簡單搭接接頭粘接面尺寸的確定

簡單搭接粘接頭的剪切強度(圖 12)取決於金屬、膠粘劑特性、金屬的厚度以及搭接面積。

在給定所需的負載和要使用的金屬和膠粘劑的情況下，能夠預知：

1. 給定厚度的金屬的最佳搭接長度。

2. 給定搭接長度的最佳金屬厚度。

該搭接長度和厚度可根據一組試驗數據的結果圖迅速確定。

使用不同搭接長度 (l) 和金屬厚度 (t) 條件下搭接的接頭, 可測試出接頭的的剪切強度，足以畫出 t/l 與剪切強度的關系曲線。用這種方式得到的曲線如圖13 所示。

在得到的曲線上的任何特定點代表(對於用金屬和膠粘劑采用試驗方案中相同的技術要求制作的搭接接頭)該特定點的應力狀態，說明粘接面尺寸(水平軸)、膠粘劑的剪切應力(豎直軸)與金屬中的拉伸應力(從原點到該點的直線斜率)之間的關系。

最佳搭接長度 (l) 可用該圖和下式確定：τ = σ.t/l

該公式的推導 –

已知設計要求為：

P = 粘接面的單位寬度負載

t = 板厚度 (t= 如接頭由厚度不同的板材組成,采用較薄板材的厚度)

公式如下：

σ = 金屬中平均拉伸應力 =p/t

按定義：

τ = 粘接面內的平均剪切應力=p/I

替換 P 後得到：τ =σ. t/l

最佳搭接長度 (l) 按以下方法確定：

1. 由 P 和 t 計算 s。

2. 從 0 點開始在圖上畫出直線

從 σ.計出斜率用( τ/ t/ l)

3. 當直線與曲線相切時，讀出 [τ] 的值

4. 已經確定了[σ]和[τ]，並且已知t，將數值代入下式：

τ = σ.t/l

並計算最佳搭接長度 l。

偏離最佳搭接長度會降低接頭的性能。搭接長度太小會造成接頭在低於要求的負載時便發生失效，而太大則表示接頭尺寸比需要過大。

最佳板厚 (t) 按以下方法確定：

1. 由 P 和 l 計算 τ。

2. 當 t 的數值與曲線相切時，讀出數值t/l

3. 已經確定t/l 並已知 l，算最佳厚度 t。

粘接工藝須知

要成功粘接，膠粘劑必要充分塗覆於待粘接材料表面，填滿表面之間的間隙並充分固化。

對於雙組分膠粘劑而言，要求樹脂和固化劑必須正確配比並充分混合。配制好適當量的膠粘劑，塗覆到粘接區域並攤均。這兩個步驟都可借助自動化設備實現。槍式包裝的膠粘劑可使用簡便的膠槍施膠(見圖 15)。圖 16 所示為可計量、混合和塗覆雙組分環氧樹脂膠粘劑的典型容積式配比設備。使用高粘度或觸變型化合物時，計量裝置可用特殊加注泵供膠。單組分環氧樹脂膠粘劑與此相似，也可采用手動或氣動注膠槍或塗覆工具。采用適當的設備有利於設定粘接工藝的質量保證體系。

連續生產粘接工藝還需要確保待粘接表面的狀況始終相同。必須清除表面上的雜質。為了提高膠粘劑的親和力，可采用特定的表面處理方法。表面處理可以是多步驟工藝。通常包括機械打磨，但為得到最佳效果 – 需要采用化學酸蝕方法。

有時，已知表面覆蓋物（如防護油）可在粘接過程中被膠粘劑吸收 – 特殊配方的容油型愛牢達環氧樹脂膠粘劑特有這種功能。這些情況下，已知覆蓋材料決定了表面狀況。

化學反應型膠粘劑的固化或固化需要一定時間，如果采用加熱的方法，固化時間可以縮短。此外，雖然用許多種雙組分環氧樹脂膠粘劑均可在室溫下得到高強度的粘接強度(2-24小時)，提高固化溫度– 即使比室溫略高幾度 – 都會提高粘接強度。采用某些單組分環氧樹脂膠粘劑時，固化溫度可能需要達到攝氏 180 度才能獲得最佳的粘接性能。可采用以下方法提高固化溫度：

