金属和复合材料胶接设计

Part III: Test methods
Part IV: Environmental condition for durability
ASTM D 5656- 10(2017)
Standard Test Method for Thick-Adherend Metal Lap-Shear Joints for Determination of the Stress-Strain Behavior of Adhesives in Shear by Tension Loading
制造因素 装配时间 成本 表面处理
胶接接头形式
薄件：可采用简单搭接或双面搭接形式
厚件：由于偏心载荷产生的偏心力矩较大，宜采用阶梯型或斜面搭接形式；
不同材料胶接工艺
共胶接（二次共固化）
共固化
二次胶接 胶接一般指二次胶接或者共胶接。通常共固化预成型胶接的性能都远优于共胶接的性能。
胶接载荷类型
胶粘剂的选择
胶黏剂韧性、铺层顺序，纤维方向，） • 几何参数（胶层厚度，搭接长度，倒角） • 载荷（温度、湿度、载荷方向与幅值）
表面处理的影响
胶接——载荷条件
影响胶接性能的因素——搭接长度
影响胶接性能的因素——胶层厚度
• 理论上，承载能力与胶层厚度h的平方根成 正比。但厚度增加则缺陷增加。
• 一般胶层厚度在0.10~0.25mm之间为宜。
影响胶接性能的因素——相对刚度
(a) 轴向应力分布——EL=10EU 下被胶接件
(b) 剪应力分布——EL=10EU
剪应力
轴向应力
上被胶接件
(c) 轴向应力分布——EL=EU 上被胶接件
下被胶接件
剪应力
(d) 剪应力分布——EL=EU
轴向应力
失效模式——胶接
胶接强于被连件 对HSS等高强材料不会出现；
有
弹-塑性模型
建立原则：等效前 后曲线下的面积 相等。考虑到试 验室与实际生产 条件之间的差异, 最大剪应力应乘 以0.8的系数。
等效弹塑性模型
等效双线性模型
剪应力 (ksi)
平均
Napkin 圆环剪切试验
FM-73 74℉
破坏应变
下限 平均 上限
0.492 in/in 0.705 in/in 0.997 in/in
部分来源：谢鸣九图书
胶层厚度0.1～0.2mm
胶粘剂的选择
胶粘剂形态：
糊Hale Waihona Puke Baidu：胶层厚度
0.13~0.50mm 浸润性 不如液状胶好
胶膜：需要冷藏、
解冻、高温固化， 容 易控制胶层厚度
种类 环氧树脂
环氧酚醛
固化温度：
室温、中温、高温
酚醛树脂
供应形式：
单组分、双组分。
有机硅树脂
对大面积胶接最好
使用胶膜，而不是糊 状胶。 在高温工作时，所
选胶粘剂的热膨胀系 数应与被胶接件相近。
聚酰亚胺 聚酯树脂
优点
缺点
工艺性能好，固化收缩 硬度一般，热强度低，耐磨 性小，化学稳定性好， 性差 机械强度高
耐热性好，强度高，超 需热固化，多孔性，电性能
低温性能好
不良
热强度高，耐酸性好， 需高温高压固化，造价贵， 价格低，电气性能好 有腐蚀性，收缩率较大
ISO 19095-1:2015(E)
Plastics-Evaluation of the adhesion interface performance in plasticmetal assemblies
Part I: Guidelines for the approach
Part II: Test specimens
破坏应力
下限 平均 上限
4870psi 5350psi 5590psi
符号
胶层厚度
剪应力 (ksi)
弹性-理想塑性胶粘剂响应模型（FM73）
部分来源：谢鸣九图书
提纲
• 接头形式与工艺 • 接头评价 • 影响因素 • 连接接头设计要点 • 结论
影响胶接性能的因素
• 连接工艺及构型 • 表面处理 • 被连接材料相对性能（刚度、热膨胀系数、
金属和复合材料胶接设计 关键技术
提纲
• 接头形式与工艺 • 接头评价 • 影响因素 • 连接接头设计要点 • 结论
连接方式的选择——考虑的因素
结构限制因素
设计因素
材料厚度
重量增加
不同被连接材料
拆卸
载荷类型与幅值
表面光滑度要求
失效模式
刚度匹配
应用环境（温度、湿度、 热膨胀匹配 海水腐蚀，沙尘等）
耐久性
ASTM D 3983-98（2004） Standard Test Method for Measuring Strength and Shear Modulus of Nonrigid Adhesives by the Thick-Adherend Tensile-Lap Specimen
胶黏剂等效模型——Hart-Smith
耐热、耐寒、耐幅射， 强度低 绝缘性好
耐热、耐水、耐火、耐 需高温固化、造价高；有腐
腐蚀
蚀性、 多孔性
机械和电气特性好、价 仅用于次要构件 格低、耐沸水、耐热、 耐酸、耐环境
来源：谢鸣九图书
提纲
• 接头形式与工艺 • 接头评价 • 影响因素 • 连接接头设计要点 • 结论
连接评价参数与实验
• 界面强度（拉伸、拉剪、剥离、弯曲、冲击）、密封 • 环境实验（温度、热冲击、湿/热循环、高温高湿、盐雾、疲劳） • 失效模式、失效过程
● 界面破坏（不好）
提纲
• 接头形式与工艺 • 接头评价 • 影响因素 • 连接接头设计要点 • 结论
与被胶接件的相容性好，即粘接强度要高； 热固性胶黏剂在尽量低的温度下固化； 胶接的耐久性应高于结构所预期的寿命； 与被胶接件的热膨胀系数要接近； 有较好综合力学性能（强度、湿热老化）； 工艺性好，使用方便； 胶接时尽量采用共固化；
韧性胶的剪切应变能高于脆性胶； 因应力集中小，疲劳强度也高于脆 性胶；当环境温度不超过70℃的情 况下，应尽量选用韧性胶粘剂。只 要低于胶粘剂玻璃化转变温度一定 数值，胶接连接强度对温度不是非 常敏感的。但在低温，强度却显著 下降。
零件先坏；
层间断裂可能由于表面处理不当，特别是 靠近外侧部分失效；
内聚力失效； 设计和分析不当；
内聚力剥离； 设计不当；
工艺不当；
与工艺有关； 减少剥离载荷；
按照破坏发生的位置可分为如下三种破坏模式： 按照破坏机理可分为两类：
● 被胶接件破坏
内聚破坏(cohesive)
● 胶层破坏
粘附破坏(adhesive);