基于電氣自動化裝備的各種不同膠接接頭粘接性能研究

doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.015

摘 要：以6005A鋁合金為基材，采用硅烷聚氨酯膠粘劑制備了對接接頭、搭接接頭和不同角度的嵌接接頭，并對啞鈴型膠粘劑試樣進行了力學性能測試。結果表明，當溫度從-40 ℃升高至80 ℃時，不同溫度下對接接頭、搭接接頭和嵌接接頭的平均失效強度都呈現(xiàn)逐漸減小的特征;在溫度60 ℃及以下時，膠粘劑搭接接頭的強度要高于對接接頭。將對接接頭和搭接接頭相比，在溫度-40～80 ℃時，搭接接頭的斷裂能高于對接接頭；從不同角度接頭的斷裂能分析，15°接頭在不同溫度下都具有相對較高的斷裂能，且此時的斷裂能要明顯高于對接接頭和搭接接頭。

關鍵詞：電氣自動化；聚氨酯膠粘劑；鋁合金基材；接頭；強度

中圖分類號：TQ433.4⁺32" " " "文獻標志碼：A" " " "文章編號：1001-5922（2024）02-0054-04

Research on the bonding performance of various adhesive joints based on electrical automation equipment

GAO Fang，LIU Hui

（Hubei University of Technology Hubei Province Power Grid Intelligent Control and Equipment Engineering Technology Research Center，Wuhan 430068，China）

Abstract：Using 6005A aluminum alloy as the base material，butt joints，lap joints and embedded joints at different angles were prepared using silane polyurethane adhesive，and the mechanical properties of dumbbell type adhesive samples were tested.The results showed that when the temperature increased from -40 ℃ to 80 ℃，the average failure strength of butt joints，lap joints and embedded joints showed a gradual decrease at different temperatures.At temperatures of 60 ℃ and below，the strength of adhesive lap joints was higher than that of butt joints.Comparing the butt joint with the lap joint，the fracture energy of the lap joint was higher than that of the butt joint at the temperature of -40 ℃ to 80 ℃.The fracture energy of the 15° joint had relatively high breaking energy at different temperatures，and the breaking energy of the 15° joint was significantly higher than that of the butt joint and the lap joint at this time.

Key words：electrical automation;polyurethane adhesive;aluminum alloy substrate;joint;strength

由于電氣自動化中不同裝備、不同部件或多或少都需要膠粘劑進行粘接^[1]。膠粘劑自身的強度和可靠性變得尤為重要，這主要是因為如果服役過程中膠接接頭發(fā)生失效將會造成整個部件或者裝備失效^[2-4]，嚴重情況下還會造成事故性災難。因此，有必要進行基于電氣自動化膠接接頭的研究，找出合適的接頭方式，優(yōu)化膠接工藝，最大限度保障足夠的強度和可靠性^[5-8]。研究以6005A鋁合金為基材，基于電氣自動化采用硅烷聚氨酯膠粘劑制備了對接接頭、搭接接頭和不同角度的嵌接接頭，對比分析了不同方式的膠接接頭的強度、剛度和斷裂能的變化，結果將有助于基于電氣自動化的膠粘劑的開發(fā)以及接頭工藝優(yōu)化。

1"試驗材料與方法

1.1"試驗材料

試驗材料包括硅烷聚氨酯膠粘劑和6005A鋁合金，其中膠粘劑的密度為1.41×10³ kg/m³、楊氏模量4.29 MPa、泊松比0.43;6005A鋁合金的密度為2.73×10³ kg/m³、楊氏模量71 200 MPa、泊松比0.32。

1.2"試樣制備

圖1為基于電氣自動化的對接接頭和搭接接頭示意圖，膠層厚度控制為1 mm、粘接面積為25 mm×25 mm。 此外，設計了不同角度的嵌接接頭試樣^[9-11]，膠粘劑厚度也有1 mm。此外，參照NF ISO 527—2標準，采用模壓技術制備了膠粘劑啞鈴型試樣^[12]。

1.3"測試方法

采用INSTRON 5500型萬能材料試驗機對對接接頭、搭接接頭和不同角度接頭進行拉伸試樣，拉伸速率為1 mm/min，結果取5組平行試樣的平均值，并記錄應力-應變曲線。

2"結果與討論

2.1"啞鈴型試樣

圖2為不同溫度下膠粘劑試樣的應力-應變曲線，分別列出了膠粘劑試樣在-40、25和80 ℃時的應力隨著應變的變化曲線。

由圖2可知，隨著應變的增加，3種不同溫度下膠粘劑試樣的應力都呈現(xiàn)先逐漸升高，在到達峰值應力后快速下降的趨勢；在到達峰值應力前，在相同應變條件下，膠粘劑試樣的應力呈現(xiàn)梯度分布特征，且應力從大至小順序依次為：-40 ℃、25 ℃、80 ℃，膠粘劑試樣在-40 ℃時的應力最大，其次為25 ℃，而80 ℃時膠粘劑試樣的應力最小。這主要與膠粘劑自身的玻璃化轉變溫度有關^[13]。整體而言，膠粘劑試樣在相同應變下的應力會隨著溫度的升高而降低。

