軌道車輛車窗彈性粘接密封技術(shù)研究

趙民

摘要：概述了彈性粘接密封技術(shù)的特點，比較了彈性粘接密封技術(shù)與傳統(tǒng)連接方式的區(qū)別，以車窗粘接密封為例，從粘接設(shè)計、試驗驗證、粘接工藝三方面詳述了彈性粘接密封技術(shù)在軌道車輛中的應(yīng)用示范。粘接設(shè)計主要通過有限元分析進(jìn)行強度校核，驗證粘接強度小于許用強度要求，試驗驗證包括常規(guī)性能、老化性能、基材匹配性、疲勞性能等，測試性能滿足設(shè)計要求，另外，對施工工藝進(jìn)行了規(guī)范，保證粘接工藝可靠性。

關(guān)鍵詞：彈性粘接密封;粘接設(shè)計;試驗驗證;粘接工藝

中圖分類號：TQ436⁺.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-5922（2019）00-0172-05

隨著軌道車輛對輕量化、舒適度要求的不斷提高，新材料應(yīng)用比重越來越大，粘接密封技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。粘接結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)具有應(yīng)力分布均勻（圖1）、輕量化、減振降噪、模塊化組裝等優(yōu)勢。彈性粘接密封一般是指膠層厚度超過1～5mm，固化之后膠層具有類似橡膠的性能，能在超過15%的變形下長期使用的粘接密封技術(shù)。軌道車輛常用的彈性厚膜膠粘劑有改性硅烷膠、單組分聚氨酯膠、聚硫膠等。對于結(jié)構(gòu)件如前窗、側(cè)窗、低地板側(cè)墻等，應(yīng)采用較高強度的結(jié)構(gòu)膠，如Si-ka265、Sika254、Bostik ISR7003等，對于非結(jié)構(gòu)件如內(nèi)裝系統(tǒng)，可采用強度較低的密封類膠粘劑，如Sika221等。

上述膠粘劑在軌道車輛中應(yīng)用需要經(jīng)過粘接設(shè)計、試驗驗證、粘接工藝3個步驟，以保證結(jié)構(gòu)可靠性。

1彈性粘接密封設(shè)計

1.1粘接結(jié)構(gòu)仿真

彈性粘接密封結(jié)構(gòu)設(shè)計主要需要考慮接頭形式、強度要求、膠層厚度、膠粘劑選擇等。粘接接頭以搭接、壓肩接、單雙面疊接等方式為佳。按照DIN6701粘接技術(shù)體系要求，對于A1和A2等級粘接部件的設(shè)計需要出具粘接仿真報告。以前窗粘接結(jié)構(gòu)為例，粘接細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖2所示，夾層玻璃通過西卡膠連接到骨架上。

使用hypermesh軟件劃分網(wǎng)格，對玻璃、窗框、西卡膠采用三維體單元，建立有限元模型，其中紅色為西卡膠。對膠的評判，按照DVSl618標(biāo)準(zhǔn)，等效應(yīng)力應(yīng)小于許用應(yīng)力。許用應(yīng)力計算公式為：

σZUI為許用應(yīng)力，σ_ch為拉伸剪切應(yīng)力，f_T為溫度影響因子，f_M為環(huán)境影響因子，f_L為靜載影響因子，f_D為動載影響因子，f_G為幾何影響因子，S為安全系數(shù)。通過上式計算得出西卡膠許用應(yīng)力為0.6MPa。

粘接面的等效應(yīng)力計算公式為：

σv為粘接面等效應(yīng)力，σ為粘接面法向應(yīng)力，τ為粘接面的剪切應(yīng)力。其中，法向應(yīng)力引起法向應(yīng)變，剪切應(yīng)力引起剪切應(yīng)變。

法向應(yīng)變ε計算公式為：

參照EN 12663標(biāo)準(zhǔn)沒定12種靜載極限工況，如表1所示。

通過有限元分析得出各個工況下膠層的等效應(yīng)力云圖與變形云圖，如圖3所示。

經(jīng)計算，12種極限工況下，最大等效應(yīng)力為0.3MPa，小于許用應(yīng)力0.6MPa，同時最大變形0.14，小于允許變形0.2，初步判定該膠粘劑滿足要求。

1.2膠層厚度設(shè)計

由于不同材料的線膨脹系數(shù)不同，當(dāng)溫度變化時，膠層必須能承受兩種基材的相對變形。相對變形量計算公式為：

△1=0.5·1·（α₁-α₂）△T

其中1為粘接長度，α₁α₂為兩種基材的線膨脹系數(shù)，△T為溫差。以某城際車型前窗粘接為例，鋁合金的線膨脹系數(shù)取較大值2.36x10^-5/℃，玻璃的線膨脹系數(shù)取較小值2.78×10^-6/℃，玻璃最大線性長度為1.7m，最大極限溫差約為60oC，則兩者的最大相對變形量為：

△1=0.5·1·（α₁-α₂）△T=0.5×1.7×（23.6-2.78）×10^-6×60=1.1mm

理論上，膠層長期服役過程中可承受變形量約為15%-20%，所以，膠層厚度計算值為：

d=△1/0.15=1.1/0.15=7.3mm

經(jīng)計算，厚度達(dá)到7.3mm就能保證粘接強度。實際應(yīng)用中，設(shè)計值為10mm，保證了充足的安全余量。但隨著膠層厚度增大，固化時間會增加，因此，厚度設(shè)計也不宜過大。