熱風烘箱：只有同時將大量部件放入烘箱或對於連續的生產線，這種方法才經濟可行。熱傳導較慢且受到部件類型和厚度的影響。也可采用紅外加熱爐。

熱壓機：可采用蒸汽或油加熱平板壓機，這種設備升溫快、易控制。該方法適用於生產大型平板件，如冷凍集中裝箱板材。

感應加熱固化：電磁場在導電型基材中可產生電流。對電流的電阻作用會產生熱量，從而加熱膠粘劑。該技術已用於需要迅速加熱和固化的場合。

組合接頭

膠粘劑可與其它連接方式結合使用，特別是與鉚接或點焊。沿粘接層分布的鉚釘或焊點不僅能在膠粘劑固化過程中起到定位和受力點的作用，而且還能增加接頭的抗剝離能力。

從其它觀點看來，與機械緊固結合後，膠粘劑可提高粘接面剛性、使應力均勻分布以及密封。膠粘劑粘接還能提高連接工藝的生產速度並降低總體噪聲。

粘接工藝的優點：

粘接是連續的：承受荷載方面，粘接區域的應力分布更均勻。避免了點焊或機械緊固連接中的應力集中問題。從而粘接的構件能夠在荷載下具有更長的使用壽命。

結構剛性更好：粘接 – 是連續的 – 產生剛性更高的結構。換句話說，如果不需要更高的剛性，則結構件的重量可以降低，同時保持所需的剛性。

改善外觀：采用粘接工藝可以獲得更為平滑的外觀設計。沒有凸出的緊固件如螺栓或鉚釘，也沒有點焊痕跡。

減少應力集中：粘接結構的安全性更高，因為減少了應力集中、降低了應力集中的嚴重度，且發生疲勞裂紋的可能性更低。粘接結構中疲勞裂紋的延伸速度比鉚接結構，甚至比機械加工表面都更為緩慢，因為粘接層有阻擋裂紋的作用。

連接敏感性材料：粘接工藝不需要高溫。適用於連接容易因銅焊或焊接所產生的熱量而發生變形或屬性變化的熱敏性材料。

復雜組裝件：無法用其它任何可行方法連接的復雜組裝件可用膠粘劑粘接。复材三明治合板就是一個典型實例。

粘合不同材料: 膠粘劑可以把各種材料連接在一起– 材料可在成分、模量、膨脹系統和厚度方面有所不同。

防腐保護：連續的粘接結合形成了密封作用。因而接頭具有防漏功能並降低了腐蝕傾向。

電絕緣：粘接結合能夠在接頭形成一個電絕緣層。

振動阻尼作用：膠粘劑粘接具有良好的阻尼特性。這有助於降低噪聲或振動。

簡便易行：粘接工藝可以一個接頭替代多個機械緊固件，或在一道工序中連接多個部件，顯著簡化了裝配過程。粘接工藝可與點焊或鉚接技術結合使用，從而改善整體結構性能。以上所有優點可轉化為經濟優勢：更佳的設計、裝配更容易、重量更輕(以較低能耗克服慣性)、使用壽命更長。

局限

耐熱性能：膠粘劑是用我們所熟知的“聚合物”、“塑料”或“合成樹脂”制成的。因此具有此類材料的局限。這些材料的強度不如金屬。(這種差距是通過增大粘接面積來彌補)。隨著溫度升高，粘接強度會降低，而且膠粘劑的應變屬性由彈性應變轉變為塑性應變。這種轉變通常發生在70 – 220°C 的溫度範圍：轉變溫度視具體膠粘劑而異。

化學穩定性：接頭對所處環境的耐受性取決於配制膠粘劑的聚合物的屬性。粘接結構如有可能接觸氧化劑、溶劑等，則選擇膠粘劑類型時必須注意。

固化時間：對於大多數膠粘劑來說，不可能像機械緊固或焊接那樣立即達到最大粘合強度。組裝好的接頭必須至少被緊固支撐一段時間，利用這段時間逐漸達到粘合強度。粘接過程中，粘接質量可能會因膠粘劑對粘合面潤濕不充分而受到影響。

