動車3C產品外罩玻璃粘接工藝優化

易兆祥 殷盛福 瞿江波 胡喜斌 文華

摘 要：在進行動車車頂車載接觸網運行狀態監測（3C）產品外罩玻璃的粘接過程中，通過綜合分析表干時間、固化機理和膠水流動性，得出3C外罩玻璃的最佳粘接作業環境溫度為20～25 ℃，濕度為30%～70%;通過設計涂膠裝置的方式保證膠層厚度在0.9～1.1 mm，減少單塊玻璃作業時間33%;對于玻璃貼膜位置精度差的問題，通過設計貼膜裝置來保證貼膜質量，減少單塊玻璃貼膜時間70%。

關鍵詞：膠水流動性;環境溫濕度;膠層厚度;貼膜時間;涂膠效率

中圖分類號：TQ430.1 文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）02-0034-05O

粘接工藝、焊接工藝和機械連接被稱為三大連接技術。粘接工藝是指將兩種或者同種固體表面用粘接的方法連接起來的工藝方法，在連接過程中，通過粘結劑的物理和化學性能所形成的分子間的力或者化學鍵形成的永久性接頭。粘接工藝與焊接工藝方式相比，不會產生焊接變形和殘余應力，并能適用于一些焊接性能差的材料;與機械連接相比，粘接工藝密封性能好且不會增加機身質量。因此，粘接工藝在軌道客車及車體部件的制造中應用廣泛。

高速列車交會和穿過隧道時，對車頂車載接觸網運行狀態監測產品（簡稱稱為“3C產品”）的外罩玻璃帶來很大沖擊力，外罩結構的粘接質量和密封性能對3C產品運行和安全性顯得尤為重要，而目前現場粘接作業工藝效率低且質量較差。本文主要針對3C外罩玻璃粘接工藝進行研究，針對不同的問題提出解決方案，優化粘接工藝流程。

1 3C外罩膠接工藝流程介紹

3C外罩玻璃粘接采用全球最大的聚氨酯密封膠生產商所提供膠水，型號Sikaflex-265，該型號膠水施工溫度為10～35 ℃，固化機理為濕氣固化。玻璃粘接工藝流程如下：

（1）清潔。通常采用排筆蘸取清潔劑和無塵紙進行操作。操作方法：使用排筆蘸取清潔劑涂覆在基材表面，再用無塵紙擦拭干凈;排筆和無塵紙擦拭只能沿著一個方向，目的是防止來回擦拭造成二次污染。清潔后應晾至清潔劑完全揮發時止;

（2）玻璃貼膜保護。為了保護玻璃粘接膠水以外的部分被膠水及其他試劑污染，需要貼膜保護;

（3）粘接表面活化。使用排筆蘸取活化劑沿同一方向擦拭基材和玻璃的粘接部分，目的是為了提高粘接表面的活化能;

（4）底涂劑涂刷。底涂劑使用前應搖勻60 s，目的是為了將底涂劑中的溶劑和粘附劑充分混合。再使用排筆蘸取底涂劑對基材和玻璃粘接部分涂覆一薄層底涂，目的是增強膠水的附著力;

（5）涂膠。涂膠過程分為打膠、刮平、玻璃粘接、刮平和修整5個步驟，打膠中膠嘴應接觸粘接孔槽底部后沿著同一方向連續打膠，徹底排除空氣，膠層需要均勻飽滿，再用塑料刮板刮平膠面。之后將玻璃壓入，刮平膠面，并使用修整劑對膠縫隙進行修整，達到平滑美觀效果;

（6）后處理及固化。由于聚氨酯膠粘劑初始強度很低，粘接件需要固定，固涂膠后24 h內外罩不能移動。

目前在實施涂膠作業的過程中，遇到的大量問題：一是涂膠作業效率很低;二是冬天涂膠幾乎無法進行，膠水很難充滿玻璃和金屬外罩（基材）的空隙;三是粘接的質量非常差，由于純手工操作，無法保證玻璃與粘接孔之間徑向間隙的均勻，最終無法保證玻璃徑向膠層厚度的均勻，影響涂膠質量;四是玻璃貼膜純手工操作，導致貼膜位置精度差且效率低。

