基于電氣自動(dòng)化裝備的各種不同膠接接頭粘接性能研究

doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.015

摘 要：以6005A鋁合金為基材，采用硅烷聚氨酯膠粘劑制備了對(duì)接接頭、搭接接頭和不同角度的嵌接接頭，并對(duì)啞鈴型膠粘劑試樣進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試。結(jié)果表明，當(dāng)溫度從-40 ℃升高至80 ℃時(shí)，不同溫度下對(duì)接接頭、搭接接頭和嵌接接頭的平均失效強(qiáng)度都呈現(xiàn)逐漸減小的特征;在溫度60 ℃及以下時(shí)，膠粘劑搭接接頭的強(qiáng)度要高于對(duì)接接頭。將對(duì)接接頭和搭接接頭相比，在溫度-40～80 ℃時(shí)，搭接接頭的斷裂能高于對(duì)接接頭；從不同角度接頭的斷裂能分析，15°接頭在不同溫度下都具有相對(duì)較高的斷裂能，且此時(shí)的斷裂能要明顯高于對(duì)接接頭和搭接接頭。

關(guān)鍵詞：電氣自動(dòng)化；聚氨酯膠粘劑；鋁合金基材；接頭；強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TQ433.4⁺32" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " "文章編號(hào)：1001-5922（2024）02-0054-04

Research on the bonding performance of various adhesive joints based on electrical automation equipment

GAO Fang，LIU Hui

（Hubei University of Technology Hubei Province Power Grid Intelligent Control and Equipment Engineering Technology Research Center，Wuhan 430068，China）

Abstract：Using 6005A aluminum alloy as the base material，butt joints，lap joints and embedded joints at different angles were prepared using silane polyurethane adhesive，and the mechanical properties of dumbbell type adhesive samples were tested.The results showed that when the temperature increased from -40 ℃ to 80 ℃，the average failure strength of butt joints，lap joints and embedded joints showed a gradual decrease at different temperatures.At temperatures of 60 ℃ and below，the strength of adhesive lap joints was higher than that of butt joints.Comparing the butt joint with the lap joint，the fracture energy of the lap joint was higher than that of the butt joint at the temperature of -40 ℃ to 80 ℃.The fracture energy of the 15° joint had relatively high breaking energy at different temperatures，and the breaking energy of the 15° joint was significantly higher than that of the butt joint and the lap joint at this time.

Key words：electrical automation;polyurethane adhesive;aluminum alloy substrate;joint;strength

由于電氣自動(dòng)化中不同裝備、不同部件或多或少都需要膠粘劑進(jìn)行粘接^[1]。膠粘劑自身的強(qiáng)度和可靠性變得尤為重要，這主要是因?yàn)槿绻圻^(guò)程中膠接接頭發(fā)生失效將會(huì)造成整個(gè)部件或者裝備失效^[2-4]，嚴(yán)重情況下還會(huì)造成事故性災(zāi)難。因此，有必要進(jìn)行基于電氣自動(dòng)化膠接接頭的研究，找出合適的接頭方式，優(yōu)化膠接工藝，最大限度保障足夠的強(qiáng)度和可靠性^[5-8]。研究以6005A鋁合金為基材，基于電氣自動(dòng)化采用硅烷聚氨酯膠粘劑制備了對(duì)接接頭、搭接接頭和不同角度的嵌接接頭，對(duì)比分析了不同方式的膠接接頭的強(qiáng)度、剛度和斷裂能的變化，結(jié)果將有助于基于電氣自動(dòng)化的膠粘劑的開(kāi)發(fā)以及接頭工藝優(yōu)化。

1"試驗(yàn)材料與方法

1.1"試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料包括硅烷聚氨酯膠粘劑和6005A鋁合金，其中膠粘劑的密度為1.41×10³ kg/m³、楊氏模量4.29 MPa、泊松比0.43;6005A鋁合金的密度為2.73×10³ kg/m³、楊氏模量71 200 MPa、泊松比0.32。

