粘接技術(shù)在城市軌道車輛上的應(yīng)用

楊 超，洪永敏

(泉州中車唐車軌道車輛有限公司，福建 泉州 362122)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著我國各地區(qū)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城市軌道(以下簡稱城軌)交通憑借其便捷、快速的特點(diǎn)也迎來了飛速的發(fā)展。截止到2017年6月底，我國開通城軌交通運(yùn)營線路的城市已達(dá)31個(gè)，累計(jì)運(yùn)營里程4 400 km，總里程領(lǐng)跑全世界。城軌車輛的零部件連接方式主要有焊接、鉚接、螺紋聯(lián)接和粘接等[1]。與傳統(tǒng)機(jī)械連接相比，粘接技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，在城軌車輛上得到廣泛運(yùn)用。

1 粘接的基本概念

粘接技術(shù)是一個(gè)非常古老的技術(shù)，從古代人類采用樹脂、生物脂肪到現(xiàn)代人類用有機(jī)膠粘劑和硅膠，都是利用了粘接的概念。粘接技術(shù)是將各種材質(zhì)、形狀、大小、厚薄、軟硬相同或不同的材料(零件)連接成為一個(gè)連續(xù)牢固穩(wěn)定整體的一種工藝方法。粘接是指用膠粘劑來連接基材，而膠粘劑是一種依靠粘附和內(nèi)聚將基材連接在一起的非金屬物質(zhì)。

膠粘劑能夠與物體牢牢地粘接在一起，除機(jī)械力、靜電力和范德華力外，主要原因是在高分子復(fù)合材料的分子中，含有氧、碳、氫及其他一些“雜原子”和“π”鍵，它們總有一個(gè)或幾個(gè)未共用電子對(duì)，而被粘接的物體D軌道上總有空軌道[2]。它們與膠粘劑中的電子能形成配位鍵，配位鍵也是一種特殊的化學(xué)鍵，具有強(qiáng)度高的特點(diǎn)，其粘接力特別強(qiáng)。再者，許多高分子化合物的分子是鏈狀的，這些小鏈子互相擰在一起，難解難分。

2 膠粘劑的選用

對(duì)于膠粘劑在城軌車輛上的應(yīng)用，應(yīng)滿足如下要求。

1)施工工藝要求。膠粘劑應(yīng)滿足車輛施工工藝要求，用于城軌車輛中噴涂了防銹底漆的鋁合金基材、不銹鋼基材、碳鋼基材、玻璃和地板布等的粘接，滿足施工對(duì)于環(huán)境溫濕度、粘接表面處理(清潔、活化等)的要求，在施工24 h后，應(yīng)具有良好的固定性能，可以進(jìn)行包括移動(dòng)車輛等其他工序。

2)功能性要求。膠粘劑應(yīng)滿足車輛在運(yùn)行過程中所需的功能性要求，應(yīng)具有良好的耐化學(xué)性能、耐紫外線性能、耐疲勞性能、防火性能、耐強(qiáng)光照性能和抗下垂性能，能夠抵抗雨水、酸液和清潔劑等材料接觸。長期使用后，粘接膠性能穩(wěn)定，不允許析出黑色液體。在一般城軌車輛30年使用年限內(nèi)，具有良好的粘接強(qiáng)度，保證連接牢固。

3)試驗(yàn)及檢驗(yàn)要求。膠粘劑固化后應(yīng)滿足客戶及使用方對(duì)于膠粘劑的各項(xiàng)檢驗(yàn)及試驗(yàn)要求，例如外觀檢測、玻璃性試驗(yàn)和拉伸剪切試驗(yàn)等。選用膠粘劑時(shí)可參考DVS1618中的剝離試驗(yàn)，實(shí)際驗(yàn)證膠粘劑與基材的粘接性能。

4)安全及環(huán)保要求。膠粘劑的選用應(yīng)符合滿足TB/T 3139—2006《機(jī)車車輛內(nèi)裝材料及室內(nèi)空氣有害物質(zhì)限量》相關(guān)要求[3]。采用符合Q/CNR J 00011—2014《軌道交通裝備產(chǎn)品禁用及限用物質(zhì)》要求的物質(zhì)[4]。在施工及使用、固化過程中，不產(chǎn)生污染環(huán)境及有害人體的物質(zhì)。

5)其他要求。膠粘劑的運(yùn)輸及存儲(chǔ)還應(yīng)考慮生產(chǎn)廠家當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境要求。

