粘接技術在機車車輛行業的應用

杜慧勇 吳鶴翔 楊曉芳 郎艷 楊帆

中車大連機車車輛有限公司 遼寧省大連市 116022

1 引言

人類使用膠粘劑歷史源遠流長，我們的祖先5000年前就會使用天然產物：黏土、淀粉、天然橡膠等進行粘接，制成生活用品，生產工具和兵器等。20世紀初，隨著合成高分子工業的迅速發展，新型高分子膠粘劑不斷涌現[1-2]。簡單、易行、實用的膠粘劑粘接技術日益成熟，粘結技術逐步成為現代生活和現代工業不可或缺的技術[3-6]。

近年來，隨著高鐵動車進入我們的生活，中國中車有限股份公司的成立，國內機車車輛行業得到了前所未有的發展機遇。新材料、新技術大量使用在機車車輛行業，膠粘劑粘接技術代替傳統的鉚接，焊接越來越多地應用在新型材料的連接上。

粘接技術有其優越性，但作為特殊工序，不能通過終檢和無損檢測方法來檢查和檢測其質量，必須通過嚴密的過程控制才能保證質量。為此，建立從粘接接頭設計、粘接工藝技術開發、生產制造、質量保證、售后維修的全過程的科學體系控制機車車輛粘接零部件質量勢在必行。

2 國內外機車車輛使用膠粘劑的概況

2.1 概述

國內在機車車輛上使用結構粘接技術起步較晚，與發達國家相比有較大的差距。進入90年代以來，隨著國家對機車車輛的提速、美觀等等提出較高要求，質輕高強的復合材料才開始在機車車輛上得到應用，粘接技術的不斷提升對復合材料應用范圍的不斷擴大起到了關鍵做用。

粘接連接相比于傳統的連接方式，具有以下優勢：粘接結構有更輕的質量；粘接結構應力分布均勻；彈性粘接具有減震降噪隔聲的功能；彈性粘接可提高粘接結構抗沖擊能力；良好的密封、防腐性能；可實現模塊化組裝；可實現其它機械連接不能固定的結構。

2.2 膠粘劑目前在機車車輛上的應用

目前國內機車車輛上使用的膠粘劑主要有化學固化膠粘劑、物理固化膠粘劑、壓敏膠（無固化膠粘劑）三大類。根據其性能不同，造價不同，在機車車輛上的使用部位也不同。

化學固化膠粘劑主要有環氧類膠、聚氨酯類膠、MMA、MS改性硅烷膠、厭氧膠等。在機車車輛上的應用例如：環氧類膠作為結構膠用于鋁蜂窩地板的粘接；聚氨酯類膠粘劑用于粘接玻璃，司機室頭罩等；MMA作為結構膠粘接不同金屬；MS改性硅烷膠主要用于密封；厭氧膠用于螺紋鎖固和平面密封等。

物理固化膠粘劑主要有熱熔膠、溶劑膠等。機車車輛上的應用例如：熱熔膠用于粘接電器元件等；溶劑膠，以氯丁膠用于粘接地板布、橡膠件等。

壓敏膠（無固化膠粘劑）主要有壓敏膠帶、丙烯酸酯壓敏膠等，適合大面積粘接，具有粘接操作簡單、不污染基材表面的特點。

3 粘接技術的研究

粘接技術是包含了從含粘接的零部件設計開始，工藝流程，生產過程質量監控，后期的產品的非破壞性檢測及產品伴隨樣件的破壞性試驗，粘接失效分析以及粘接修復的一系列的、全面系統性的技術。

3.1 粘接接頭的設計

粘接接頭必須有能力承受應力和應變，粘接接頭的尺寸設計必須滿足載荷小于載荷極限。

3.1.1 設計規則

粘結接頭的設計應：簡單、清晰、安全。其中是安全是最重要的，為了確保安全，應該考慮粘接接頭可能承受到的所有載荷，仔細設計，使粘接接頭結構設計本質上是安全的，必要時須冗余設計。粘接接頭設計時安全等級評估是必不可少的；膨脹、蠕變和松弛、腐蝕、生產條件、危險因素等是設計中必須考慮的。

3.1.2 設計原理

（a）利用力傳遞原理，避免應力集中；（b）優化材料使用原理，通過對材料的選擇來保證粘接件的強度與使用壽命；（c）合理利用變形匹配原理，保證足夠的彌補量，相對變形越小越好；（d）設計中采用對稱結構，利用平衡力原理，有效減少二次力。

以上各原理一般會綜合的、同時的應用在機車車輛的粘接接頭設計中。

3.2 粘接工藝

國內機車車輛行業的粘接工藝并沒有像傳統焊接技術一樣，十分系統和規范地進行過研究。機車車輛粘接工藝的不斷進步依賴于機車車輛制造材料的更新換代和機車車輛制造工藝水平的發展，往往新型化工膠粘劑材料的出現未及推廣，技術人員對粘接結構比較陌生，僅從經驗出發進行從事粘接工作，粘接技術理論支撐薄弱。

