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粘接技术在轨道客车上的应用

发表时间：2021/5/13 来源：《城市建设》2021年4月作者：1许鹏 2邢海英

[导读] 随着动车组技术的发展，传统的焊接技术不能完全满足动车组制造要求，胶粘连接是一种连续性的连接技术，特别是复合材料与金属材料的连接越来越多的使用粘接结构，粘接结构的胶层内部应力分布较为均匀，不易产生应力集中，疲劳强度高，尤其对于异质材料的连接，胶粘连接方式有明显的优势。

1中车长春轨道客车股份有限公司 1许鹏
2国家轨道客车工程研究中心 2邢海英 130062

摘要：随着动车组技术的发展，传统的焊接技术不能完全满足动车组制造要求，胶粘连接是一种连续性的连接技术，特别是复合材料与金属材料的连接越来越多的使用粘接结构，粘接结构的胶层内部应力分布较为均匀，不易产生应力集中，疲劳强度高，尤其对于异质材料的连接，胶粘连接方式有明显的优势。
关键词：动车组；粘接；异质材料；
中图分类号：U266.2     文献标识码：B
        0 引言
        一直以来，在铁路客车的制造过程中，工匠们都习惯了用钉子、螺栓、焊接等紧固方式来进行不同材料之间的安装和固定。这种传统的连接材料的方式，工序复杂，在施工过程中需使用电钻、钉子、扳手等工具，施工不便，耗费工时，同时穿孔过程还会产生粉尘和噪音污染，安装材料表面产生钉眼，影响美观。而且钉子、螺栓等金属件容易腐蚀，导致连接件松动甚至断裂，造成安全隐患及人身危害。胶粘结构提供了更好的材料连接和固定方式。
        胶粘连接是一种连续性的连接技术，胶层内部应力分布较为均匀，不易产生应力集中，疲劳强度高，尤其对于异质材料的连接，胶粘连接方式有明显的优势。
        1粘接结构特点
        目前，复合材料与金属常用的连接方式主要有机械连接、胶接连接以及混合连接。机械连接工艺简单，连接可靠，方便维修，但连接处的开孔使得复合材料应力集中严重，难以充分发挥其优势承载性能，且金属材料与复合材料接触易产生电化学腐蚀。复合材料胶接连接作为一种连接效率较高，同时又能够均匀传递应力，使增强纤维发挥其最大性能的连接方式，其应用日益广泛。
        2复合材料/金属胶接连接特点
        2.1次弯曲效应
        采用搭接型式的胶接接头，不管是双搭接还是单搭接，其加载中心与几何中心均不重叠，所以都具有次弯曲效应，这是由其加载方式决定的。
        胶接接头承载时，加载中心偏离几何中心。在受拉伸载荷时，由于载荷中心线与胶层几何中心线不重合，在连接处产生附加弯矩，引起次弯曲效应。这种次弯曲效应使得胶层承受剪切力的同时还承受垂直与胶层平面的剥离应力，劣化胶层的受力状态，降低接头承载能力。
        通过仿真分析，次弯曲量峰值出现在搭接区域端部，且次弯曲效应影响着剥离应力的分布，次弯曲量大的区域其剥离应力也较为集中。而复合材料层合板的次弯曲与其弯曲刚度相关，弯曲刚度越大的层合板其次弯曲量越小。即可以通过增大复合材料层合板的弯曲刚度减少次弯曲量，从而减少剥离应力，提高复合材料层合板的承载能力。
        2.2刚度和热膨胀系数的差异
        复合材料与金属胶接连接的刚度与热膨胀系数的不匹配性有多个方面，既指金属与复合材料之间的不匹配性，也指胶层与被粘合物之间的不匹配性。胶层的固化温度通常高于室温，固话完成后，温度降至室温时其固话热收缩会引起残余应力。
        2.3载荷通过材料表面剪力传递
        胶接结构中外载荷通过被粘合物表面传递给胶层，这种载荷传递方式直接影响接头的失效方式。复合材料/金属胶接接头承受拉伸载荷时，通常胶层端部由于应力集中首先发生破坏，进而发生裂纹扩展导致整体的破坏。
        2.4提高复合材料/金属胶接结构承载能力的途径
        2.4.1增大搭接长度和宽度
        在其他条件不变的情况下，增大搭接长度或者宽度，是提高街头整体承载性能的有效方法。如图1，搭接长度的增大使街头能承受的拉伸载荷逐渐变大，胶层破坏时的平均剪切应力随之降低。
随着搭接长度的增加，接头强度增大，接头的实效模式会由胶层失效向层合板失效转变，搭接长度增大，胶层中的剪切应力最小值会逐渐减小；当搭接长度增大到20mm后，则影响较小，最大承载载荷趋于平缓。增加搭接长度，在提高接头承载能力的同时，也使接头的受力不均匀程度增加，剪切应力平均值降低。

