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《膠粘劑用戶指南》之粘接工藝的評估二

粘接接頭的設計

針對粘接工藝進行粘接部件的設計,而不是直接照搬用於焊接或機械裝配的設計,這一點非常重要。設計粘接面時,需要考慮的問題有:

• 粘接面的幾何結構
• 膠粘劑的選擇
• 膠粘劑和被粘物的機械屬性
• 粘接接頭的應力
• 制造條件

接頭可能會承受拉伸、壓縮、剪切或剝離應力,往往是組合應力。(請參閱圖 1)。膠粘劑的抗剪切、抗壓和拉伸強度最高。而剝離和劈裂強度較差。接頭在設計上要保證負載應力將沿著膠粘劑可承受最大強度的方向。

為說明 Araldite®、Epibond®、Epocast® 或 Uralane®膠粘劑的性能, 亨斯邁先進化工材料的膠粘劑說明書提供了通過標准試驗方法得到的抗剪切強度和抗剝離強度。例如,抗剪切的標准試驗方法(ISO4587)采用了用金屬板制做的簡單搭接接頭,通常采用鋁合金,寬 25 毫米,簡單搭接尺寸 25 毫米x 12.5 毫米。室溫下平均斷裂應力視膠粘劑而異,變化範圍在 5 至 45 N/mm2 之間。在斷裂應力範圍的上端,由厚度達 1.5 毫米的鋁合金板所制成的接頭會屈服或在金屬中斷裂。(簡單搭接接頭只是不同類型粘合接頭中的一種)。

 

簡單搭接粘接面的斷裂負載與其寬度而不是與簡單搭接長度成正比。雖然斷裂負載隨著簡單搭接長度的增加而增大,但平均斷裂應力會降低。在“簡單搭接接頭”中介紹了一種確定簡單搭接最佳尺寸的方法。尺寸的確定(第 10 頁)。接頭的強度是負載所形成的應力集中的復雜函數。由薄金屬片制作的簡單搭接粘接頭中,有兩類應力:剪切應力和剝離應力。剪切和剝離應力均沿粘接面的長度方向應力變化,應力集中在末端。另一種粘接面設計如圖 4 所示,其中這幾種應力分布比較均勻。結果是接頭的強度增大。

接頭的耐久性

接頭的耐久性(長期性能)取決於膠粘劑和被粘接材料的屬性。

膠粘劑會受到高溫、強溶劑或水的影響。接頭的耐久性還取決於這些因素對被連接材料的影響。總而言之,它取決於粘接時粘接表面的狀況。 如果表面完全干淨且對膠粘劑具有良好的親合力,便達到了最佳效果。因此表面預處理就顯得非常重要。表面狀態不良通常會導致較低的初始強度和較低的耐久性。接頭膠粘劑層越厚則初始強度越低。(請參閱圖 10)。對於大多數膠粘劑而言,通過加熱來完成固化會一同改善初始強度和耐久性。用戶必須判斷這些必要因素的控制水平,使接頭滿足預期的工作要求。在許多應用場合中,通過簡單方法控制表面控制(或預處理),粘接層厚度和固化時間,也就獲得了良好和足夠的耐久性。

就其本質而言,界面處的膠粘劑強度大於膠粘劑內部的內聚強度。該圖說明在這種膠粘劑中強度降低發生在 0.4 至 1.0 毫米範圍內。厚度大於 1.0 毫米時,剪切強度接近於常數。曲線的確切形狀取決於膠粘劑的特性。增韌膠粘劑在粘接層厚度較大時保持較高的數值,而膠粘劑的剛性越大,下降得越快。最佳粘接層厚度範圍為 0.1 至 0.3 毫米。粘接層厚度很小時,由於粘接表面較高點之間的接觸,使粘接面有填充不充分的風險。

粘接面可能需要承受持續負載,負載分動負載(震動)和靜負載兩種。在接頭設計中,如果剝離應力能夠最小化,則耐久性最好。采用環氧樹脂膠粘劑進行的的的疲勞試驗(用標准試驗方法),接頭為簡單搭接剪切, 經常能得的疲勞失效值為短期測量的斷裂負載的 30%. 見圖11)。

采用室溫固化環氧樹脂的簡單搭接接頭的疲勞強度,試驗標准DIN 53 285。在該實驗計劃接頭在靜負載下的失效應力是 13Mpa。圖表表明在疲勞負載條件下,接頭必須承受 106 個測試周期,應力不應高於每周期 4.1 Mpa。

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