表1為不同溫度下膠粘劑的拉伸強度、楊氏模量和失效應變測試結果。

由表1可知，在較低的溫度下（-40 ℃），膠粘劑試樣的拉伸強度、楊氏模量和失效應變分別為6.61、11.91 MPa和5.31 με；當溫度為25 ℃時，膠粘劑試樣的拉伸強度、楊氏模量和失效應變分別為3.52、5.10 MPa和4.30 με；當溫度為80 ℃時，膠粘劑試樣的拉伸強度、楊氏模量和失效應變分別為2.18、3.01 MPa 和3.83 με?？梢姡S著溫度的升高，膠粘劑的拉伸強度從6.61 MPa逐漸減小至2.18 MPa，楊氏模量從11.91 MPa逐漸減小至3.01 MPa，失效應變從5.31 "με逐漸減小至3.83 με。

2.2"接頭強度

圖3為膠粘劑搭接接頭和對接接頭的平均失效強度與溫度關系曲線。

由圖3可知，當溫度從-40 ℃升高至80 ℃時，不同溫度下搭接接頭和對接接頭的平均失效強度都呈現(xiàn)逐漸減小的特征，在溫度60 ℃及以下時，膠粘劑搭接接頭的強度要高于對接接頭。在溫度為-40～80 ℃時，溫度越低則對應膠粘劑搭接接頭和對接接頭的平均失效強度越高；當溫度為-40 ℃時，搭接接頭的平均失效強度要相對25 ℃時高出28.79%；而溫度高于25 ℃時，膠粘劑搭接接頭和對接接頭的強度會降低，且溫度為80 ℃時搭接接頭平均失效強度相較25 ℃時下降27.03%。與搭接接頭相同的是，對接接頭在-40 ℃時的平均失效強度也相較25 ℃時高于27.71%；而80 ℃時的平均失效強度相較25 ℃時減小20.11%。

拉伸剪切作用下嵌接接頭的平均失效強度與溫度的變化關系如圖4所示，分別列出15°、30°、45°、60°和75°嵌接接頭的平均失效強度隨著溫度的變化。

由圖4可知，隨著溫度從從-40 ℃升高至80 ℃時，不同溫度下嵌接接頭的平均失效強度整體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。這主要是因為聚氨酯膠粘劑具有較低的玻璃化轉變溫度，在低溫下膠粘劑試樣能夠保持較好的韌性和強度，而如果溫度升高拉伸剪切作用下嵌接接頭的強度會受溫度變化影響^[14]，且表現(xiàn)為溫度越高，嵌接接頭強度越低的特征。此外，從接頭角度來看，45°接頭在低溫下具有相對較高的嵌接接頭平均失效強度。

圖5為不同溫度和粘接角度下膠粘劑接頭的剛度變化。

由圖5可知，隨著粘接角度從0增加至90°，膠粘劑接頭的剛度整體呈現(xiàn)先減小后升高的趨勢；在相同粘接角度下，隨著溫度從-40 ℃升高至80 ℃，膠粘劑接頭的剛度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。這主要是因為基于電氣自動化的聚氨酯膠粘劑具有較低的玻璃化轉變溫度，在低溫下膠粘劑試樣能夠保持較好的韌性和強度^[15]。

圖6為不同溫度下膠粘劑接頭的斷裂能結果，分別列出了對接接頭、不同角度接頭和搭接接頭的斷裂能。

由圖6可知，將對接接頭和搭接接頭相比，在溫度-40～80 ℃時，搭接接頭的斷裂能高于對接接頭；從不同角度接頭的斷裂能上看，15°接頭在不同溫度下都具有相對較高的斷裂能，且此時的斷裂能要明顯高于對接接頭和搭接接頭。對比分析可知，對于相同膠粘劑接頭，溫度越高則膠粘劑接頭的斷裂能越小，在-40 ℃時對接接頭、不同角度接頭和搭接接頭的斷裂能都取得最大值，這主要是因為聚氨酯膠粘劑具有較低的玻璃化轉變溫度，在低溫下膠粘劑試樣能夠保持較好的韌性和強度^[16]，相應地具有較高的斷裂能。

3"結語

（1）在到達峰值應力前，在相同應變條件下，膠粘劑試樣的應力呈現(xiàn)梯度分布特征，且應力從大至小順序依次為：-40 ℃、25 ℃、80 ℃，基于電氣自動化的膠粘劑試樣在-40 ℃時的應力最大，其次為25 ℃，而80 ℃時膠粘劑試樣的應力最小;

（2）當溫度從-40 ℃升高至80 ℃時，不同溫度下搭接接頭和對接接頭的平均失效強度都呈現(xiàn)逐漸減小的特征，在溫度60 ℃及以下時，膠粘劑搭接接頭的強度都要高于對接接頭;

（3）將對接接頭和搭接接頭相比，在溫度-40 ～80 ℃時，搭接接頭的斷裂能高于對接接頭；從不同角度接頭的斷裂能上看，15°接頭在不同溫度下都具有相對較高的斷裂能，且此時的斷裂能要明顯高于對接接頭和搭接接頭。

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收稿日期：2023-09-12；修回日期：2023-12-14

作者簡介：高"放（1998-），男，在讀碩士研究生，研究方向：智能制造、電氣自動化等;E-mail：gaofw120@21cn.com。

引文格式：高"放，劉"輝.基于電氣自動化裝備的各種不同膠接接頭粘接性能研究[J].粘接，2024，51（2）：54-57.