1、飞机金属结构胶接飞机金属结构胶接刘瑞同刘瑞同同济大学航空航天与力学学院同济大学航空航天与力学学院v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。v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。v飞机中有很多胶接结构。v飞机胶接结构分类v胶接的优点：不同材质、不同厚度和多层材料的连接；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
2、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。）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。v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；
3、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v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。v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。v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。v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
4、能还混杂了金属表面的氧化物、空气、水、杂质等。v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。v胶接界面层的粘附力是怎么产生的呢？胶接理论v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
5、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。v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。v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v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。v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
6、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。v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。v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
7、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；（2）静电理论v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；v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；v1953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。v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
8、论v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。v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v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。v通过对木材胶接的试验和观察验证了机械结合理论；v但该理论不能解释具有光洁表面的物体之间的胶接现象。（6）化学键理论v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。
9、v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；v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。v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。v胶粘剂的固化v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。v固化可以通过物理和化学方法实现。v影响胶粘剂固化的因素固化温
10、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。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。v胶接内应力对胶接强度和耐久性影响很大；v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；固化时胶接制件各处温度不均而引起的附加热应力。v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
11、老化，降低胶接制件的使用寿命等。v胶接接头的破坏v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。v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；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；v引起胶接部位破坏的因素包括：水或潮湿环
12、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。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。盐雾环境 是胶接接头腐蚀破坏的重要原因。v胶接强度v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
13、切、均匀扯离、不均匀扯离和剥离。v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；v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；v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v影响胶接接头强度的因素工艺条件胶粘剂 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。粘料的相对分子质量合理，太大润湿性差，太小内聚强度差；增塑剂、填料和溶剂胶粘剂储存期几何尺寸胶层厚度 一般厚度控制在0.030.15mm之间，但不同的测试方法和强度要求存在不同的
14、最佳厚度值；被粘物的外形和尺寸 影响接头的刚度和接头上的应力集中系数，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。磁场 聚合物的分子在某方向
15、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；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。v胶接接头设计v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。v在飞机结构中，有些接头不宜采用胶接接头；v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
16、在规范的安全系数外，考虑附加安全系数，取值在23，与常规铆接设计相比，胶接接头需要进行试验验证；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。v胶接接头形式v接头类型：角接、T形接、对接和面接。v典型的接头形式v一些典型的飞机胶接结构v典型的飞机蜂窝结构v胶接工艺过程预装配：对被粘零件的胶接部位进行组合修配，保证胶接表面贴合良好，能形成一定厚度的胶层；胶接表面处理 配胶 多
17、组分胶粘剂在使用前进行配制，以便于施工并控制胶量；胶接剂涂布 对胶接表面涂布胶粘剂，包括喷涂底胶及敷贴胶膜；装配 胶接零件按要求装配组合，并做好固化前封装准备；固化 树脂胶粘剂需要在加热加压条件下完成固化；检验 对外形和胶接质量进行检验，包括目视、力学性能测试、无损检查和特种要求试验等；修补 对生产和使用中暴漏的缺点，在允许的前提下进行修补。v预装配预装配 检查参与胶接的各零件之间及其与模具的配合质量及贴合度，并对不符合要求的零件或模具首件鉴定前进行修整协调，使之满足胶接配合和结构外形要求。钣金零件公差较大，且由于变形导致边缘形状不顺，将导致胶层厚度不均、胶层疏松或脱粘等问题。对于蜂窝夹芯材料
18、、蒙皮、内部钣金零件等胶接预装配都有相应的技术要求，可根据厂标或航标查询。v胶接表面处理胶接表面处理通过表面处理去除金属表面的自然氧化层，并生成更有利于胶接的氧化层；氧化层应有高的内聚强度，坚而不脆，与金属基体结合牢固，同时具有高的环境稳定性，能与胶粘剂形成牢固的化学键和机械咬合，而且对环境条件稳定，不与吸附水发生水合作用。例如铝合金自然生成氧化物（B）Al2O3-3H2O胶接性能差，通过磷酸阳极化处理后生成的氧化物为（A）Al2O3-H2O，不易发生水合作用，具有良好的胶接耐久性。v胶接表面处理方法v铝合金的表面处理方法化学氧化处理法（FPL）以硫酸-重铬酸盐溶液侵蚀铝合金，在此前需要进行脱
19、脂及碱洗。此方法对工艺参数敏感，胶接耐久性较差。磷酸阳极化法（PAA）该法是耐久胶接结构的主要表面处理方法。生成的阳极化膜对基体结合力强，耐水合作用，制成的胶接接头具有较高的耐久性，工艺简单，对工艺参数不敏感，环境污染小；阳极化膜可视性差，不利于检查和控制，膜本体的耐磨性和耐腐蚀性差，需与抑制腐蚀底胶配合使用。v胶接组装及真空袋封装、固化 将已涂覆胶粘剂的带胶接零件，按产品要求，利用定位件、工艺销钉或压敏胶带等组合固定在胶接模具上，使其固化时不产生位移与翘曲，固化后便于脱模，不被污染和损伤；然后用真空袋薄膜借助密封胶带将已经组装好的待固化零件胶接件及工艺辅助铺层封装在胶接模具上，形成一个密封的
20、真空系统，以便利用真空袋内外压差对胶接结构施加压力，传递热压罐内的充气压力，派出挥发性气体和固化过程中的副产物。固化的重要性已在前面详述。v胶粘剂结构胶粘剂、功能胶粘剂等；结构胶粘剂一般以热固性树脂为基料，以热塑性树脂或弹性体为增韧剂，配以固化剂等，有时还需要加入载体/填料、稀释剂、固化促进剂、偶联剂、抑制腐蚀剂和抗热氧化剂等。v胶粘剂的要求足够的力学性能，美国军方、我国航标都对此进行规定，可查表；蠕变性能剥离强度或断裂韧性耐老化、耐介质腐蚀性能工艺性经济性.v胶接接头的无损检测v通过检测来保证产品完全符合产品设计要求，证实用以制成胶接构件的制造工艺是稳定和高质量的，检测胶接缺陷。v无损检测内容v无损检测方法胶接表面质量检查目视检查使用电筒、放大镜、量规和刻度尺等简单工具，依靠检测人员的观察和经验检验胶接件，用于早期发现质量问题。敲击法依据胶接制件被敲击部分发生谐振的原理，通过声调和频率变化判断是否存在脱粘及气孔等，只限于检测厚度0.3-1.5mm的薄面板胶接制件，不能检测深处的缺陷；声振检测 手工敲击的仪器化，已经发展出多种相关设备，例如涡流-声敲击仪。v超声波检查v射线检查：x射线和中子射线检查v激光全息照相v热性能检查v声发射和应力波检查v胶接无损检查方法的选择v胶接设备与复合材料制备类似。v胶接质量控制人、机、料、法、环全面质量管理