3 粘接的施工工藝

在城軌車輛運(yùn)用的粘接技術(shù)主要有車窗粘接和地板布粘接。

3.1 車窗粘接

3.1.1 膠粘劑的選擇

車輛上車窗及前擋風(fēng)玻璃結(jié)構(gòu)的粘接在DIN6701體系中是被列為A1等級(jí)接頭的具有高安全要求的粘接，如果粘接處失效，會(huì)造成人身傷害及危害行車安全，故對(duì)于車窗粘接的質(zhì)量控制尤為關(guān)鍵。車窗粘接所選用的膠粘劑應(yīng)能滿足如下要求：1)能滿足生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境溫濕度要求；2)能緩解車輛運(yùn)行時(shí)受到的外力沖擊和振動(dòng)；3)能抵御紫外線和大風(fēng)等；4)在車輛運(yùn)營所在地應(yīng)能適應(yīng)當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境變化。為了滿足上述要求，膠粘劑一般選用單組份聚氨酯[5]或改性硅烷膠。以西卡公司的Sikaflex265膠粘劑為例，它在世界上幾大知名的軌道交通裝備制造商，如西門子、阿爾斯通、龐巴迪等企業(yè)均有應(yīng)用，是一種高性能，固化后具有彈性、可填縫的單組份聚氨酯粘接膠。其通過大氣中的濕氣反應(yīng)固化形成一種永久性的彈性物質(zhì)[6]。Sikaflex265膠粘劑的技術(shù)要點(diǎn)見表1。

表1 Sikaflex265膠粘劑

3.1.2 粘接工藝

車窗粘接工藝流程為：工具及物料準(zhǔn)備→車窗樣裝→粘接表面處理(清潔、活化、涂底涂劑)→施膠→車窗固定→固化→密封→平滑膠面→質(zhì)量檢驗(yàn)。具體說明如下。

1)工具及物料準(zhǔn)備。準(zhǔn)備工具主要有膠槍(氣動(dòng)或電動(dòng))、吸盤、平尺、塞尺、刮膠刀和溫濕度計(jì)等。物料主要有膠粘劑、車窗、無紡布、平滑劑、活化劑、底涂劑和清潔劑等。根據(jù)膠粘劑的特性，至少提前12 h將物料放置到工作區(qū)域，使物料與被粘基材、現(xiàn)場環(huán)境達(dá)到同溫。

2)車窗樣裝。依據(jù)圖樣中對(duì)平面度和四周縫隙的要求，對(duì)車窗進(jìn)行樣裝，檢驗(yàn)車窗與窗框的匹配度，避免因車體結(jié)構(gòu)或車窗結(jié)構(gòu)的誤差導(dǎo)致出現(xiàn)裝配問題。

3)粘接表面處理。根據(jù)選用膠的型號(hào)，相應(yīng)使用匹配的清潔劑、活化劑和底涂劑。以Sikaflex 265膠粘劑為例，選用Sika Remove 208、Sika Activator和Sika Prime 206G+P先對(duì)車體窗框表面及玻璃粘接面依次進(jìn)行清潔和活化，前擋風(fēng)玻璃活化后還應(yīng)刷涂底涂劑。選用無毛刺無紡布進(jìn)行表面處理，以避免雜質(zhì)遺留在粘接面。清潔和活化的晾置時(shí)間為10 min～2 h，超過2 h應(yīng)重新進(jìn)行表面處理。底涂劑的晾置時(shí)間為30 min～2 h，超過2 h應(yīng)重新刷涂底涂劑，且底涂劑至多能涂2次。表面處理是為了通過粘接促進(jìn)劑獲得一種或更多的相互作用力，粘接促進(jìn)劑一端可以和玻璃上的基團(tuán)反應(yīng)(見圖1)，另一端可以和聚氨酯膠反應(yīng)，從而提高膠粘劑和基材之間的粘接力；所以，不管是何種形式的粘接，應(yīng)通過對(duì)粘接表面進(jìn)行表面處理，從而得到穩(wěn)定、可靠的粘接面。

圖1 粘接促進(jìn)劑與玻璃上的基團(tuán)反應(yīng)

