門頭道密封用3M壓敏膠粘帶脫膠分析

賈 妮 ， 陳曉鋒 ， 呂均益 ， 柳 寧 ， 趙艷青 ， 魏恒永

（上汽大眾汽車有限公司長沙分公司，長沙 410132）

0 引言

丙烯酸泡棉膠帶是以高密度泡棉為基材，丙烯酸為背膠設(shè)計，因其優(yōu)異的粘接強(qiáng)度和良好的密封性能，在汽車上廣泛應(yīng)用[1]；相比于傳統(tǒng)的鉚接、焊接、螺栓等連接方式，它能有效地避免在車身上打孔，減低車身銹蝕的風(fēng)險和加工工時[2]。車門頭道密封條則是裝配在汽車車門并與門框密封條配合使用，可以增加車門與車身間的密封作用，從而起到隔音、減震、防塵、防水的作用，在中高檔車型上使用越來越普遍[3-4]。車門頭道密封條與車身的粘接普遍使用丙烯酸泡棉壓敏膠[5]，這種粘接方式可拆卸且靈活性大，可以填補(bǔ)零件與車身的形面差，從而對于拐角彎折位置也可以做到有效粘接。目前頭道密封條的安裝考慮到人工成本的節(jié)約及質(zhì)量的穩(wěn)定性，大部分已從人工滾壓安裝方式改用設(shè)備自動安裝，使用較多的設(shè)備有Grohmann及Thyssenkrupp。新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備的引入大大提高了生產(chǎn)效率，但同時也帶來了粘接質(zhì)量不穩(wěn)定、易導(dǎo)致脫膠的問題[6]。因此，非常有必要研究這類問題產(chǎn)生的根本原因，并從理論上確認(rèn)工藝改善方向，最終使此類脫膠問題得以解決并得到穩(wěn)定控制。

1 故障分析

車門頭道密封條是使用3M公司的丙烯酸泡棉壓敏膠ST1200與車門板金進(jìn)行粘接，整車下線后，檢查發(fā)現(xiàn)膠帶與車身表面發(fā)生界面粘合破壞[6]，肉眼沒有觀察到有殘膠留在車門油漆表面。由圖1看出：第一，脫膠主要發(fā)生在鎖扣板區(qū)域（圖1a）和底部區(qū)域（圖1b）；第二，膠面光亮，無明顯受壓后產(chǎn)生的變形，無污染（圖1c）。

圖 1 脫膠頭道密封條Fig.1 Degumming door sealing

對失效件測試其剝離強(qiáng)度，確認(rèn)零件本身質(zhì)量狀態(tài)；對新狀態(tài)零件測試其剝離強(qiáng)度，研究作用時間對剝離強(qiáng)度的影響，剝離強(qiáng)度測試標(biāo)準(zhǔn)為DIN 1464[7]，使用Zwick 2010拉力機(jī)，粘接時使用自動滾輪對膠面進(jìn)行滾壓。使用Kruss MSA型表面張力儀研究粘合部件表面能[8]對剝離強(qiáng)度的影響。結(jié)合白光掃描[9]及泡管壓縮力研究外部剪切對剝離強(qiáng)度的影響，泡管壓縮力使用Zwick 2010拉力機(jī)和專用工裝進(jìn)行測量，測試標(biāo)準(zhǔn)參照PV3364。使用Texscan的I-Scan系統(tǒng)[10]測試粘合面壓力大小與分布，研究壓力對壓敏膠剝離強(qiáng)度的影響。

圖 2 失效零件剝離強(qiáng)度測試曲線（膠帶寬度8.5 mm）Fig.2 Peeling force test curve for failure part, the width of the tape is 8.5 mm

2 分析結(jié)果與討論

2.1 失效零件剝離強(qiáng)度測試

選擇脫膠區(qū)域的失效零件，截取光亮、無明顯壓痕及污染部分200～300 mm，再次粘貼在平面油漆板上進(jìn)行試驗。失效零件在80 ℃下加熱2 h后，冷卻至室溫測試其剝離強(qiáng)度，最終測得剝離強(qiáng)度為22.0 N/cm（圖2）。脫開形式主要是以界面粘合破壞為主，兼具部分內(nèi)聚破壞[11]。結(jié)果表明，即使在進(jìn)行二次粘合的情況下，該丙烯酸泡棉壓敏膠也能滿足標(biāo)準(zhǔn)20 N/cm的要求，表現(xiàn)出良好的粘接性能。

2.2 膠帶與粘合部件作用時間對剝離強(qiáng)度的影響

選取新狀態(tài)零件進(jìn)行剝離強(qiáng)度測試，在實驗中保持滾壓力、滾壓速度、清潔方式等因素一致，膠帶與粘合表面作用時間為變量，對與標(biāo)準(zhǔn)板粘合不同時間的膠帶進(jìn)行剝離強(qiáng)度測試，結(jié)果如圖3所示。由圖可知，20 min后剝離強(qiáng)度達(dá)到28.7 N/cm，說明ST1200具有優(yōu)越的初粘力；40 min后基本趨于穩(wěn)定，且膠帶從泡棉層撕裂，殘膠均勻分布于板金和部件兩側(cè)。按照目前該主機(jī)廠總裝車間實際生產(chǎn)工藝40臺/h的產(chǎn)量，從完成密封條安裝到密封條受到側(cè)框外板剪切力，相隔27個工位，期間相隔時間為41 min，能夠保證泡棉膠帶粘接力趨于穩(wěn)定。