編制具體完善的粘接工藝作業指導書，要考慮如下項點：粘接現場的環境；膠粘劑及基材同溫；基材的表面處理；輔助工具或工裝的準備；施膠方案；研配、混膠、安裝、固化等；伴隨樣件的制作。

3.3 粘接質量監控

（1）膠粘劑及輔料的來料檢驗；（2）粘接過程質量控制表的編制與填寫；（3）伴隨樣件試驗的破壞性測試及伴隨樣件的管理；（4）粘接零部件全面的無損檢測；（5）粘接零部件的出廠檢查；（6）粘接相關人員須經過培訓與考核，持證上崗；（7）建立專業的粘接廠房、庫房、粘接實驗室及其各自的管理制度；（8）首件檢驗制度；（9）批量生產中的常規檢驗制度；（10）不合格品的管理制度。

3.4 粘接失效

膠粘劑是利用粘附和內聚將不同基材連接在一起的非金屬物質，粘接的本質就是使用膠粘劑將基材連接在一起。粘接失效就是基材沒有被膠粘劑連接在一起，即粘接破壞。

3.4.1 粘接的破壞模式

基材斷裂；內聚破壞；單面粘附破壞；雙面粘附破壞；粘附內聚破壞；

3.4.2 粘接失效的原因分析

粘接失效的原因很多，主要有以下幾點：基材材質問題；膠粘劑問題；基材表面處理有問題；基材幾何尺寸問題；底涂、活化劑晾干時間問題；固化條件；粘接環境。

4 粘接質量標準體系

粘接技術與焊接技術等不同，有其特殊性及局限性，這就決定了粘接技術質量標準體系的特殊性、重要性及專業性。歐洲軌道車輛行業引入了DIN6701粘接質量標準體系，提升了機車車輛粘接技術水平，從而保證了機車車輛粘接件的安全可靠，有效保證了鐵路運輸的有序進行。

過去那種，依賴于膠粘劑生產企業、膠粘劑供應商及其它行業膠粘劑標準來使用膠粘劑的模式，已不能適應機車車輛業的快速發展。國內應該在消化吸收DIN6701粘接質量標準體系的基礎上，結合實際、因地制宜地建立機車車輛業自己的粘接質量標準體系，規范、統一和完善機車車輛粘接技術質量標準體系已刻不容緩。

5 粘接團隊建設

5.1 粘接技術人才培養

粘接作為一道特殊而關鍵的工序，尤其是被業主關注的工序，其重要性不言而喻。近期，據不完全統計，在機車車輛制造企業中從事粘接工作的人員有千余人，其中具有資質的專業技術人員二百多人，相比焊接等從業人員，這個數字遠遠不夠。專業人才匱乏，理論知識基礎薄弱，粘接操作不規范，已嚴重制約粘接技術在機車車輛行業的發展。為保證粘接部件質量的可靠性，粘接技術人才的培養顯得尤為重要。

5.2 粘接管理組織構架

歐洲按DIN6701粘接質量體系的劃分，具有專業資質的技術人員分三個等級：

EAE歐洲粘接工程師：負責完整的粘接過程，從計劃、決策、設計直至生產完畢；在粘接技術方面，有思考、決策和執行能力；對產品的整個生命周期負責，具有全局觀。EAE從事粘接主管的工作，負責粘接的所有方面。

EAS歐洲粘接技師：能編制作業指導書；正確實施粘接工藝過程；指導、監督或管理操作員或工人進行粘接工作；能控制過程參數，識別異常現象。EAS從事粘接車間主管、粘接工藝主管、粘接現場指導與監督，粘接質量主管、粘接實驗室主管等工作。

EAB歐洲粘接操作員：理解膠粘劑粘接的特征和粘接特殊工序的意義，能準確理解和執行膠粘劑粘接的工藝操作規程。EAB從事粘接廠房管理、膠粘劑庫房管理、膠粘劑來料檢查、按作業指導書粘接零部件并制作伴隨樣件、施膠設備維護、實驗室粘接樣件制作等工作。

具有以上資質的專業人員分別被安排在適合的崗位，協同合作，完成粘接這一特殊而關鍵的工序，才能有效保證使用在機車車輛上粘接零部件的可靠性。

6 結語

隨著粘接技術在機車車輛裝備領域的廣泛應用，粘接技術的優勢逐步被認可。隨膠粘劑特性而來的粘接技術局限性必將在膠粘劑的開發，粘接工藝日新月異的發展中，被進一步淡化。粘接技術在機車車輛業的快速發展，引發了機車車輛輕量化技術的革命。優質的新型機車車輛為人們提供了越來越安全、高效、舒適的出行服務。