ES2212975T3 - Chapa compuesta destinada a la embuticion. - Google Patents
Chapa compuesta destinada a la embuticion.Info
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Abstract
Chapa compuesta, destinada a la embutición, que comprende, al menos, una chapa principal (1, 1¿) y al menos una plancheta de chapa de doblaje (2, 2¿) pegada en sobre-espesor sobre una zona a ser reforzada de dicha chapa principal por medio de un sistema de pegado (3, 3¿), caracterizada porque dicho sistema de pegado se elige, se aplica y, en caso dado, se retícula con el fin de satisfacer las características intrínsecas siguientes, en el campo de temperatura de la operación de embutición a la que está destinada: - un grado de restitución de energía crítica en modo I (tracción) mayor que 1.500 J/m2, - un grado de restitución de energía crítica en modo
Description
Chapa compuesta destinada a la embutición.
La invención se refiere a una chapa compuesta,
que presenta variaciones locales de espesor, obtenidas,
generalmente, por pegados localizados de planchetas de chapa de
refuerzo o "dobladores" sobre una chapa principal de espesor
homogéneo; una chapa compuesta de este tipo se califica
frecuentemente como "chapa patchwork" en inglés.
Este tipo de chapa compuesta permite contribuir
al aligerado de las estructuras automóviles, puesto que únicamente
las zonas más solicitadas están dotadas con planchetas de refuerzo
pegadas, es decir que están "dobladas"; la chapa compuesta
presenta entonces el espesor menor en las zonas no reforzadas y el
espesor mayor en las zonas reforzadas.
Estas chapas compuestas deben poder ser embutidas
como las chapas clásicas de espesor homogéneo, principalmente con
el fin de realizar piezas de carrocería o de estructura automóvil;
el problema mayor consiste entonces en el comportamiento de las
juntas de pegado, que unen los "dobladores" con la chapa, a los
esfuerzos y a las deformaciones aplicadas durante la operación de
embutición.
Los documentos DE 4307563 (BMW) y DE 195 24 235
(VW) describen chapas compuestas de este tipo, que comprenden una
chapa principal, localmente reforzada con dobladores pegados con
sobre-espesor en las zonas que deben ser
reforzadas; los dobladores pueden presentar espesores y propiedades
mecánicas diferentes, adaptadas a las necesidades de refuerzo
propias para cada zona a ser reforzada.
Los adhesivos considerados para realizar este
tipo de chapas son, por ejemplo, de tipo epoxi; infelizmente, como
lo confirman los resultados presentados a continuación, las chapas
compuestas obtenidas resisten mal a las operaciones de embutición,
principalmente debido a que:
- -
- las juntas de pegado no son generalmente bastante sólidas como para resistir las tensiones de las deformaciones aplicadas durante la operación de conformado,
- -
- las juntas de pegado no son generalmente bastante dúctiles como para deformarse con los elementos de chapa durante la operación de conformado.
Para evitar estos inconvenientes, la DE 4307563 y
la EP 823297 describen un procedimiento para la fabricación de
piezas conformadas de chapa compuesta de este tipo, como piezas
para carrocerías de automóvil, en las que:
- -
- antes del conformado, el solidarizado de los diferentes elementos de chapa de la chapa compuesta es únicamente parcial (se utiliza el efecto "pegajoso" de la cola) de manera que la junta de pegado de estos elementos pueda sufrir sin deterioro las deformaciones aplicadas durante la operación de conformado,
- -
- tras el conformado, se refuerza el solidarizado de los diferentes elementos de la chapa compuesta mediante reticulación de las juntas de pegado, que ya no deben sufrir deformación.
Este procedimiento presenta inconvenientes:
- -
- se está limitado a los sistemas de pegado con adhesivo reticulable, lo que excluye las colas termoplásticas,
- -
- antes del conformado, la chapa compuesta debe ser manipulada con precauciones, para evitar cualquier riesgo de cambio de posición de los "dobladores",
- -
- tras el conformado, conviene añadir una etapa de cocción que es económicamente gravosa.
La invención tiene por objeto evitar los
inconvenientes anteriormente indicados proponiendo un sistema de
pegado entre los elementos de la chapa compuesta que, aún cuando
completamente activa antes del conformado, tiene las propiedades
mecánicas intrínsecas requeridas para no ser deteriorada durante una
operación de conformado de tipo embutición.
A este efecto, la invención tiene por objeto una
chapa compuesta destinada a la embutición, que comprende, al menos,
una chapa principal y, al menos, una plancheta de chapa de doblado
pegada en sobre-espesor sobre una zona a ser
reforzada de dicha chapa principal por medio de un sistema de
pegado, caracterizada porque el citado sistema de pegado es elegido,
aplicado y, en caso dado, reticulado, con el fin de satisfacer los
criterios intrínsecos siguientes en el campo de temperatura de la
operación de embutición a la que está destinada:
- -
- un grado de restitución de energía crítica en modo I (tracción) mayor que 1.500 J/m^{2},
- -
- un grado de restitución de energía crítica en modo II (cizallado) mayor que 2.000 J/m^{2}.
La indicación según la cual dicho sistema de
pegado es, en caso dado, reticulado, significa que si este sistema
de pegado comprende compuestos reticulables, el sistema de pegado
de la chapa compuesta es efectivamente reticulado.
Dicho campo de temperatura corresponde a la
temperatura que la chapa compuesta alcanza durante la operación de
embutición a la cual está destinada, de una manera más precisa a la
temperatura del sistema de pegado de esta chapa; en operaciones
usuales, este campo de temperaturas corresponde, generalmente, al
intervalo desde 15ºC - 40ºC; los criterios de restitución de energía
crítica son considerados, por lo tanto, en este campo.
La invención puede presentar igualmente una o
varias de las características siguientes:
- -
- dicho sistema de pegado se elige de manera que se satisfaga, además, el criterio relativo siguiente: una deformación a la rotura mayor que la del metal de dicha chapa principal y que la del metal de dicha plancheta dobladora, preferentemente mayor que el 40%,
- -
- dicho sistema de pegado comprende una o varias resinas termoplásticas y/o termoendurecibles y/o elastoméricas, que pueden estar enlazadas o no por enlaces físicos y/o químicos,
- -
- el espesor de dicho sistema de pegado está comprendido entre 0,05 y 5 mm,
- -
- dicho sistema de pegado comprende un material polímero elegido entre el grupo que comprende las poliolefinas y los policloruros de vinilo,
- -
- dicho sistema de pegado comprende un material polímero poliolefina caracterizado por una temperatura de fusión mayor que 120ºC,
- -
- dicho sistema de pegado comprende un material polímero poliolefina caracterizado por una temperatura de fusión mayor que 160ºC,
- -
- dicho sistema de pegado comprende un alma de material polímero y dos capas delgadas de adhesivo, estando intercalada una de ellas entre dicha chapa principal y una cara del alma, estando intercalada la otra entre dicha chapa de doblado y la otra cara del alma; preferentemente, el espesor de cada una de dichas capas delgadas está comprendido entonces entre 5 y 50 \mum.
La invención tiene, igualmente, por objeto un
procedimiento para la fabricación de una pieza formada con ayuda de
una chapa compuesta según una cualquiera de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque comprende las etapas en las
que:
- -
- se prepara dicha chapa principal y al menos una plancheta de doblado,
- -
- a continuación, intercalándose el sistema de pegado, se aplica dicha plancheta de doblado sobre la zona a ser reforzada de dicha chapa principal,
- -
- a continuación, en caso dado, se hace reticular dicho sistema de pegado con el fin de obtener dicha chapa compuesta,
- -
- a continuación se conforma por embutición dicha chapa compuesta obtenida.
La indicación según la cual dicho sistema de
pegado es, en caso dado, reticulado, significa que si este sistema
de pegado comprende compuestos reticulables, el sistema de pegado
de la chapa compuesta es, efectivamente, reticulado antes del
conformado.
De este modo se obtienen piezas conformadas,
eficazmente reforzadas sin tener que utilizar imperativamente una
etapa de cocción después del conformado.
