一種鋼-鉛-環(huán)氧樹脂粘接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究

江 暉，徐東鳴，宋志坤

JIANG Hui1 , XU Dong-min2 , SONG Zhi-kun2

（1.中國工程物理研究院總體工程研究所，綿陽 621999；2.中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，綿陽 621999）

0 引言

多層粘接結(jié)構(gòu)在物理試驗(yàn)、航空航天等領(lǐng)域中已得到廣泛的應(yīng)用，其中環(huán)氧樹脂膠粘劑在結(jié)構(gòu)膠中占有突出的地位，常用于對各種金屬材料及非金屬材料的粘接、修復(fù)和加固等[1]。

本文以一種鋼-鉛-環(huán)氧樹脂粘接結(jié)構(gòu)為模型，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS Workbench，模擬膠層受到環(huán)境熱沖擊，獲得膠層強(qiáng)度應(yīng)力分布圖。通過設(shè)計(jì)粘接接頭，對相應(yīng)膠種強(qiáng)度進(jìn)行測定、對比，得出該粘接結(jié)構(gòu)易發(fā)生脫粘的區(qū)域。最后采用J-200-1D膠和金屬鑲嵌塊連接兩種優(yōu)化方法，解決該種粘接結(jié)構(gòu)可靠性差的難題。

1 模型分析

1.1 結(jié)構(gòu)分析

圖1 鋼-鉛-環(huán)氧樹脂粘接結(jié)構(gòu)

如圖1所示，研究對象由鉛殼、鋼殼及0.2mm厚膠層粘接而成，材料分別為鉛合金、45#鋼及膠粘劑。膠粘劑采用雙組分環(huán)氧樹脂膠，重量比為E51環(huán)氧樹脂:793胺固化劑=100:（28～30）。在重力及環(huán)境熱沖擊（-20℃～40℃）作用下，受以下三點(diǎn)影響，膠層可能出現(xiàn)脫粘、斷裂現(xiàn)象。

環(huán)氧樹脂膠粘劑具有粘接強(qiáng)度高，一般剪切強(qiáng)度為15MPa～25MPa，具有電絕緣性能優(yōu)良、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。而未經(jīng)改性的環(huán)氧樹脂膠粘劑具有脆性大等缺點(diǎn)[2]。

鉛合金較軟，是一種難粘接金屬，粘附力比一般金屬差。

環(huán)氧樹脂膠的線膨脹系數(shù)大于金屬材料，容易在膠層界面處產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致破壞。

1.2 有限元模型建立

鉛合金、45#鋼及環(huán)氧樹脂膠粘劑的主要物理常數(shù)和力學(xué)性能如表1所示，計(jì)算得出鋼殼重量約0.9kg、鉛殼重量約為0.5kg，膠層寬度為4mm，膠粘面積約為1100mm2。整個實(shí)體模型主要采用六面體單元劃分，在膠層接觸面上采用1mm網(wǎng)格密度，這樣對分析更為有利。網(wǎng)格劃分后，得到模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)為16828個，模型總單元數(shù)為4003個。

表1 各材料主要物理參數(shù)和力學(xué)性能

研究模型僅受到重力及環(huán)境熱影響，按圖1所示重力方向，對模型施加重力，初始環(huán)境溫度設(shè)置為-20℃，在時間1h內(nèi)逐步提升至40℃。由于鋼殼底部與其他部件進(jìn)行螺紋聯(lián)接，因此需對其底部進(jìn)行固定約束。

1.3 仿真計(jì)算結(jié)果

經(jīng)仿真計(jì)算后，環(huán)氧樹脂膠層的正應(yīng)力圖和剪應(yīng)力圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 膠層正應(yīng)力圖

由圖2可見，膠層最大正應(yīng)力為12.658MPa，在膠層六處直邊均出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖3 膠層剪應(yīng)力圖

由圖3可見，膠層最大剪應(yīng)力為22.83MPa，在膠層兩處直邊及局部弧邊處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

