金属和复合材料胶接设计

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：
糊状：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
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。
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。
● 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
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
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
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
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II: 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
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、
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);