La invención se comprenderá mejor por la lectura
de la descripción que sigue, dada a título de ejemplo no
limitativo, y con referencia a las figuras adjuntas en las que:
- la figura 1 representa una chapa compuesta
según la invención; la figura 2 representa una zona reforzada de
esta chapa, después de la deformación;
- las figuras 3 y 4 representan una chapa
compuesta en curso de deformación en una instalación de
embutición;
- las figuras 5 a 7 se refieren al método para la
medida del grado GIc de un sistema de pegado: las figuras 5 y 6
representan la probeta a ser ensayada y el montaje utilizado, la
figura 7 ilustra el tipo de resultados obtenidos: esfuerzo P
(escala: 0,1 - 0,2 - 0,3 kN) en función del desplazamiento vertical
D (escala: 1 a 10 mm),
- las figuras 8 y 9 se refieren al método para la
medida del grado GIIc de un sistema de pegado: la figura 8
representa la probeta a ser ensayada y el montaje utilizado, la
figura 9 ilustra esquemáticamente los resultados obtenidos:
esfuerzo P en función del desplazamiento vertical D,
- las figuras 10 y 11 se refieren al método para
la evaluación de la aptitud a la embutición de un sistema de
pegado: las figuras 10A y 10B representan la probeta a ser
ensayada, la figura 11 representa el montaje utilizado para el
ensayo de embutición.
La figura 1 representa una chapa compuesta, que
comprende una chapa metálica principal 1 y una plancheta de chapa
de refuerzo o doblador 2, pegada sobre la chapa principal 1 por
intermedio de un sistema de pegado 3.
El sistema de pegado 3, utilizado para el
ensamblado de los elementos de la chapa compuesta, debe presentar,
según la invención, las características intrínsecas relativas a los
puntos siguientes:
- -
- el sistema de pegado debe presentar un nivel de adherencia suficiente frente a la superficie de las chapas utilizadas con el fin de evitar fenómenos de deslaminación en las interfases "chapa/adhesivo" bajo el efecto de las fuertes deformaciones plásticas del acero durante la embutición;
- -
- el sistema de pegado debe presentar una ductilidad intrínseca suficiente como para poder seguir, sin deterioro, las deformaciones plásticas del acero al nivel de las zonas dotadas con dobladores, como se ha representado en la figura 2; de este modo debe presentar un nivel de deformación en tracción del mismo orden de magnitud que el de los elementos de la chapa compuesta;
- -
- finalmente, es primordial que el sistema de pegado esté adaptado para transmitir, durante la operación de embutición, las tensiones de deformación desde un elemento al otro de la chapa compuesta, principalmente al nivel de las singularidades geométricas de las chapas compuestas; las singularidades geométricas corresponden a las zonas de variación de espesor, a las zonas de los bordes de los "dobladores" y/o a las zonas de límite de las uniones pegadas; algunas de estas singularidades son asimilables a inicios de fisuras; al nivel de estas singularidades, las tensiones a ser transmitidas son a la vez en modo de pelado (o modo de tracción, denominado modo I) y el modo de cizalla (o modo II); para que un sistema de pegado resista fuertemente al nivel de estas singularidades al deslaminado en modo de pelado (modo I) y el modo de cizalla (modo II), debe presentar una tenacidad elevada.
Las figuras 3 y 4 representan una chapa compuesta
en curso de deformación en una instalación de embutición que
comprende dos mandíbulas 4, 4' de sujeción de la plancheta y un
punzón 5; la zona de singularidad 6 corresponde al límite del
doblado 2 y a la de la junta de pegado 3; haciendo referencia a la
figura 4, se ve que esta zona 6 está sometida a tensiones de pelado
(modo I; véase la flecha) que provocan una separación entre el
doblador 2 y la chapa metálica principal 1 en este punto (véase la
figura 4); haciendo referencia a la figura 3, se ve que esta zona 6
está sometida a tensiones de cizalla (modo II; véanse las flechas)
que provocan la forma inclinada del límite de la junta de pegado en
la zona 6 (véase la figura 3).
El nivel de adherencia es un criterio clásico
para la definición de un sistema de pegado con relación a la
superficie a la cual debe adherirse; este criterio no es intrínseco
puesto que la superficie a la cual debe adherirse influye sobre el
nivel de adherencia; la ductilidad intrínseca es otro criterio
utilizado de manera clásica para la definición de los sistemas de
pegado de las chapas compuesta aptas para la embutición.
Los criterios relativos a la transmisión de las
tensiones sin rotura a la altura de las zonas de singularidad de la
chapa compuesta son la base del aporte de la invención al estado de
la técnica; según la invención, se considerará que una rotura en
este lugar procede por aparición y propagación de una fisura en el
sistema de pegado, a continuación se propondrá un método para
cuantificar el comportamiento mecánico del sistema de pegado en
este punto y determinar criterios que deberán ser satisfechos por
el sistema de pegado para que las chapas compuestas realizadas
sobre la base de este sistema sean aptas para la embutición sin
deterioro; a continuación se verificará experimentalmente la
pertinencia de estos criterios, mediante ensayos de embutición de
chapas compuestas que utilizan sistemas de pegado muy
diferentes.
Para cuantificar los criterios de resistencia a
la tensión del sistema de pegado a la altura de las zonas de
singularidad, se propone, por lo tanto, la utilización de las
siguientes magnitudes:
- -
- el grado de restitución de energía crítica en modo I, denominado GIc: esta magnitud caracteriza la resistencia al fisurado de una junta pegada que sufre un esfuerzo de apertura localizado, es decir un esfuerzo de tracción perpendicular al plano de la junta;
- -
- el grado de restitución de energía crítica en modo II, denominado GIIc: esta magnitud caracteriza la resistencia al fisurado de la junta pegada que sufre un esfuerzo de cizalla, es decir un esfuerzo paralelo al plano de la junta pegada.
Se ha comprobado, según la invención, que los
sistemas de pegado que satisfacen a la vez los criterios clásicos
relativos a la adherencia y a la ductilidad, pero también estos
nuevos criterios que se refieren a los valores intrínsecos de las
dos restituciones de energía crítica en modo I y en modo II del
sistema de pegado, permitían obtener chapas compuestas localmente
"dobladas" al mismo tiempo que eran aptas para la embutición,
sin riesgo de deterioro de las juntas de pegado entre los
dobladores y la chapa principal.
De este modo se ha comprobado que sistemas de
pegado muy diferentes permitían obtener chapas compuestas aptas
para la embutición desde el momento en que satisficiesen, además de
los criterios clásicos, los nuevos criterios cuantitativos
siguientes:
- -
- GIc > 1.500 J/m^{2},
- -
- GIIc > 2.000 J/m^{2},
Ensayos de adherencia y de embutición, efectuados
sobre chapas compuestas muy diferente, han dado resultados
concluyentes desde el momento en que el sistema de pegado
satisfacía estos criterios y que presentaba un alargamiento a la
rotura mayor que el metal de estas chapas.
Se describirán ahora diversas variantes de chapas
compuestas según la invención, que presentan variaciones locales de
espesor obtenidos por pegados localizados de planchetas de chapa de
refuerzo o "dobladores" sobre una chapa principal de espesor
homogéneo.
A continuación se describirán diferentes
variantes para la fabricación de tales chapas.
Las chapas compuestas según la invención
comprenden, por lo tanto:
- -
- diferentes elementos metálicos: chapa principal y dobladores,
- -
- un sistema de pegado para solidarizar los dobladores con la chapa principal.
Para los elementos metálicos, pueden emplearse
todos los tipos de chapas metálicas (por ejemplo acero, aluminio,
cobre); en el caso de las chapas de acero, éstas pueden estar
desnudas, (engrasadas o desengrasadas), revestidas con una
aleación metálica (engrasadas o desengrasadas), tratadas con un
compuesto mineral (por ejemplo del tipo fosfatado) engrasadas o
no, o revestidas con un material orgánico (por ejemplo: capa de
fondo, barniz de acabado, revestimiento orgánico delgado); en caso
de revestimiento orgánico, este puede contener cargas metálicas de
manera que la chapa sea soldable.
