飞机金属结构胶接

❖ 胶接强度与很多因素有关系，想一想有哪些？
胶接接头的内应力分布
❖ 影响胶接头强度的因素
❖ 工艺条件
❖ 胶粘剂
v 含有极性基团的粘料的胶粘剂同时具有很强的内聚强度和粘附 强度；结晶度大的粘料内聚强度大，但粘附力差。
v 粘料的相对分子质量合理，太大润湿性差，太小内聚强度差； v 增塑剂、填料和溶剂 v 胶粘剂储存期
❖ 固化压力，可以改善胶接表面贴合质量，有利于润 湿作用；挤出空气和水分等杂质；
❖ 升温速率及降温速率，合理控制胶粘剂反应速度； 较小接头的内应力和制件变形。
❖ 胶接内应力对胶接强度和耐久性影响很大；
❖ 胶接内应力的来源有三：
❖ 固化时胶粘剂体积收缩产生的收缩应力；
❖ 胶粘剂和被粘物的热膨胀系数不同在温度变化时产 生的热应力；
（2）静电理论
❖ 当固体与固体、固体与液体、液体与液体之间无扩散而密切 接触时，两者的界面张力笑道接近于零，这两个相相互吸引 导致两相之间形成一体并处于稳定的静电结合状态；
❖ 静电理论认为胶粘剂和被粘物表面就是形成了这种静电结合 状态；
❖ 1953年提出的双电层理论认为在胶接接头中存在双电层，胶 接力主要来自双电层的静电应力，双电层存在于不同相内的 荷电粒子由于两相性质差异引起的转移而形成的。
❖ 干燥环境下构件破坏较慢，潮湿环境则相反，在应力-潮湿 联合作用下破坏更快；
❖ 引起胶接部位破坏的因素包括：
❖ 水或潮湿环境 水通过胶粘剂迅速扩展，引起胶层膨胀 变形产生内应力，并导致强度或其他性能下降，水还 可能引起某些树脂材料降解，水有可能与金属/金属氧 化膜发生发生水合作用，进而引起金属腐蚀。
➢ 磁场 聚合物的分子在某方向上可能发生取向排列，因此可在不给变体积 和重量的前提下通过施加磁场提高胶接强度。
➢ 接头形式和尺寸 对胶接强度影响很大，例如搭接末端削斜或开槽可以减 少应力集中等，后面详述。
➢ 测试条件
• 试件必须符合标准； • 加载速率 ，一般情况
下剪切强度、拉伸强 度和剥离强度随速率提高而提高，当加载速率变化较大时可能导致破坏模式的变 化；
❖ 静电理论解释了胶粘力与剥离速度的关系，但该理论不具有 普遍意义，包括静电引力对胶接强度的贡献太小，不能解释 互溶的高聚物胶接时无双电层现象等。
（3）扩散理论 ❖ 胶粘剂和被粘物分子通过相互扩散形成牢固的接头，两种具有相溶性的
高聚物相互接触时，由于分析或链段的布朗运动而扩散，在界面上互溶， 导致胶粘剂和被粘物的界面小时和过渡区的产生，从而形成牢固的接头。 ❖ 扩散理论在解释聚合物的胶接方面得到了公认，但不能解释金属、玻璃 等无机物的胶接。 （4）机械结合理论 ❖ 该理论认为液态胶粘剂充满被胶接物表面的缝隙和凹陷处，固化后在界 面区产生咬合连接或投锚效果。 ❖ 通过对木材胶接的试验和观察验证了机械结合理论； ❖ 但该理论不能解释具有光洁表面的物体之间的胶接现象。
❖ 吸附理论认为吸附引力是胶粘剂与被胶接物体的分子间距达 到10埃以下时，产生的分子间引力，即范德华力，其作用能 为：
❖ 当胶粘剂与胶接表面的极性越大，接触越紧密，吸附作用越 大。
❖ 吸附理论将胶接现象与分子间作用力联系起来，但也存在明 显不足：
❖ 不能解释胶粘剂与被胶接物体的胶接力大于本身强度的事实； ❖ 不能解释胶接力与剥离速度有关； ❖ 不能解释一些极性过大的材料胶接强度反而下降的现象；
❖ 界面层的结构与性质对接头影响巨大，包括 强度、抗裂纹扩展能力等，而且这种性质将 随物理的、力的及环境的作用和时间而变化， 也随界面层不同深度而变化。
❖ 胶接界面层的粘附力是怎么产生的呢？
胶接理论
❖ 目前还没有十分完美的理论来解释胶接强度，但从 物理、化学和机械等方面建立了一些理论。
（1）吸附理论 ❖ 胶接作用是胶粘剂分子与被胶接物分子在界面层上
➢ 内应力 内应力导致胶接强度大幅降低，容易导致界面裂纹的产生，在内 应力连续作用下，界面裂纹或缺陷或慢慢发展直至破坏。
❖ 胶接接头设计
❖ 接头形式对胶接强度影响很大，在设计中主要考虑 受力情况和强度要求。
