出于對一些性能和經(jīng)濟因素的考慮，很多客戶都開始轉(zhuǎn)為采用結(jié)構(gòu)膠黏劑來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械連接或焊接方法，這些因素包括重量和能量節(jié)約、勞動成本縮減、美觀提升，以及復(fù)合材料和其他無法用傳統(tǒng)方法進行粘接的材料的設(shè)計越來越多等。

傳統(tǒng)的組件連接方法包括焊接、鉚接，以及使用螺母螺栓和其他機械緊固件。設(shè)計和生產(chǎn)工程師已習(xí)慣使用這些方法，但現(xiàn)在他們遇到了挑戰(zhàn)，因為一些新因素的出現(xiàn)使得這些方法存在的限制開始顯露出來。

有一個因素在很多行業(yè)中都起到了關(guān)鍵性作用，即需要降低重量來減輕燃油消耗、能量損耗和產(chǎn)生的排放，這在以內(nèi)燃機或電池為能源的自供電機器和設(shè)備的制造行業(yè)中尤為突出。

要想達成這一目的，可以把由鋼鐵制造的相對較重的部件替換為較輕質(zhì)量的鋁、復(fù)合材料或塑料，并降低所用的機械緊固件的數(shù)量，或者使用更加輕薄的金屬片。

這些改變給傳統(tǒng)的連接方法帶來了挑戰(zhàn)，因為異質(zhì)材料、塑料和復(fù)合材料明顯無法進行焊接；而輕薄的金屬片部件在集中放置穿過部件的緊固件（鉚釘、螺栓）的位置又容易發(fā)生變形或撕裂。在重負荷或因金屬疲勞造成金屬變形或撕裂的情況下，會導(dǎo)致部件可靠性和壽命下降，或造成緊固件之間出現(xiàn)間隙。

在傳統(tǒng)的組裝過程中也可能會造成金屬損壞，例如焊接薄金屬片時可能會造成熱變形或燒穿。而采用膠接接合面則能確保表面干凈清潔，這樣在實施最終的修整前只需進行最低限度的表面處理即可。最終，膠黏劑可以被預(yù)先涂抹在總裝時無法進行機械緊固的區(qū)域；而且還允許采用一些新穎的設(shè)計，以便于進一步減少重量、成本和勞動力。

膠黏劑經(jīng)過不斷發(fā)展，現(xiàn)可在眾多應(yīng)用中替代傳統(tǒng)的連接方法，適用于裝配門和電梯等金屬板材、農(nóng)業(yè)設(shè)備、汽車、卡車和軌道護片附件等。要想成功轉(zhuǎn)換為采用膠黏劑，設(shè)計和生產(chǎn)工程師必須考慮諸多因素，具體如下：

膠黏劑的選擇

市面上有各種結(jié)構(gòu)型膠黏劑產(chǎn)品可供選擇。從氰基丙烯酸酯“快干”膠黏劑到單組分（熱固化）環(huán)氧樹脂膜，選擇多元。

雖然所有的膠黏劑都有各自的用途，但在動態(tài)應(yīng)力環(huán)境（如抗沖擊和連續(xù)振動時）下并不是所有結(jié)構(gòu)膠都適合對焊接/機械緊固件進行替換。對于這些要求較高的應(yīng)用，只有少數(shù)膠黏劑產(chǎn)品能夠適用。

主要有三種化學(xué)物質(zhì)能夠在粘接大型區(qū)域時可提供足夠的結(jié)構(gòu)強度（這里，我們將結(jié)構(gòu)強度定義為使用標準搭接剪切程序測定的超過1000 psi的搭接剪切強度）。

雙組分聚氨酯樹脂

經(jīng)過專門配制，一經(jīng)混合即可固化，而且通常情況下，即使粘接層較厚，也能夠在室溫下快速固化（不像單組分聚氨酯密封膠那樣，只有在接觸到空氣或基材水分時才能緩慢固化）。雙組分聚氨酯樹脂可實現(xiàn)穩(wěn)固粘接，而且它具有很高的柔性，能夠在緊附基材時提供相對較高的抗沖擊性和剝離強度。但其模量通常較低，導(dǎo)致其耐熱性相對較差。此外，在頗具挑戰(zhàn)的環(huán)境條件下（如長期暴露于水分/濕氣下），為了保持聚氨酯樹脂對金屬的粘接效果，可能需要對金屬噴涂底漆。

