熱空氣老化對橡膠地板布焊接接頭性能的影響

李剛卿，沈鶴飛，韓曉輝，徐智寶，趙 民，姜代旬，鄭自芹，梁景恒

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.中國兵器工業第五二研究所煙臺分所有限責任公司，山東 煙臺 264003）

焊接（粘接）作為軌道車輛結構件不可或缺的連接方式，具有操作簡便、成本低、無應力等工程特點，近年來廣泛應用于軌道車輛的車窗和地板布等重要結構的連接[1-4]。隨著軌道車輛速度等級的提高，運行區間的擴大，車輛服役環境日趨惡劣，尤其是當車輛在熱帶地區運行時可能面臨極酷環境。大量研究[5-8]表明，高溫條件下高分子材料的拉伸強度會明顯下降。作為高速軌道車輛的車窗和地板等焊接結構件[9-11]，其在高溫與應力共同作用下的安全服役性能值得研究，然而目前關于高速軌道車輛中橡膠地板布焊接結構高溫老化性能研究還鮮有報道。

本工作以兩種軌道車輛地板布用橡膠材料為研究對象，前期以拉伸強度為評定依據進行不同焊接參數的正交試驗，確定兩組（Ⅰ和Ⅱ組）焊接參數（分別對應Ⅰ和Ⅱ組橡膠地板布接頭），現研究熱空氣老化對Ⅰ和Ⅱ組橡膠地板布焊接接頭性能和形貌的影響以及進行焊接接頭焊縫的差示掃描量熱（DSC）和拉曼光譜分析，以期為高溫環境下橡膠地板布焊接接頭性能預測提供參考，且對于橡膠材料的焊接工程化應用和安全可靠性具有重要意義。

1 實驗

1.1 焊接參數

Ⅰ和Ⅱ組橡膠地板布分別采用匹配的橡膠焊條進行焊接，主要焊接參數如表1所示。

表1 橡膠地板布的主要焊接參數Tab.1 Main welding parameters of rubber floor coverings

1.2 主要設備和儀器

DHS-DGN-500型老化試驗箱，無錫德華仕環境科技有限公司產品；SZ61型體式顯微鏡，日本奧林巴斯株式會社產品；HS-A型邵氏硬度計，煙臺華銀試驗儀器有限公司產品；CMT4304型拉伸試驗機，美特斯工業系統（中國）有限公司產品；S360型掃描電子顯微鏡（SEM），天津瑞利光電科技有限公司產品；DSC404F3型DSC儀，耐馳（上海）機械儀器有限公司產品；DXR型激光顯微拉曼光譜儀，美國賽默飛世爾科技公司產品。

1.3 測試分析

（1）熱空氣老化：將橡膠地板布焊接接頭試樣懸掛于熱空氣老化試驗箱中進行70 ℃×14 d的熱空氣老化。

（2）將橡膠地板布焊接接頭拋磨后用體式顯微鏡觀察宏觀形貌。

（3）邵爾A型硬度：按照GB/T 531.1—2008測試橡膠地板布焊接接頭焊縫及母材的邵爾A型硬度。

（4）拉伸強度：按照GB/T 528—2009測試橡膠地板布焊接接頭的拉伸強度。

（5）拉伸斷面形貌：采用離子濺射法對橡膠地板布焊接接頭拉伸斷面進行噴金處理，用SEM觀察拉伸斷面形貌。

（6）DSC分析：采用DSC儀對橡膠地板布焊接接頭焊縫進行分析，試驗條件：溫度 25～110 ℃，升溫速率 10 ℃·min-1。

（7）拉曼光譜測試：采用拉曼光譜儀對橡膠地板布焊接接頭焊縫進行掃描，掃描波數范圍：100～3 500 cm-1。

2 結果與討論

2.1 焊接接頭的宏觀形貌

橡膠地板布焊接接頭的斷面形貌如圖1所示。

圖1 橡膠地板布焊接接頭的斷面形貌Fig.1 Section morphologies of welded joints of rubber floor coverings

由圖1（a）和（c）可知，老化前兩組焊接接頭的焊形良好，焊縫熔合佳，未見明顯缺陷。由圖1（b）和（d）可知：老化后兩組焊接接頭母材均未發生明顯變化；Ⅰ組焊接接頭焊區發生明顯變形，存在熔融現象；Ⅱ組焊接接頭焊區輕微變色，形狀未發生明顯變化，但橡膠焊條壓邊翹起。

2.2 焊接接頭的硬度和拉伸強度

橡膠地板布焊接接頭的老化程度（A）計算公式如下：

式中，σ1是老化前焊接接頭的拉伸強度，σ2是老化后焊接接頭的拉伸強度。

橡膠地板布焊接接頭的硬度和拉伸強度見表2。

表2 橡膠地板布焊接接頭的硬度和拉伸強度Tab.2 Hardnesses and tensile strengths of weld joints of rubber floor coverings

