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        焊接對雙組分丙烯酸酯型結(jié)構(gòu)膠影響研究

        2022-09-01 13:16:20韓世濤陸宏韜王利王周冰曹振華王宇
        金屬加工(熱加工) 2022年8期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)膠膠層膠粘劑

        韓世濤,陸宏韜,王利,王周冰,曹振華,王宇

        遼寧忠旺集團有限公司 遼寧遼陽 111003

        1 序言

        丙烯酸酯型結(jié)構(gòu)膠在20世紀80年代漸趨成熟,因其具有室溫固化快、強度高、韌性好、適應(yīng)性強和工藝簡便等特點,被廣泛應(yīng)用于航天航空、汽車、機械、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、防滲堵漏等,在工業(yè)中的應(yīng)用已具有相當規(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度,在蒙皮邊緣處施加MIG焊使其與骨架連接,如圖1所示??紤]到焊接產(chǎn)生的熱量會不同程度地影響膠粘性能,因此本文模擬產(chǎn)品實際結(jié)構(gòu),通過試驗確定焊縫到膠粘層的安全距離。因為試驗結(jié)果與模擬分析結(jié)果吻合,所以可用于指導丙烯酸類結(jié)構(gòu)膠施膠工藝制定。

        圖1 蒙皮粘接

        2 試驗內(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。合攏后保證接頭無欠膠,并均勻施加壓力,保證表面正常貼合,經(jīng)過完全固化后移動板材進行焊接,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、切割與測試

        試件單側(cè)采用MIG焊進行堆焊,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 拉伸剪切強度的測定(剛性材料對剛性材料)》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,之后進行剪切強度測試,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 試驗結(jié)果與分析

        3.1 剪切強度

        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;其他試樣測得的剪切強度見表3,其中焊縫中心距離膠接邊緣為20mm和25mm時,靠近起弧端樣件在剪切拉伸試驗前即發(fā)生斷裂,其他樣件測試結(jié)果也未全部達到19MPa,不滿足使用要求;焊縫中心距離膠接邊緣≥30mm時,剪切強度>19MPa,滿足使用要求。

        表3 剪切強度結(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,分析原因為該距離下所受溫度接近膠層最高耐熱溫度,導致粘接失效;距離為20mm和25mm試樣靠近起弧位置膠粘劑分解,且在剪切試驗前發(fā)生斷裂,主要是由于焊接時起弧位置停留時間較長、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)對試板進行溫度場模擬分析,選取的溫度分析點為距起弧點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,每條曲線測定的位置間距為5mm。

        圖4 分析位置

        從圖5可看出,當膠層邊緣與焊縫中心距離為15mm時,膠層所受最高溫度可達250℃以上,因此焊接后的試樣會脫粘失效;距離為20mm和25mm時,膠層所受最高溫度分別可達220℃和190℃左右,接近試驗用膠最高耐熱溫度,但是由于鋁合金具有散熱快的特點,在此距離條件下膠層承受高溫的時間相對較短,因此試樣未完全失效,部分試樣保持拉伸剪切強度,同時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,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)對比力學性能無明顯降低;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 溫度隨時間變化曲線

        3.4 安全距離的確定

        貨箱生產(chǎn)時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)使用過程中未發(fā)生蒙皮與骨架脫離現(xiàn)象(見圖6)。

        4 結(jié)束語

        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,當膠層邊緣距離焊縫中心≥30mm時剪切性能穩(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)計時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

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