焊接對(duì)雙組分丙烯酸酯型結(jié)構(gòu)膠影響研究

韓世濤，陸宏韜，王利，王周冰，曹振華，王宇

遼寧忠旺集團(tuán)有限公司 遼寧遼陽(yáng) 111003

1 序言

丙烯酸酯型結(jié)構(gòu)膠在20世紀(jì)80年代漸趨成熟，因其具有室溫固化快、強(qiáng)度高、韌性好、適應(yīng)性強(qiáng)和工藝簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航天航空、汽車、機(jī)械、艦船、建筑及鐵路車輛等行業(yè)，主要用于結(jié)構(gòu)粘接、粘接修復(fù)、防滲堵漏等，在工業(yè)中的應(yīng)用已具有相當(dāng)規(guī)模[1-3]。我公司生產(chǎn)的某款貨箱采用鋁合金型材焊接形成箱體骨架，骨架外圍采用丙烯酸酯型結(jié)構(gòu)膠粘接鋁合金薄板作為蒙皮，為了防止蒙皮翹起并提高連接強(qiáng)度，在蒙皮邊緣處施加MIG焊使其與骨架連接，如圖1所示。考慮到焊接產(chǎn)生的熱量會(huì)不同程度地影響膠粘性能，因此本文模擬產(chǎn)品實(shí)際結(jié)構(gòu)，通過(guò)試驗(yàn)確定焊縫到膠粘層的安全距離。因?yàn)樵囼?yàn)結(jié)果與模擬分析結(jié)果吻合，所以可用于指導(dǎo)丙烯酸類結(jié)構(gòu)膠施膠工藝制定。

圖1 蒙皮粘接

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 試板粘接

選用的丙烯酸酯型膠粘劑與生產(chǎn)用膠粘劑相同，為雙組分室溫固化產(chǎn)品，技術(shù)參數(shù)見表1。粘接材料規(guī)格為180mm×100mm×5mm，先后以400#和1500#砂紙打磨鋁板表面，除去表面自生氧化膜，打磨完成的板材采用酒精擦拭，完全蒸發(fā)后均勻涂膠。合攏后保證接頭無(wú)欠膠，并均勻施加壓力，保證表面正常貼合，經(jīng)過(guò)完全固化后移動(dòng)板材進(jìn)行焊接，共制備6組試件。

表1 丙烯酸酯型膠粘劑技術(shù)參數(shù)

2.2 試樣焊接、切割與測(cè)試

試件單側(cè)采用MIG焊進(jìn)行堆焊，焊接參數(shù)見表2。共制備6組焊接試板，每組試板焊縫中心與膠層邊緣距離分別為10mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm，按GB/T 7124—2008《膠粘劑 拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定（剛性材料對(duì)剛性材料）》規(guī)定舍棄接頭邊緣部分（見圖2），將膠接后試板鋸切成25mm寬試樣，之后進(jìn)行剪切強(qiáng)度測(cè)試，夾持區(qū)距膠接接頭至少50mm[4]。

表2 MIG焊焊接參數(shù)

圖2 樣件制備

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 剪切強(qiáng)度

膠層邊緣距離焊縫中心10mm的樣件焊接后脫粘失效，不滿足使用要求；其他試樣測(cè)得的剪切強(qiáng)度見表3，其中焊縫中心距離膠接邊緣為20mm和25mm時(shí)，靠近起弧端樣件在剪切拉伸試驗(yàn)前即發(fā)生斷裂，其他樣件測(cè)試結(jié)果也未全部達(dá)到19MPa，不滿足使用要求；焊縫中心距離膠接邊緣≥30mm時(shí)，剪切強(qiáng)度＞19MPa，滿足使用要求。

表3 剪切強(qiáng)度結(jié)果

3.2 斷面形貌分析

膠層邊緣距離焊縫中心1 0 m m、2 0 m m、25mm、30mm、35mm、40mm時(shí)試樣剪切破壞形式如圖3所示。圖3a試樣在焊接后脫粘，膠粘劑分解失效。圖3b、c靠近焊接起弧端處試樣膠粘劑分解失效，其他試樣為混合破壞（內(nèi)聚破壞與界面破壞），不符合使用要求；圖3d～f接頭破壞形式主要為內(nèi)聚破壞，滿足使用要求。

