萬德芬 劉義華 李道軍劉朝暉

?

柔性接頭冷粘試樣粘接技術(shù)研究

萬德芬1劉義華2李道軍1劉朝暉1

（1.湖北三江航天江北機(jī)械工程有限公司，孝感 432000;2.火箭軍駐國營江河化工廠軍代室，宜昌 444200）

以柔性接頭試樣為研究對象，結(jié)合高強(qiáng)度鋼和彈性件冷粘前的表面處理、膠液涂覆、固化等主要工藝過程，討論了工藝條件對粘接性能的影響。研究結(jié)果表明，采用對硫化彈性件表面環(huán)化處理，高強(qiáng)度鋼板噴砂處理，在粘接過程中控制膠液涂覆和貼合方法有利于提高試樣的粘接強(qiáng)度。

冷粘；膠粘劑；粘接強(qiáng)度

1 引言

柔性接頭是固體火箭發(fā)動機(jī)擺動噴管的關(guān)鍵部件，由前法蘭體、多層彈性件、多層金屬增強(qiáng)件、后法蘭體粘接而成，其粘接方案為高溫硫化熱粘和室溫冷粘的復(fù)合粘接方法。粘接強(qiáng)度值通過制作試樣檢測，本文以冷粘試樣為研究對象，討論工藝條件對柔性接頭試樣粘接性能的影響。試樣按照GB/T12830—91《硫化橡膠與金屬粘合剪切強(qiáng)度測定方法四板法》檢測，破壞界面要求是彈性件材料內(nèi)聚破壞。

2 冷粘試樣粘接強(qiáng)度影響因素分析

柔性接頭冷粘試樣結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)粘接機(jī)理分析，膠粘劑與被粘材料表面通過界面相互吸引和連接作用形成粘接力，粘接力的產(chǎn)生主要來自于化學(xué)鍵、分子間作用力、界面靜電引力。

1―30CrMnSiA金屬板1 2―彈性件膠片 3―30CrMnSiA金屬板2

冷粘試樣的粘接強(qiáng)度不僅取決于膠粘劑的表面結(jié)構(gòu)和形貌，還與粘接工藝有著密切關(guān)系。冷粘試樣為四板搭接結(jié)構(gòu)，由兩塊4mm×20mm×79mm的金屬板和兩塊4mm×20mm×40mm金屬板、4塊2mm×20mm×20mm彈性件膠片（硫化）粘接，要求粘接剪切強(qiáng)度≥4.5MPa。為了獲得較高的粘接強(qiáng)度，粘接過程的工藝條件是主要因素。影響試樣粘接強(qiáng)度的工藝條件主要有彈性件粘接面的表面處理、金屬板的噴砂和脫脂處理、膠液的涂覆、粘合、固化等過程。

2.1 粘接面的表面處理

2.1.1 金屬板的表面處理

試樣的金屬板為30CrMnSiA高強(qiáng)度鋼，采用銑加工，保證其平面度不大于0.10mm，對其分別用噴砂、激光毛化、砂輪打磨等方式表面處理，后進(jìn)行粘接試驗(yàn)，三種不同的表處方法對粘接性能的影響見表1。表1中彈性件的表面處理方式為丙酮脫脂處理方式。從表1可以看出，采用對金屬板噴砂處理方式，粘接強(qiáng)度值較高。說明表面的粗糙度對膠粘劑的浸潤性影響較大。

表1 金屬板的表面處理對粘接性能的影響

2.1.2 彈性件的表面處理

彈性件為天然橡膠，經(jīng)硫化后其表面光潔，表面自由能低，難以直接粘接，需要工藝上對其表面進(jìn)行適當(dāng)處理后才能提高粘接劑對表面的粘附力，彈性件表面處理方式對粘接強(qiáng)度的影響見表2。

