冷焊粘接修复技术的基本原理

冷焊粘接修复技术的基本原理

[摘要] 无论是冷焊粘接,还是密封固持,均是以化学粘合材料对被粘表面的浸润开始的,通过一系列的物理化学过程,粘合材料固化后,便可达到连接、固定的目的。

[关键词]冷焊粘接表面特征浸润冷焊粘接理论

前言

传统的焊接技术为热焊接,零件容易产生热应力,同时对人体的伤害很大,虽然大规模的修复采用机器人焊接,但机器人价格昂贵,小批量修复和单件修复不可能应用机器人,只能采用人工焊接,这和以人为本的政策是相悖的,针对上述情况,“冷焊”技术随之产生,也称为化学粘接技术,是指采用化学粘合材料(胶粘剂、固持剂、修补剂等)实现连接、固持功能的一项新技术。与焊接技术不同,因为它通常在常温下施工,不需要专门设备和能源,随意性强,对人体伤害小,因此被称为“冷焊”技术。

1.冷焊粘接的一般过程

在粘接之前,先要对被粘物表面进行适当的处理,然后将准备好的胶粘剂均匀地涂敷于被粘物表面上,接着便是胶粘剂扩散、流变、渗透、合拢后,在一定条件下进行固化。当胶粘剂的大分子与被粘物表面的距离小于5A时,则会彼此相互吸引,产生范德华力或形成氢键、共价键、配位键、离子键等,加上渗入孔隙中的胶粘剂固化后生成无数的小“胶勾子”从而完成了粘接过程。一般来说,粘接过程包括表面处理、涂胶、合拢、固化,每个环节都十分重要。

2.被粘物表面特征

对于被粘接的表面来说,粘接作用仅发生在表面及其薄层,因此,被粘物的表面性质和表面特征对粘接接头的强度有很大的影响。

被粘物的表面层性质同材料有关,而被粘物表面层的性质同它的内部又不相同。例如金属的表面总是带一层氧化皮,氧化皮的性质又各不相同,铁锈结构疏松,强度很差;铝的自然氧化膜结构比较致密,但是粘接活性很低,粘接强度不高。

任何被粘物表面在微观上都表现出一定的粗糙度,由于加工方法不同粗糙度的大小和形态又各不相同,对于粘接表面一定的粗糙度,将有利于粘接强度的提高,因此,粘接之前被粘物表面一般都用机械的或其他的方法打毛。

此外,被粘物表面都或多或少地带有油污,这种带有油污的表面是不利于粘接的,未经处理的表面进行粘接,胶层和零件表面的结合强度是很低的。

因此,为了获得良好的结合强度,对被粘物表面层的性质和特征,要给予足够的重视,在粘接之前,被粘物都要进行表面处理,表面处理方法大致可分为两类。一类是净化表面,所谓净化表面就是除去被粘物表面上不利于粘接的杂质,如油污、氧化皮、水珠等,净化程度视胶粘剂的种类而不同,一般结构胶粘剂都要求彻底去油,但是现在也出现了一些可以在油污表面上使用的胶粘剂;又如,一般胶粘剂对水分都比较敏感,在潮湿表面粘接性差,目前,也出现了一些在潮湿表面粘接甚至水中固化的胶粘剂。

另一类表面处理是改变零件材料表面的物理化学性质,有些金属表面必须通过表面处理进行活化才能得到良好的粘接性能,许多塑料如聚乙烯、聚四氟乙烯的表面也必须通过适当的处理,才能获得较高的粘接强度。

3.胶粘剂对被粘物表面的浸润

为了获得优良粘接接头,胶粘剂应与被粘部位的表面紧密地结合在一起,也就是使胶粘剂充分浸润被粘表面,如果浸润不完全,就会有许多空隙出现在界面中,在粘接接头承受外力作用时,这些空隙的周围就会发生应力集中致使强度大大下降。