4)施膠。粘接表面處理完畢后，將膠嘴切為三角形或者橢圓形，用膠槍在粘接表面打膠。打膠應(yīng)均勻、連貫，打膠量充足。直接接觸面施膠時(shí)打出的膠截面應(yīng)為三角形，是為了盡可能地保證膠層厚度一致，還可以避免膠層中混入空氣和粘接不充分的風(fēng)險(xiǎn)。如果混入空氣，則可能導(dǎo)致膠層有氣泡、鼓包。

5)車窗固定。施膠后，受溫濕度影響，應(yīng)在一定的操作時(shí)間內(nèi)完成車窗固定，否則膠逐漸固化變硬，玻璃粘接將變得困難且不易調(diào)整。在實(shí)際生產(chǎn)中，一般要求在10 min內(nèi)完成固定。Sikaflex 265的固定時(shí)間見表2。車窗固定后，應(yīng)待膠粘劑完全固化后才可移動(dòng)車輛，一般要求24 h內(nèi)不移動(dòng)車體。Sikaflex 265的固化時(shí)間見表3。

表2 Sikaflex 265的固定時(shí)間

表3 Sikaflex 265的固化時(shí)間

6)密封。待膠固化后才可進(jìn)行填縫密封。用防護(hù)膠帶對(duì)打膠位置周邊進(jìn)行防護(hù)，防護(hù)嚴(yán)密，膠帶表面平整、無褶皺，對(duì)車窗四周縫隙內(nèi)多余的膠清理后進(jìn)行活化處理，晾置后沿一個(gè)方向連續(xù)打膠，膠槍向打膠方向傾斜大約45°，膠嘴應(yīng)接觸到密封縫隙底部，徹底排除空氣。打膠應(yīng)均勻、連貫、飽滿。

7)平滑膠面。用刮膠板刮去多余的膠，刮平膠面，檢查膠面是否有雜質(zhì)、氣泡和明顯缺陷，并及時(shí)修補(bǔ)、刮平[7]。用噴壺噴淋或手蘸取平滑劑，平滑膠層表面，要求膠面平整、光滑、無缺陷。從打膠開始至平滑結(jié)束，應(yīng)在操作時(shí)間內(nèi)完成。

8)質(zhì)量檢驗(yàn)。車窗粘接完成后，對(duì)外觀進(jìn)行檢查。要求車窗表面平面度和四周縫隙尺寸合格，膠面平整、光滑、無雜質(zhì)、無氣泡和其他缺陷。

3.2 地板布粘接

3.2.1 膠粘劑的選擇

城軌車輛地板布所采用的材質(zhì)一般為PVC或者橡膠地板布[8]，車體地板多為鋁蜂窩或者不銹鋼材質(zhì)，鋪設(shè)形式分為縱向鋪設(shè)和橫向鋪設(shè)2種，拼接形式分為有縫拼接和無縫拼接2種。在城軌車輛內(nèi)裝系統(tǒng)中，地板布具有耐磨、防滑、防潮、防靜電、防火、美觀、易于清潔并耐清潔劑和化學(xué)腐蝕的特點(diǎn)，直接影響著乘客的舒適性和內(nèi)部裝飾的美觀性，對(duì)粘接的安全性影響較低，在DIN 6701體系中滿足A3等級(jí)接頭?；诘匕宀嫉氖┕ぜ熬S護(hù)特點(diǎn)，如果用于地板布的膠粘劑粘接強(qiáng)度太高，不易于維護(hù)檢修時(shí)拆卸；反之，會(huì)增加施工時(shí)地板布鼓包的風(fēng)險(xiǎn)。以選用UK 8103雙組份聚氨酯膠粘劑配合UK 5400固化劑使用為例，UK 8103是一種無溶劑、雙組份、無催化劑的聚氨酯膠粘劑，與固化劑的混合比例按質(zhì)量是5∶1，通過化學(xué)反應(yīng)而固化形成一種硬彈性物質(zhì)，固化前后體積沒有變化，具有自流平的特性，能夠使基材中的凹痕變平，適合地板布粘接的大面積粘接。UK 8103的技術(shù)特點(diǎn)見表4。

表4 UK 8103的技術(shù)特點(diǎn)

3.2.2 粘接工藝

采用縱向鋪設(shè)有縫拼接的地板布粘接流程為：工具及物料準(zhǔn)備→粘接表面預(yù)處理(除塵、清潔)→地板布樣裝→混膠→刮膠→晾膠→地板布粘接→搟壓及排出空氣→固化→質(zhì)量檢驗(yàn)。具體說明如下。