表2 彈性件的表面處理對粘接性能的影響

從表2可以看出，采用對彈性件的環(huán)化處理方式，粘接強(qiáng)度值較高。這是因?yàn)榄h(huán)化處理為濃硫酸浸泡后在清水中清洗至PH值中和狀態(tài)，彈性件表面出現(xiàn)很多細(xì)裂紋，有利于膠液向彈性件內(nèi)滲透，增加了粘接面積，而采用板銼打磨的方式處理彈性件表面，雖然發(fā)生了彈性件表面的破壞，但粘接強(qiáng)度不高，仔細(xì)觀察試樣破壞面發(fā)現(xiàn)，破壞時(shí)有彈性件膠料的小顆粒粘附在膠層上，說明彈性件膠層經(jīng)打磨后強(qiáng)度雖有破壞，但這些打磨出來的小顆粒與彈性件本體與膠液的結(jié)合力降低，因此，剪切強(qiáng)度不高。

2.2 膠粘劑的配制

在膠粘劑的配置過程中，做到準(zhǔn)確稱量、充分?jǐn)嚢?、控制環(huán)境溫度，并在有效期內(nèi)使用膠粘劑，保證膠粘劑狀態(tài)基本一致。膠液配制完畢，室溫下靜置10～30min后待用，靜置時(shí)用潔凈的塑料袋封裝，防止灰塵等多余物落入，同時(shí)控制環(huán)境溫度（24±8）℃，濕度≤75%。

2.3 膠液涂覆

2.3.1 涂覆方式

膠液涂覆方法不當(dāng)，會出現(xiàn)膠層不均、過厚、夾裹氣泡和缺膠等缺陷，這些缺陷在受力狀態(tài)下造成應(yīng)力集中，當(dāng)局部應(yīng)力超過局部強(qiáng)度時(shí)，缺陷就會擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致粘接面發(fā)生破壞，粘接強(qiáng)度下降[2]。彈性件經(jīng)環(huán)化處理后，表面形成很多微裂紋，而膠液粘度較大，如果涂覆方式選擇不當(dāng)，就會出現(xiàn)彈性件表面微裂紋不能對膠液完全浸潤的現(xiàn)象，不同涂覆方式對粘接強(qiáng)度的影響見表3。從表3可以看出，采用筆刷涂覆粘接強(qiáng)度較高，實(shí)際涂覆過程中采用筆刷比較好控制膠層的厚度，不易出現(xiàn)滾涂時(shí)的膠層過厚想象，利于膠液浸潤。

表3 膠液涂覆方式對粘接性能的影響

2.3.2 膠液厚度

表4 膠液厚度對粘接性能的影響

由冷粘試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，膠液涂覆厚度對粘接強(qiáng)度影響較大，并不是膠層越厚越能提高粘接強(qiáng)度，膠液厚度太厚，膠液在固化過程中體積收縮越大，其內(nèi)應(yīng)力就會增大，反而降低粘接強(qiáng)度。因此，選擇5種厚度的膠層進(jìn)行冷粘工藝試驗(yàn)，從貼合間隙、膠粘劑的粘度、加壓方式等因素確定適宜的膠層厚度，試驗(yàn)結(jié)果見表4。從表4可以看出，膠液厚度在0.12～0.15mm粘接強(qiáng)度較高，膠層厚度增加后，試件破壞均在粘接面，粘結(jié)強(qiáng)度降低，膠液厚度較薄時(shí)，膠縫內(nèi)缺陷較多，不利于膠液浸潤，試樣檢測時(shí)破壞均在粘接面。

2.4 彈性件貼合方式

在冷粘試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，采用不同的彈性件貼合方式，貼合后的粘接性能會有很大差異。一次直接貼合和逐步貼合方式，如圖2所示，對粘接強(qiáng)度的影響見表5。

a 一次完全貼合方式

b 逐步貼合方式

圖2 不同的貼合方式示意圖

表5 不同貼合方式對粘接性能的影響[1]

從表5可以看出，采用逐步貼合方式粘接強(qiáng)度較高。試驗(yàn)中一次完全貼合（見圖2a），貼合后明顯發(fā)現(xiàn)有氣泡存在于膠層中；將彈性件一側(cè)先與金屬板表面貼合，然后從該部位起逐步使彈性件與金屬板表面貼合，直至完全貼合（見圖2b），采用這種方式貼合，膠層中無明顯的氣泡，粘接強(qiáng)度值較高。