胶粘剂对被粘表面的浸润情况与胶粘剂的性质、被粘表面状况、材料的性质及粘接过程中的工艺条件有关。

当一滴液体与固体表面接触后,接触面自动增大的过程,即所谓的浸润,它是液体与固体表面接触时发生的分子间相互作用的现象。

固体表面可以分为两大类,金属和一般无机物的表面能在0.1J/㎡以上,称为高能表面,一般胶粘剂都能在高能表面上展开。而塑料类有机物表面的表面能比较低,称为低能表面,胶粘剂对低能表面的浸润性不好。

在实际工作中,胶粘剂对一些高能表面浸润不好的情况还是常常会遇到。这里存在一个浸润速度问题,浸润速度受胶粘剂的粘度影响很大,低粘度的胶粘剂几秒钟之内就能充分浸润零件的表面,高粘度的胶粘剂往往需要几分钟甚至几小时,胶粘剂对被粘物的浸润有些情况下在固化前就完成了,有些情况下浸润在固化过程中进行。胶粘剂的粘度随温度变化而变化。

因此配胶时要注意粘度问题,比如在夏天气温比较高,胶粘剂的粘度较低,有利于浸润。而到了冬天,气温较低,胶粘剂的粘度随之增大,不利于浸润,所以在冬天采取一定的加温措施,降低胶粘剂的粘度,从而改善浸润性。

4.冷焊粘接理论简介

胶粘剂对被粘物的浸润只是粘接的前提,它们之间必须形成粘接力,才能使胶粘剂与被粘物牢固地结合在一起,那么粘接力是怎样形成的呢?人们对粘接机理已经进行了相当的研究,提出了不少理论采解释粘接本质,目前有如下几种比较公

认的理论。

(1)机械结合理论

机械结合理论是最早提出的粘接理论。任何物体表面即使宏观上用肉眼看起来十分光滑,但放大起来看还是十分粗糙,遍布沟痕,有些表面还是多孔性的,胶粘剂渗透到这些凸凹不平的沟痕或孔隙中,固化后在界面区产生了啮合力,这些情况类似于木箱边角的嵌接,钉子与木材的接合或根植入泥土的作用。机械连接力本质是摩擦力,在粘接多孔材料、布、织物及纸等时,机械作用力是很重要的。

(2)吸附理论

吸附理论认为粘接是类似吸附现象的表面过程,胶粘剂中的有机大分子通过链段与分子链的运动逐渐向被粘物表面迁移,极性基团靠近,当距离小于5A时,能够相互吸引,产生分子间力,也就是所谓的范德华力和氢键形成粘接。

分子间作用力是粘接力的最主要来源。它广泛存在于所有的粘接体系中。

吸附理论正确地把粘接现象与分子间的作用力联系起来。但早期的吸附理论过于强调了粘接力和胶粘剂极性之间的关系,无法解释非极性聚合物能够牢固粘合的问题,实际上没有必要孤立地研究粘接强度与极性的关系。胶粘剂的极性太高,有时会严重防碍浸润过程的进行而降低粘接力。

(3)扩散理论

扩散理论认为分子或链段的热运动(微布朗运动)产生了胶粘剂和被粘物分子之间的互相扩散,从而使一个物体的分子跑到另一个物体的表层里,另一物体的分子也跑到这个物体的表层里,中间的界面逐渐消失,相互“交织”而牢固地结合。

扩散理论在解释聚合物的自粘作用方面已得到公认,但对不同聚合物之间的粘接,是否存在穿越界面的扩散作用,目前尚在争议阶段。

(4)化学键理论

化学键理论认为胶粘剂与被粘物表面产生化学反应而在界面上形成化学键结合,像铁链一样,把两者牢固地连接起来。因为化学键能比分子间力要大l-2个数量级,所以能获得高强度的牢固粘接。化学键力包括离子键力、共价键力、配位键力。离子键力有时候可能存在于无机胶粘剂与无机材料表面之间的界面区内;共价键力可能存在于带有化学活性极团的胶粘剂分子与带有活性基团被粘物分子之间。

(5)静电理论

静电理论认为胶粘剂和被粘物之间存在双电层,由于静电的相互吸引而产生