地鐵車輛粘接失效原因分析及預(yù)防措施

趙世紅，馮新穎，張 猛，楊 警，宗 艷

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031）

粘接技術(shù)因具有操作簡(jiǎn)便、適用范圍較廣、密封防腐性能較好、隔音降噪以及應(yīng)力分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于軌道交通車輛生產(chǎn)中。但是，粘接是特殊過(guò)程，一旦粘接失效，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果，特別是類似側(cè)窗的結(jié)構(gòu)粘接。本研究例舉地鐵車輛粘接的常見(jiàn)破壞模式、分析了失效原因并提出了預(yù)防措施。

1 粘接的破壞模式

粘接就是使用膠粘劑連接不同基材。其中，粘接強(qiáng)度的大小與膠粘劑的分子結(jié)構(gòu)和被粘基材的表面結(jié)構(gòu)以及相互之間的作用有關(guān)。當(dāng)粘接的膠粘劑強(qiáng)度較大時(shí)，超過(guò)基材強(qiáng)度，就會(huì)發(fā)生基材斷裂（如圖1-1所示）；只有當(dāng)膠粘劑與基材黏附較好且膠粘劑選型合適時(shí)，在一定載荷作用下粘接才會(huì)發(fā)生內(nèi)聚破壞（如圖1-2所示）；當(dāng)基材和膠粘劑不能發(fā)生良好的潤(rùn)濕和粘接時(shí)，就會(huì)發(fā)生黏附破壞（如圖1-3～5所示）。

圖1 -5 5種粘接的破壞模式Fig.1 Five adhesion failure modes

2 粘接失效原因分析

軌道車輛粘接中常見(jiàn)粘接失效的案例：有地板布起泡、蜂窩板起鼓、車輛漏水、側(cè)窗松動(dòng)和廣告框脫落等等。影響粘接失效的原因有很多，但主要有以下幾個(gè)方面的原因。

2.1 基材材質(zhì)選型問(wèn)題

膠粘劑要和基材發(fā)生良好的黏附作用，必須要形成良好的接觸面。形成接觸面的先決條件是膠粘劑在基材表面能產(chǎn)生良好的潤(rùn)濕，即基材的表面能遠(yuǎn)高于膠粘劑的表面能。如果在選型時(shí)，基材的表面能較低，那么基材的粘接性能就會(huì)變差，容易產(chǎn)生黏附破壞。表1為不同基材的表面張力。

表1 不同基材的表面張力Tab.1 Surface tension of different substrates

2.2 膠粘劑選型問(wèn)題

在同一基材的情況下，選擇的膠粘劑表面能太大或膠粘劑黏度太高，與基材接觸的面積就會(huì)減少，產(chǎn)生的機(jī)械作用力、物理作用力和化學(xué)鍵都會(huì)減少，因此不容易對(duì)基材形成良好的潤(rùn)濕性，從而會(huì)發(fā)生黏附破壞。

2.3 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)問(wèn)題

高性能的膠粘劑、高表面能的基材，如果設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理，也容易造成粘接失效，如地鐵車輛側(cè)窗粘接到車體后四周需進(jìn)行密封，如果密封區(qū)域太深，密封膠無(wú)法填實(shí)，密封劑與粘接接頭之間會(huì)產(chǎn)生氣泡，就容易造成粘接失效（如圖2所示）。

圖2 粘接、密封設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structural design of bonding and sealing

2.4 工藝問(wèn)題

2.4.1 施工環(huán)境問(wèn)題

粘接要達(dá)到設(shè)計(jì)理論強(qiáng)度，必須要讓膠粘劑在清潔可控的環(huán)境下完全固化。當(dāng)溫度較高時(shí)，膠粘劑固化較快，可操作時(shí)間較短，如果在可操作時(shí)間外進(jìn)行粘接，膠粘劑已經(jīng)開(kāi)始固化，接頭強(qiáng)度就會(huì)降低，粘接容易失效；當(dāng)濕度較大時(shí)，基材表面容易形成冷凝水，膠粘劑粘接不是與基材發(fā)生反應(yīng)，而是與水發(fā)生反應(yīng)，容易導(dǎo)致黏附破壞，從而造成粘接失效。當(dāng)溫度、濕度較低時(shí)，膠粘劑固化較慢，車輛倒運(yùn)容易引起振動(dòng)，從而使粘接失效。