Con relación al sistema de pegado, puede ser
utilizado cualquier material polímero o complejo de polímeros,
desde el momento en que conduzca a un sistema de pegado que
satisfaga los criterios propios de la invención; en particular:
- -
- puede comprender una o varias resinas termoplásticas y/o termoendurecibles y/o elastoméricas, que pueden estar enlazadas o no mediante enlaces físicos y/o químicos,
- -
- puede comprender una resina termoplástica (por ejemplo de tipo poliéster-melamina termoplástica o de tipo polietileno) disuelta en una resina termoendurecible (por ejemplo de tipo epoxi o poliéster-melamina).
Preferentemente, con el fin de satisfacer estos
criterios, uno al menos de los polímeros se elige del grupo que
comprende las poliolefinas y los policloruros de vinilo. Teniendo
en cuenta las aplicaciones consideradas relacionadas principalmente
con el sector del automóvil, se aconseja utilizar al menos un
polímero poliolefina caracterizado por una temperatura de fusión
mayor que 120ºC. Esta característica debe permitir satisfacer los
imperativos de comportamiento en servicio de las aplicaciones
consideradas, que deben evolucionar en circunstancias que pueden
alcanzar temperaturas de 100ºC. Para las aplicaciones que
necesitan una buena compatibilidad de las chapas compuestas frente
a los ciclos de calentamiento de las operaciones de pintado de las
líneas de errado de los constructores de automóviles, la elección
recae de una manera más precisa en polímeros poliolefinas
caracterizados por una temperatura de fusión mayor que 160ºC.
El material polímero o complejo de polímeros,
utilizado para formar el sistema de pegado de las chapas compuestas
según la invención, puede comprender igualmente aditivos tales como
compuestos químicos y/o metálicos y/o minerales:
- \bullet
- compuestos metálicos, tales como cargas de cinc, de níquel o de fosfuro de hierro, principalmente con el fin de asegurar la conductividad eléctrica entre la chapa metálica principal y cada una de las chapas de refuerzo de la chapa compuesta y para favorecer de este modo, al nivel de las zonas reforzadas de la chapa compuesta, las operaciones de soldadura por puntos y de pintado que se llevan a cabo después de las operaciones de embutición.
- \bullet
- Compuestos minerales, tales como cargas de talco, de creta, de cal, de sílice, con el fin de ajustar, principalmente, la viscosidad del polímero cuando este se presente en una forma solvatada o pastosa con el fin de facilitar la aplicación del material polímero durante la realización del sistema de pegado; estos compuestos minerales pueden permitir, igualmente, mejorar el comportamiento a la temperatura del sistema de pegado durante las operaciones de pintado que pueden suceder a las operaciones de embutición.
- \bullet
- Compuestos químicos, tales como compuestos a base de anhídrido maléico, de silanos, de ácidos acrílicos, con el fin de obtener, principalmente, una adherencia directa del material polímero (o complejo de polímeros) sobre las superficies a ser pegadas bajo el efecto del ciclo de endurecimiento aplicado antes de las operaciones de embutición; la adición de compuestos químicos, como cargas elastoméricas, puede servir, igualmente, para obtener un sistema de pegado que satisfaga los criterios de ductilidad y de tenacidad propios de la invención.
Estos aditivos se introducen, de manera clásica,
en el seno del material polímero de aplicación del primer ciclo de
endurecimiento, que permite al sistema de pegado alcanzar las
características que satisfacen el conjunto de los criterios propios
de la invención; tras realización y endurecimiento del sistema de
pegado, los enlaces entre sus diferentes compuestos y la resina del
polímero pueden ser más o menos numerosos, más o menos fuertes y de
diferente naturaleza (enlaces físicos y/o enlaces químicos).
El espesor del sistema de pegado de la chapa
compuesta según la invención es también arbitrario, desde el
momento en que, globalmente, el sistema de pegado satisfaga los
criterios propios de la invención; este espesor está comprendido,
de manera clásica, entre 5 \mum y 5 mm; preferentemente, este
espesor está comprendido entre 50 \mum y 1 mm.
Según una variante, el sistema de pegado
comprende un alma de material polímero.
Principalmente, con el fin de facilitar la
fabricación del sistema de pegado, se aplica entonces,
preferentemente una capa delgada de adhesivo sobre las dos caras
del alma y/o sobre las caras a ser pegadas de la chapa principal y
de los dobladores; esta capa delgada de adhesivo está destinada a
asegurar la unión con, por una parte, la superficie del doblador y
con, por otra parte, la superficie de la chapa principal; esta
evita la adición de agentes de adherencia específicos en el seno
del material polímero (tales como algunos de los compuestos
orgánicos anteriormente citados).
El alma se presenta, generalmente, en forma de
película sólida.
El espesor de la capa delgada de adhesivo es
ampliamente menor que el espesor del alma (tras aplicación del
ciclo de endurecimiento) al mismo tiempo que permanece, por lo
general, mayor que 1 \mum; este espesor está comprendido,
generalmente, entre 5 y 50 \mum.
La capa delgada de adhesivo puede aplicarse
indiferentemente sobre las dos superficies del material polímero o
sobre las caras de las chapas destinadas a ser pegadas, en
cualquier caso, antes de la realización completa del sistema de
pegado.
Para la colocación del adhesivo sobre la chapa de
acero, se utilizan procedimientos clásicos de aplicación tales
como, por ejemplo, la pulverización, la aplicación por rodillo de
revestimiento roll-coat (en inglés), la aplicación
con espátula, la aplicación con serigrafía. En el caso de las chapas
que sirven para la realización de las planchetas principales, la
elección del procedimiento de aplicación está orientado,
preferentemente, hacia una aplicación localizada de la capa de
adhesivo al nivel de las zonas a ser pegadas. Sin embargo, por
facilidad de realización, esta capa delgada puede ser aplicada sobre
toda la superficie de la chapa de la plancheta principal; en este
caso, pueden estar introducidas en el seno del adhesivo cargas
metálicas (tales como cargas de cinc o de fosfuro de hierro) para
facilitar las operaciones ulteriores de ensamblaje por soldadura de
las piezas realizadas a partir de esta chapa compuesta.
Para la colocación del adhesivo sobre las dos
superficies del material polímero, se utilizan, preferentemente,
procedimientos de coextrusión (coextrusión de dos capas de adhesivo
sobre las dos caras del material polímero). Otros procedimientos
como la pulverización, la aplicación por roll-coat
(en inglés), la aplicación con espátula, la aplicación por
serigrafía, pueden emplearse igualmente.
Para fabricar las chapas compuestas según la
invención, se utilizan procedimientos clásicos.
De este modo la elección del modo de realización
y de aplicación del sistema de pegado depende a la vez de
parámetros económicos y técnicos, en los cuales interviene, por
ejemplo, la forma del material polímero utilizado (líquido,
pastoso, o sólido por ejemplo en forma de película) y el espesor
final del sistema de pegado considerado.
Igualmente, las condiciones de endurecimiento
necesarias para la obtención de las características del sistema de
pegado dependen de los materiales polímeros (o complejos de
polímeros) utilizados. A título de ejemplo, el endurecimiento puede
realizarse por almacenamiento prolongado a temperatura ambiente y/o
por calentamiento.
Durante la fabricación de las chapas compuestas,
se puede completar igualmente el sistema de pegado con otros medios
de solidarizado, como mediante soldadura o por ensamblaje mecánico
(por ejemplo tornillos o remaches); en el caso de puntos de
soldadura, conviene que sean realizados antes de la aplicación del
primer ciclo de endurecimiento. Estos medios de solidarizado sirven
entonces también para asegurar la conductividad eléctrica entre los
diferentes elementos de la chapa compuesta y, en caso dado, para
mantener un solidarizado suficiente entre los elementos de la chapa
compuesta antes del ciclo de endurecimiento.
Merced a los sistemas de pegado definidos por la
invención, se obtienen chapas compuestas resistentes a las
operaciones de embutición; no se necesita ninguna operación de
cocción tras el conformado.
