sustrato. La adhesión aumentará al mejorar la mojabilidad, ya que si se producen muchos enlaces secundarios la fuerza de enlace será mayor.
6.6.- Adhesión estructural.
Adhesivo estructural es el que se emplea en la unión de estructuras bajo carga.
La adhesión estructural es una técnica de montaje aceptada junto a métodos tradicionales como el atornillado, el remachado y la soldadura.
La resistencia conseguida depende de las propiedades mecánicas del sustrato, de la naturaleza del adhesivo y del tipo de cargas. Los requerimientos de la unión y las condiciones de servicio pueden ser muy diferentes según sean estructuras de aviación, automoción o construcción.
La unión de materiales con adhesivos tiene ventajas importantes frente a los métodos mecánicos. Un adhesivo distribuye cargas y tensiones por toda la unión para conseguir una distribución más uniforme de las cargas estáticas y dinámicas, en lugar de concentrarlas en puntos de extrema tensión. Por tanto, la unión adhesiva es más resistente a la flexión y a la vibración que, por ejemplo, una unión remachada.
Además, el adhesivo puede sellar al mismo tiempo que une, eliminando así la corrosión que puede producirse en una unión fijada mecánicamente. El adhesivo facilita la unión de superficies deformas irregulares, para obtener un montaje de menor peso con apenas algún cambio de las dimensiones o geometría de la pieza.
Por supuesto, es necesario evaluar algunos factores adicionales cuando se contempla el uso de adhesivos. Por ejemplo, el adhesivo debe ser adecuado para los sustratos, compatible con los métodos de producción, transmitir las cargas de trabajo previstas y resistir los ambientes a que estará expuesto. También es preciso considerar la preparación de las superficies, los métodos de aplicación y los sistemas de curado, así como el tiempo y el coste de estos aspectos de la unión.
6.7.- Diseño de uniones adhesivas.
6.7.1.- Ideas generales.
El diseño de la unión con adhesivos debe ser tal que aumente la capacidad del adhesivo de distribuir las carbas de la manera más uniforme posible por toda la superficie de unión. Existen ciertas zonas que son focos de concentración de tensiones, tales como fallos y discontinuidades en la región de la unión, incluyendo los bordes. Las cargas que se dirigen fuera del plano de la unión tienden a ser concentradas en áreas muy pequeñas, de tal forma que las tensiones locales pueden ser varias veces superiores a las tensiones aplicadas.
La rotación de juntas o la deformación bajo una tensión aplicada puede cambiar la magnitud y dirección de las tensiones locales en la superficie de la unión. Los adhesivos muestran su menor capacidad de soportar carga cuando se someten a fuerzas de pelado. Para grandes superficies, normalmente hay muy poco para elegir en diseño de juntas. Sin embargo para pequeñas superficies de unión existen muchas posibilidades para configuración de juntas y distribución de cargas. La regla general en diseño de juntas es
maximizar el área de afianzamiento y poner en la medida de lo posible la carga en cortadura, mientras se minimizan las fuerzas de pelado y compresión.
Una cuestión importante a la hora de diseñar una unión es pensar en cómo se va a realizar el programa de ensayos de la unión. Inicialmente se deben hacer ensayos para elegir el adhesivo y los componentes adecuados. Posteriormente se realizan ensayos para predecir la vida y las características de la unión.
Los ensayos más rápidos y los más baratos son los ensayos destructivos que someten a una tensión rápida la unión hasta su rotura, aunque su valor de predicción no es muy alto, porque el fallo de la unión en numerosas ocasiones es debida a solicitaciones de cargas bajas pero continuas en el tiempo, o solicitaciones bajas pero cíclicas, o condiciones ambientales muy desfavorables que también hacen que la unión se degrade y falle. Para que el resultado de los ensayos tenga valor en la predicción de la durabilidad de la unión, los modos de carga y las condiciones ambientales deben ser, lo más parecidas posible a las que se esperan en la vida real.
La resistencia y durabilidad de una unión adhesiva vienen determinadas principalmente por los parámetros siguientes:
- adhesivo.
- sustrato.
- medio operativo.
- diseño de la unión.
- carga.
Las propiedades físicas y químicas de un adhesivo definen la fuerza de adhesión y la fuerza de cohesión de una unión adhesiva. La durabilidad también depende mucho de la naturaleza del adhesivo. Las diferentes tecnologías adhesivas permiten elegir diferentes niveles de resistencias y módulos de Young, así como las mejores propiedades de adhesión.
Los sustratos y su acabado superficial suelen ser los criterios principales para elegir el adhesivo óptimo o el diseño de la unión, pero la rigidez del componente y las propiedades mecánicas de los materiales son también criterios muy importantes.
El medio operativo de la unión, temperatura, productos químicos (disolventes), humedad, etc., influye directamente en la elección del adhesivo. El medio operativo más las cargas aplicadas son los parámetros más importantes en lo que se refiere a la durabilidad. El diseño de la unión se considera el parámetro más importante para sacar el mejor partido del adhesivo elegido. El diseño debe ajustarse a los límites de aplicación del adhesivo (p.ej. profundidad de curado, relleno de holguras, etc.) y optimizarse para evitar las cargas más severas sobre una unión (pelado, desgarro).
6.7.2.- Cargas y tensiones resultantes.
Las cargas que actúan sobre una unión adhesiva producen varios tipos de tensiones (Fig. 37), las tensiones se expresan normalmente en N/mm2. En el caso de las cargas de compresión (Fig. 37c), la distribución de tensiones sobre la línea de unión es muy uniforme. Así, todas las zonas de la línea de unión soportan la misma carga y, para calcular las tensiones, simplemente se calcula el cociente entre fuerzas incidentes y área de unión. En la práctica, las cargas de tracción y compresión puras son muy poco habituales y es más frecuente encontrar cargas de cizallamiento (Fig.37b), desgarro (Fig. 37e) y pelado (Fig. 37d). La distribución de tensiones, es decir, la repartición de los esfuerzos en la línea de unión, es menos uniforme y su cálculo es más complicado. Las tensiones de cizallamiento se distribuyen sobre la unión de manera que aparecen concentraciones. Los extremos deben resistir tensiones mayores que el centro. Si se aplica una carga de desgarro o pelado a una unión, la mayor parte de la tensión se concentra en un extremo.
6.7.3.- Diseño de la unión adhesiva.
Al diseñar una junta adhesiva, lo que se pretende es conseguir que la distribución de las tensiones sea lo más uniforme posible. Por tanto, se debe comprender bien cómo se distribuyen las tensiones en una junta sometida a una fuerza. Hay varias directrices a considerar para diseñar una junta adhesiva, que son las siguientes:
- Minimizar la carga de pelado y de desgarro
Si se observan las curvas de distribución de tensiones de la figura adjunta, se puede ver que las fuerzas de pelado y de desgarro deben eliminarse en la medida de lo posible. Dependiendo de cómo actúen las fuerzas de pelado se puede diseñar un tipo de solución adecuado (Fig. 38).