1.2"試樣制備

圖1為基于電氣自動(dòng)化的對(duì)接接頭和搭接接頭示意圖，膠層厚度控制為1 mm、粘接面積為25 mm×25 mm。 此外，設(shè)計(jì)了不同角度的嵌接接頭試樣^[9-11]，膠粘劑厚度也有1 mm。此外，參照NF ISO 527—2標(biāo)準(zhǔn)，采用模壓技術(shù)制備了膠粘劑啞鈴型試樣^[12]。

1.3"測(cè)試方法

采用INSTRON 5500型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)對(duì)接接頭、搭接接頭和不同角度接頭進(jìn)行拉伸試樣，拉伸速率為1 mm/min，結(jié)果取5組平行試樣的平均值，并記錄應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

2"結(jié)果與討論

2.1"啞鈴型試樣

圖2為不同溫度下膠粘劑試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分別列出了膠粘劑試樣在-40、25和80 ℃時(shí)的應(yīng)力隨著應(yīng)變的變化曲線。

由圖2可知，隨著應(yīng)變的增加，3種不同溫度下膠粘劑試樣的應(yīng)力都呈現(xiàn)先逐漸升高，在到達(dá)峰值應(yīng)力后快速下降的趨勢(shì)；在到達(dá)峰值應(yīng)力前，在相同應(yīng)變條件下，膠粘劑試樣的應(yīng)力呈現(xiàn)梯度分布特征，且應(yīng)力從大至小順序依次為：-40 ℃、25 ℃、80 ℃，膠粘劑試樣在-40 ℃時(shí)的應(yīng)力最大，其次為25 ℃，而80 ℃時(shí)膠粘劑試樣的應(yīng)力最小。這主要與膠粘劑自身的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)^[13]。整體而言，膠粘劑試樣在相同應(yīng)變下的應(yīng)力會(huì)隨著溫度的升高而降低。

表1為不同溫度下膠粘劑的拉伸強(qiáng)度、楊氏模量和失效應(yīng)變測(cè)試結(jié)果。

由表1可知，在較低的溫度下（-40 ℃），膠粘劑試樣的拉伸強(qiáng)度、楊氏模量和失效應(yīng)變分別為6.61、11.91 MPa和5.31 με；當(dāng)溫度為25 ℃時(shí)，膠粘劑試樣的拉伸強(qiáng)度、楊氏模量和失效應(yīng)變分別為3.52、5.10 MPa和4.30 με；當(dāng)溫度為80 ℃時(shí)，膠粘劑試樣的拉伸強(qiáng)度、楊氏模量和失效應(yīng)變分別為2.18、3.01 MPa 和3.83 με。可見(jiàn)，隨著溫度的升高，膠粘劑的拉伸強(qiáng)度從6.61 MPa逐漸減小至2.18 MPa，楊氏模量從11.91 MPa逐漸減小至3.01 MPa，失效應(yīng)變從5.31 "με逐漸減小至3.83 με。

2.2"接頭強(qiáng)度

圖3為膠粘劑搭接接頭和對(duì)接接頭的平均失效強(qiáng)度與溫度關(guān)系曲線。

由圖3可知，當(dāng)溫度從-40 ℃升高至80 ℃時(shí)，不同溫度下搭接接頭和對(duì)接接頭的平均失效強(qiáng)度都呈現(xiàn)逐漸減小的特征，在溫度60 ℃及以下時(shí)，膠粘劑搭接接頭的強(qiáng)度要高于對(duì)接接頭。在溫度為-40～80 ℃時(shí)，溫度越低則對(duì)應(yīng)膠粘劑搭接接頭和對(duì)接接頭的平均失效強(qiáng)度越高；當(dāng)溫度為-40 ℃時(shí)，搭接接頭的平均失效強(qiáng)度要相對(duì)25 ℃時(shí)高出28.79%；而溫度高于25 ℃時(shí)，膠粘劑搭接接頭和對(duì)接接頭的強(qiáng)度會(huì)降低，且溫度為80 ℃時(shí)搭接接頭平均失效強(qiáng)度相較25 ℃時(shí)下降27.03%。與搭接接頭相同的是，對(duì)接接頭在-40 ℃時(shí)的平均失效強(qiáng)度也相較25 ℃時(shí)高于27.71%；而80 ℃時(shí)的平均失效強(qiáng)度相較25 ℃時(shí)減小20.11%。

