Estudio de uniones adhesivas para el sector naval

Abstract

En la actualidad, la sociedad demanda el compromiso de las empresas en la búsqueda de acciones y esfuerzos para compatibilizar sus actividades con la responsabilidad ambiental de acuerdo con la Industria 4.0. Con el objetivo de afrontar una competencia a nivel internacional, la industria marítimo-naval busca la modernización de los procesos de fabricación, mediante el empleo de materiales alternativos, la mejora de técnicas de unión existentes y la implementación de técnicas de unión alternativas, reduciendo el reproceso. Los métodos de fabricación actuales en numerosas ocasiones recurren a técnicas de reprocesado debido a que la unión de componentes navales no estructurales en buques en muchas ocasiones tiene lugar tras la etapa de pintura, haciendo necesaria la eliminación de la pintura, soldar o remachar y, seguidamente, volver a pintar. Este reproceso supone un incremento en el tiempo de producción, emisión de contaminantes al medio y costes del proceso de fabricación de las embarcaciones.

En la presente tesis doctoral se plantea el uso de adhesivos como alternativa a los procesos de unión tradicionales empleados en la industria naval. La unión de componentes navales no estructurales mediante adhesivos presenta diversas ventajas frente a los métodos de unión convencionales. Los adhesivos permiten la unión de componentes de naturaleza similar o diferente y de componentes con gran variedad de espesores, sin causar daños en los sustratos, a la vez que proporcionan uniones con contornos suaves. Al tratarse de materiales poliméricos, los adhesivos previenen de la corrosión galvánica cuando unen sustratos disimilares. Adicionalmente, la unión adhesiva presenta una distribución de tensiones más uniforme y mayor área de soporte de tensión que otras tecnologías de unión.

Por ello, la presente tesis doctoral tiene como objetivo profundizar en el conocimiento del comportamiento mecánico de adhesivos de diferente naturaleza y tipología cuando se ensamblan sobre componentes metálicos pintados y sin pintar. Concretamente, se ha trabajado con dos tipos de sustratos de interés para la construcción naval: acero naval pintado y aluminio desnudo. El primer tipo de sustrato ha permitido analizar la viabilidad de los adhesivos evitando la retirada de pinturas y las operaciones de reproceso siguientes. El segundo tipo de sustrato se ha empleado para estudiar la posibilidad de ampliar el uso de adhesivos para la unión de componentes navales a sustratos de aleaciones ligeras como el aluminio. Entre las actividades desarrolladas en esta investigación, se ha llevado a cabo un estudio del estado del arte, se han seleccionado y aplicado distintos adhesivos, se han realizado diferentes ensayos químicos, físicos y mecánicos, y se han desarrollado simulaciones mediante el método de elementos finitos (FEM). Para el conformado de las uniones se han empleado adhesivos sensibles a la presión de origen acrílico y un adhesivo estructural de origen epoxi. El análisis del comportamiento mecánico de las diferentes uniones se ha llevado a cabo mediante ensayos de cizalla, tracción, pelado, fluencia y fatiga.

En un primer estudio se empleó un adhesivo de doble cara sensible a la presión de altas prestaciones para efectuar uniones en muestras de acero pintado con un esquema de origen epoxi ampliamente usado en la industria naval. Esta investigación reporta por primera vez la influencia de algunas variables de aplicación experimental en el comportamiento mecánico de estas uniones. Los ensayos realizados de cizalla y tracción demostraron que las condiciones de curado, rugosidad superficial y preparación de superficie tienen efectos importantes en el rendimiento mecánico de estas uniones. La aplicación de promotor de adhesión sobre sustratos con baja rugosidad y un tiempo de curado mínimo de 72 horas permitieron obtener los mayores valores de resistencia.

En un segundo estudio, se reporta el comportamiento mecánico de 3 adhesivos sensibles a la presión (PSAs) de origen acrílico cuando son ensamblados sobre sustratos de aluminio desnudo. Se analizó la influencia de la rugosidad superficial, la activación química de los sustratos y el tipo de matriz polimérica de los adhesivos en el comportamiento mecánico a cizalla, pelado y fluencia. El uso de promotor de adhesión mejoró la humectabilidad de los sustratos, mejorando la adhesión. Las uniones ensambladas con sustratos con baja rugosidad superficial presentaron un mayor rendimiento que las ensambladas sobre muestras lijadas con mayor tamaño de grano. Los resultados obtenidos en las pruebas de fluencia se ajustaron a un modelo matemático que predice el tiempo de vida media de las uniones en función de la carga estática aplicada.