❖ 在飞机结构中，有些接头不宜采用胶接接头；
❖ 接头设计中还需要考虑以下因素：
❖ 强度与刚度 胶接强度计算要在规范的安全系数外，考虑附加安 全系数，取值在2~3，与常规铆接设计相比，胶接接头需要进 行试验验证；
❖ 胶粘剂的固化
❖ 胶粘剂以液体状态涂覆在被粘物表面上，在润湿被粘物表面后，需要通过适当的 方法将液态胶粘剂变成固体，以获得胶接强度，这个过程即为固化。
❖ 固化可以通过物理和化学方法实现。
❖ 影响胶粘剂固化的因素
❖ 固化温度（关键），促使胶粘剂熔融，改善润湿； 增大分子能力，加快聚合反应和固化速度；提高热 固性树脂的最终反应速度，形成胶粘剂交联度；促 使胶粘剂和被粘物表面之间发生化学反应。
➢ 温度 高温引起胶层变化、内聚强度下降，或导致降解、分解 和氧化，在持久载荷作用下发生蠕变破坏，而低温导致胶层 变脆；温度变化导致材料膨胀不一产生内应力；高温高湿环 境往往引起和加速破坏。
➢ 应力 过大外载应力导致接头破坏；持久载荷导致胶粘剂蠕变 破坏；在高应力和应力集中区易产生微裂纹导致破坏；内应 力则进一步是破坏加速。
❖ 胶接接头是面承载作用，提高了结构抗压强度，比强度比刚度高。胶接 加筋板比同类铆接壁板提高抗压强度约20%胶层还具有优良的止裂性能；
❖ 胶接连接表面光滑，没有突起，对气动性能有利；
❖ 胶接连接具有良好的密封性能，适用于水密、气密和油密结构，还具有 较好的绝缘和抗震性能。
❖ 胶接的缺点：
❖ 接头的抗剥离强度很低，抗不均匀扯离能力很弱； ❖ 工作强度一般不高于260℃；（对于高超声速飞行器尤为致
❖ 几何尺寸
v 胶层厚度 一般厚度控制在0.03~0.15mm之间，但不同的测试 方法和强度要求存在不同的最佳厚度值；
v 被粘物的外形和尺寸 影响接头的刚度和接头上的盈利集中系数， 胶层的均匀程度和固化交联程度，从而影响承载能力。
➢ 工艺条件
✓ 表面处理
• 脱脂处理 取出被粘物表面的油脂等杂质；
• 表面粗糙度 对金属表面进行打磨或喷砂处理；
• 表面性质 不同材质被粘物的表面性质和状态对胶接强度影响 相当大，同样的胶接剂金属胶接接头的强度从大到小的顺序： 钢-铝合金-纯铝-锌-铸铁-银/金-锡/铅；
• 表面温度要适中；
• 化学处理 在铝合金胶接中常采用。
✓ 固化
• 制定合理的固化工艺并实施是胶接技术中的关键环节。例如 固化温度高于胶层的菠萝花温度时胶接强度随着固化程度的 提高而提高，当固化温度低于胶层的玻璃化温度时则相反。
❖ 胶接：利用胶粘剂与被粘物表面之间的粘附 力，将被粘物连接成为一个整体，并具有一 定力学性能的方法。
❖ 胶接包括金属结构胶接、非金属结构胶接 （复合材料）、金属与非金属之间的胶接； 本课程的主要内容是金属结构胶接。
❖ 飞机中有很多胶接结构。
❖ 飞机胶接结构分类
❖ 胶接的优点：
❖ 不同材质、不同厚度和多层材料的连接；
❖ 大致可以将胶接接头连接的作用力分为粘附力和内聚力两种， 粘附力是胶粘剂与被粘表面之间由于各种物理化学作用产生的 综合作用力；内聚力是胶粘剂固化后本身产生的，共同构成了 胶接强度，由此产生相对应的破坏，粘附破坏和内聚破坏。
❖ 胶接界面层是由被粘物表面层及其吸附层、 靠近被粘物表面的底胶及胶组成，其中可能 还混杂了金属表面的氧化物、空气、水、杂 质等。
命） ❖ 胶接质量影响因素很多，强度性能离散性很大，质量控制要
求严格； ❖ 胶粘剂一般式高分子材料，耐老化问题严重； ❖ 胶接质量的无损检测手段还需进一步提高。
胶接接头的形成
❖ 胶接接头是胶接结构连接在一起的关键部位，胶粘剂相与被胶 接相形成必要的具有稳定的机械强度的体系，其内部结构非常 复杂。
❖ 强度是判定胶接接头的重要依据，但由于被粘物影响层、胶层、 界面层的尺寸很少很难用传统的载荷试验判断。
❖ 润湿是接触固体的液体在固体表面流动扩散的过程，扩散的难易程度为 润湿性。