1)工具及物料準(zhǔn)備。準(zhǔn)備工具主要有溫濕度計(jì)、吸塵器、電子秤、刮膠板、軟木刮板、攪拌器、沙袋、開槽刀、鏟刀、蝴蝶片和鋼尺等。物料主要有地板布、膠粘劑(UK 8103主劑、UK 5400固化劑)、清潔劑和各種輔助材料等。根據(jù)膠粘劑的特性，至少提前12 h將物料放置到工作區(qū)域，使物料與被粘基材、現(xiàn)場環(huán)境達(dá)到同溫。

2)粘接表面預(yù)處理。對(duì)粘接表面進(jìn)行預(yù)處理，確保地板及地板布的粘接面干凈干燥，無油脂、水漬和灰塵雜質(zhì)等污染物。先用吸塵器對(duì)地板面除塵，再用無紡布蘸取異丙醇擦凈鋁地板，地板布用干燥的無紡布擦拭即可。清潔的晾置時(shí)間為10 min～2 h，超過2 h重新進(jìn)行清潔。

3)地板布樣裝。在鋁地板上測量接縫位置作為地板布鋪裝基準(zhǔn)，將3幅地板布預(yù)鋪到鋁地板上，用紙膠帶對(duì)接縫兩側(cè)分別做好防護(hù)防止粘接時(shí)溢膠。在接縫處劃線做對(duì)齊標(biāo)記，以免地板布鋪裝時(shí)發(fā)生位置偏移。使用紙膠帶將地板布接縫橫向固定，然后按照現(xiàn)車尺寸使用裁紙刀裁掉多余的地板布。裁切地板布時(shí)應(yīng)注意核查地板布位置及尺寸以免過切地板布。將一半長度的地板布卷起，露出刮膠區(qū)域，再次將地板及地板布進(jìn)行清潔。

4)混膠。先用電動(dòng)或風(fēng)動(dòng)攪拌器將UK 8103主劑攪拌均勻，再按照UK 8103主劑∶UK 5400固化劑=5∶1(質(zhì)量比)的比例將固化劑加入到主劑中，并使用攪拌器或不銹鋼攪拌棒攪拌均勻至混合物顏色一致。

5)刮膠。用A2刮膠板將膠粘劑均勻地刮涂到鋁地板粘接面上，不得漏涂，尤其應(yīng)注意邊緣或端頭的涂膠，確保涂膠量。由于膠粘劑置于空氣中會(huì)和水分子產(chǎn)生反應(yīng)，產(chǎn)生氣泡和變稠的現(xiàn)象，故一般要求在混膠后20 min內(nèi)完成刮膠。

6)晾膠。刮膠完成后需要晾置一定時(shí)間再鋪裝，但不能超過膠的開放時(shí)間。UK 8103膠粘劑的開放時(shí)間隨溫濕度的升高而縮短，對(duì)于夏季(溫度約30 ℃)，從混膠開始計(jì)時(shí)大約40 min鋪裝地板布；對(duì)于冬季(溫度<18 ℃)，從混膠開始計(jì)時(shí)大約100 min鋪裝地板布；在室溫(約23 ℃)情況下，從混膠開始計(jì)時(shí)大約70 min鋪裝地板布。

7)地板布粘接。均勻緩慢地推放地板布，利用卷起地板布的自重壓平地板布，接縫處的標(biāo)記線調(diào)整地板布位置。再按照上述方法鋪裝兩側(cè)幅地板布，注意調(diào)整與中間幅地板布的接縫，確保接縫平齊。鋪裝完成后，將中間幅與兩側(cè)幅地板布用膠帶固定，防止發(fā)生相對(duì)位移。

8)搟壓及排出空氣。鋪裝完成后要在粘接力形成前進(jìn)行2遍搟壓，使用軟木刮板從地板布的中間位置向外側(cè)依次搟壓，趕出基材與膠面之間的殘留氣體，使其與膠粘劑充分接觸、無虛粘。第1遍搟壓是邊鋪裝邊搟壓，第2遍搟壓在接近3 h(從膠混合后開始計(jì)算時(shí)間)時(shí)進(jìn)行，此時(shí)膠已經(jīng)產(chǎn)生一定的初始強(qiáng)度，通過搟壓使虛粘的地板布與地板粘實(shí)。