拉伸剪切作用下嵌接接頭的平均失效強(qiáng)度與溫度的變化關(guān)系如圖4所示，分別列出15°、30°、45°、60°和75°嵌接接頭的平均失效強(qiáng)度隨著溫度的變化。

由圖4可知，隨著溫度從從-40 ℃升高至80 ℃時(shí)，不同溫度下嵌接接頭的平均失效強(qiáng)度整體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)榫郯滨ツz粘劑具有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，在低溫下膠粘劑試樣能夠保持較好的韌性和強(qiáng)度，而如果溫度升高拉伸剪切作用下嵌接接頭的強(qiáng)度會(huì)受溫度變化影響^[14]，且表現(xiàn)為溫度越高，嵌接接頭強(qiáng)度越低的特征。此外，從接頭角度來(lái)看，45°接頭在低溫下具有相對(duì)較高的嵌接接頭平均失效強(qiáng)度。

圖5為不同溫度和粘接角度下膠粘劑接頭的剛度變化。

由圖5可知，隨著粘接角度從0增加至90°，膠粘劑接頭的剛度整體呈現(xiàn)先減小后升高的趨勢(shì)；在相同粘接角度下，隨著溫度從-40 ℃升高至80 ℃，膠粘劑接頭的剛度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)榛陔姎庾詣?dòng)化的聚氨酯膠粘劑具有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，在低溫下膠粘劑試樣能夠保持較好的韌性和強(qiáng)度^[15]。

圖6為不同溫度下膠粘劑接頭的斷裂能結(jié)果，分別列出了對(duì)接接頭、不同角度接頭和搭接接頭的斷裂能。

由圖6可知，將對(duì)接接頭和搭接接頭相比，在溫度-40～80 ℃時(shí)，搭接接頭的斷裂能高于對(duì)接接頭；從不同角度接頭的斷裂能上看，15°接頭在不同溫度下都具有相對(duì)較高的斷裂能，且此時(shí)的斷裂能要明顯高于對(duì)接接頭和搭接接頭。對(duì)比分析可知，對(duì)于相同膠粘劑接頭，溫度越高則膠粘劑接頭的斷裂能越小，在-40 ℃時(shí)對(duì)接接頭、不同角度接頭和搭接接頭的斷裂能都取得最大值，這主要是因?yàn)榫郯滨ツz粘劑具有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，在低溫下膠粘劑試樣能夠保持較好的韌性和強(qiáng)度^[16]，相應(yīng)地具有較高的斷裂能。

3"結(jié)語(yǔ)

（1）在到達(dá)峰值應(yīng)力前，在相同應(yīng)變條件下，膠粘劑試樣的應(yīng)力呈現(xiàn)梯度分布特征，且應(yīng)力從大至小順序依次為：-40 ℃、25 ℃、80 ℃，基于電氣自動(dòng)化的膠粘劑試樣在-40 ℃時(shí)的應(yīng)力最大，其次為25 ℃，而80 ℃時(shí)膠粘劑試樣的應(yīng)力最小;

（2）當(dāng)溫度從-40 ℃升高至80 ℃時(shí)，不同溫度下搭接接頭和對(duì)接接頭的平均失效強(qiáng)度都呈現(xiàn)逐漸減小的特征，在溫度60 ℃及以下時(shí)，膠粘劑搭接接頭的強(qiáng)度都要高于對(duì)接接頭;

（3）將對(duì)接接頭和搭接接頭相比，在溫度-40 ～80 ℃時(shí)，搭接接頭的斷裂能高于對(duì)接接頭；從不同角度接頭的斷裂能上看，15°接頭在不同溫度下都具有相對(duì)較高的斷裂能，且此時(shí)的斷裂能要明顯高于對(duì)接接頭和搭接接頭。

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收稿日期：2023-09-12；修回日期：2023-12-14

作者簡(jiǎn)介：高"放（1998-），男，在讀碩士研究生，研究方向：智能制造、電氣自動(dòng)化等;E-mail：gaofw120@21cn.com。

引文格式：高"放，劉"輝.基于電氣自動(dòng)化裝備的各種不同膠接接頭粘接性能研究[J].粘接，2024，51（2）：54-57.