❖ 杨氏方程 ❖ 接触角 ❖ 固体表面张力 ❖ 液体表面张力 ❖ 固液界面表面张力 ❖ 润湿的三种情况： ❖ 扩展润湿：液体能在固体表面自由展开并铺满固体表面，接触角几乎为
0，条件是固体表面张力大于固液界面表面张力与液体表面张力。 ❖ 浸没润湿：将固体浸没在液体中，液体浸没固体表面的每一个空隙，在
相互吸附产生的，包括物理吸附和化学吸附，其中 物理吸附为主。物理吸附作用力包括分子间界面粘 合力和体相内聚力是由范德华力和氢键力构成的； ❖ 此理论实质上是以表面能为基础，胶接的好坏取决 于润湿性，润湿性越好，被胶接体越能与胶粘剂分 子之间紧密接触产生吸附，胶接界面形成巨大分子 间作用力，同时派出胶接体表面吸附的气体，减少 了胶接界面的空隙率，提高了胶接强度。
实际胶接结构中常采用的方式。 ❖ 接触润湿：液滴只浸润与液滴接触的固体表面。
❖ 影响润湿性的主要因素 ❖ 被粘物的表面能，表面能越高，表面张力越大，金属及其氧
化物（硬度高、熔点高）属于高能表面，有机物和聚合物属 于低能表面； ❖ 粘结剂的表面张力应较低； ❖ 被粘表面的低表面能污染层影响，因此需要采用物理或化学 方法对金属表面进行处理； ❖ 表面粗糙度影响，表面的真实表面积与视表面积之比为粗糙 因子，当接触角小于90度时，越粗糙润湿越充分； ❖ 浸润速度的影响，取决于胶粘剂的粘度、表面自由能等。
❖ 使用的胶粘剂要与飞机同寿命，要进行环境条件下寿命试验， 并确定胶接构件的日历寿命；
❖ 使用环境要求
❖ 材料相容性
❖ 工艺性和经济性要好，易于施工，适用期和贮存期长，尽可能 选择国产胶粘剂；
❖ 被粘材料不同时要考虑电化学腐蚀问题；
❖ 表面处理要耐久性能好，表面粗糙度一般在Ra3.2-0.8之间。
（6）化学键理论 ❖ 该理论认为胶接作用主要是胶粘剂与被粘物分子间发生化学
反应，在化学键力作用下获得高强度的主价键结合。 ❖ 化学键的形成需要两相物质达到原子间的接触状态，而且需
要满足一定的量子化学条件，事实上，胶接部位的两相物质 的接触点很少，能形成化学键的接触点更少，但化学键对胶 接强度的影响依然很大，这是因为化学键力远大于分子间的 作用力； ❖ 化学键对胶接接头的抗水、抗介质腐蚀能力以及防止裂纹扩 展的能力很重要，但无法解释大多数不发生化学反应的胶接 现象。 ❖ 还有一些其他理论，配位键理论、弱界面层胶接理论、流变 理论等。
➢ 盐雾环境 是胶接接头腐蚀破坏的重要原因。
❖ 胶接强度
❖ 对于钣金结构胶接接头，目前连接形式主要是面连 接，存在四种受力形式：剪切、均匀扯离、不均匀 扯离和剥离。
❖ 搭剪是单搭接头最常出现的受力形式，对单搭接头 进行拉伸是检验接头强度的主要方法；
❖ 试验证明：当胶接宽度一定时，增加搭接长度，接 头承受的破坏载荷有所提高，但达到一定长度后， 承载能力很难提高了；
❖ 在飞机铝合金胶接构件中，具有以下破坏特征：
❖ 破坏通常发生在界面处或附件，即铝和氧化层与胶/底胶制件 的界面处出现脱粘或腐蚀，宏观上属于腐蚀-粘附破坏类型；
❖ 破坏常起始于构件暴露的边缘，例如贯穿胶层的铆钉孔、螺 栓孔的边缘、接头边缘、壁板边缘，然后扩展；
❖ 破坏处均存在轻微的拉力作用；
❖ 使用年限长短不等的构件均存在不同程度的胶接破坏隐兆；
❖ 提高疲劳强度，大幅减少连接件数量和重量；
❖ 铝合金薄板胶接结构的疲劳寿命比焊接结构高20倍，比铆接结构高15倍， 耐声疲劳强度也优于铆接结构和点焊结构。
（注：声疲劳是飞机或火箭等飞行器的金属结构在声频交变负载作用下产 生裂纹或断裂的现象，在飞行过程中金属结构处于强噪声环境中，薄板 结构由于声致振动而产生疲劳，或引起铆钉松动，有时会引起蒙皮撕裂。 随着飞行速度的提高，声疲劳问题愈加突出。）
❖ 固化时胶接制件各处温度不均而引起的附加热应力。
❖ 胶接内应力将引起制件变形，在后续的装配中需要 强迫力进一步引起新的内应力，还可能加速胶接老 化，降低胶接制件的使用寿命等。
❖ 胶接接头的破坏
❖ 胶接接头的破坏位置与部位将随着接头的几何参数、胶粘剂 体系的力学性能、接头所受载荷类型和加载速率、环境条件 而改变。