9)固化。為了保證粘接效果，在固化過程中應(yīng)保持接觸面有一定壓力。在實(shí)際生產(chǎn)中一般采用沙袋或壓塊壓固，尤其注意接縫、門口、端頭地板布應(yīng)均勻壓實(shí)，保證基材與膠粘劑充分接觸，防止內(nèi)部出現(xiàn)空鼓或翹邊。地板布粘接12 h內(nèi)不允許移動(dòng)車體及車內(nèi)的其他作業(yè)，以保證達(dá)到足夠的粘合強(qiáng)度。

10)質(zhì)量檢驗(yàn)。對(duì)地板布鋪裝效果進(jìn)行檢驗(yàn)，確保地板布鋪裝平整、牢固，無鼓包、翹邊、凹坑、劃傷等缺陷。

4 城軌車輛粘接技術(shù)的利與弊

粘接技術(shù)的優(yōu)勢如下。

1)設(shè)計(jì)自由。可以實(shí)現(xiàn)不同材料之間的連接，能適應(yīng)城軌車輛上鋁合金、碳鋼、不銹鋼、玻璃鋼材料與玻璃、地板布之間的連接，在設(shè)計(jì)、材料選擇和制造工藝方面有更多選擇。

2)破壞性小。與鉚接、螺栓聯(lián)接相比，不會(huì)因打孔而造成基材損傷；沒有焊接的放熱影響，保持了材料的原始特性。

3)應(yīng)力分布均勻。焊接和鉚接易造成局部應(yīng)力集中，而粘接能均勻分布應(yīng)力，保持材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，受力將垂直轉(zhuǎn)移到復(fù)合方向，材料強(qiáng)度的利用能達(dá)到極限。

4)減振降噪。車輛運(yùn)行過程中因承載變形和熱漲冷縮等原因車窗和車體之間會(huì)產(chǎn)生一定程度的位移，彈性粘接可以抵消基材的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)減振降噪。

粘接技術(shù)的局限性如下。

1)技術(shù)局限。包括：a.粘接件的長期穩(wěn)定性受膠粘劑的老化機(jī)理限制；b.根據(jù)膠的固化原理，粘接件達(dá)到粘接強(qiáng)度需要一定的時(shí)間；c.相比機(jī)械連接，使用粘接的零部件進(jìn)行檢修時(shí)相對(duì)困難，需采用破壞性手段拆卸。

2)環(huán)境局限。膠粘劑的性能受到環(huán)境的影響，一般要求在一定溫濕度范圍內(nèi)存儲(chǔ)、運(yùn)輸、施工，生產(chǎn)單位應(yīng)對(duì)含硅的物質(zhì)進(jìn)行識(shí)別并消除，處于高溫高濕地區(qū)的生產(chǎn)單位還應(yīng)采購相應(yīng)設(shè)備控制溫濕度。

3)質(zhì)量控制局限。粘接部位的粘接質(zhì)量難以通過非破壞性的方法來進(jìn)行整體檢查和監(jiān)測，因此無法通過最終外觀檢驗(yàn)得以驗(yàn)證；故控制粘接質(zhì)量的關(guān)鍵在于加強(qiáng)工藝質(zhì)量管理，即生產(chǎn)前和生產(chǎn)過程中需要有特殊的監(jiān)控和程序文件，員工應(yīng)獲得包括特殊工藝在內(nèi)的額外的職業(yè)技術(shù)能力。保證粘接工藝質(zhì)量的關(guān)鍵在于加強(qiáng)全面工藝質(zhì)量管理，控制影響粘接質(zhì)量的所有因素，其中包括：a.粘接環(huán)境條件控制(溫度、濕度和含塵量等)；b.膠粘劑質(zhì)量控制(復(fù)驗(yàn)、存儲(chǔ)及使用管理等)；c.測量儀器及設(shè)備控制(溫度、濕度和壓力儀表等)；d.粘接工序控制(表面處理、施膠、施工時(shí)間和固化時(shí)間等)；e.粘接人員控制(培訓(xùn)、自互檢等)。

5 結(jié)語

本文介紹了城軌車輛上所運(yùn)用的粘接技術(shù)在車輛組裝階段的應(yīng)用，以及膠粘劑的選用原則，施膠及密封工藝，闡述了粘接技術(shù)在車輛上應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)，為粘接質(zhì)量的控制提供了參考。隨著粘接技術(shù)和膠粘劑的創(chuàng)新和發(fā)展，在國家大力發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)背景下，粘接技術(shù)在城軌車輛上的應(yīng)用將迎來更大的機(jī)遇。