2.5 固化

彈性件主體為天然橡膠，其對溫度較敏感，如果試件在較高溫度下固化，彈性件極易膨脹，室溫固化又會因彈性件的回縮產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)，膠粘劑在凝膠前受熱會使粘度變小而缺膠，因此固化溫度不宜過高；而在室溫固化時(shí)間又較長，因此，考核了不同固化溫度和固化時(shí)間對粘接件強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 不同固化條件對粘接性能的影響

從表6可以看出，采用45℃/3d的固化條件粘接強(qiáng)度較高。三種不同溫度下固化相同時(shí)間，粘接強(qiáng)度隨溫度逐步升高。在12℃/3d這一固化條件下，粘接強(qiáng)度較低。

3 粘接工藝試驗(yàn)

在找出有利于冷粘試樣粘接的有利工藝條件后，制作冷粘試樣，其制作工藝過程：金屬板清洗→噴砂→脫脂處理→涂覆底膠→底膠固化→硫化后的彈性件環(huán)化處理→面膠配制→膠液涂覆→裝?！袒撃！鷻z測。按此工藝過程制作冷粘試樣，試樣按照GB/T12830《硫化橡膠與金屬粘合剪切強(qiáng)度測定方法四板法》檢測剪切強(qiáng)度，要求平均值≥4.5MPa，破壞界面要求是彈性件材料內(nèi)聚破壞。檢測結(jié)果見表7。

表7 四板搭接冷粘試樣檢測結(jié)果

數(shù)據(jù)分析：冷粘試樣剪切強(qiáng)度均值達(dá)到4.658MPa，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)≥4.5MPa。但2號冷粘試樣的粘接強(qiáng)度低于設(shè)計(jì)要求，試樣存在離散性，說明還有粘接細(xì)節(jié)控制不到位，仍需加強(qiáng)冷粘過程的細(xì)節(jié)控制。

4 結(jié)束語

柔性接頭冷粘試樣粘接時(shí)，采取下列措施有利于減小粘接強(qiáng)度的離散性：

a. 30CrMnSiA高強(qiáng)度鋼金屬板采用噴砂/丙酮脫脂處理，彈性件粘接面采用濃硫酸環(huán)化處理/清水清洗至中和狀態(tài)，有利于提高粘接強(qiáng)度；

b. 膠液涂覆采用筆刷涂覆方式，膠液厚度控制在0.12～0.15mm，確保無膠縫缺膠、膠層過厚現(xiàn)象，有利于提高粘接強(qiáng)度；

c. 在冷粘試樣粘合過程中，采用逐步貼合方式有利于減少膠層中的氣泡量，有利于提高粘接強(qiáng)度；

d. 采用45℃/3d的固化條件有利于提高粘接強(qiáng)度。

1 李學(xué)民. 橡膠與金屬的粘接強(qiáng)度研究[J]. 化工與材料，2007(10)：21，139

2 李盛彪，黃世強(qiáng)，王石泉. 膠粘劑選用粘接技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002

Research on Bonding Technology of Flexible Joint Cold-sticking Sample

Wan Defen1Liu Yihua2Li Daojun1Liu Zhaohui1

(1. Hubei Sanjiang Space Jiangbei Machinery Engineering Co.,Ltd, Xiaogan 432000；2. Rocket Force of Jianghe Chemical Plant, Yichang 444200)

Taking the flexible joint sample as the research object, the influences of process conditions on the bonding properties are discussed by combining with the major processes before the cold-stickingof the high-strength steel and elastic pieces, such as the surface treatment, glue coating and solidifying. The results show that the application of cyclic treatment on the surface of vulcanized elastic pieces, the sandblasting treatment of high strength steel, and controlling the adhesiei coating and bonding is conducive to improve the bonding strength of the sample.

cold-sticking；adhesive；bonding strength

萬德芬（1971-），工程師，機(jī)械制造與裝備專業(yè)；研究方向：復(fù)合材料模壓、粘接技術(shù)。

2017-03-02