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【通用连接技术基础】胶接技术简介

来源:本站   发布时间: 2022-01-17 10:15:23   浏览:1133次  字号: [大] [中] [小] [收藏]
又到了我们的小课堂时间了,这次我们介绍的是胶接技术

胶接的起源
人类使用胶黏剂有着悠久的历史,是一门古老而又年轻的技术。所谓古老,是指它在使用上历史悠久,可追溯到古代;所谓年轻,是指它在理论上,特别是胶接机制、胶接强度以及其计算上还研究的不够,对胶接机制的研究是近百年来才开始的,Young通过对表面张力的研究,提出了著名的Young方程,到了20世纪40年代相继有了几种学说,主要的理论包括:20世纪40年代A.D.Mclaren等提出的吸附理论、Deryaguin等提出的静电理论、Voyutskii等提出扩散理论,60年代前后建立并逐步完善的化学键理论、弱界面层理论、机械结合理论和胶黏剂流变学理论等。
随着合成材料的出现,开辟了胶黏剂工业发展的新局面,胶接技术近年来发展迅猛,用用面广,涉及各行各业,已成为促进国民经济发展的重要技术手段之一,起到越来越重要的作用。
 
胶接的特点
胶接连接方法与传统的连接方法相比有其独特的优点,特定条件下,可以根据设计要求提供所需的功能,一般具有如下特点:
1.胶接连接能最充分地利用被胶接材料的强度。由于胶接不需要铆接和螺栓连接中的过孔,因此不会减少材料的有效横截面接;胶接操作温度低,可避免焊接时高温引起的结构变形和金相组织的变化,或者涂层、退火状态的变化,因此,胶接能够充分利用各种材料,尤其是高强度材料的全部强度
2.胶接能提高接头的疲劳寿命。胶接时胶黏剂均匀分布于胶接面上,无螺纹和焊缝,不会形成应力集中,提高了接头的疲劳寿命,而且胶接构件中,疲劳裂纹的扩展速度很慢,这一点使胶接连接在飞机制造中获得了广泛的应用。美国沃特公司研制的翼盒分段件,可以使其常规使用寿命延长2倍以上
3.胶接构件有效地减轻了质量。由于不使用铆钉、螺栓而减轻了接头的质量;胶接件受力均匀,可采用薄壁结构,极大地减轻了接头的质量。据报道,某飞机机身采用胶接连接,结构质量减轻15%,总费用节约25%-30%;一架重型轰炸机用胶接代替铆接,质量减少了34%;一台大型雷达采用胶接结构,可减轻质量20%
4.胶接接头可根据使用要求,选取相应的胶黏剂,赋予胶接接头以特定的功能。常见的导电、导磁、密封、抗特定介质腐蚀功能的胶接接头
5.胶接适用的材料范围广。它可用于金属材料之间或非金属材料之间的连接,也可用于金属与非金属材料之间的连接,木质纤维材料的胶接,适用范围十分广
6.胶接接头耐环境应力强。由几种金属材料构成的接头,采用胶接连接可避免金属接触电偶产生的电化学腐蚀;胶接本身也不存在化学腐蚀;胶接连接对水、空气及其他介质有良好的密封性能,减少了介质对接头的腐蚀,从而增强了接头的耐环境应力
7.胶接工艺简单。对操作的熟练程度要求低,生产易于自动化,生产效率高,成本低

 
胶接的缺点
说了这么多优点,并不是胶接只有优点没有缺点,在连接上也会有一些不足
1.胶接强度低,远不如金属材料
2.使用温度也比较低,一般在-50 ~ 150℃,只有耐高温胶黏剂才可长期工作在250℃,或者短期工作于350 ~ 400℃
3.胶接接头强度的影响因素多,对材料、工艺条件和环境应力极为敏感
4.接头性能的重复性差
5.使用寿命有限
6.胶黏剂对材料的胶接不如铆接和螺栓连接那么普遍,有的材料难以或无法用胶黏剂连接
以上的这些缺陷,在一定程度上限制了胶接连接应用范围

胶接的作用力
胶接界面的作用力与胶接强度直接相关,一般认为界面上作用力有三类:
1.静力:“投锚”作用和摩擦作用等产生的力,理论上对界面胶接强度的贡献可以达到1.4 ~ 7.0 MPa
2.界面分子间作用力:由伦敦色散、偶极与氢键等作用产生的力,理论上对胶接强度的贡献可达到7.0 x 10² ~ 7.0 x 10³ MPa
3.化学键力:化学反应形成化学键,理论上对胶接强度的贡献可达到7.0 x 10³ ~ 7.0 x 104 MPa
这三种作用力对于一个胶接体系可能同时存在,但起的作用大小随情况而异,一般来说,分子间作用力对胶接强度的贡献占较大的比例,但抗介质和水腐蚀能力主要决定于化学键力。在实际应用上,胶接强度只能达到理论值的极少一部分,其主要原因是胶接过程中分子间不良接触导致胶接界面上留有微孔缺陷,减少了胶接面积,引起应力集中,促使其早期破坏,另外,由于界面存在残余热应力和收缩应力也促使强度损失