根據(jù)上述分析結(jié)果可以得出，在膠層邊緣處，均出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，尤其在膠層直邊處最明顯。如果粘接用的E51環(huán)氧樹脂膠粘劑的強(qiáng)度低于或者接近分析得出的正應(yīng)力值及剪應(yīng)力值，一旦受到外界不穩(wěn)定因素影響，如振動、沖擊、膠層老化等，則鉛殼與鋼殼之間容易出現(xiàn)脫粘、跌落現(xiàn)象。因此需設(shè)計(jì)鋼-鉛粘接接頭，對E51環(huán)氧樹脂膠粘劑進(jìn)行強(qiáng)度測定。

2 膠層強(qiáng)度測試試驗(yàn)

2.1 粘接接頭設(shè)計(jì)

因?yàn)殂U合金較軟，如果按《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度測定方法（標(biāo)準(zhǔn)號：GB/T 7124-2008）》、《膠粘劑對接接頭拉伸強(qiáng)度的測定（標(biāo)準(zhǔn)號：GB/T 6329-1996）》以及《膠粘劑高溫拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)方法（標(biāo)準(zhǔn)號GJB 445-1988）》等要求，做成鋼-鉛搭接結(jié)構(gòu)，其中鉛片在強(qiáng)度測定時會因夾具的夾持和拉伸而變形，降低測定膠層試樣強(qiáng)度的精確度。因此采用鋼-鉛-鋼搭接結(jié)構(gòu)，兩端的夾具都夾在鋼接頭上，鋼接頭不會出現(xiàn)夾持變形等問題，從而不會影響試樣剪切強(qiáng)度的測定精度。本文中自行設(shè)計(jì)的粘接接頭方式，即如圖4所示的膠層剪切強(qiáng)度接頭和圖7所示的拉伸強(qiáng)度接頭。兩種接頭的鋼件均采用45#鋼，夾持端為Φ15mm圓柱。剪切強(qiáng)度接頭中鉛片為長方體，厚度5mm，膠粘面積為320mm2。拉伸強(qiáng)度接頭中鉛片為圓形，厚度2mm，膠粘面積為314mm2。此外，每組試驗(yàn)用的接頭個數(shù)不應(yīng)少于五個，并足以提供五個有效試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 膠層剪切強(qiáng)度接頭

2.2 試驗(yàn)過程

膠液配制時，按重量比將稱好的E51環(huán)氧樹脂倒入燒杯內(nèi)，一邊添加793胺固化劑一邊攪拌，添加完固化劑后攪拌均勻。在環(huán)境溫度20℃～25℃范圍下，膠液配制好15min后方可使用。粘接前用丙酮清洗鋼接頭與鉛片的被粘接表面，待丙酮揮發(fā)干凈后再在粘接表面上涂膠。涂膠方式采取“刮片式”，膠層厚度控制為0.2mm。將已涂膠的鋼-鉛-鋼粘接件壓緊、固化，固化時間分別為30天和60天。為了模擬真實(shí)環(huán)境溫度和膠層老化情況，應(yīng)將接頭全部置于自然環(huán)境下進(jìn)行熱沖擊。

在膠層強(qiáng)度測定時，試驗(yàn)環(huán)境按GB/T 2918推薦的在（23±2）℃和（50±5）%相對溫濕度下進(jìn)行。把試樣對稱地固定在拉力機(jī)夾持器上，開動拉力機(jī)，試樣需在（60±20）s內(nèi)破壞。記錄破壞時的最大作用力作為試樣的破壞載荷，即可換算出膠層拉伸強(qiáng)度及剪切強(qiáng)度。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5 拉伸強(qiáng)度