Los ejemplos no limitativos siguientes ilustran
la invención:
Una probeta es una muestra de chapa compuesta,
adaptada para la realización de ensayos de caracterización (véase
el párrafo MÉTODOS siguiente); esta corresponde a dos planchetas de
chapa pegadas, al menos sobre una parte de su superficie.
Las chapas utilizadas para la preparación de las
probetas de chapa compuesta son chapas de acero:
- -
- para los ensayos destinados a la evaluación de GIc y GIIc (párrafo 1 y párrafo 2 siguientes): chapa de acero desnudo con elevado límite elástico (Re > 700 MPa) con un espesor de: 4 mm.
- -
- para los ensayos destinados a la evaluación del nivel de adherencia, de la ductilidad y de la aptitud a la embutición (párrafo 3 y párrafo 4 siguientes), se utilizan diferentes chapas de acero galvanizados con un espesor de 0,8 mm (véase más adelante para los detalles).
Para ciertas probetas, se utilizan chapas
idénticas, pero que están preencoladas o prepintadas según las
características descritas a continuación.
Los sistemas de pegado utilizados comprenden, al
menos, una capa de adhesivo de unión de las dos planchetas de
chapa.
Algunos sistemas comprenden, además, un alma de
material polímero intercalado entre los dos flancos de chapa; en
este caso, el sistema comprende dos capas de adhesivo de unión,
cada una de ellas entre una de las planchetas de chapa y el
alma.
El modo de operación para la preparación de las
probetas depende del sistema de pegado utilizado (véase más
adelante); de una manera general, comprende las etapas
siguientes:
- -
- Corte de la plancheta principal y de los dobladores en chapa de acero,
- -
- en caso dado, corte de las piezas de alma del sistema de pegado,
- -
- en caso dado, tratamiento superficial de las piezas de alma para mejorar su aptitud al pegado,
- -
- Desengrasado de la plancheta principal de acero y del doblador de acero, por inmersión durante dos veces 10 minutos en un baño de acetato de etilo agitado con ultrasonidos,
- -
- Encolado con el adhesivo de las caras desengrasadas del doblador y de la plancheta principal, al menos en los puntos que se desea reforzar: aplicación del adhesivo con espátula; espesor depositado y calibrado en 25 \mum por medio de una rasqueta y calces de espesor,
- -
- en caso dado, colocación de las piezas de alma sobre la parte encolada de la plancheta principal,
- -
- Aplicación del doblador sobre la parte encolada de la plancheta principal o, en caso dado, sobre las diferentes piezas de alma,
- -
- si el adhesivo utilizado es termoendurecible, tratamiento térmico de la chapa compuesta en condiciones adaptadas para el endurecimiento del adhesivo: en general se utiliza a este efecto una prensa de calefacción, correspondiendo la presión aplicada a la presión de colocación,
- -
- Refrigeración natural a temperatura ambiente y mantenimiento durante al menos 24 horas antes de su utilización.
Los sistemas de pegado utilizados son los
siguientes:
\blacklozengeSistema de pegado 1 basado
en un adhesivo epoxi
monocomponente:
Este adhesivo es fabricado por la sociedad SAIM
bajo la referencia 7980B; este se presenta en una forma pastosa;
principalmente está constituido por una resina DGEBA
(DiGlicidilÉter de bisfenol A) y por un endurecedor dicidiamina;
este se utiliza en la industria del automóvil para aplicaciones de
pegado estructural y de seudopegado.
El tratamiento térmico de reticulación, tras la
aplicación, comprende un período de 30 minutos a 180ºC.
\blacklozengeSistema de pegado 2
realizado a partir de un alma de poliestireno con un espesor de 0,2
mm y con un adhesivo de poliuretano
bicomponente.
Las chapas en las que se corta la plancheta
principal y el doblador son por lo tanto en este caso chapas
prepintadas SOLPRIME C^{TM} que comprenden, sobre las dos caras,
una capa con un espesor aproximado de 18 \mum de una pintura,
cuyo aglutinante es a base de 75% aproximadamente de
poliéster-isocianato y de 25% aproximadamente de
epoxi-fenólico.
Las características mecánicas de este sistema de
pegado (niveles de ductilidad y de tenacidad en modo I y II)
dependen, principalmente, del alma poliestireno; el adhesivo
poliuretano sirve, principalmente, para asegurar el nivel de
adherencia deseado entre este alma poliestireno y las chapas de
acero; depositado con un espesor muy pequeño en la superficie de
cada chapa (menor que 25 \mum), este adhesivo no tiene mayor
influencia sobre las características mecánicas macroscópicas del
sistema de pegado.
=> Precisiones sobre el modo de operación de
la preparación de las probetas:
- -
- Tratamiento superficial de las piezas de poliestireno:
- -
- Desengrasado previo de las piezas con metanol o con isopropanol.
- -
- Inmersión de las piezas durante 3 a 4 minutos en una solución que se ha llevado a una temperatura comprendida entre 100 y 105ºC y constituida por 90 partes en peso de ácido sulfúrico concentrado y por 10 partes en peso de dicromato de sodio.
- -
- Enjuagado con agua destilada.
- -
- Secado con aire caliente (temperatura <50ºC).
- -
- Tratamiento térmico de endurecimiento del adhesivo:
- -
- Temperatura de período de calentamiento: comprendida entre 60ºC y 80ºC
- -
- Tiempo de período de calentamiento: entre 30 y 120 minutos.
\blacklozengeSistema de pegado 3
realizado a partir de un ama de polimetilmetacrilato (PMMA) con un
espesor de 0,2 mm y un adhesivo de metacrilato
bicomponente.
Como en el caso del sistema de pegado 2, las
características mecánicas de este sistema de pegado (niveles de
ductilidad y de tenacidad en modo I y II) son conferidas
principalmente por el alma de PMMA: el adhesivo metacrilato se
deposita con un espesor muy pequeño en la superficie de cada chapa
(menor que 25 \mum).
=> Precisiones sobre el modo de operación de
la preparación de las probetas:
- -
- Tratamiento superficial de las piezas de polimetilmetacrilato:
- -
- Desengrasado previo de las piezas con isopropanol o con metiletilcetona (enjuagado o inmersión),
- -
- Abrasión con papeles de lija (180-400),
- -
- Desengrasado final de las piezas con isopropanol o con metiletilcetona (enjuagado)
- -
- Tratamiento térmico de endurecimiento del adhesivo:
- -
- Temperatura de período de calentamiento: comprendida entre 60ºC y 80ºC
- -
- Tiempo de período de calentamiento: entre 15 y 60 minutos.
\blacklozengeSistema de pegado 4
realizado a partir de chapas preencoladas y con un alma de
polipropileno con un espesor igual a 0,2
mm:
Las chapas en las que se corta la plancheta
principal y el doblador son en este caso, por lo tanto, chapas
preencoladas que comprenden, sobre una superficie, una capa del
orden de 15 \mum de espesor de un adhesivo, que comprende
radicales epoxi y polipropileno injertado.
=> Precisiones sobre el modo de operación de
preparación de las probetas:
- -
- Ausencia de desengrasado y de encolado de la plancheta principal o del doblador, puesto que están preencoladas,
- -
- Tratamiento térmico de endurecimiento del adhesivo:
- -
- Temperatura de período de calentamiento: comprendida entre 200ºC y 250ºC,
- -
- Tiempo de período de calentamiento: suficientemente prolongado como para permitir un reblandecimiento del alma polipropileno y una buena humectación de la chapa preencolada (del orden de 40 segundos).
\blacklozengeSistema de pegado 5
realizado a partir de un alma polietileno de espesor 0,2 mm y
adhesivo
nitrilo-fenólico.
En este caso también las características
mecánicas de este sistema de pegado están conferidas,
principalmente, por el alma de polietileno.
=> Precisiones sobre el modo de operación de
preparación de las probetas:
- -
- Tratamiento superficial de las piezas de polietileno: paso a la llama oxidante.
- -
- Encolado de la plancheta principal y del doblador: aplicación con "Barre-coater" (en inglés); espesor depositado por cara menor que 25 \mum; secado de las caras encoladas al aire libre durante 10 minutos antes de depositar piezas de alma termoplástica.