2.4.2 基材表面處理問(wèn)題

基材表面太光滑，膠粘劑與基材接觸面積減少，發(fā)生機(jī)械鎖固作用力就會(huì)變小，當(dāng)受到外力作用時(shí)容易發(fā)生黏附破壞。當(dāng)基材表面有污染物（如指紋、水跡、油脂和硅等），與膠粘劑發(fā)生作用的不是粘接基材，而是基材表面的污染物，因此也容易發(fā)生黏附破壞。另外，對(duì)高黏度的膠粘劑而言，基材表面處理粗糙度過(guò)高，導(dǎo)致膠粘劑不能較好地接觸到基材本體，也容易產(chǎn)生黏附破壞。

2.4.3 膠粘劑管控問(wèn)題

軌道交通車輛使用的膠粘劑種類繁多，但任何一種膠粘劑都有適用期（可操作時(shí)間）要求，膠粘劑在適用期內(nèi)具有活性，可以進(jìn)行粘接。超過(guò)適用期，膠粘劑表面已經(jīng)結(jié)皮或固化，與基材表面就不能形成良好的潤(rùn)濕，從而導(dǎo)致黏附破壞。另外，雙組分膠粘劑如果配比錯(cuò)誤，粘接接頭的強(qiáng)度也會(huì)降低，從而使粘接失效。

2.4.4 底涂、活化劑晾干時(shí)間問(wèn)題

為了達(dá)到良好的粘接，一些膠粘劑會(huì)選擇配套的小分子活化劑進(jìn)行底涂，以加強(qiáng)膠粘劑的粘接強(qiáng)度。這些活化劑具有良好的潤(rùn)濕性和滲透性，能與基材產(chǎn)生良好的接觸，從而提高粘接強(qiáng)度。但活化劑如果涂抹過(guò)厚或未完全干燥就進(jìn)行粘接，很容易會(huì)發(fā)生黏附破壞。因?yàn)榈淄康哪Ａ窟h(yuǎn)遠(yuǎn)高于膠粘劑的模量，底涂過(guò)厚，由于模量較大，硬度較高，在外力作用下，底涂容易和基材發(fā)生脫落，從而導(dǎo)致黏附破壞。

2.4.5 粘接尺寸問(wèn)題

粘接尺寸對(duì)粘接強(qiáng)度影響尤為重要。膠條高度不符合要求，會(huì)導(dǎo)致吻接現(xiàn)象（實(shí)際膠條和基材未形成微觀接觸）；膠條寬度不夠，從而導(dǎo)致粘接強(qiáng)度不能滿足要求，在車輛使用過(guò)程中，會(huì)受外力或環(huán)境因素使粘接失效。圖3為玻璃粘接失效圖。

圖3 玻璃粘接失效Fig.3 Adhesion failure of glass

2.5 運(yùn)行環(huán)境因素

環(huán)境因素是影響粘接質(zhì)量的關(guān)鍵因素，主要有自然因素和人為因素。其中，自然因素有海水、酸雨、油污的接觸、霉菌、大氣中各種工業(yè)排放物（酸堿）以及紫外線等的侵蝕；人為因素主要是使用不當(dāng)?shù)那鍧崉┻M(jìn)行清洗車輛。膠粘劑是高分子長(zhǎng)鏈聚合物，聚合物互相纏繞產(chǎn)生許多孔隙，外界介質(zhì)較容易滲透到粘接膠層內(nèi)部。膠粘劑本體內(nèi)部發(fā)生的滲透也會(huì)改變分子間的作用力，或者發(fā)生化學(xué)反應(yīng)改變分子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變分子間的作用力。這種作用通常導(dǎo)致膠粘劑內(nèi)聚強(qiáng)度下降，耐久性降低。另外，粘接劑在紫外線長(zhǎng)期照射下，粘接樹(shù)脂的不飽和結(jié)構(gòu)亦會(huì)發(fā)生氧化甚至化學(xué)鍵斷裂，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，粘接失效。

