Diseño y comportamiento de uniones estructurales mecánicas y adhesivas. Condiciones superficiales y operacionales

Abstract

Las uniones estructurales mecánicas y adhesivas requieren la combinación de un número importante de parámetros para la obtención de la continuidad estructural que exigen las condiciones de diseño. Las características de las uniones presentan importantes variaciones, ligadas a las condiciones de ejecución, tanto en uniones mecánicas como especialmente en uniones adhesivas y mixtas (unión mecánica y adhesiva, también conocidas como uniones híbridas). Las propiedades mecánicas de las uniones adhesivas dependen de la naturaleza y propiedades de los adhesivos y también de muchos otros parámetros que influyen directamente en el comportamiento de estas uniones. Algunos de los parámetros más significativos son: el acabado superficial de los materiales, área y espesor de la capa adhesiva, diseño adecuado, secuencia de aplicación, propiedades químicas de la superficie y preparación de los sustratos antes de aplicar el adhesivo. Los mecanismos de adhesión son complejos. En general, cada unión adhesiva solo puede explicarse considerando la actuación conjunta de varios mecanismos de adhesión. No existen adhesivos universales para un determinado material o aplicación, por lo que cada pareja sustrato-adhesivo requiere un particular estudio y el comportamiento obtenido puede variar, significativamente, de uno a otro caso. El fallo de una junta adhesiva depende del mecanismo cohesión-adhesión, ligado a la secuencia y modo de ejecución de los parámetros operacionales utilizados en la unión. En aplicaciones estructurales existen un número muy elevado de sistemas de unión y de posibles sustratos. En este trabajo se han seleccionado cuatro adhesivos diferentes (cianoacrilato, epoxi, poliuretano y silano modificado) y dos procesos de unión mecánica (remachado y clinchado). Estas uniones se han aplicado sobre chapas de acero al carbono en diferentes estados superficiales (chapa blanca, galvanizada y prepintada). Los parámetros operacionales analizados han sido: preparación superficial, espesor del adhesivo, secuencia de aplicación y aplicación de presión durante el curado. Se han analizado tanto las uniones individuales como las uniones híbridas (unión adhesiva y unión mecánica). La combinación de procesos de unión, sustratos y parámetros operacionales ha dado lugar a la preparación y ensayo de más de mil muestras. Pues, debido a la dispersión de resultados característica de las uniones adhesivas, para cada condición analizada se han ensayado seis probetas. Los resultados obtenidos han sido: El espesor de adhesivo utilizado es una variable muy importante en los adhesivos flexibles, donde cuanto menor es el espesor del adhesivo mayor es la resistencia mecánica a cortadura de la unión. Sin embargo en los adhesivos rígidos su influencia es mucho menor. La naturaleza de la superficie es fundamental para una buena adherencia del adhesivo al substrato, que repercute en la resistencia mecánica de la unión. La superficie que mejor adherencia presenta es la prepintada, especialmente cuando existe una alta compatibilidad entre la pintura y el adhesivo. La superficie que peor adherencia tiene es la galvanizada. La secuencia de aplicación ha sido un parámetro significativo en las uniones híbridas, donde los mejores resultados se han obtenido cuando se aplicaba primero el adhesivo y la unión mecánica se realizaba antes del curado del adhesivo. La aplicación de presión durante el curado se ha mostrado un parámetro significativo en los adhesivos con poca capacidad para el relleno de la junta. En los otros casos su influencia ha sido poco relevante. El comportamiento de las uniones estructurales mecánicas y adhesivas en cuanto a la resistencia mecánica de la unión puede variar mucho en función del diseño de dicha unión. La resistencia mecánica puede ser tan grande que falle antes el substrato que la unión. Las mejores resistencias se consiguen diseñando las uniones con adhesivo cianoacrilato, eligiendo adecuadamente las condiciones superficiales y operacionales, por ejemplo chapa blanca aplicando una presión durante el curado de la unión. La utilización de uniones mixtas aumenta muy poco o nada la resistencia mecánica, pero a cambio proporciona una baja dispersión de resultados, siendo destacable para la superficie galvanizada, que es la que presenta peor reproducibilidad cuando se realizan uniones sólo con adhesivo. Las uniones mixtas conducen a un aumento de la deformación antes de la rotura. Los adhesivos dan rotura frágil y las uniones mecánicas rotura dúctil. La unión mixta proporciona ductilidad a la unión. Las uniones mixtas también pueden dar rotura frágil, esto sucede cuando la resistencia del adhesivo es tres veces superior a la resistencia