- -
- Tratamiento térmico de endurecimiento del adhesivo:
- -
- Temperatura de período de calentamiento: comprendida entre 100ºC y 120ºC
- -
- Tiempo de período de calentamiento: entre 40 y 120 minutos.
\blacklozengeSistema de pegado 6 basado
en una película epoxi
tramada:
Este adhesivo es fabricado por la Sociedad NARMCO
bajo la referencia Meltbond^{TM} 1113; usualmente se utiliza por
los constructores aeronáuticos para aplicaciones de pegado
estructural.
Este sistema de pegado se presenta en forma de
una película constituida por una trama enlucida con un adhesivo de
tipo epoxi modificado; el espesor global de la película es próximo
a 0,2 mm; este adhesivo epoxi comprende, principalmente, una resina
de tipo DGRE (diglicidil resorcinol éter) y un endurecedor
poliamina; el adhesivo contiene, igualmente, un agente plastificante
de tipo CTBN
(Carboxil-Terminated-Butadiène
Nitrile, en inglés).
El tratamiento térmico de reticulación tras la
aplicación, reside en un ciclo de calentamiento que comprende un
período de 20 minutos a 143ºC.
\blacklozengeSistema de pegado 7
realizado a partir de chapas preencoladas y de un alma PVC (cloruro
de polivinilo) con un espesor igual a 0,2
mm:
Las chapas en las que se corta la plancheta
principal y el doblador son por lo tanto, en este caso chapas
preencoladas que comprenden, sobre una superficie, una capa del
orden de 10 \mum de espesor de un adhesivo a base de
poliéster.
=> Precisiones sobre el modo de operación de
preparación de las probetas:
- -
- Ausencia de desengrasado y de encolado de la plancheta principal o del doblador puesto que están encolado previos,
- -
- Tratamiento térmico de endurecimiento del adhesivo:
- -
- Temperatura de período de calentamiento: comprendida entre 170ºC y 220ºC
- -
- Tiempo de período de calentamiento: suficientemente prolongado como para permitir un reblandecimiento del alma PVC y una buena humectación de la chapa preencolada (entre 10 y 30 segundos).
Se obtienen probetas de chapas compuestas que se
diferencian en su sistema de pegado, repertorio 1 a 7.
La abreviatura "DCB" corresponde a la
expresión inglesa "Double Cantilever Beam".
El ensayo aplicado consiste en hacer propagar una
fisura en el seno de una unión pegada solicitada en tracción y en
medir la resistencia de esta junta a la propagación de esta
fisura.
Una probeta "DCB" de chapa compuesta se
prepara por pegado de dos planchetas de chapa idénticas; se
utilizan chapas de acero de alto límite elástico (mayor que 700
MPa) y con un espesor igual a 4 mm; el espesor de la junta pegada a
ser ensayada se calibra por medio de calces de Teflón^{TM}; la
probeta obtenida está representada en la figura 5: longitud 210 mm,
anchura 25 mm; así pues el espesor total h es mayor que 8 mm.
Una fisura inicial con una longitud aº = 70 mm ha
sido practicada voluntariamente en el seno de la junta pegada
ensayada, con el fin de facilitar el inicio del fisurado durante la
aplicación de la tensión de tracción; el espesor de esta fisura
corresponde a la de la junta pegada; esta fisura sido creada en el
momento de la preparación de la probeta, colocando un calce de
Teflón^{TM} en el seno de la junta pegada.
Cabezas de sujeción 8, 8' permiten fijar la
probeta al dispositivo de tracción encargado de imponer los
esfuerzos de apertura; la longitud m de las cabezas de sujeción es
de 30 mm; cada una de las cabezas 8, 8' está horadada en su centro
con un eje de diámetro 15 mm; estas cabezas de sujeción están
fijadas por atornillado a una de las extremidades de cada plancheta
de la probeta.
La utilización de chapas de acero de alto límite
elástico (> 700 MPa) y de elevado espesor (\geq 4 mm) debe
permitir evitar que estas chapas se deformen por plastificado en el
transcurso del ensayo al mismo tiempo que limitan la deformación
global de la probeta en el campo de comportamiento lineal.
Estas condiciones permiten calcular el grado de
restitución de energía crítica GIc del sistema de pegado utilizando
las teorías lineales de la mecánica de la rotura, cuyos elementos
principales están indicados a continuación.
Se registra la curva que da la evolución del
esfuerzo de carga P (kN) en función del desplazamiento D (mm) de la
traviesa de la máquina de tracción es decir de la separación de
las dos cabezas 8, 8'.
En la práctica, tras fijación a la máquina de
tracción, la probeta es sometida a tracción a una velocidad
constante (igual a 2 mm/minuto) hasta que se hace propagar la
fisura sobre una longitud suplementaria de 5 a 10 mm (esta
propagación se mide sobre uno de los dos lados de la probeta); desde
el momento en que esta propagación se inicia, el esfuerzo medido P
disminuye, aún cuando no se haya modificado el sentido de
desplazamiento de la traviesa de la máquina de tracción.
Una vez que se ha hecho propagar la fisura sobre
la longitud deseada, se descarga la probeta invirtiendo el sentido
del desplazamiento de la traviesa (sentido negativo de
desplazamiento) lo que tiene por efecto detener la propagación de
la fisura; esta descarga debe llevarse a cabo hasta un valor de
esfuerzo suficientemente bajo, igual por ejemplo a 1/3 de la fuerza
máxima medida durante la parada precedente de propagación de la
fisura, es decir justamente antes del inicio de la descarga.
Una vez que se ha efectuado la descarga hasta
este valor "bajo", se vuelve a cargar la probeta invirtiendo
de nuevo el sentido de desplazamiento de la traviesa (sentido
positivo de desplazamiento) hasta que se reinicie la propagación de
la fisura sobre una longitud de 5 a 10 mm suplementarios, antes de
repetir la operación de descarga descrita anteriormente.
Para una buena conducción del ensayo, se han
realizado de seis a ocho series de
"descargas-cargas" por probeta; se obtiene
entonces una curva del tipo del de la figura 7.
Se utiliza un método de cálculo denominado
teórico.
La expresión teórica del grado de restitución de
energía GIc está dado por la relación (1):
(1)GIc = (P^{2} / (2
\cdot b))\cdot
(dC/da)
con
\hskip0,2cmP: esfuerzo aplicado
\hskip0,3cmb: anchura de la probeta
\hskip0,3cmdC/da: derivada del aplastamiento con relación a la longitud de la fisura, o el aplastamiento C designa la relación desplazamiento D / esfuerzo P.
El método "teórico" utilizado está basado en
la teoría de las vigas: cada semiprobeta puede asimilarse a una
viga encastrada al nivel del frente de fisura, como se ha
representado en la figura 6 en la que la zona de encastrado
"ficticio" está representada por la zona sombreada; en la
cabeza de fisura, se considera que el desplazamiento D (en la
dirección de tracción) y la derivación (en la dirección de la
propagación de la fisura) son nulos; finalmente, se considera que
la carga aplicada P está repartida sobre toda la longitud m de la
cabeza de sujeción.
La teoría de las vigas nos permite determinar la
expresión de la flecha w de cada semi-probeta
según el eje medio de carga:
(2)w = P \cdot
(a-m/2) ^{3} \cdot (1 +0,5 \cdot (m / (4 \cdot
(a-m/2))) ^{3}) / (3 \cdot E \cdot I
)
con:
a : longitud total de la fisura
m : longitud de las cabezas de sujeción
l : momento de inercia en flexión de la viga
=> I = b . h^{3} / 12
h : espesor total de la viga
b : anchura de la probeta
P : esfuerzo aplicado
E : módulo de Young de la cabeza de los flancos
de acero de la probeta.
Se deduce la expresión del aplastamiento C de la
probeta global (C = 2 . w / P); a partir de esta expresión, se
calcula a continuación la derivada con relación a dC/da; se integra
a continuación el resultado de la relación (1); se
obtiene:
obtiene:
(3)GIc = 12 \cdot
P_{A}{}^{2} \cdot (a-m/2) ^{2} / (E \cdot b^{2}
\cdot
h^{3})
con:
- -
- m : longitud de las cabezas de sujeción: 0,003 m.