圖 3 反應(yīng)時間對粘接力的影響Fig.3 Effect of reaction time on peeling force

2.3 粘合部件表面能及清潔

膠粘劑對被粘基材的粘接過程是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，綜合了潤濕吸附、配位作用、化學(xué)反應(yīng)、分子擴(kuò)散和機(jī)械互鎖等形式的粘接過程[12]。膠帶在粘合部件表面充分浸潤是保證有效粘接的重要因素，空腔注蠟為該品牌車型特有的防腐工藝，車門板金由于門檻飾條定位孔的存在，特別是在車門底部，容易被溢蠟污染。對不同狀態(tài)密封條粘合面表面能及膠帶剝離強(qiáng)度進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表1。

表 1 表面清潔對表面能[8]及剝離強(qiáng)度的影響Table 1 Effect of cleaning and surface energy on peeling force[8]

由表1可以看到：蠟霧的存在明顯降低粘合面表面能，特別是極性組分，由初始態(tài)的5.03 mN/m降低至0.28 mN/m，不滿足標(biāo)準(zhǔn)中不低于4.00 mN/m的要求。同時，蠟霧的存在也明顯影響膠帶的剝離力，由初始態(tài)35.1 N/cm降低至16.3 N/cm，但該蠟霧可以被異丙醇清潔，清潔后的表面基本可以回復(fù)到初始狀態(tài)。所以，為了避免蠟霧對粘接性能的影響，建議在進(jìn)行頭道密封條的施工前先對粘合面使用異丙醇進(jìn)行清潔。

2.4 鈑金尺寸及密封條壓縮負(fù)荷分析

頭道密封條通過泡棉膠ST1200粘合在門內(nèi)板上[2]，當(dāng)車門關(guān)閉時，頭道密封條泡管作用在側(cè)框外板上形成整車的頭道密封。門鈑金為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的曲面，不同位置（見圖4）泡管受力情況不同，使用內(nèi)窺鏡觀察門關(guān)閉狀態(tài)下密封條泡管受壓情況，如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)：位置C處泡管擠壓嚴(yán)重，開口向上翻開，剪切力Fx較大，而正向壓力Fy較小，對比位置D處泡管受壓情況，泡管變形小，開口向下閉合，剪切力Fx較小，而正向壓力Fy較大。特別是當(dāng)門內(nèi)板與側(cè)框外板間隙變小或密封條壓縮負(fù)荷變大時，此時膠帶受到的剪切力將會隨之變大，當(dāng)車門長期在該狀態(tài)下閉合時，均會產(chǎn)生脫膠風(fēng)險。

圖 4 不同位置受力分析Fig.4 Force analysis for different location

圖 5 車門內(nèi)板與側(cè)框外板間隙Fig.5 Gap between the door and outer frame

對門內(nèi)板和側(cè)框外板進(jìn)行白光掃描[7]，數(shù)據(jù)合成間隙，如圖4所示。結(jié)果表明，位置C區(qū)域門板尺寸超差，要求±1.0 mm，實際均低?1.0 mm，間隙偏小。同時，對膠區(qū)域密封條在門關(guān)閉條件下，其壓縮程度更大，受到更強(qiáng)的切剪力，不利于粘結(jié)（圖 6）。

圖 6 缺陷零件壓縮負(fù)荷Fig.6 Compression force for failure part

2.5 氣壓力缸設(shè)備壓力分析

ST1200膠帶為壓敏膠，足夠的壓力傳遞到膠帶表面是保證其有效粘接的必要因素，壓力大小及分布可以通過壓敏紙或壓力傳感器來表征。相比于傳統(tǒng)的壓敏紙，美國Tekscan公司生產(chǎn)的IScan傳感器薄且柔軟，可用于曲面測試，它能更加精確地記錄每個點的數(shù)據(jù)，同時實時采集圖像供靜態(tài)或動態(tài)分析[10]。對失效位置壓力分布進(jìn)行測試，結(jié)果見圖7。結(jié)果表明，失效位置壓力均不能達(dá)到膠帶橫截面上獲得壓力100%在10 N以上、80%在20 N以上的要求，且部分位置寬度方向壓力分布不均，主要集中在內(nèi)側(cè)，這也可以充分解釋脫膠總是從內(nèi)側(cè)開始的原因。

圖 7 3M膠帶壓力分布情況Fig.7 Force distribution for 3M tape

以位置b的測試結(jié)果為例，有顏色區(qū)域為實時采集圖像，橫向代表膠帶長度方向，縱向代表膠帶寬度方向，顏色越深代表壓力越大；調(diào)整前膠帶所受壓力為15～17 N/cm2，從膠帶顏色來看，壓力分布不均勻，而經(jīng)過調(diào)整后，膠帶所受壓力能保持在20 N以上，且從膠帶顏色來看，壓力分布均勻。

2.6 整改狀態(tài)跟蹤及預(yù)防措施

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，影響脫膠的主要原因是粘接壓力不足及粘接面未得到充分清潔，密封條的壓縮力及鈑金尺寸超差為次要影響因素。優(yōu)化門板金尺寸及密封條壓縮負(fù)荷至公差范圍內(nèi)，調(diào)整設(shè)備氣壓缸保證膠帶橫截面上獲得壓力100%在10 N以上、80%在20 N以上，同時生產(chǎn)線增加粘接面清潔工藝，跟蹤項目車批量生產(chǎn)后未發(fā)現(xiàn)脫膠，脫膠問題得到解決；為保證后續(xù)批量生產(chǎn)的穩(wěn)定性，要求定期對上述參數(shù)進(jìn)行測量。

3 結(jié)論

1）脫膠的主要因素是粘接表面不夠清潔，且膠帶表面受到的壓力不夠。

2）從便捷性和有效性來考慮，建議開發(fā)浸潤效果和初粘力更好的3M壓敏膠帶,以保證后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。