圖3 膠層邊緣距離焊縫中心不同距離試樣剪切破壞形式

粘接接頭的破壞形式通常分為內(nèi)聚破壞、界面破壞和混合破壞三種形式，合格的粘接接頭破壞形式應(yīng)以內(nèi)聚破壞為主，試驗(yàn)中膠層邊緣與焊縫中心距離為10mm試樣焊接后在未受外力情況下脫粘，接頭破壞形式為膠粘劑分解失效，分析原因?yàn)樵摼嚯x下所受溫度接近膠層最高耐熱溫度，導(dǎo)致粘接失效；距離為20mm和25mm試樣靠近起弧位置膠粘劑分解，且在剪切試驗(yàn)前發(fā)生斷裂，主要是由于焊接時(shí)起弧位置停留時(shí)間較長(zhǎng)、溫度較高，因此容易發(fā)生粘接失效，故不滿足使用要求；距離為30mm、40mm試樣接頭破壞形式主要為內(nèi)聚破壞，滿足使用要求。

3.3 模擬分析

根據(jù)所用焊接參數(shù)對(duì)試板進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬分析，選取的溫度分析點(diǎn)為距起弧點(diǎn)60mm、120mm和180m m，且膠層邊緣與焊縫中心距離分別為15mm、20mm、25mm、30mm和35mm，如圖4所示；圖5中已經(jīng)標(biāo)注數(shù)值的曲線以上所顯示的曲線為膠層邊緣與焊縫中心距離＜15mm位置隨溫度變化情況，以下所顯示的曲線為膠層邊緣與焊縫中心距離＞35mm位置隨溫度變化情況，每條曲線測(cè)定的位置間距為5mm。

圖4 分析位置

從圖5可看出，當(dāng)膠層邊緣與焊縫中心距離為15mm時(shí)，膠層所受最高溫度可達(dá)250℃以上，因此焊接后的試樣會(huì)脫粘失效；距離為20mm和25mm時(shí)，膠層所受最高溫度分別可達(dá)220℃和190℃左右，接近試驗(yàn)用膠最高耐熱溫度，但是由于鋁合金具有散熱快的特點(diǎn)，在此距離條件下膠層承受高溫的時(shí)間相對(duì)較短，因此試樣未完全失效，部分試樣保持拉伸剪切強(qiáng)度，同時(shí)接頭破壞形式為混合破壞；隨膠層邊緣與焊縫中心距離不斷增加，接頭所承受熱量逐漸降低，在距離為30mm時(shí)，接頭所受最高溫度為150℃左右，此溫度低于膠層能夠承受的耐熱溫度，接頭破壞形式為內(nèi)聚破壞，與技術(shù)參數(shù)對(duì)比力學(xué)性能無(wú)明顯降低；距離為35mm或更大的試樣剪切破壞形式均為膠層內(nèi)聚破壞，拉伸剪切性能完全滿足技術(shù)要求。

圖5 溫度隨時(shí)間變化曲線

3.4 安全距離的確定

貨箱生產(chǎn)時(shí)焊縫到膠粘層的距離選取30mm，產(chǎn)品焊接后未發(fā)生脫粘失效，膠層顏色也未發(fā)生明顯變化，且后續(xù)使用過(guò)程中未發(fā)生蒙皮與骨架脫離現(xiàn)象（見圖6）。

4 結(jié)束語(yǔ)

選用的丙烯酸酯型結(jié)構(gòu)膠粘接貨箱蒙皮，在固化的膠層附近焊接，當(dāng)膠層邊緣距離焊縫中心≥30mm時(shí)剪切性能穩(wěn)定，膠層破壞形式主要為內(nèi)聚破壞，且與模擬分析結(jié)果吻合。因此，建議在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)膠層邊緣距焊縫中心距離至少為30mm。

圖6 膠層位置和焊接位置示意