- -
- h : espesor de la chapa de acero : 0,004 m.
- -
- b : anchura de la probeta : 0,025 m.
- -
- P_{A} (en N) : fuerza que corresponde al punto de intersección de la parte de curva asociada con la descarga y de la parte de la curva asociada con la carga: puntos A1 hasta A8 de la figura 7.
- -
- a: longitud total de la fisura (en m) = longitud inicial aº + longitud de propagación medida para la fuerza P_{A} de dicho punto de intersección.
Para cada probeta, se evalúa el valor de GIc para
cada punto A de intersección de curva (véase la figura 7: puntos A1
hasta A8), es decir para cada ciclo de
descarga-carga del ensayo; como valor final de GIc
que caracteriza el sistema de pegado, se retiene la media
aritmética de estos valores realizados; se calcula la desviación
tipo correspondiente a esta media; a continuación se observa el
frente de propagación de la fisura, es decir el frente de rotura de
la probeta al nivel de la junta de pegado.
La abreviatura "ENF" corresponde a la
expresión inglesa "End Notch Flexure".
El ensayo empleado consiste en hacer propagar una
fisura en el seno de una unión pegada solicitada en cizalla y medir
la resistencia de esta junta a la propagación de esta fisura.
Las probetas "ENF" utilizadas (véase la
figura 8) son casi idénticas a las que se han utilizado para el
ensayo destinado al cálculo de GIc, con las únicas diferentes
siguientes:
- -
- longitud total: 200 mm.
- -
- longitud de la fisura inicial: a'º = 47,5 mm.
Las características de las planchetas de acero
son idénticas a las de las chapas compuestas del ensayo precedente,
por las mismas razones ya invocadas.
Como se ha representado en la figura 8, la
probeta "ENF" es ensayada en un banco clásico de "flexión en
tres puntos" que comprende tres rodillos de apoyo: un rodillo
superior 7 colocado en el centro de la probeta, dos rodillos
inferiores 7' y 7'' colocados en cada extremidad.
Se registra la curva que da la evolución del
esfuerzo P de carga en función del desplazamiento D de la traviesa
de la máquina de tracción que trabaja en compresión como indica la
flecha central de la figura 8.
Una vez que se ha colocado la probeta sobre el
banco de "flexión en tres puntos", se impone un desplazamiento
vertical a velocidad constante (igual a 1,25 mm/minuto) del rodillo
superior 7 hasta el inicio de una propagación de la fisura; desde
el momento en que se inicia esta propagación, el esfuerzo medido
disminuye.
Para un gran número de adhesivos, como se ha
ilustrado en la curva de la figura 9, se comprueba que esta
propagación es muy rápida (casi instantánea); por lo tanto no es
posible, generalmente, operar una serie de
"descargas-cargas" como en el caso
precedente.
Para cada probeta se registra la carga
"esfuerzo-desplazamiento" (véase la figura 9);
se observa el esfuerzo máximo (denominado Pmax) y el desplazamiento
de la traviesa asociada (denominado dmax), correspondiente al inicio
de la propagación de la fisura.
En el ámbito de la este ensayo, la evaluación del
grado de restitución de energía crítica se ha realizado mediante la
aplicación de un método teórico basado en la teoría de las
vigas.
La expresión teórica del grado de restitución de
energía GIIc está dado por la relación (1):
(4)GIIc = (P^{2} / (2 \cdot
b) \cdot
(dC/da)
con
P : esfuerzo aplicado
b : anchura de la probeta
dC/da : derivada del aplastamiento con relación a
la longitud de la fisura.
Si se utiliza la teoría de las vigas, podremos
determinar la expresión del aplastamiento elástico C de la
probeta:
(5)C = (2 \cdot L^{3} + 3
\cdot a^{3}) / (8 \cdot E \cdot b \cdot
h^{3})
con
L : semi-distancia entre apoyos
(L = 75 mm),
a : longitud de la fisura correspondiente a : aº
+ longitud de propagación.
h : espesor total de la viga
b : anchura de la probeta
E : módulo de Young.
Mediante el cálculo de dC/da a partir de la
expresión (5), y aplicando el resultado de la relación (4) se
obtiene la expresión siguiente del grado de restitución de energía
crítica GIIc del sistema de pegado ensayado:
(6)GIIc = 9 \cdot a^{o2}
\cdot Pmax \cdot dmax / (2 \cdot b\cdot (2 \cdot L^{3} + 3\cdot
a^{o3}))
\newpage
con:
- -
- aº : longitud inicial de la fisura (en metros) medida entre los dos rodillos de apoyo inferiores 7' y 7''; como estos rodillos se encuentran a una distancia de la extremidad de la probeta de q = 25 mm, se tiene: aº = a'º- q = 47,5 mm - 25 mm = 22,5 mm = 0,0225 m.
- -
- b : anchura de la probeta = 0,025 m.
- -
- Pmax (en N) : esfuerzo máximo tomado en el momento del inicio de la propagación.
- -
- dmax (en m): desplazamiento de la traviesa asociada a Pmax.
Para cada probeta, se evalúa de este modo el
valor de GIIc y se observa el frente de rotura tras el ensayo.
Las probetas de chapa compuestas utilizadas están
representadas en la figura 1.
Cada probeta comprende una plancheta principal 1,
con una longitud de 200 mm y con un espesor de 0,8 mm, reforzada
sobre la mitad de su longitud mediante una plancheta dobladora 2
con una longitud de 100 mm y con un mismo espesor; la unión entre
la plancheta dobladora 2 y la plancheta principal está asegurada
mediante el sistema de pegado 3 a ser ensayado; la anchura de la
probeta es de 25 mm.
Se utilizan chapas de acero de tipos
diferentes.
Para el ensayo, la extremidad más gruesa de esta
probeta se encastra en una mordaza fija mientras que se impone un
desplazamiento a la extremidad opuesta por tracción en el plano de
la chapa; la velocidad de desplazamiento impuesta es igual a 5
mm/minuto.
Este ensayo permite reproducir las principales
solicitaciones sufridas por los sistemas de pegado durante las
operaciones de conformado de las chapas compuestas o "planchetas
pegadas", principalmente durante operaciones de embutición; este
permite, de este modo, evaluar si los niveles de adherencia y de
ductilidad de un sistema de pegado dado, aplicado sobre una chapa de
acero dada, son suficientes como para soportar las deformaciones
plásticas impuestas a las planchetas de acero durante la
embutición; igualmente permite evaluar cualitativamente la
resistencia del sistema de pegado a las tensiones de cizalla y de
pelado generadas al nivel de la singularidad geométrica (zona 6) y,
de este modo, evaluar la tenacidad del sistema de pegado.
Durante el desplazamiento y la tracción, se
registra la curva que da la evolución del esfuerzo de carga en
función del desplazamiento de la traviesa de la máquina de
tracción; se determina el esfuerzo (denominado Fd) a partir del
cual se comprueba el inicio de la rotura de la junta pegada o, en
caso dado, se anota el esfuerzo correspondiente a la rotura de la a
probeta por estricción de la plancheta principal 1 de mayor
longitud.
Si la rotura de la probeta se verifica por
deslaminado de la junta pegada 3, se señala la zona de rotura de la
probeta:
- -
- rotura en el centro de la junta pegada: rotura cohesiva;
- -
- rotura en la junta pegada en las proximidades de la chapa de acero: rotura cohesiva superficial;
- -
- rotura en la interfase "cola / plancheta": rotura adhesiva;
- -
- rotura en el revestimiento del acero: rotura por arranque del revestimiento.
- -
- en el caso en que se observe una rotura de la probeta por estricción de la plancheta de acero 1 sin rotura previa de la junta pegada 3, se considera que el sistema de pegado puede ser suficientemente adecuado para formar chapas compuestas embutibles.
