61
-3. Introduzione alle prove
sperimentali
3.1 Descrizione della macchina di prova
Tutte le prove sono state effettuate tramite l’impianto MTS il cui schema difunzionamento è riportato in figura 3.1.
L'attuatore, alimentato dal gruppo idraulico tramite una servovalvola, provoca una certa variazione delle grandezze fisiche che si vogliono controllare e/o registrare, ovvero il carico e lo spostamento. Tale variazione è misurata dai relativi trasduttori (cella di carico, trasduttore di spostamento dell'attuatore). Ogni prova viene condotta scegliendo di controllare, cioè di imporre al provino, una certa legge di variazione di una soltanto delle due grandezze sopra indicate.
La legge di variazione viene impostata selezionando l'andamento sul generatore di funzioni, che fornisce il segnale elettrico di controllo. Il servoregolatore elettronico confronta ad ogni istante il segnale proveniente dal trasduttore prescelto con il segnale di controllo e fornisce un “segnale di errore” (segnale differenziale) che è proporzionale alla differenza tra i due. Il segnale di errore viene inviato alla servovalvola la quale regola la portata dell'olio inviata all’attuatore in modo da correggere tale differenza e da annullare il segnale di errore.
Il sistema MTS è predisposto in modo che le forze siano espresse in Newton e gli spostamenti in mm.
I dati misurati vengono acquisiti tramite un calcolatore dotato di schede di acquisizione dati, e gestiti da un software appositamente sviluppato in ambiente LABVIEW.
62
63
-3.2 Definizione del materiale
Il materiale impiegato per realizzare tutti i provini da sottoporre a sperimentazione è un acciaio da imbutitura al Carbonio a media resistenza tipo DD13 EN 10111. Esso presenta un carico unitario di rottura inferiore a 400 MPa, uno di snervamento compreso tra 170 e 310 MPa e una composizione chimica percentuale nominale come sotto riportato:
3.3 Selezione adesivo
La scelta dell’adesivo è stata realizzata sulla base di due elementi fondamentali: ¾ il tipo di carico a cui il giunto sarà sottoposto;
¾ l’impiego cui l’adesivo sarà demandato.
Come sappiamo, sia le unioni incollate che quelle clinciate presentano le migliori caratteristiche di resistenza quando sottoposte a carichi di taglio, e proprio per tale motivo l’indagine sperimentale sarà volta principalmente all’analisi di questo tipo di sollecitazione. Quindi, secondo quanto già diffusamente argomentato nel corso del primo capitolo, essendo le resine termoindurenti quelle che meglio si prestano per l’applicazione suddetta, l’adesivo scelto apparterrà a tale categoria.
In base alle loro caratteristiche chimiche, le resine termoindurenti possono tuttavia essere divise in una vasta gamma di specie (tabella 1.1). Al fine di determinare quella adatta al nostro caso faremo riferimento all’impiego che sarà assolto dall’adesivo. In particolare, necessitando di un adesivo capace di assolvere compiti strutturali, la scelta è ricaduta sulle resine epossidiche.
C Mn P S
≤ 0.08 ≤ 0.40 ≤ 0.03 ≤ 0.03
64 -Esse furono sintetizzate per la prima volta in Germania nel 1934 [1], ma si diffusero soltanto verso la fine della Seconda Guerra Mondiale. La materia prima impiegata è il bisfenolo-A che, reagendo con l’epicloridina, genera un liquido di modesto peso molecolare composto da molecole lineari terminanti con gruppi epossidici. La capacità adesiva di tali resine è tuttavia dovuta ai gruppi idrossilici, poiché i gruppi epossidici scompaiono durante la polimerizzazione, la cui velocità dipende dall’agente di polimerizzazione impiegato.
Gli epossidici utilizzati in applicazioni strutturali devono essere polimerizzati ad alte temperature o a temperatura ambiente con post-polimerizzazione riscaldata. Il vantaggio della post-polimerizzazione è che può essere effettuata senza la necessità di attrezzature o presse idrauliche riscaldate. Il sessanta per cento della resistenza totale del giunto la si ottiene nella fase iniziale di indurimento; sarà quindi sufficiente tenere posizionati i substrati per procedere alla seconda fase (polimerizzazione a caldo) nella quale i gruppi epossidici restanti della resina terminano la reazione.
Nell’ambito della categoria degli adesivi ad uso strutturale appena descritta, in collaborazione con “Loctite Italia S.p.a.”, si è deciso di investigare tre tipi di resine, con caratteristiche non molto differenti l’una dall’altra, al fine di definire quella che meglio si presta all’applicazione in esame.