2粘接結(jié)構(gòu)試驗驗證

新型粘接結(jié)構(gòu)的設(shè)計與工藝必須要經(jīng)過試驗驗證，驗證內(nèi)容主要包括常規(guī)性能、老化性能、基材匹配性、疲勞性能等。

2.1常規(guī)性能

常規(guī)性能試驗驗證需要測試的項點主要包括玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、硬度等物理性質(zhì)，以及拉伸強度、剪切強度等力學(xué)性能。按照粘接粘接密封作用的不同，改性硅烷膠和單組分聚氨酯膠各分為兩種，相對應(yīng)的應(yīng)能滿足Q/CR 491-2016標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各項指標(biāo)。

經(jīng)測試，軌道車輛常用改性硅烷膠與單組分聚氨酯膠，粘接與密封兩類，強度如表3所示，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2老化性能

人工氣候老化試驗包括紫外老化與高低溫循環(huán)交變老化，按照Q/CR491-2016標(biāo)準(zhǔn)，改性硅烷膠經(jīng)人工氣候老化后拉伸強度與剪切強度保持率應(yīng)在80%-120%之間。公司軌道車輛用三種側(cè)窗粘接密封膠經(jīng)人工氣候老化后強度變化如圖5所示，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3基材匹配性

粘接結(jié)構(gòu)還應(yīng)經(jīng)過DVS 1618《軌道機車車輛中的彈性厚膜粘接》基材匹配性測試。按照表4依次進(jìn)行試驗，每一步都要對膠條進(jìn)行剝離測試，如果膠條剝離后其破壞模式為>95%膠粘劑內(nèi)聚破壞或基材破壞則視為合格，如果破壞發(fā)生在界面層，則視為試驗未通過，需要對基材進(jìn)行合適的表面處理或者更換膠粘劑。

如圖6所示，對5個步驟后膠層進(jìn)行基材匹配性測試，每個步驟膠層內(nèi)聚破壞率都大于95%，檢測合格。

2.4疲勞性能

膠粘劑的疲勞性能也是驗證內(nèi)容之一。疲勞性能測試根據(jù)GB/T 27595-2011《膠粘劑結(jié)構(gòu)膠粘劑拉伸剪切疲勞性能的試驗方法》，試樣施加循環(huán)的應(yīng)力，根據(jù)施膠位置實際受力情況給定平均應(yīng)力τm與應(yīng)力幅τa，可以確定試樣破壞的循環(huán)次數(shù)，用這些數(shù)據(jù)繪制S-N曲線，從而評價粘接處耐疲勞性能的置信區(qū)間。

3粘接工藝

3.1粘接環(huán)境

軌道車輛常用彈性厚膜膠粘劑改性硅烷膠與單組分聚氨酯膠均采用濕氣固化，因此施工環(huán)境應(yīng)保證一定的溫濕度，否則會使固化速率降低，影響生產(chǎn)周期。一般要求溫度為15～30oC，濕度以30%～70%為宜。

3.2表面處理

基材表面打磨是常用的表面處理操作，作用是去除表面氧化層，增加表面粗糙度，增大粘接面積，從而提升粘接強度。打磨操作一般采用“十字交叉”法。

清潔也是必不可少的表面處理操作，一般采用無紡布蘸清洗劑擦拭基材表面，擦拭時沿一個方向進(jìn)行，防止造成二次污染。硅類污染物具有低表面能的特性，能夠顯著降低粘接強度，因此，必須對基材表面的硅類物質(zhì)進(jìn)行清潔。

膠粘劑還常常會用到底涂劑，有的底涂劑能通過與基材的化學(xué)物理作用增加粘接強度，有的涂層能防止紫外線老化。底涂劑使用前先搖勻，然后用毛刷蘸取底涂在基材表面涂抹薄薄一層，晾置約30min后再進(jìn)行施膠操作。

3.3施膠

將膠粘劑裝入膠槍，根據(jù)施膠量選擇不同形狀的膠嘴。圓形膠嘴常用于密封，三角形膠嘴常用于結(jié)構(gòu)粘接，三角形膠條的高度一般為粘接厚度的兩倍。按下膠槍，在指定位置平穩(wěn)打膠。最后在膠的適用期內(nèi)將粘接部件安裝完。

4結(jié)論

粘接屬于特殊工序，必須進(jìn)行破壞性試驗才能驗證粘接狀態(tài)。因此，粘接結(jié)構(gòu)從設(shè)計、驗證到工藝每一環(huán)節(jié)都必不可少。粘接設(shè)計通過有限元分析進(jìn)行強度校核，強度與變形均滿足車輛運營要求。試驗驗證是對粘接結(jié)構(gòu)常規(guī)性能、老化性能、基材匹配性、疲勞性能進(jìn)行測試，各項指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，粘接工藝規(guī)范了施工過程。

2016年公司通過了DIN6701粘接體系認(rèn)證，規(guī)范了粘接工序設(shè)計、驗證到工藝流程，對粘接接頭安全等級劃分、不同安全等級設(shè)計輸出內(nèi)容、設(shè)計圖紙的規(guī)范與簽審、試驗驗證項點、粘接工藝要求等均作了詳細(xì)的規(guī)定，通過對粘接各個環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格控制，保證粘接過程的有序進(jìn)行。