- -
- Si, por el contrario, se observa un inicio de rotura de la junta pegada antes de la aparición de una estricción de esta plancheta 1, se considera que el sistema de pegado utilizado es impropio para la formación de chapas compuestas embutibles.
El ensayo realizado consiste en embutir una
probeta de chapa compuesta de forma circular para dar la forma de
un vasito de fondo plano, y en determinar la profundidad máxima de
penetración del punzón de embutición más allá de la cual se
asistiría a una rotura de la probeta.
La probeta ensayada para caracterizar la aptitud
a la embutición de las planchetas pegadas se ha representado en
vista en planta desde arriba en la figura 10A y en sección en la
figura 10B;
La probeta presenta un diámetro externo de 130
mm; esta está formada por una plancheta principal 1' del mismo
diámetro, con un espesor de 0,8 mm, reforzada sobre la mitad de su
superficie con una plancheta 2' con un espesor de 0,6 mm, unida a
la plancheta principal 1' mediante el sistema de pegado 3' a ser
ensayado.
Los ensayos de embutición se han realizado en una
prensa industrial de 0,8 MegaNewtons de potencia, según un montaje
representado en sección esquemática en la figura 11.
La máquina de embutición comprende una matriz 9,
un punzón de embutición 11 y un juego de sujetaplanchetas 10, 10'
adaptados a la geometría de la probeta y a su sujeción durante la
operación de embutición.
El diámetro interno de la matriz de embutición 9
es de 64 mm; el punzón 11 presenta un diámetro externo de 60 mm y
un radio de curvatura de 7 mm.
Para la embutición, el punzón de embutición 11 es
fijo mientras que el conjunto "matriz/sujetaplancheta" es
móvil.
Una serie de ensayo permite determinar la
profundidad de penetración máxima del punzón que no da lugar a una
rotura de la probeta; cuanto mayor sea esta profundidad máxima de
embutición, mejor será la aptitud a la embutición de la probeta de
chapa compuesta.
Para cada muestra, el esfuerzo aplicado por el
sujetaplancheta 10, 10' a la probeta ha sido optimizado, antes de
tratar de determinar la profundidad máxima de embutición.
Cuando se utilizan los métodos descritos
anteriormente (párrafo METODOS, párrafo 1 y párrafo 2), se
determinan los valores medios de los grados de restitución de
energía crítica en modo I (GIc) y en modo II (GIIc) de los
diferentes sistemas de pegado descritos anteriormente (párrafo
MATERIALES), ensayándose, para cada sistema de pegado, de 3 a 5
probetas.
Los valores obtenidos se han llevado a la tabla I
con la desviación tipo \sigma.
Para los sistemas de pegado 4, 5 y 7 no ha sido
posible determinar con precisión los valores de GIc y de GIIc; lo
mismo ocurre para el sistema de pegado 6, no ha sido posible
determinar el valor de GIIc; en efecto, las planchetas de acero de
las probetas de chapa compuesta realizadas por medio de estos
sistemas de pegado se han deformado por plastificado antes que las
juntas pegadas de estas probetas se rompan; por lo tanto se han
asignado a estos sistemas de pegado valores mínimos de GIc y de
GIIc, calculados tomando como referencia el esfuerzo a partir del
cual las chapas de acero se han plastificado.
Para los sistemas de pegado constituidos por un
alma termoplástica (sistemas de pegado 2 a 5 y el sistema 7), se
han realizado ensayos de tracción sobre películas libres con unas
dimensiones de 20 mm * 150 mm realizadas a partir de estos sistemas
o, en caso dado, del alma de estos sistemas, con el fin de evaluar
el alargamiento a la rotura de estos sistemas; para estos ensayos de
tracción, la distancia inicial entre las mordazas es del orden de
100 mm y la velocidad de deformación aplicada está comprendida
entre 0,001 s^{-1} y 0,1 s^{-1}.
Para los dos sistemas de pegado 1 y 6, los
valores de alargamiento indicados son obtenidos a partir de ensayos
de tracción sobre probetas en forma de halterio con adhesivo
macizo.
Los valores de alargamiento a la rotura
determinados de este modo están indicados en la tabla II
siguiente.
Esta evaluación se ha realizado según el método
expuesto en el párrafo MÉTODOS, párrafo 3; con objeto de realizar
este método, se preparan probetas de chapa compuesta utilizando,
para las planchetas, chapas de acero galvanizadas (espesor del
revestimiento del orden de 10 \mum por cara) que presentan las
características recapituladas en la tabla III siguiente.
| \hskip0,3cm (1) Corresponde a la resistencia máxima Rm. |
| \hskip0,3cm (2) Valores indicativos. |
Se realiza el ensayo anterior (párrafo MÉTODOS,
párrafo 3), con el fin de reproducir las principales solicitaciones
que deberían soportar las chapas compuestas durante diversas
operaciones de conformado y, de una manera más particular, de
embutición.
Los resultados obtenidos para cada probeta se
refieren por lo tanto a las características de un par (chapa de
acero, sistema de pegado) de una chapa compuesta dada.
Para cada tipo de chapa compuesta que asocia un
sistema de pegado y un tipo de chapa de acero, se mide el esfuerzo
medio (denominado "Fd") durante el inicio de la rotura; se
observa y se evalúa a continuación el modo de rotura (denominado
"M.R."); para cada tipo de chapa compuesta, se ensayan entre 3
y 5 probetas; los resultados obtenidos están indicados en la tabla
IV.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
- \bullet
- Los resultados indicados en la tabla IV ilustran, al menos parcialmente, la invención según la cual el sistema de pegado de las chapas compuestas debe presentar, para que estas chapas sean embutibles sin deterioro, al menos las características generales siguientes:
- -
- valores de GIc mayores que 1.500 J/m^{2}
- -
- y valores de GIIc mayores que 2.000 J/m^{2}.
- \bullet
- Los sistemas de pegado 4 a 7 satisfacen estos criterios según la invención.
- \bullet
- Cuando estos criterios relativos al sistema de pegado son satisfechos (véase la tabla I), los resultados indicados en la tabla IV relativos al esfuerzo medio (denominado "Fd") durante el inicio de la rotura y el modo de rotura (denominado "M.R.") muestran que las chapas compuestas realizadas a partir de esos sistemas de pegado son embutibles independientemente del tipo utilizado de las chapas (ES, SOLPHOR^{TM} y SOLDUR^{TM}) para las planchetas pegadas de estas chapas compuestas.
\newpage
- \bullet
- Una característica adicional del sistema de pegado se refiere al criterio clásico de alargamiento a la rotura que debe ser, al menos, igual al del metal de las planchetas pegadas de la chapa compuesta.
Entre los sistemas de pegado que satisfacen los
criterios precedentes, se comprueba (véanse las tablas II y IV) que
el sistema de pegado 6 apenas satisface este criterio adicional en
combinación con el acero SOLDUR^{TM} pero que no lo satisface en
absoluto en combinación con el acero SOLPHOR^{TM}.
- \bullet
- Independientemente del tipo de chapa utilizada, se observa una deslaminación de la junta pegada para las probetas realizadas con los sistemas 1, 2 y 3, deslaminación que se produce justamente tras el plastificado de las chapas de acero; esta deslaminación no se debe a una mala adherencia, como atestiguan los frentes de rotura observados: roturas cohesivas en el seno del sistema de pegado; este deslaminado traduce, de hecho, que estos sistemas presentan valores de alargamiento a la rotura y valores de GIc y de GIIc demasiado pequeños.
- \bullet
- A la inversa, independientemente del tipo de chapa utilizada, no se observa una deslaminación de la junta pegada para las probetas realizadas con los sistemas de pegado 4, 5 y 7; con estos sistemas de pegado, que satisfacen los criterios según la invención, la rotura de las probetas se verifica por estricción de las chapas de acero con valores de esfuerzo mayores que los valores de esfuerzo observados durante el inicio de la deslaminación de las probetas pegadas con los sistemas 1, 2 y 3.
