复合材料胶接工艺和胶接接头内应力分析

复合材料胶接工艺和胶接接头内应力分析

沃西源　涂　彬　夏英伟　房海军

(北京空间机电研究所,北京　100076)

摘　要　复合材料胶接连接工艺已被人们所肯定,在实践应用中反映出复合材料胶接接头中内应力是影响其胶接性能和耐久性的重要因素之一,文中简述了胶接工艺特点和应具备的主要条件,胶接接头形成和胶接接头内应力分析等内容。

关键词　复合材料　胶接接头　内应力　分析

Technics and I nternal Stress Analysis of Adhesive Bonding in Composite Material

W o X iyuan Tu Bin X ia Y ing wei Fang Haijun

(Beijing Institute of S pace Mechanics &E lectricity ,Beijing 100076)

Abstract Adhesive bonding which used in manufacture of com posite material was widely accepted by people.In practice and applications ,we found internal stress was the m ost im portant factor which affect the performance of adhesive bonding joint.This paper introduced the characteristic of the technique and the conditions which must be provided of ad 2hesive bonding in briefly.The form of the bonding joint and the analysis of adhesive bonding were als o expounded in this article.

K ey Words C om posite material Adhesive bonding joint Internal stress Analysis

收稿日期:2007-11-28

1　引言

复合材料是一种由多种性质极不相同的材料组成的多相材料。具有代表性的是聚合物基纤维增强材料复合材料(以下简称复合材料)。它不仅具有比强度高、比刚度高、密度小、热膨胀系数小以及尺寸稳定性好等特点,而且还可以根据需要进行设计,合理地达到所要求的使用性能。因此,复合材料在空间技术的发展中影响越来越大,应用也越来越广泛[1]。

随着航天技术的发展,胶接工艺技术得到日益广泛应用。在航天产品中采用胶接连接取代传统的铆接、螺栓连接和焊接,可以减轻结构件质量,外形平整光滑,改善疲劳强度,兼能连接两种不同材料,并具有良好的抗化学腐蚀能力、最适宜连接薄壁夹层结构、胶接工艺简便和可缩短生产周期等特点。当今胶接工艺技术不断发展,各种新颖的胶粘剂不断踊现,胶接工艺技术在航天产品中应用越来越多,对提高航天产品的质量和性能作出了一定的贡献,现已成为航天工艺中不可缺少的一种工艺技术。实践表明,对复合材料结构件来说胶接工艺是一种较理想的连接方法,其胶接质量和性能好坏与许多因素有关。本文着重对复合材料胶接接头的形成和胶接接头内应力分析等内容作较详细的阐述。

第29卷第1期

2008年3月航天返回与遥感SPACECRAFT REC OVERY &RE MOTE SE NSI NG 63　

64　航天返回与遥感2008年第29卷2　复合材料胶接工艺特点

胶接连接工艺是复合材料结构件最普遍采用的一种连接方法。这种方法是用胶粘剂将零件连接成不可拆卸的整体,是一种较实用有效的连接工艺技术,有时还能为研制生产解决关键性工艺技术。胶接连接工艺的一系列优点,突出表现在以下几方面:

1)整个胶接面都能承受载荷,因此机械强度较高。如两块钢板之间的连接采用胶接连接工艺(其胶接面积为25.4mm×25.4mm),比铆接(铆钉直径为0.35mm)抗剪强度约高50%。

2)应力分布均匀,胶接连接结构承受载荷时应力分布在整个胶接面上,这就避免了高度的应力集中,特别是薄板的连接,如果采用铆接或点焊,由于应力集中在焊点和铆钉上,容易发生疲劳破坏。

3)减轻质量。据资料介绍,对于飞行器结构用胶接连接代替铆接连接后重量可减轻约30%。胶接结构表面光滑,有利于提高空气动力性能,这对于航天飞行器等高速飞行器具有重要的意义。

4)具有密封作用,且一般胶粘剂都是电绝缘体。因此还能够防止金属发生电化学腐蚀。

5)胶接工艺能够连接各种不同种类的材料,甚至两种材料性能相差很大也可以用胶接连接工艺来连接。

然而事物都是一分为二的,胶接连接工艺也有一些缺点,主要缺点和问题可归纳为:

1)胶接质量容易受很多因素影响,因此产品性能的分散性较大,胶接强度的分散性据统计一般在20%左右,而点焊约为15%,铆接只有8%左右。

2)被粘物的表面处理以及胶接工艺过程控制要求较为严格,且需特殊的工装夹具和热压罐固化设备。

3)对于胶接接头的力学性能和老化性能的研究不象金属材料那么成熟,因而使胶接工艺在一些高性能要求的特殊部位使用受到限制。

此外,由于胶粘剂以高分子物质为主体,高分子的力学性能对湿度的变化比较敏感,使其使用湿度范围受到一定限制。随着胶粘剂产品发展和胶接工艺进展,这些缺点和问题今后一定会逐步得到解决。只要我们充分了解胶接工艺的特点,发挥它的长处,避开它的不足之处,胶接工艺技术一定会在我们航天领域中发挥更大的作用。

3　胶接工艺应具备的主要条件

胶接工艺主要包括胶粘剂选择及复验、胶接预装配、胶接表面处理、胶接装配、固化成型和清理修整等工序。这里所指的胶接工艺应具备的主要条件包括为了确保胶接质量,对胶接装配环境条件和用于产品胶接装配的零件及所用工艺装备等提出的特殊要求。

3.1　对于环境条件的要求

环境条件是保证胶接质量的基础,它主要

指胶接装配室内温度、相对湿度和净化程度。

这三个因素不仅影响胶接工序的顺利进行,而

且最终会影响复合材料结构件的质量。比如,

湿度太大就会由于水汽的存在而导致胶接强度

的下降;空气净化程度不够,尘埃进入胶层也会

导致胶接强度的下降。国外从事复合材料成型

和胶接工艺研究的部门早就重视这一问题,并制定了相应环境条件控制标准文件。我国有关单位也已制定了这方面的标准文件,且正在逐步实施。表1为胶接工艺厂房的环境要求。