3 粘接失效預(yù)防措施

粘接是一種無(wú)法完全檢驗(yàn)其結(jié)果的過(guò)程。由于粘接工藝的特殊性，膠層可能存在的隱性問(wèn)題只有在粘接結(jié)束后較長(zhǎng)一段時(shí)間才能顯現(xiàn)，所以要在項(xiàng)目開(kāi)始前進(jìn)行工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證各項(xiàng)工藝參數(shù)能否滿足要求后才能進(jìn)行正式生產(chǎn)。在生產(chǎn)過(guò)程中也要加強(qiáng)粘接過(guò)程地控制，每道工序?qū)嵭凶詸z與專檢，確保所制定的工藝參數(shù)得以實(shí)施。

（1）基材材質(zhì)選型問(wèn)題的預(yù)防措施

在粘接設(shè)計(jì)階段，選擇表面能較大的基材，如鋁合金、鋼和玻璃等；如果客戶需要選用特殊材質(zhì)，則需采用合適的表面處理，如選用配套底涂劑或活化劑等。

（2）膠粘劑選型問(wèn)題的預(yù)防措施

根據(jù)粘接接頭等級(jí)、使用工況等選用合適的膠粘劑。聚氨酯膠粘劑有一定的柔韌性、強(qiáng)度和易維修性，可用于玻璃粘接和車體密封；環(huán)氧膠強(qiáng)度較高，耐介質(zhì)性較好，可用于結(jié)構(gòu)件粘接；氰基丙烯酸強(qiáng)度較高，但耐介質(zhì)性較差，可用做臨時(shí)固定。

（3）工藝問(wèn)題的預(yù)防措施

因工藝問(wèn)題導(dǎo)致粘接失效的因素較多，如施工環(huán)境、基材表面處理和固化時(shí)間等，因此，在項(xiàng)目生產(chǎn)前需進(jìn)行工藝驗(yàn)證。根據(jù)選用的基材和膠粘劑，按照工藝規(guī)定的參數(shù)制作剪切試片。在23 ℃、50%RH環(huán)境下固化7 d后，按照GB/T 7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定（剛性材料對(duì)剛性材料）》的標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試，以驗(yàn)證各項(xiàng)工藝參數(shù)的合理性。

（4）設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)問(wèn)題的預(yù)防措施

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)師應(yīng)避免膠層中斷或粘接、密封膠層間有縫隙等缺陷。在工藝性審查階段，工藝師重點(diǎn)應(yīng)關(guān)注粘接尺寸、粘接結(jié)構(gòu)的合理性和工藝的可實(shí)施性。

（5）運(yùn)行環(huán)境因素的預(yù)防措施

車外粘接件在車輛運(yùn)行過(guò)程中會(huì)遇到光照、濕熱和鹽霧等外界介質(zhì)影響。因此，在車輛生產(chǎn)前，根據(jù)粘接接頭等級(jí)和環(huán)境要求制作粘接樣件進(jìn)行老化試驗(yàn)，以驗(yàn)證膠粘劑的各項(xiàng)性能。按照GB/T 7124—2008標(biāo)準(zhǔn)要求制作剪切試片，在23 ℃、50%RH環(huán)境下固化7 d后，濕熱老化試驗(yàn)按照DVS 1618—2002《Elastisches Dickschichtkleben Im Schienenfahrzeugbau》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行，鹽霧試驗(yàn)按照ISO 9227—2017《 Corrosion tests in artificial atmospheres— Salt spray tests(Revised)》標(biāo)準(zhǔn)要求老化1 000 h，光照按照GB/T 14522—2008《機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品用塑料、涂料、橡膠材料人工氣候老化試驗(yàn)方法熒光紫外燈》標(biāo)準(zhǔn)附錄C中“暴露類型7”進(jìn)行老化試驗(yàn)，測(cè)試?yán)匣蟮膹?qiáng)度，當(dāng)滿足設(shè)計(jì)計(jì)算強(qiáng)度要求時(shí)，才可以正式生產(chǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著膠粘劑新品種的不斷出現(xiàn)及新材料的發(fā)展，膠粘技術(shù)已得到了廣泛應(yīng)用。為此，必須在生產(chǎn)上要嚴(yán)控粘接過(guò)程，保證粘接質(zhì)量，這樣才能發(fā)揮粘接的最佳性能，充分體現(xiàn)粘接技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。