достаточная жизнеспособность; длительный срок хранения компонентов клея.


Требования, предъявляемые конструкционным клеям, зависят от назначения и условий эксплуатации конструкций. Однако во всех случаях швы конструкционных клеев должны быть менее жесткими, чем склеиваемые ими металлы, и иметь коэффициенты термического расширения, близкие к коэффициентам металла.


К клеям предъявляется также и ряд технологических требований. Весьма желательно, чтобы склеивание можно было проводить при комнатной или сравнительно невысоких температурах, малых давлениях и достаточно быстро. Клеи должны хорошо заполнять зазоры между склеиваемыми поверхностями, образуя достаточно прочные, необходимой толщины клеевые швы, без непро-клеев.


При использовании клеев в металлических силовых конструкциях особое значение приобретает расчет прочности клеевых соединений. В таких конструкциях обычно применяются соединения встык или внахлестку. Характер соединения определяется его конфигурацией и видом нагрузки.


Клеевые соединения встык представляют собой торцовые соединения двух элементов. Если плоскость клеевого соединения встык лежит перпендикулярно к направлению. действия сжимающих или растягивающих нагрузок, то напряжения возникают главным образом по периферии площади клеевого соединения. Стыковое соединение очень хорошо работает на равномерный отрыв, но идеальные условия чистого отрыва встречаются на практике очень редко. Обычно из-за трудностей, связанных с подгонкой склеиваемых поверхностей, происходит их смещение, в результате чего при нагружении появляются напряжения изгиба. Уже при незначительных изгибающих нагрузках или при наличии неравномерного отрыва (и отдира) прочность клеевых соединений встык резко снижается, причем падение прочности в этом случае тем меньше, чем больше склеиваемые поверхности. Поэтому чаще всего стыковые соединения применяют или в сочетании с соединениями внахлестку, или при склеивании больших поверхностей.


Самым распространенным типом клеевого соединения является соединение внахлестку. В соединениях внахлестку возникают преимущественно напряжения сдвига, но на участках, близких к периферии площади склеивания, могут появиться и напряжения растяжения в направлении, перпендикулярном плоскости склеивания, что в конечном счете приводит к возникновению отдирающих усилий. Этот факт необходимо учитывать при расчете клеевых соединений внахлестку.


При конструировании клеевых деталей длина и ширина нахлестки должны быть выбраны с учетом толщины металла. Если при заданной нагрузке разрушение идет по металлу, то следует увеличить толщину металла или применить более прочный металл. Если металл разрушается при нагрузках выше расчетных, можно уменьшить длину нахлестки. При действии растягивающих нагрузок на соединение, выполненное внахлестку, максимальные напряжения растяжения возникают у границ клеевого соединения.


Анализ влияния различных конструкционных факторов на прочностные характеристики клеевых соединений внахлестку показывает, что концентрация напряжений возрастает с увеличением длины нахлестки, не зависит от ширины нахлестки, медленно возрастает с повышением модуля сдвига клея и медленно снижается с увеличением модуля упругости, толщины металла и толщины клеевого слоя. Наилучшей конструкцией соединения внахлестку следует признать такую конструкцию, в которой длина нахлестки невелика, клей эластичен, клеевая прослойка толстая, а склеиваемый материал жесткий и также имеет большую толщину. Оптимальным является вариант, в котором коэффициент концентрации напряжений равен 1 или, иначе говоря, при однородном распределении напряжений.


Формальный анализ напряжений, возникающих в клеевом соединении, приводит к выводу о том, что в конструкциях следует применять толстую и нежесткую клеевую пленку. В действительности это не так: из опыта известно, что клеевые соединения с толстой клеевой пленкой имеют обычно низкую прочность, а клеи с чрезмерно большой эластичностью отличаются высокой ползучестью под нагрузкой и не могут быть использованы в силовых конструкциях. Вместе с тем хрупкие клеевые пленки также нежелательны вследствие малой когезионной прочности, небольшого коэффициента линейного расширения и наличия в большинстве случаев значительных внутренних напряжений.


Совершенно очевидно, что общая прочность (а не разрушающее напряжение при сдвиге) клеевого соединения увеличивается прямо пропорционально ширине нахлестки, которая может превышать ее длину.


В некоторых случаях, когда по тем или иным соображениям возникает необходимость в применении высокотеплостойких клеев, как правило, не обладающих эластичностью, или если используют для изготовления конструкций тонкие металлические листы, целесообразно для усиления конструкции ставить у наружных кромок временные (при сборке) или постоянные (при эксплуатации) заклепки или применять точечную сварку. Очень важно при выборе формы клеевого соединения учитывать, что его прочность при сдвиге и равномерном отрыве значительно больше, чем при неравномерном отрыве. При сдвигающих напряжениях большая часть клеевого слоя противостоит разрушающей силе, в то время как напряжение при неравномерном отрыве действует почти исключительно вдоль небольшого узкого участка клеевого слоя, расположенного перпендикулярно направлению силы. При работе клеевого соединения «а неравномерный отрыв следует усиливать конструкцию местными накладками, заклепками нлрИ сварными точками [3] и другими способами.


При расчете прочности клеевых соединений необходимо учитывать также влияние на прочность склеивания природы металла, способа предварительной обработки поверхности, отклонения от заданного режима склеивания, изменения прочностных свойств клея, условия эксплуатации конструкции и т. д. Так, клеевые соединения алюминиевых, титановых и медных сплавов, как правило, обладают пониженной прочностью по сравнению с соединениями стали при использовании одного и того же клея. Длительное нагружение и повышенные температуры снижают прочность клеевых швов.