In particolare, gli adesivi investigati sono stati individuati nelle tre resine bicomponenti denominate 9461, 9464 e 9466, le cui caratteristiche sono di seguito riportate:
CARATTERISTICHE 9461 9464 9466
Descrizione 2K-Epoxy 2K-Epoxy 2K-Epoxy
Miscelazione in volume 1:1 1:1 2:1
Miscelazione in peso 100:100 100:100 100:50
Tempo di lavoro 40 min. 20 min. 60 min.
Tempo di fissaggio 240 min. 180 min. 180 min.
Colore Grigio Grigio Biancastro
Viscosità 270 Pa·s 270 Pa·s 30 Pa·s
Resistenza a trazione 24 N/mm2 22 N/mm2 37 N/mm2
Resistenza a pelatura 10 N/mm 10,5 N/mm 8 N/mm2
Temperatura di esercizio Fino a 100°C Fino a 100°C Fino a 120°C
65 -Al fine di verificare quanto sopra, sono stati forniti da Loctite e Böllhoff i provini incollati e clinciati, tipo single lap-joint, la cui geometria è di seguito riportata:
180 20 20 3 100 2
Figura 3.2 - Provini utilizzati per selezionare l'adesivo da utilizzare.
Questo tipo di provini, comunemente impiegati da Henkel Loctite nelle proprie indagini sperimentali, sono realizzati con un acciaio a media resistenza avente tensione di snervamento pari a 250 N/mm2. Rispetto alle normali condizioni di prova previste da Henkel Loctite, è stato in questo caso aggiunto un punto di clinciatura per rendere la situazione più conforme a quella che sarà la successiva campagna di prove sperimentali.
Per ognuna delle tre resine sono stati realizzati tre provini, due dei quali sono stati portati a rottura tramite l’utilizzo della macchina di prova MTS a servocontrollo elettroidraulico descritta in precedenza, mentre il rimanente è stato reso inutilizzabile semplicemente servendoci di una morsa e di una pinza con la quale le due lamiere giuntate sono state separate. Lo scopo di quest’ultima operazione è da ricercarsi nella necessità di avere immediatamente a disposizione dei dati “visivi” riguardanti la qualità dell’aderenza tra aderendi e adesivo al fine di prevedere grossolanamente quale resina avrebbe fornito i risultati migliori in seguito all’esecuzione delle prove sperimentali.
66 -Da questa prima indagine visiva è risultato che tutte e tre le resine hanno avuto un buon comportamento, garantendo un’adesione sufficientemente uniforme tra i giunti; in particolare la resina 9461 è sembrata essere quella migliore tra le tre in esame. Ottenuta questa prima indicazione sono stati sottoposti a sperimentazione i provini rimanenti (due per ogni resina). Tali prove, semplicemente di trazione, sono state eseguite tutte con le medesime condizioni operative, condizioni che qui non riportiamo in quanto scarsamente significative.
I risultati ottenuti, riportati nelle figure 3.3 ÷ 3.5, indicano che se l’indagine visiva forniva solo buone indicazioni riguardo la resina 9461, le prove sperimentali hanno evidenziato inequivocabilmente le migliori prestazioni di tale adesivo rispetto agli altri in esame. Questo risultato appare tuttavia piuttosto sorprendente viste le caratteristiche di resistenza a trazione delle tre resine riportate in tabella 3.1. Da tali valori sarebbe infatti stato lecito attenderci per l’adesivo 9466 caratteristiche molto migliori rispetto a quelle effettivamente riscontrate o quanto meno paragonabili con quelle dell’adesivo 9461. Il motivo di tale discrepanza tra valore atteso e valore ottenuto (figura 3.5) è stato attribuito da Henkel Loctite alle cattive condizioni di conservazione a cui era stata sottoposta la partita di adesivo 9466.
Adesivo Loctite 9461 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Spostamento [mm] Cari co [ N ] 9461_1 9461_2
67 -Adesivo Loctite 9464 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Spostamento [mm] Carico [N ] 9464_1 9464_2
Figura 3.4 - Prove di trazione per giunti incollati con l'adesivo Loctite 9464.
Adesivo Loctite 9466 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Spostamento [mm] Car ico [N] 9466_1 9466_2
Figura 3.5 - Prove di trazione per giunti incollati con l'adesivo Loctite 9466.
Visti i risultati sperimentali ottenuti e al fine di evitare qualsiasi problema legato agli strani valori ottenuti per la resina 9466, si è deciso quindi di utilizzare nel lavoro in esame provini incollati esclusivamente con il prodotto Loctite 9461.