雙組分丙烯酸樹脂經(jīng)過專門配制，可在不噴涂底涂的情況下與金屬牢固地粘接在一起（有時連金屬的去污過程和防銹油的清除過程都可以省去）。丙烯酸樹脂的耐高溫性能強于聚氨酯樹脂，但在低溫條件下通常會變得更脆，因而剝離強度和粘接力度都會降低。有些人希望通過改良配方來克服丙烯酸樹脂自身存在的限制，如加入彈性粒子和環(huán)氧樹脂等。因此，在溫度條件不是很極端的情況下，高性能的丙烯酸樹脂和丙烯酸混合物能夠滿足多種應(yīng)用需求，而且它們能快速固化并與塑料穩(wěn)固粘接，這些都是十分有用的特性。

環(huán)氧樹脂膠黏劑

要實現(xiàn)最佳的抗振動性和環(huán)境耐受性，環(huán)氧樹脂膠黏劑屬于較適合的解決方案。不過，在抗沖擊、抗振動應(yīng)力、環(huán)境耐受性以及提供較高結(jié)構(gòu)強度方面，環(huán)氧樹脂還存在著廣泛的差異。很多人只熟悉第一代環(huán)氧樹脂膠黏劑，這些膠黏劑往往都是剛性的，環(huán)境耐受性也相對較低。但隨著環(huán)氧樹脂技術(shù)的不斷改進，新一代的環(huán)氧樹脂已經(jīng)克服了這些限制。

在 20 世紀 70 年代，環(huán)氧膠黏劑的柔性大幅提高。這些膠黏劑的剝離強度得到大幅提升，在沖擊力、熱應(yīng)力、疲勞耐受性方面也得到改進。柔性環(huán)氧樹脂現(xiàn)應(yīng)用于飛機部件的蜂窩板粘接、鐵路板材的鋪設(shè)等諸多領(lǐng)域，在這些應(yīng)用中，環(huán)氧樹脂必須具有長期穩(wěn)定的使用壽命，即便面臨重復(fù)振動和熱循環(huán)帶來的挑戰(zhàn)，也能應(yīng)對自如。

增韌環(huán)氧樹脂

20 世紀 80 年代，增韌環(huán)氧樹脂問世。不像柔性環(huán)氧樹脂那樣，需要依賴低模量來提供抗沖擊性和抗疲勞性，增韌環(huán)氧樹脂在配制過程中采用較高的模量矩陣，其中加入了非常小的（微米級）橡膠顆粒。這些顆粒在承受壓力時能吸收能量，并阻止微裂紋的擴展，從而提供極致的抗沖擊和抗疲勞性能。增韌環(huán)氧樹脂目前被運用于要求較高的應(yīng)用當(dāng)中，如移動基站的粘接、武器粘接、運動產(chǎn)品制造（復(fù)合山地自行車框架和高爾夫球桿頭與桿體的粘接）等。

增韌環(huán)氧樹脂保留了此類膠黏劑所固有的環(huán)境耐受性能，通常是高強度焊接和機械緊固更換的最佳選擇。

圖1.通過對比剝離和剪切性能得出的雙組分結(jié)構(gòu)型膠黏劑之間的相對關(guān)系

膠接接合面的設(shè)計

接合面構(gòu)型

結(jié)構(gòu)型膠黏劑在剪切和拉伸過程中（尤其是壓縮時）的強度是較高，在剝離和劈裂時強度較弱，因為此時所有粘接力都集中在分離部分的前緣。因而，有必要設(shè)計一種接頭，讓剪切和拉伸力（而非剝離和分裂力）占主導(dǎo)地位。