- \bullet
- Los resultados obtenidos con el sistema 6 (base película epoxi tramada) muestran que valores mínimos de GIc y de GIIc no constituyen un conjunto de criterios suficientes como para garantizar la resistencia del sistema de pegado a las solicitaciones mecánicas impuestas durante operaciones de embutición; para los dos tipos de chapa utilizadas, los valores de esfuerzos a la rotura de las probetas son menores que los de los sistemas de pegado 4, 5 y 7; además, en las chapas compuestas realizadas por medio de este sistema 6, se observa un modo de rotura mixto: rotura por astricción del acero y rotura por deslaminación del sistema de pegado; esta deslaminación es muy importante en el caso de las chapas SOLPHOR^{TM}; esta deslaminación se debe, de hecho, a que la ductilidad intrínseca del sistema de pegado no es suficiente como para acompañar a las deformaciones plásticas de las chapas de acero utilizadas.
Esta evaluación se ha realizado según el método
expuesto en el párrafo MÉTODOS párrafo 4; con el fin de llevar a
cabo este método, por medio de los siete sistemas de pegado 3'
definidos precedentemente (párrafo MATERIALES), se preparan dos
tipos de probetas que se diferencian en la chapa utilizada para la
plancheta principal 1' y en la chapa utilizada para la plancheta
dobladora 2' (véanse las figuras 10A y 10B); las dos
configuraciones estudiadas están recapituladas en la tabla V.
En la tabla VI anterior se han indicado los
valores medios de las profundidades máximas de embutición medidas
para las dos configuraciones ("configuración") y los siete
sistemas de pegado de chapa compuesta; cada valor medio ha sido
determinado a partir de ensayos realizados sobre 3 a 5 probetas.
- \bullet
- Los resultados indicados en la tabla VI siguiente muestran que las chapas compuestas, realizadas con los sistemas de pegado 4, 5 y 7, presentan, independientemente de la configuración:
- -
- una buena aptitud a la embutición: al menos 20 mm de profundidad máxima de embutición, equivalente para los tres sistemas,
- -
- un mismo modo y un mismo lugar de rotura cuando la profundidad de embutición impuesta sobrepasa el valor de la profundidad máxima de embutición: rotura por estricción del metal en la chapa más fina de espesor y localización del inicio de la rotura en las proximidades del sobre-espesor.
No se observa ninguna delimitación de los
sistemas de pegado.
- \bullet
- A la inversa, los resultados que muestran las chapas compuestas, realizadas con los sistemas de pegado 1, 2 y 3 presentan, independientemente de la configuración, una mala aptitud a la embutición: como máximo 15 mm de profundidad máxima de embutición.
Los valores máximos de embutición obtenidos con
estos sistemas de pegado 1, 2, y 3 están limitados por la aparición
de una deslaminación notable (e inaceptable) de los dobladores
pegados cuando se sobrepasan estos valores de profundidad máxima de
embutición.
- \bullet
- Las chapas compuestas realizadas a partir del sistema de pegado 6 no presentan una aptitud a la embutición muy satisfactoria, independientemente de la configuración (1 ó 2); en efecto:
- -
- incluso si el valor de la profundidad máxima de embutición es muy próximo (aún cuando inferior) al de los sistemas satisfactorios 4, 5 y 7,
- -
- incluso si se observa, como en estos sistemas, una rotura de las probetas por estricción del acero, en la plancheta de espesor más fino cuando la profundidad de embutición impuesta sobrepasa el valor de la profundidad máxima de embutición,
- -
- se observa, sin embargo, una deslaminación importante de las planchetas dobladoras pegadas en el fondo de los vasitos para las dos configuraciones; estas deslaminaciones son debidas a que la ductilidad del sistema de pegado utilizado no es suficiente con relación a la del acero ES para soportar las deformaciones plásticas importantes del acero en el fondo del vasito.
Estas delimitaciones no son aceptables para el
comportamiento en servicio de tales chapas compuestas embutidas:
estas favorecerán la difusión y la retención del agua en el seno de
los sistemas de pegado y de este modo degradan la durabilidad y el
comportamiento a la corrosión de las planchetas pegadas; estas
delimitaciones son también penalizantes para el comportamiento a la
fatiga de las piezas formadas.
De manera general, los ensayos de embutición
muestran que, de acuerdo con la invención, sistemas de pegado que
presentan un valor de GIc menor que 1.500 J/m^{2}, un valor de
GIIc mayor que 2.000 J/m^{2} y un valor de deformación a la
rotura mayor que la del metal de la chapa compuesta, permiten
realizar chapas compuestas que presentan una aptitud muy buena a la
embutición; otros ensayos han mostrado que, en las condiciones de
la invención, la aptitud a la embutición era comparable a la de las
chapas obtenidas por ensamblado y soldadura LÁSER de planchetas de
espesores diferentes.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
Claims (12)
1. Chapa compuesta, destinada a la embutición,
que comprende, al menos, una chapa principal (1, 1') y al menos una
plancheta de chapa de doblaje (2, 2') pegada en
sobre-espesor sobre una zona a ser reforzada de
dicha chapa principal por medio de un sistema de pegado (3, 3'),
caracterizada porque dicho sistema de pegado se elige, se
aplica y, en caso dado, se retícula con el fin de satisfacer las
características intrínsecas siguientes, en el campo de temperatura
de la operación de embutición a la que está destinada:
- -
- un grado de restitución de energía crítica en modo I (tracción) mayor que 1.500 J/m^{2},
- -
- un grado de restitución de energía crítica en modo II (cizallado) mayor que 2.000 J/m^{2}.
2. Chapa compuesta según la reivindicación 1,
caracterizada porque dicho sistema de pegado se elige con
el fin de satisfacer además el criterio relativo siguiente:
- -
- una deformación a la rotura mayor que la del metal de dicha chapa principal (1, 1') y que la del metal de dicha plancheta dobladora (2, 2').
3. Chapa compuesta según la reivindicación 2,
caracterizada porque dicho sistema de pegado se elige de
manera que presente una deformación a la rotura mayor que el
40%.
4. Chapa según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque dicho
sistema de pegado comprende una o varias resinas termoplásticas y/o
termoendurecibles y/o elastoméricas, que pueden estar enlazadas o
no mediante enlaces físicos y/o químicos.
5. Chapa según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el
espesor de dicho sistema de pegado está comprendido entre 0,05 y 5
mm.
6. Chapa según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque dicho sistema
de pegado comprende un material polímero elegido del grupo formado
por poliolefinas y los policloruros de vinilo.
7. Chapa según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque dicho sistema
de pegado comprende un material polímero poliolefina
caracterizado por una temperatura de fusión mayor que
120ºC.
8. Chapa según la reivindicación 7,
caracterizada porque dicho sistema de pegado comprende un
material polímero poliolefina caracterizado por una
temperatura de fusión mayor que 160ºC.
9. Chapa según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque dicho sistema
de pegado se elige entre: un alma de polipropileno y un encolado
previo de las chapas mediante un adhesivo que comprende radicales
epoxi y polipropileno injertado; un alma de polietileno y un
adhesivo nitrilo-fenólico; un alma de PVC y un
encolado previo de las chapas mediante un adhesivo a base de
poliéster.
10. Chapa compuesta según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque dicho
sistema de pegado comprende un alma de material polímero y dos
capas delgadas de adhesivo, estando intercalada una de ellas entre
dicha chapa principal y una cara del alma, estando intercalada la
otra entre dicha chapa de doblaje y la otra cara del alma.
11. Chapa según la reivindicación 10,
caracterizada porque el espesor de cada una de dichas capas
delgadas está comprendido entre 5 y 50 \mum.
12. Procedimiento para la fabricación de una
pieza formada con ayuda de una chapa compuesta según una cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque
comprende las etapas en las que:
- -
- se prepara dicha chapa principal y al menos una plancheta de doblaje,
- -
- a continuación, intercalándose el sistema de pegado, se aplica dicha plancheta de doblaje sobre la zona a ser reforzada de dicha chapa principal,
\newpage
- -
- a continuación, en caso dado, se hace reticular dicho sistema de pegado con el fin de obtener dicha chapa compuesta,
- -
- a continuación se conforma por embutición dicha chapa compuesta obtenida.
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