图1：接头失效载荷与搭接长度关系
        2.4.2选择合适的胶粘剂
        胶粘剂是决定接头强度的关键因素，其粘附力和本征强度直接决定着接头的强度。而胶粘剂的本征强度直接体现为胶层发生剪切破坏的强度，为了提高胶接的效果，选择合适的胶粘剂十分关键。胶粘剂的选择需要考虑载荷类型、被粘合物和使用环境，包括温度和湿度等因素。通常，胶粘剂的剪切强度低于金属和复合材料等被粘合物的剪切强度。然而，当粘接面积较大时，胶粘剂也能提供较大的承载能力，使得金属发生塑性变形或者复合材料发生破坏。为此，在接头设计时应尽可能使胶层承受剪切应力，最大限度发挥胶层的剪切承载性能，避免或减小胶层剥离应力的产生。
        2.4.3表面处理
        表面处理的目的主要是提高胶粘剂与被粘合物间的粘接强度，避免发生界面脱粘破坏，从而达到提高接头强度的目的。对于金属与复合材料胶接结构，表面处理通常包括以下两种方式，一是通过机械打磨或化学刻蚀等手段增大表面粗糙度，二是通过偶联剂处理等方式使得胶粘剂与被粘合物间形成更强的化学键。
        2.4.4预置胶瘤
        胶瘤是胶层在被粘合物之间粘合时被挤到区域末端的部分。胶瘤的存在能够有效降低应力的峰值，减缓胶层和被粘合物间的应力集中，从而起到提高接头强度的作用。
        通过分析不同形状的胶瘤与无胶瘤的接头在x方向正应力、y方向的剥离应力以及剪切应力进行对比发现，如下图所示的弧形胶瘤降低应力的效果最好，能够减低87%的剥离应力和60%的剪切应力。
        2.4.5被粘合物末端斜削
        合理设计被粘合物的形状等几何特征，能减少搭接区域的应力突变，减缓应力集中的程度。对被粘合物粘接末端进行如下图的斜削处理能够有效降低应力峰值，提高接头强度。
研究表明，内斜削相对外斜削更为有效。外斜削在斜削长度与层合板厚度比值超过5，模量比较小时，降低接头应力的作用才较为明显。而内斜削则对斜削长度和模量比依赖较小，能使剪切应力和主应力峰值转移到胶层内靠近斜削另一端的位置，使其主应力最大值降低了25%，从而缓解端部的应力集中，提高接头的承载能力。
        3.粘接结构典型实例
        检查门金属件固定工艺：头车裙板检查门产品生产工艺为手糊玻璃钢成型工艺，按照工艺要求使用结构胶粘剂AO420进行金属件粘接，粘接完成后表面糊毡提高粘接强度。

4结论
目前，复合材料与金属常用的连接方式主要有机械连接、胶接连接以及混合连接。机械连接工艺简单，连接可靠，方便维修，但连接处的开孔使得复合材料应力集中严重，难以充分发挥其优势承载性能，且金属材料与复合材料接触易产生电化学腐蚀。复合材料胶接连接作为一种连接效率较高，同时又能够均匀传递应力，使增强纤维发挥其最大性能的连接方式，其应用日益广泛。
参考文献：
[1]张卫华. 高速列车顶层设计指标研究[J]. 铁道学报，2012.
[2]魏明楠. 粘接件胶层厚度对粘接强度影响的试验研究科学技术创新，2018.