下圖展示了幾則接頭再設(shè)計的示例，用以實現(xiàn)粘接力最大化。汽車和大型設(shè)備制造商等要求較高的客戶會使用計算機建模技術(shù)來評估各種設(shè)計的接合面應(yīng)力，并對最終設(shè)計進行優(yōu)化。

圖2.幾則在優(yōu)選模式中應(yīng)用粘接力的接合面再設(shè)計示例

表面處理

粘接部分也必須干凈清潔。如果表面覆有一層弱束縛材料（無論是氧化銹、油漬，還是灰塵），那么膠黏劑通常無法接觸到金屬本體，從而導(dǎo)致粘接失敗。

可以讓膠黏劑與特定表面（如鋼的磨鱗面）牢固粘接，然后用它來去除底層金屬表面的雜物。因此，必須在粘接前去除污垢和弱束縛表面層，在此過程中，通常使用溶劑型脫脂劑去污，或者使用磨損法去銹。

處理注意事項

在最終選擇結(jié)構(gòu)型膠黏劑時，還需要考慮到生產(chǎn)方法。必須將膠黏劑的三項關(guān)鍵參數(shù)考慮在內(nèi)：

◆工作時間（或者混合膠黏劑到閉合接合面的間隔時間）

◆自然強度或操作強度（從膠黏劑膠化至可進行進一步處理的自固定化狀態(tài)所需的時間）

◆完全固化時間（膠黏劑達到最終固化狀態(tài)的時間）

上述時間因膠黏劑的化學(xué)成分和配方不同而有所差異；同時也受環(huán)境和操作溫度的影響。雖然與焊接相比，結(jié)構(gòu)型膠黏劑的實際操作過程非常迅速，但結(jié)構(gòu)型膠黏劑本身需要一個固定期來達到足夠的強度，以便膠接接合面在下游工件加工過程中能夠承受住進一步的壓力。

在室溫下，這一過程最短可能需要 15 分鐘，最長可能需要幾個小時。通過加熱（對大型部件可使用感應(yīng)固化或加熱燈、加熱槍；對小型部件可使用烤箱）可以縮短這一時間。

此外，一旦雙組分膠黏劑混合后，它就會開始固化或者進入“凝膠”過程?；旌虾筇囟〞r間內(nèi)，兩個粘接表面必須實現(xiàn)緊密結(jié)合。如果在粘接表面之前，膠黏劑處于混合狀態(tài)的時間過長，那么該膠黏劑就會因過度凝結(jié)而無法對基材表面進行浸潤，也就是說，它將無法與基材表面充分實現(xiàn)緊密接觸，而且最終粘接強度也會顯著降低。

另外，雙組分膠黏劑的固化會通過化學(xué)反應(yīng)來完成，而不是以干燥（如在接觸膠黏劑中）或冷卻（如在熱熔膠中）的方式實現(xiàn)。高溫下比低溫下的化學(xué)反應(yīng)速度更快。

因此，在設(shè)計生產(chǎn)工序時需要考慮到生產(chǎn)設(shè)施和粘接基材的溫度。如果溫度差異十分顯著（例如，冬夏之間溫度的變動），那么就需要改變生產(chǎn)工序，或者更換所用的膠黏劑。

接合面測試和失效模式

設(shè)計和生產(chǎn)是通過應(yīng)用破壞性測試方法的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行驗證的，這些方法都是根據(jù)實際接合面所承受的主要力量來設(shè)計的。這些測試方法價格低廉，而且可以在各種環(huán)境條件中施行。這些方法可能包括剪切、沖擊、剝離和其他眾多應(yīng)用的具體方法。

最常見的設(shè)計測試是搭接剪切測試，其中要同時考慮到基材、表面處理和粘接方法。ASTM?D1002提供了一種驗證設(shè)計方案的方法，對此，可輕松進行定制以獲得相關(guān)測試數(shù)據(jù)。

搭接剪切測試可能是評估各種產(chǎn)品對各類基材的粘接作用的最常用方式。還可以用它來對機械緊固件和焊接點的強度進行測試，以便在前期準備中，在金屬板之間為放置緊固件留出充足的搭接區(qū)域。可通過標準方法獲取對比數(shù)據(jù)，其中對比展示了增韌環(huán)氧樹脂與剛性環(huán)氧樹脂、機械緊固法以及焊接法的失效力度（見圖 4）。