下面從作業環境、粘接工裝設計等幾個方面來研究、優化粘接工藝。

2 作業環境對粘接的影響

2.1 環境溫、濕度對表干時間的影響

表干（表面固化）時間是指從粘結劑涂覆在基材表面開始，到表層結皮、不沾手的時間，也就是說必須在表干時間內完成打膠到膠層平整的整個過程。

Sikaflex-265膠需要和大氣中的濕氣反應而固化，受環境溫濕度影響非常大。有研究表明：表干時間隨溫、濕度的升高而減少;溫度或濕度太低均會導致膠層難以甚至無法固化。較高的溫、濕度有利于膠層固化并縮短固化時間;但是表面固化時間太短，膠層外側迅速結皮，對現場粘接作業不利[1-3]。參考《用Sikaflex粘結劑進行粘接的綜合基礎》，Sikaflex-265不同環境下表干時間如表1所示。

西卡中國有限公司出具的技術參數表給出的合理粘接作業環境溫度10～35 ℃、濕度30% ～70%，結合單塊玻璃粘接時間大于30 min;動車3 C產品外罩粘接作業現場較合適的環境為溫度10～25 ℃，濕度30% ～70%。

湖南地區氣候全年室內濕度均在50%以上，故濕度條件可以滿足Sikaflex-265膠的固化需求，全年室內溫度基本在0～35 ℃變化。

2.2 溫度對粘接作業的影響

目前，在外罩玻璃粘接過程中，未對粘接環境溫度進行控制。在冬天進行涂膠作業時，膠水流動性極差，氣動膠槍難以出膠;在勉強打膠完后，玻璃壓入也非常困難，無法壓入粘接孔。其他季節膠水流動性基本正常。

在粘接領域廣泛應用Mcbain和Hopkins，提出機械嚙合理論。此理論認為膠粘劑涂在被粘物表面時，膠液會填滿被粘物表面的空隙，從而將孔隙中的空氣排出;固化后膠粘劑會和被粘物表面之間相互咬合，從而獲得具有一定強度的粘接接頭。此原理就像我們生活中所遇到的鉤合和錨合類似。機械嚙合作用在粘接中發揮著重要的作用，其本質上只是摩擦力，通過粗化被粘物表面，增大其表面積，提高粘接的粘附力，從而提高粘接強度。由此可見，膠水流動性對粘接質量非常重要。

本文通過實驗的方法尋找膠水具備合適流動性時的涂膠溫度。

實驗采用三綜合試驗臺（見圖1）及空壓機和氣動槍（見圖2）來控制溫度 。實驗階段車間濕度長期維持在60%左右，使用空壓機保持氣動膠槍壓強不變為0.68 MPa（實驗室膠槍最大壓強），膠嘴口徑一致（直徑7 mm）。

由表2和圖3可知，隨著溫度升高，膠體（擠出性）流動性不斷增大，在溫度17 ℃左右流動性可以逐漸滿足打膠;23 ℃左右呈現出一定液態狀，出膠速率達到15 cm3/min，可以滿足涂膠作業。然后分別在5、11、17、23和29 ℃環境下進行涂膠，涂膠效果對比結果如表3所示。

由表3可以得到，結合表1和表2，可得出粘接作業時環境溫度應維持在20 ℃以上，以保證膠水良好的流動性。綜合上一節結論，粘接作業環境應保持在溫度20～25 ℃，濕度30%～70%。

3 涂膠裝置的設計和應用

在玻璃壓入粘接孔的過程中為純手工操作，故玻璃壓入的過程受力極不均勻，操作人員需要對玻璃表面進行反復按壓勉強將玻璃壓平。同時，玻璃周向膠層厚度很難保證均勻，造成玻璃側面的某些部位甚至沒有膠層的現象，整體粘接效果較差，作業效率很低。

研究發現，膠層較厚時，膠層內部缺陷會增加使得膠層內聚強度下降，而膠層太薄則會造成膠層不夠飽滿導致強度降低[4]。膠層厚度的增加會形成剝離應力，膠接頭在承載剪切應力的同時又承載剝離應力[5]。當膠層較薄時，剪切應力是接頭破壞的控制因素，膠層厚度增加會降低應力集中，故承載力提高;當膠層厚度增加到一定程度時，剝離應力成為接頭破壞的控制因素，剝離應力明顯增加，故造成膠接頭強度明顯下降。總之，膠層厚度太薄或者太厚均會對膠接頭強度產生不利影響，還會改變膠層的破壞形式，尤其是剝離現象，膠層尚未達到本身的抗拉極限，膠層整體就從基材剝離，使得膠接頭強度大大降低。所以，改變目前純手工作業的現狀，保證膠層厚度的均勻性十分必要。