68
-3.4 Definizione dei provini da testare
Fatta eccezione per i provini relativi alla caratterizzazione del materiale, la definizione delle caratteristiche geometriche di quelli da impiegare per determinare la resistenza delle giunzioni create dovrà essere funzione ovviamente del tipo di carico applicato. Poiché, come visto nella parte I, sia le unioni clinciate che quelle con adesivo lavorano in modo ottimale quando sottoposte a sforzi di taglio, mentre presentano scarse qualità allorché soggette a carichi di pelatura (“Peeling”), è stato deciso di investigare proprio tali due situazioni estreme.
Così definite le tipologie di carico da applicare, sorge tuttavia un ulteriore inconveniente. Al fine di verificare gli eventuali benefici introdotti dall’applicazione di uno strato di adesivo tra le lamiere da unire, l’attività sperimentale è volta all’analisi di due distinte tipologie di giunti: quelli soltanto clinciati e quelli clinciati e incollati contemporaneamente. A quale metodologia fare dunque riferimento per definire la geometria dei provini?
Mentre nel caso di giunzioni ibride, essendo l’adesivo il primo elemento a cedere, sembra lecito riferirsi a test utilizzati per caratterizzare gli incollaggi strutturali, non altrettanto può dirsi nel caso di giunzioni soltanto clinciate. Tuttavia, per opportunità legate alla possibilità di effettuare confronti veritieri tra i due tipi di unioni, si preferisce adottare anche in questo secondo caso gli stessi tipi di provini, che andiamo adesso a definire.
3.4.1 Provino per la caratterizzazione del materiale
Il provino utilizzato per la caratterizzazione del materiale è stato definito sulla base della Norma Europea EN 10002 Parte 1a, che descrive sia la geometria del provino che le condizioni di prova.
Seguendo quanto riportato nell’appendice A di tale norma e prevedendo uno spessore della lamiera di 2 mm, è stato realizzato un provino di tipo proporzionale avente le seguenti caratteristiche geometriche:
69 -R 14 61,4 50 50 184,4 2 12 24
Figura 3.6 - Provino utilizzato per la caratterizzazione del materiale.
3.4.2 Provino per test di resistenza a taglio
Numerose sono le tipologie di giunti utilizzabili per la caratterizzazione di un’unione soggetta a sforzi di taglio. Le principali sono di seguito riportate [3,4]:
¾ single lap-joint
¾ beveled joint
¾ scarf joint
70 -¾ strap joint
¾ double strap joint
¾ recessed double strap
¾ stepped joint
¾ beveled strap joint
¾ beveled strap-scarf joint
71 -Grazie alla sua semplicità costruttiva, e quindi al suo minor costo, la configurazione single-lap è quella più utilizzata e proprio per questi aspetti sembrerebbe anche quella da preferirsi. Essa tuttavia presenta, rispetto agli altri giunti illustrati, degli inconvenienti che portano ad una resistenza complessivamente inferiore. Tra questi ricordiamo in particolare la presenza di un momento flettente dovuto al disassamento delle due direttrici di applicazione delle forze.
Per cercare di limitare questo inconveniente si è ritenuto opportuno utilizzare una variante del giunto single-lap, variante proposta dalla norma ASTM D 3165-91 e di seguito riportata:
Figura 3.7 - Giunto a singola sovrapposizione secondo la norma ASTM 3165-91.
Concludendo, il provino utilizzato per le prove di trazione, sia per unioni clinciate che clinciate e incollate contemporaneamente, è il seguente,
189 25 20 6 107 80 2 2
Figura 3.8 - Provino utilizzato per i test di trazione.
72
-3.4.3 Provino per test di resistenza a pelatura
Le principali tipologie di giunti utilizzabili per la caratterizzazione di un’unione soggetta a sforzi di pelatura sono [3,4]:
¾ 90° T peel-joint (ASTM D 1876-93)
¾ 180° T peel-joint (ASTM D 903-49)
¾ a tamburo
73 -¾ Boeing (ASTM D 3762-79)
Il provino 90° T peel-joint è sicuramente quello di impiego più comune, ovvero quello che permette di avere a disposizione il maggior numero di dati sperimentali con cui poter confrontare i risultati ottenuti, ed è per questo motivo che la nostra scelta ricade su di esso sia per unioni soltanto clinciate che per quelle ibride.
La geometria del provino utilizzato, definita a partire dalle indicazioni della norma ASTM D 1876-93 come indicato in Appendice B, è la seguente:
20 30
2
30
15
6
