浅析胶接技术在工程中的应用

浅析胶接技术在工程中的应用

尚小波

中国船舶重工集团有限公司第七一〇研究所湖北宜昌443003

摘要：简要介绍了常用胶接剂在工程应用中的构成及选用原则，对实际操作中采用的胶接原理作了定量分析与说明，并以此为基础，对胶接前的物体或构件的表面处理作了简要说明；对不同材质的物件表面处理工艺及表面涂胶方式予以叙述，并对胶接技术的使用场合及性能特点作了说明。

关键词：胶接剂；胶接强度；处理工艺

引言

在产品的使用过程中，常常会遇到一些突发事件，如设备正在运行时某重要零部件出现断裂而致使设备无法正常工作，而设备又无备件更换，被损坏的零部件材料又不适合采用焊接或铆接等工艺修复。遇到此类情况时，可考虑采用胶接剂胶接或粘接，如用环氧树脂连接铝质零件、用磷酸氧化铜无机胶粘接固定合金刀头，等等。胶接技术的最大特点是能将两种不同的材料可靠胶接成一体，主要通过胶接剂使其具有一定粘合力。这种粘合力必须满足两个条件：一是胶与被胶物体间的粘附力，二是胶层的内聚力。而粘合力是这两种力的作用结果，缺一都将导致粘合力被破坏。

1胶接剂的构成

胶接剂一般由一种或几种不同成分的材料构成，通常是以具有一定粘性或弹性的天然产物、或合成高分子化合物为基础材料，加入一定比率的固化剂、增塑、增韧剂、稀释或防老化剂等添加剂而合成的一种混合物。在胶接剂中使用溶剂时，应注意其挥发速度，若挥发得慢，固化后的胶缝内必将残存一定量的溶剂，该溶剂将影响胶接剂的胶接强度；若挥发得快，且工作环境的湿度较大，在胶接剂固化过程中，胶接剂表面热量将被大量释放，导致被固化的表面温度比周围环境温度低，空气中的水分将凝聚在胶接剂表面，致使胶接后的胶接强度降低。因此，为保证胶接强度，应尽量在恒温下工作。

2胶接剂的选用原则及胶接原理

2.1选用原则

胶接剂的构成不同对胶接性能有较大影响。在实际应用中，应依据不同胶接对象的材料性质和使用要求来选用不同组合的胶接剂：

1）工作温度：不同构成的胶接剂的耐热范围是有较大差别的。其选用原则是在确定选用某类型胶接剂时，所选用胶接剂的耐热温度不能低于零件的工作温度；对于需胶接的工件处于冷热交变的工作环境，而所需粘接的材质在性能方面又有较大差异时，通常选用高强度、韧性好的胶接剂，同时还应对粘接的两零件进行表面处理。

2）胶接材料：不同类型的胶接材料对胶接后的零件强度有一定影响。对于胶接金属构件来说，由于结构件自身强度就较高，所以在选用胶接剂时应选用强度高的胶接剂；由于金属与胶接剂的膨胀系数不同，且变化范围较大，因此在选择胶接剂时应选用韧性高的胶接剂，可缓解胶接面的应力集中。

3）受力条件：对于受力构件，通常选用粘接强度高、固化后硬度高的胶接剂；用于工艺定位且受力不大的工件，原则上选择通用型的胶接剂即可满足使用要求。

2.2胶接原理

为使被胶接的物体获取优良的胶接性能，使胶接剂与被胶接物体间达到最佳粘附强度，必须对胶接剂与被胶接物间如何能牢固地结合成一体进行研究。经查阅相关资料获悉：目前还没有完整的理论对其予以阐述，而在工程应用中通常采用吸附理论指导实际操作。该理论表述，固体表面有范德华力的作用，即胶接剂在固化过程中会吸附周围环境中的液体和气体，将胶接剂与被胶接物牢固接成一体。从浸润角度分析，粘接就是把被胶接的两种相同或不同材质的物体通过胶接剂的作用使两物体紧密地接触，并通过胶接剂内部分子间的相互作用使得两物体构成为一体，这时液态的胶接剂易于浸润被胶接的物体表面，从而获取高强度的粘接力。需特别指出的是：为使液态胶接剂能完全浸润被胶接的固体物质，必须满足一定的热力学条件，即周围环境温度，是否对被胶接物体施压等，例如在被胶接的固体平面上滴一滴液体，平面上除受重力外，还存在表面张力以及周围环境温度的作用。此时处于平衡状态的方程为：，式中为接触角；为固体表面张力；为液体表面张力；为固体与液体间的界面张力。当接触角为零时，，则液体能在固体表面自动展开。这就是扩展浸润的热力学条件。因为固体表面或多或少都有些粗糙，当＜90°时，从热力学角度讲表面粗糙将有利于浸润；当＞90°时，表面粗糙不利于浸润。因而在热力学平衡时均能完全浸润被胶接物的表面[1]。