La tercera parte de la tesis se centró en el análisis de la influencia de la exposición salina sobre el comportamiento mecánico estático y dinámico de uniones de acero pintado ensamblados con un adhesivo estructural tipo pasta de origen epoxi. Estas uniones fueron sumergidas en solución salina durante diferentes periodos de tiempo. Los resultados mostraron una mejora significativa de las propiedades mecánicas de las uniones tanto a cizalla como a fatiga durante el primer mes de inmersión. El proceso de difusión del agua en la matriz polimérica durante este envejecimiento moderado mejoró en un 30% el rendimiento de las uniones. La proporción de agua absorbida se determinó utilizando las relaciones de la ley de Fick. Estos resultados se emplearon en simulaciones numéricas con el objetivo de conocer el porcentaje promedio de agua absorbida por la unión, así como la distribución de esta a lo largo del solape. Se ha podido comprobar que la mejora de la resistencia estática y dinámica con envejecimiento moderado se debe a que se produce una absorción disimilar de agua en el adhesivo. El mayor porcentaje de humedad en la zona externa permitió mejorar la ductilidad del adhesivo.

In this doctoral thesis, the use of adhesives is considered an alternative to the traditional joining processes used in the naval industry. The joining of non-structural naval components employing adhesives presents various advantages over conventional joining methods. Adhesives allow the joining of components of similar or dissimilar materials, with a wide variety of thicknesses (thin or thick), without causing damage to the substrates and providing joints with smooth contours. Due to their polymeric characteristics, adhesives prevent galvanic corrosion when joining dissimilar substrates. Additionally, adhesive bonding features a more uniform stress distribution and greater stress-bearing area than other bonding technologies.This doctoral thesis arises from the need to implement alternative technologies in the marine industry, to deepen the knowledge of the mechanical behaviour of adhesives of different natures and types when assembled over painted and unpainted metal components. Specifically, two types of substrates were selected because they are highly demanded in shipbuilding: naval-painted steel and bare aluminium. The first type of substrate is employed to analyse the viability of the adhesives without the removal of paint, avoiding the need for subsequent reprocessing operations. The second type of substrate has been used to study the possibility of expanding the use of light alloys, such as aluminium, as substrates of adhesives in the shipbuilding industry. Different activities were carried out in this research, such as the study of the state of the art, selection and application of different adhesives, conduction of different chemical, physical and mechanical tests, and development of simulations using the finite element method (FEM). Pressure-sensitive adhesives (PSAs) of acrylic origin and an epoxy structural adhesive have been used to assemble the joints. The analysis of the mechanical behaviour of the different joints has been performed through shear, tensile, peel, creep and fatigue tests. In the first study, a high-performance pressure-sensitive double-sided adhesive was employed to manufacture joints on steel samples painted with an epoxy-based scheme widely used in the shipbuilding industry. This research reports for the first time the influence of some experimental application variables on the mechanical behaviour of these kinds of joints. The shear and tensile tests performed show that the curing conditions, surface roughness and surface preparation have important effects on the mechanical performance of these joints. The application of adhesion promoter on substrates with low roughness and a minimum curing time of 72 hours allowed for obtaining the highest resistance values.In a second study, the mechanical behaviour of 3 pressure-sensitive adhesives of acrylic origin assembled on bare aluminium substrates is reported. The influence of the surface roughness, the chemical activation of the substrates and the type of polymeric matrix of these adhesives on the mechanical behaviour at shear, peel and creep are analysed. The use of adhesion promoters improved the wettability of the substrates, increasing adhesion. The joints assembled with substrates with low surface roughness presented a higher performance than those assembled on samples sanded with large grain sizes. The results obtained in the creep tests were adjusted to a mathematical model that predicted the failure time of the joints as a function of the applied static load. The third research focused on the analysis of the influence of saline exposure on the static and dynamic mechanical behaviour of painted steel joints assembled with a paste-type epoxy-based structural adhesive. These joints were immersed in saline solution for different periods. The results showed a significant improvement in the mechanical properties of both shear and fatigue during the first month of immersion. The process of diffusion of water in the polymer matrix during this moderate ageing improved the performance of the joints by 30%. The proportion of water absorbed was determined using Fick's law relationships. The results were used in numerical simulations to know the average percentage of water absorbed by the joint, as well as its distribution along the overlap. It was possible to verify that the improvement in static and dynamic strength with moderate ageing is due to the dissimilar absorption of water in the adhesive. The higher percentage of humidity in the external zone allowed an increase in the ductility of the adhesive.