de la unión mecánica. Las uniones híbridas mejoran la rigidez de la junta, sobre todo se aprecia un aumento importante en las uniones mixtas realizadas con adhesivos flexibles, pudiendo decirse que para todos los adhesivos la rigidez de la unión híbrida es superior. ABSTRACT The mechanical and adhesive structural joints require the combination of a large number of parameters to obtain the structural continuity required for the design conditions. The characteristics of the junctions have important variations, linked to performance conditions, in mechanical joints as particular in mixed adhesive joints (mechanical and adhesive joints, also known as hybrid joints). The mechanical properties of the adhesive joints depend of the nature and properties of adhesives and also of many other parameters that directly influence in the behavior of these joints. Some of the most significant parameters are: the surface finished of the material, area and thickness of the adhesive layer, suitable design, and application sequence, chemical properties of the surface and preparation of the substrate before applying the adhesive. Adhesion mechanisms are complex. In general, each adhesive joint can only be explained by considering the combined action of several adhesions mechanisms. There aren’t universal adhesives for a given material or application, so that each pair substrate-adhesive requires a particular study and the behavior obtained can vary significantly from one to another case. The failure of an adhesive joint depends on the cohesion-adhesion mechanism, linked to the sequence and manner of execution of the operational parameters used in the joint. In the structural applications, there are a very high number of joining systems and possible substrates. In this work we have selected four different adhesives (cyanoacrylate, epoxy, polyurethane and silano modified) and two mechanical joining processes (riveting and clinching). These joints were applied on carbon steel with different types of surfaces (white sheet, galvanized and pre-painted). The operational parameters analyzed were: surface preparation, thickness of adhesive, application sequence and application of pressure during curing. We have analyzed individual joints both as hybrid joints (adhesive joint and mechanical joint). The combination of joining processes, substrates and operational parameters has resulted in the preparation and testing of over a thousand specimens. Then, due to the spread of results characteristic of adhesive joints, for each condition analyzed we have tested six samples. The results have been: The thickness of adhesive used is an important variable in the flexible adhesives, where the lower the adhesive thickness greater the shear strength of the joint. However in rigid adhesives is lower influence. The nature of the surface is essential for good adherence of the adhesive to the substrate, which affects the shear strength of the joint. The surface has better adherence is preprinted, especially when there is a high compatibility between the paint and the adhesive. The surface which has poor adherence is the galvanized. The sequence of application has been a significant parameter in the hybrid junctions, where the best results are obtained when applying first the adhesive and the mechanical joint is performed before cured of the adhesive. The application of pressure during curing has shown a significant parameter in the adhesives with little capacity for filler the joint. In other cases their influence has been less relevant. The behavior of structural mechanical and adhesive joints in the shear strength of the joint can vary greatly depending on the design of such a joint. The shear strength may be so large that the substrate fails before the joint. The best shear strengths are achieved by designing the junctions with cyanoacrylate adhesive, by selecting appropriately the surface and operating conditions, for example by white sheet applying a pressure during curing of the joint. The use of hybrid joints no increase shear strength, but instead provides a low dispersion of results, being remarkable for the galvanized surface, which is the having worst reproducibility when performed bonded joints. The hybrid joints leading to increased deformation before rupture. The joints witch adhesives give brittle fracture and the mechanics joints give ductile fracture. Hybrid joint provides ductility at the joint. Hybrid joint can also give brittle fracture, this happens when the shear strength of the adhesive is three times the shear strength of the mechanical joint. The hybrid joints improve stiffness of joint, especially seen a significant increase in hybrid joints bonding with flexible adhesives, can be said that for all the adhesives, the hybrid junction stiffness is higher.