3胶接工艺

3.1表面处理

依据实际使用工况，胶接接头在工作过程中的受力情况是很复杂的，为确保胶接后零部件上胶接面的性能，通常在胶接前进行表面与涂胶处理。

表面处理一般采用的方式是：对工件需胶接的表面进行脱脂处理，其目的是除去表面油脂、机械杂质等物质，通常是用有机溶液擦洗或用有机溶液蒸汽清洗，如清洗的零件数量较多时，可采用碱液脱脂。视情况不同，胶接前被胶接的工件表面还需进行机械处理或化学处理。

机械处理常用的操作工艺是用砂纸打磨或喷砂等方法，目的是获取均匀、平整且表面粗糙的胶接面，以增大其有效胶接面，但需注意的是：表面过于粗糙会使胶层断裂，易被溶剂、水分和腐蚀介质侵蚀，从而降低胶接强度。

化学处理是通过化学药品的作用使金属表面的油污分解或溶解而去除；也可对金属表面进行腐蚀、氧化等，从而获得新的氧化层表面。化学处理一般适用于结构复杂、公差要求高的金属部件。

3.2涂胶处理[2]

涂胶处理是针对工件的大小适中的零件，常用的方法是用刷子、刮板、滚轴和涂胶机涂胶。试验表明，涂胶时的胶层厚度对其承载力有较大影响，胶层加厚，承载能力降低。由于多数胶含有溶剂，涂胶后需在一定温度下晾置一段时间，使胶中的溶剂挥发，否则残留的溶剂在固化过程中会使胶缝内产生气泡，降低胶液强度。晾置好的胶接件即可进行胶合装配，并施以一定的压力使其固化。为清除胶接件在加压或加热固化时所形成的内应力，在固化完毕卸压后，应在常温下自然放置一段时间，特别是对形状复杂和容易变形的胶接件更需补充这步工序，作用是以释放因固化时加压、加热造成的胶接接头面内的应力，同时可固化胶接件的形状和尺寸。

4特点及结语

综上所述，胶接技术与焊、铆等工艺相比，具有以下特点：

a）整个胶接面均能承受载荷，应力分布均匀，无焊、铆等工艺连接后出现的应力集中；

b）胶接工艺温度低，可避免对敏感部位，如零件突变处的影响；

c）工件胶接后具有密封性能，由于胶接剂通常都为电绝缘体，故能防止金属件发生电化学腐蚀；

d）胶接剂能对不同种类或类型的材料进行连接，如相同和不同材料间，金属及非金属材料均能可靠连接，即能对异型、复杂和面积大的构件进行连接，也适合薄型、微型构件的连接；

e）相对焊、铆等工艺，胶接结构重量轻，表面光滑美观[3]。

随着科学技术的飞速发展，国内已研发出多品种的新型胶粘剂，同时各种类型胶接剂的胶接方式及工艺也在不断改进，胶接技术已渗透到各行各业，特别是在海洋工程方面，胶接技术的独特使用性能使其应用前景更加宽广。

参考文献：

[1]王寿民.机床热态特性分析与计算[M].石家庄：河北工业学院出版社，1986

[2]周伟.导电橡胶按键物理性能检验及质量控制[J].特种橡胶制品，1997（18），5

[3]梁允奇.机械制造中的传热与热变形基础[M].北京：机械工业出版社，1982

作者简介：

尚小波，男，湖北广水人，1986年5月出生。三峡大学（函授）机械设计制造及其自动化专业毕业。2009年7月至今，在中国船舶重工集团有限公司第七一〇研究所装备制造中心工作。