圖4.增韌環(huán)氧樹脂可以達到或超過傳統(tǒng)連接方法的剪切失效力度

不過，標準搭接剪切測試并未說明各類設(shè)計的抗沖擊性能。其他測試方法可設(shè)計用于檢測沖擊/疲勞耐受性；有些方法非常復(fù)雜且耗時良久（如ASTM D3166）；但通常只需簡單進行測試就能實現(xiàn)清晰對比。舉例來說，通過一個簡單的擺錘測試機就能解釋不同粘接方法吸收沖擊力的相對能力（見圖 5）。

圖5.增韌環(huán)氧樹脂粘接與點焊粘接的對比，T6061 鋁，擺錘撞擊測試（重量為 3 磅，擺臂長 20 英寸）

另一種常用于柔性基材的方法是剝離測試。剝離測試的類型非常多。包括：ASTM D3167浮輥剝離和 ASTM D1876- T-剝離法。

當(dāng)基材與膠黏劑粘接時，膠黏劑可覆蓋整個接合面。這就避免了力量集中在一處（像在接合面中使用鉚釘或螺栓時會發(fā)生的那樣）。壓力沿著接合面進行擴散能夠減輕金屬因張力而發(fā)生的變形，同時也能提高極限失效力度。如果接合面會受到反復(fù)擠壓，則壓力沿粘接層進行擴散可提高抗疲勞性和部件壽命?？墒褂美y試機對膠接接合面和機械緊固接合面進行對比測試來展示這種效果（見圖 6）。

圖6.T6061 鋁（0.063 英寸厚）、拉力應(yīng)用中的鉚釘與膠接鋁的失效對比

在這里還能間接展示出另一個優(yōu)點，即薄片鋼材可在不發(fā)生（因使用鉚釘、螺栓和點焊導(dǎo)致的壓力集中所造成的）金屬變形的情況下進行膠接。使用膠黏劑可以讓壓力在薄片金屬的大塊面積上均勻擴散。因而，可以使用薄片金屬來減輕重量，同時還能保持原本的強度或抗疲勞水平。

對整個接合面進行焊接會制造出一個牢固的接合面；然而，焊接本身可能會帶來其他不良影響（包括高勞力成本和能量消耗，以及焊接過熱導(dǎo)致的金屬變形或弱化）。此外，采用焊接和機械緊固法可能需要進行更多的修整才能達到成品部件的審美要求。

測試結(jié)果表明，高端結(jié)構(gòu)型膠黏劑的極限破壞力度甚至能夠趕上全縫焊接，而且不會因溫度過熱造成金屬變形或弱化。

對粘接接合面特定強度的進一步對比顯示，膠黏劑在強度和縮減重量方面都頗具優(yōu)勢。

總結(jié)

如上所述，在各種力量的驅(qū)動下，大量長期采用焊接、釬焊、鉚釘和螺栓連接等標準連接方法的公司現(xiàn)已開始考慮采用具有較高性能的增韌結(jié)構(gòu)型膠黏劑。

這種膠黏劑在很多方面都有顯著的優(yōu)勢，如整體成本和重量縮減、粘接異質(zhì)基材的能力、在均勻的應(yīng)力分布下創(chuàng)建接合面的能力，以及隨之帶來的較高的抗疲勞性和受力性。增韌型膠黏劑能夠提升美學(xué)效果并降低勞動密集型加工成本，如磨除點焊過程產(chǎn)生的碎屑。

選擇合適的膠黏劑至關(guān)重要，工程師應(yīng)該與其材料供應(yīng)商緊密合作以選取合適的產(chǎn)品。此外，某些接合面再設(shè)計和生產(chǎn)工藝調(diào)整工作可能會對項目最終的成功產(chǎn)生重大影響。但根據(jù)以往經(jīng)驗，如果采用合適的結(jié)構(gòu)型膠黏劑，能在性能上趕超焊接、鉚釘和螺栓連接等傳統(tǒng)連接方法。