圖6 剪切強(qiáng)度

圖7 膠層拉伸強(qiáng)度接頭及破壞形貌

圖5、圖6分別為膠層拉伸強(qiáng)度及剪切強(qiáng)度，其均值分別約為17MPa和13MPa，剪切強(qiáng)度略低于拉伸強(qiáng)度。在60天內(nèi)，固化天數(shù)對于膠層強(qiáng)度影響不明顯。常見的膠粘劑主要破壞類型有三種類型[3]：膠粘劑的內(nèi)聚破壞、膠粘劑與接頭界面之間的粘附破壞、靠近接頭和膠粘劑界面處的接頭內(nèi)聚破壞。由圖7拉伸強(qiáng)度接頭破壞形貌可以看出，約85%的膠層留在鉛片上，10%在鋼接頭上，5%脫落。破壞類型以環(huán)氧樹脂膠層的界面破壞為主，內(nèi)聚破壞（膠層斷裂）為次。結(jié)合膠層應(yīng)力圖2、圖3來看，膠層兩處直邊的剪應(yīng)力超出剪切強(qiáng)度試驗(yàn)均值13MPa，因而此處膠層最易發(fā)生脫粘、斷裂現(xiàn)象。因此可采取兩種方法提高該模型結(jié)構(gòu)的可靠性，第一種方法是采用一種粘接強(qiáng)度更高的膠種，另外一種是解決六處膠層直邊的應(yīng)力集中問題。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 優(yōu)選膠種

針對鋼-鉛-環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)粘接強(qiáng)度較低缺點(diǎn)，經(jīng)過調(diào)研，引入耐溫性能較好、粘接強(qiáng)度更高，且便于操作的J-200-1D常溫固化環(huán)氧樹脂膠。經(jīng)過膠層強(qiáng)度測試，其拉伸強(qiáng)度及剪切強(qiáng)度如圖8所示，強(qiáng)度基本維持在25MPa以上，滿足模型結(jié)構(gòu)要求。

圖8 J-200-1D膠強(qiáng)度

3.2 金屬鑲嵌塊粘接加固

圖9 加固后膠層正應(yīng)力圖

圖10 加固后膠層剪應(yīng)力圖

為了提高膠層的可靠性及承載能力，需要對粘接結(jié)構(gòu)采取必要的加固措施，鑲嵌加固是有效的方法之一[5]。針對六處膠層直邊的應(yīng)力集中問題，在此處采用金屬鑲嵌塊粘接加固方式，雖然產(chǎn)生膠層的不連續(xù)性，但提高了搭接區(qū)域膠層的承載能力，改變了膠層邊緣處應(yīng)力集中分布。金屬鑲嵌塊材料為45#鋼，膠粘劑仍采用E51環(huán)氧樹脂。圖9、圖10反映的是在金屬鑲嵌塊粘接作用下，膠層正應(yīng)力及剪應(yīng)力分布云圖，其最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力降低至7.04MPa和7.45MPa，約等于膠層強(qiáng)度測試試驗(yàn)均值的一半。同時可以明顯看出，易發(fā)生脫粘的膠層直邊處應(yīng)力集中現(xiàn)象得到有效改善。因此通過金屬鑲嵌塊粘接加固，可以有效提高模型結(jié)構(gòu)的可靠性。

4 結(jié)論

1）運(yùn)用ANSYS Workbench有限元分析并結(jié)合E51環(huán)氧樹脂膠粘劑強(qiáng)度測試試驗(yàn)，指出膠層直邊邊緣處為易發(fā)生脫粘區(qū)域，該粘接結(jié)構(gòu)可靠性較差。

2）J-200-1D膠粘劑在鋼和鉛兩種金屬材料粘接方面，其粘接強(qiáng)度、耐熱性均優(yōu)于E51環(huán)氧樹脂膠粘劑。

3）采用金屬鑲嵌塊對應(yīng)力集中區(qū)域的膠層進(jìn)行粘接加固，在不改變膠種的情況下，可有效提高粘接結(jié)構(gòu)的可靠性。

[1]馬長福.簡明粘接技術(shù)手冊[M].上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2012.

[2]張玉龍.粘接技術(shù)手冊[M].中國輕工業(yè)出版社,2001.

[3]楊強(qiáng)等.環(huán)氧樹脂鋼鉛鋼粘接工藝優(yōu)化程度評價方法[J].材料科學(xué)與工藝,2007,15(6):839-843.

[4]孫明明,等.J-200-1D室溫固化環(huán)氧樹脂膠粘劑的研制[J].粘接,2005,26(2):4-6.

[5]朱定鋒,等.含鑲嵌塊單搭接接頭應(yīng)力分布的數(shù)值分析[J].粘接,2009,08:53-55.