工藝控制：要確保最終達到良好的效果，需要對不熟悉的工藝控制進行設定。粘接不良往往是無法糾正的。

維修：粘接好的部件在維修時不容易拆卸。

現代膠粘劑：種類與主要性能

現代膠粘劑是按使用方法或化學品類型分類的。強度最高的膠粘劑通過化學反應形成固化。強度較低的則以某種物理變化進行固化。當今工業領域所應用的主要類型如下。

厭氧型：厭氧型膠粘劑在接觸金屬並隔絕空氣時，例如螺栓擰緊時發生固化。通常稱作“鎖緊劑”或“密封劑”，用於緊固、密封和鎖定螺栓或類似的高精度部件。這種膠粘劑由被稱為丙烯酸樹脂的合成樹脂制成。在固化過程中，厭氧膠粘劑沒有填充縫隙的能力，但具有較快固化速度的優點。

氰基丙烯酸酯膠粘劑：一種特殊類型的丙烯酸樹脂- 氰基丙烯酸酯膠粘劑，它通過與待粘接

氰基丙烯酸酯膠粘劑：一種特殊類型的丙烯酸樹脂- 氰基丙烯酸酯膠粘劑，它通過與待粘接表面所含水分發生反應達到固化。這種膠粘劑需要配合高精度的接頭。這種膠粘劑能夠在數秒內固化，適用於小型塑料零件和橡膠。氰基丙烯酸酯膠粘劑具有較小的縫隙填充能力，但能夠以液體和觸變(非流動)的形式出現。

增韌丙烯酸樹脂/甲基丙烯酸膠粘劑：一種改性丙烯酸樹脂，這種膠粘劑屬快速固化型，具有較高的強度和韌性。這種雙組分(樹脂和催化劑)膠粘劑通常在塗覆前調配，但也有特種膠粘劑，兩種組分分開塗覆，樹脂塗覆到一個粘接面，催化劑塗覆到另一表面。這種膠粘劑對表面處理要求不高，並可粘接廣泛的材料。該產品系列有寬闊的固化速度，有液體和膏狀等形態，能夠填充最大 5 毫米的間隙。

紫外線固化膠粘劑：特殊改性的丙烯酸和環氧膠粘劑，可在紫外線照射下迅速固化。丙烯酸樹脂 UV膠粘劑在紫外線照射下以極快的速度固化，但基材要求可透射紫外線。紫外線引發的環氧膠粘劑可在閉合接頭前進行照射，在室溫幾小時內固化，也可加溫固化。

環氧樹脂膠粘劑：環氧樹脂類膠粘劑由環氧樹脂加固化劑組成。由於有許多種類的樹脂和固化劑，其配方是千變萬化的。這種膠粘劑可與大多數材料形成緊固耐久的粘接面。 環氧樹脂類膠粘劑有單組分、雙組分兩種形式，能夠以流動性液體、高觸變型產品（間隙填充能力達 25 毫米）或薄膜的形式供應。

聚氨酯膠粘劑：聚氨酯膠粘劑通常為單組分潮氣固化型，也可為雙組分。它可產生強回彈性接頭面，具抗衝擊性。該產品適用於粘接 GRP (玻璃鋼) 和一些熱塑性塑料，固化速度範圍較廣，能夠以液體/膏狀的形式供應，間隙填充性可高達 25 毫米。

改性酚醛膠粘劑：第一種用於金屬的膠粘劑，長久以來，改性酚醛樹脂膠粘劑成功用於金屬與金屬、金屬與木材以及金屬與剎車套的牢固連接。改性酚醛樹脂膠粘劑在固化過程中需要熱壓力。

上述膠粘劑是通過化學反應固化的。強度較低但工業上較為重要的是膠粘劑類型有：

熱熔膠粘劑：與最古老的一種膠粘劑－密封蠟有關，當今工業用熱熔型膠粘劑是由現代聚合物制成的。熱熔型膠粘劑用於快速裝配及輕微負載的結構。

塑料溶膠：塑料熔膠膠粘劑是改性 PVC 分散體，需要加熱固化。形成的粘接面往往具有回彈性和韌性。

橡膠膠粘劑：橡膠膠粘劑用膠乳溶液漿制成，通過失去溶劑或水來實現固化。不適用於持續負載的結構。

聚乙酸乙烯酯膠粘劑(PVAs)：乙酸乙烯酯是 PVA 乳膠的主要成分。適用於粘接多孔材料，如紙張或木材和一般包裝件。

壓敏膠粘劑：適用於粘接膠帶和標簽，壓敏膠粘劑並不固化，但往往能適應於惡劣環境。不適於持續負載的結構。

沒有一家公司能提供全部類型的膠粘劑。各家供應商專業化生產特定類型的膠粘劑。