本文采用輔助工裝的方式來進行玻璃粘接。現場3C外罩玻璃粘接孔直徑100 mm，玻璃直徑98 mm，小圓孔直徑82 mm，玻璃直徑80 mm，單側間隙1 mm。基于這種情況，需要將玻璃平穩裝入粘接孔且保證膠層厚度均勻。本文設計的裝置如圖4所示。

由圖4可看到，該裝置的定位部件為圓形底座，底座1底部設置4個0.8 mm厚的圓弧金屬片，圓弧與底座1圓孔保持一致，金屬片外側直徑與粘接孔為間隙配合，底座圓孔及金屬片內側與玻璃形成間隙配合。底座1設置兩凸臺并攻螺紋孔與兩側連接柱5連接，連接柱一側攻螺紋孔，通過螺釘4與連接板3固定，連接板中間開圓孔，保持和底座圓孔同軸。按壓玻璃部件為推桿2，并且以螺紋連接固定兩個壓板6和7，推桿2與連接板3圓孔為間隙配合，涂膠裝置零件鍍彩鋅處理。

現場操作時，打膠完成后，將工裝放入粘接孔中，定位完成，再把玻璃放置在底座圓孔中;隨后一手扶住底座，一手壓入推桿，在取出定位裝置，即可刮平膠縫，粘接過程完成。整個玻璃粘接過程簡單流暢，玻璃定位精確，有效保證了膠層厚度均勻性，涂膠部分外觀良好，且單塊玻璃作業時間縮減為20 min左右;玻璃定位裝置使用如圖5所示。

4 玻璃貼膜裝置設計及應用

玻璃在進行活化之前應進行貼膜，一側需要完全保護;一側則只需要保護中間部分，周邊面積需要粘接膠水。為防止底涂劑的涂刷和膠水粘接的過程中底涂劑和粘結劑污染到玻璃不需要粘接的部位，底涂劑為黑色，故貼膜位置有偏移的話會直接體現在外觀上面。目前玻璃貼膜采用完全純手工貼膜，粘接的位置誤差很大，位置精度無法保證，而且一塊玻璃經常反復粘貼，效率低下。

針對這一問題，本文采用貼膜裝置來解決，具體如圖6所示。

由圖6可看到，采用玻璃貼膜的方式，貼膜裝置的小盲孔尺寸保持和防靜電膜一致;大盲孔保持和玻璃尺寸一致。操作時，首先將膜放入裝置的盲孔中，再將玻璃壓入;反向按壓防靜電膜，如此分兩步玻璃兩側貼膜即完成。

該裝置對操作人員貼膜熟練程度要求降低，現場實測驗證貼膜裝置單塊玻璃貼膜時間約為純手工貼膜的30%（原純手工操作單塊玻璃時間在120 s以上），在保證貼膜精度的情況下，大幅提升效率。

5 結語

（1）溫度越高，Sikaflex-265膠流動性越好，在溫度高于20 ℃環境中，氣動膠槍出膠速率可以滿足涂膠作業，且玻璃可以良好壓入粘接孔中;

（2）溫、濕度越高，可加快Sikaflex-265膠的表干及固化。綜合考慮Sikaflex-265膠的流動性、表干時間和固化特性，最佳粘接作業環境為20～25 ℃，濕度30%～70%;

（3）膠層厚度不均勻會導致膠接頭強度下降，并影響外觀，應用涂膠裝置可以良好解決玻璃粘接中壓入不平穩、無法對中的問題。考慮到工裝鍍鋅層至少有0.05 mm，從而保證膠平均單側間隙0.9～1.1 mm，并且單塊玻璃粘接時間縮減33%;

（4）應用貼膜工裝可以良好解決玻璃貼膜位置精度的問題，并且單塊玻璃貼膜時間縮減70%。

【參考文獻】

[1] 王元伍，李唯，趙輝，等.溫濕度對SIKA聚氨酯膠粘劑工藝性能的影響[J].粘接，2013，34（1）：55-58.

[2] 勾波，楊志勇，元世斌，等.高速動車組車窗粘接工藝研究[J].粘接，2013（2）：66-68.

[3] 趙世紅，薛海峰，魏培欣，等.聚氨酯膠粘劑在地鐵車輛側窗粘接中的應用[J].粘接，2017，38（6）：59-61.

[4] 和晨峰，龐坤海，柴明俠，等.膠層厚度對有機硅密封膠拉伸剪切強度的影響[J].有機硅材料，2016，30（5）：403-404.

[5] 袁輝，劉鵬飛，王景全，等.膠層厚度對膠連接接頭承載力的影響機理與控制[J].解放軍理工大學學報（自然科學版），2013，14（1）：53-57.