理想的胶接是当两个表面彼此紧密接触之后,分子间产生相互作用,达到一定程度而形成胶接键,最后达到热力学平衡的状态。由于没有考虑实际因素,理想的胶接实际是不存在的,而且理想的胶接强度比实际的胶接强度要大几个数量级,但是理想的胶接有一定的理论意义,通过对机理的分析,对实际的胶接过程有重要的指导意义
实际的胶接,大多数都需要使用胶黏剂,才能使两个固体通过表面结合起来。由于胶黏剂的流动性和较小的表面张力,对被粘物表面产生了湿润作用,使界面与胶黏剂分子紧密接触,胶黏剂分子通过自身的运动,与界面达到吸附平衡,之后再对被粘物表面进行跨界面的扩散作用,形成扩散界面区,进行胶黏剂分子与被粘物界面的紧密接触,形成以次价力或化学键为主的胶接键
胶接接头的几种基本形式
1.搭接接头(Lap Joint):由两个被胶接部分的叠合,胶接在一起所形成的接头

2.面接接头(Surface Joint):两个被胶接物主表面胶接在一起所形成的接头

3.对接接头(Butt Joint):被胶结物的两个端面与被胶结物主表面垂直

4.角接接头(Angle Joint):两被胶结物的主表面端部形成一定的角度的胶接接头

受力分析
接头胶层在外力作用时,有4种受力情况
1.正拉:外力与胶接面垂直,且均匀分布于整个胶接面

2.剪切:外力与胶接面平行,且均匀分布于整个胶接面上

3.剥离:外力与胶接面形成一定角度,并集中分布在胶接面的某一线上

4.劈开:外力垂直于胶接面,但不均匀分布在整个胶接面上

一般为了便于分析,会将上面的4种应力简化为拉应力和剪切力两大类
 
影响胶接作用的因素
1.胶黏剂
绝大多数固体表面从微观上来讲都是凹凸不平的,这样的表面叠合起来的时候,只有很小的点面可以互相接触,因此分子的总吸引力很小,很容易被分开,胶黏剂通过填补不规则的粗糙表面提高分子的接触,提高胶接强度
胶黏剂主要有以下几种品种:
-  溶剂型胶黏剂:通过溶剂的蒸发或扩散、渗透而固化
-  热熔型胶黏剂:通过降低温度而固化
-  化学反应型胶黏剂:在一定的温度(通常是升温)下,通过内部产生聚合或缩聚反应而固化
2.粘度
液体的粘度主要受分子量影响,一般来说,随着温度的升高,粘度下降,热熔胶的熔融粘度受温度的影响更为明显。粘度低,胶黏剂较容易湿润铺展,可得到较高的胶接强度,但是过低的粘度会导致流淌,内聚强度降低,当溶剂蒸发时,收缩会太大,应力集中较严重,胶接强度反而会降低,在调制或选择胶黏剂时要考虑各种影响,设计最佳的粘度。胶黏剂在低粘度状态的时间久一些,可以增加接触的程度和胶接强度
3.表面能
实践证明,凡是液体或胶黏剂表面张力低于集体表面张力,就会表现出良好的湿润铺展效果,而且分子接触比较紧密,会出现较高的胶接强度,非极性聚合物,如聚乙烯和聚四氟乙烯的表面能和临界表面张力较小,湿润与胶接效果均不好,需要进行表面改性,才能够满足胶接要求
4.弱边界层
边界层主要是指与固体、液体、气体紧密接触的边缘部分,如果边界层里存在低强度区域,则称为弱边界层。造成弱边界层的原因,可能为以下几种:
-  聚合过程中带入的杂质影响,例如混入了低分子量的有机杂质,如润滑油
-  聚合过程未全部转化的参与低分子量尾料
-  储存运输过程中,不慎混入的杂质
-  加入的抗氧化剂、增塑剂、紫外光吸收剂、润滑剂等低分子量助剂的影响
-  成型加工过程中带入的杂质,如脱模剂的影响
 
目前的重点研究课题
以下是部分目前的重点研究课题:
1.纳米胶黏剂:纳米材料是一种新材料,是由纳米量级的晶态或非晶态超细材料构成的固态物质,由于尺寸小,使其具有高强度、高韧性、高比热、高导电、高导磁性等特点,在环氧树脂胶黏剂中加入8%的纳米金刚石粉,胶层的耐磨性提高2倍多,拉伸强度能提高27.5%
2.环保:环保压力越来越大,需要研究出不污染环境的胶黏剂,例如天然胶黏剂
3.胶接理论的深入研究,形成胶接科学学说
4.找出胶接强度的普适表达式,实现胶接强度的无损检测
5.开发直接能够胶接低能表面的胶黏剂
6.开发固化更快,效率更高,成本更低,材料更省,能源更省的胶黏剂
7.各种特殊功能的胶黏剂,如耐高温的有机胶黏剂,微电子行业用的胶黏剂等

 

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