由表2可見：老化前后Ⅰ和Ⅱ組焊接接頭母材的硬度不變，Ⅰ組焊接接頭焊縫老化后的邵爾A型硬度減小21%，Ⅱ組焊接接頭焊縫老化后的邵爾A型硬度減小6%；老化后Ⅰ組焊接接頭的拉伸試樣在自身重力作用下從焊縫位置熔斷，Ⅱ組焊接接頭的拉伸強度減小12%。

2.3 焊接接頭的拉伸斷面形貌

橡膠地板布焊接接頭的拉伸斷面形貌如圖2所示。

由圖2可見，Ⅰ和Ⅱ組焊接接頭的斷面形貌存在較大差異。由于老化前Ⅰ組焊接接頭拉伸斷裂于焊縫位置，故拉伸斷面呈現波紋狀擴展，存在較大類似波浪形的撕裂痕[圖2（a）]，這與焊接接頭具有較好延展性有關；老化后焊接接頭拉伸斷面為光滑斷面，不存在撕裂特征[圖2（b）]，這與老化后焊接接頭不能拉伸延展而直接熔斷有關。老化前后Ⅱ組焊接接頭均拉伸斷裂于熔合線位置，拉伸斷面形貌均表現出兩階段擴展特征，即斷面擴展初期產生與拉伸方向垂直的大撕裂棱，每個撕裂棱中又有與拉伸同向的層狀撕裂特征[圖2（c）和（d）上部分區域]，斷面裂紋擴展后期大撕裂棱消失[圖2（c）和（d）下部分區域]，表現出與拉伸同向的層狀撕裂特征[圖2（e）和（f）]，說明此階段裂紋擴展速率加快，表現為裂紋失穩擴展；老化后撕裂棱更加致密，裂紋深度增大，斷面更加粗糙[圖2（f）]，這可能與橡膠中填料或者其他小料遷出有關。裴濤等[12]對硅氟橡膠高溫老化性能的研究也得到類似結果。

圖2 橡膠地板布焊接接頭的拉伸斷面形貌Fig.2 Tensile section morphologies of welded joints of rubber floor coverings

2.4 焊接接頭焊縫的DSC分析

在老化試驗中，Ⅰ組橡膠地板布焊接接頭的拉伸試樣在焊縫處發生熔斷，Ⅱ組橡膠地板布焊接接頭母材的形貌及邵爾A型硬度均未發生明顯變化。為此，下面對橡膠地板布焊接接頭焊縫進行DSC分析。

橡膠材料從低溫到高溫將經歷玻璃態、高彈態、粘流態3個階段[13]，通常在室溫下為高彈態。由Ⅰ組橡膠地板布焊接接頭老化后的邵爾A型硬度減小、拉伸試樣在重力作用下自然熔斷以及其宏觀形貌可知，Ⅰ組焊接接頭焊縫在70 ℃條件下表現粘流態特征。為了驗證Ⅰ組焊接接頭焊縫的溫度特性對其進行了DSC分析[14]，結果如圖3所示（DDSC曲線為DSC曲線的微熵曲線）。

從圖3可以看出：Ⅰ組焊接接頭焊縫在65.6℃時熱流率發生轉變，在67.2 ℃時存在明顯吸熱峰，說明此時焊縫發生粘流態轉變；Ⅱ組焊接接頭焊縫和Ⅰ組焊接接頭母材對應的DSC曲線以及DDSC曲線相似，在25～110 ℃加熱過程中均未見明顯吸熱峰，這進一步表明Ⅰ組橡膠地板布焊接接頭焊縫的粘流態轉變溫度較低，在較高溫度下應盡量避免使用Ⅰ組焊接接頭。

圖3 橡膠地板布焊接接頭焊縫和母材的DSC和DDSC曲線Fig.3 DSC and DDSC curves of welded joint welds and base materials of rubber floor coverings

2.5 焊接接頭焊縫的拉曼光譜分析

隨著溫度升高，高分子材料中分子鏈活動加劇，一旦高分子從環境溫度中獲得足夠的能量，其化學鍵會發生斷裂，進而影響高分子材料的力學性能，造成高分子材料老化[15-17]。為了分析熱空氣老化后橡膠地板布焊接接頭力學性能變化的微觀原因，對橡膠地板布焊接接頭焊縫進行拉曼光譜測試，結果如圖4所示。

從圖4可以看出，老化后Ⅰ組焊接接頭焊縫在1 056 cm-1處的特征峰（歸屬于C—O鍵伸縮振動峰）和1 118 cm-1處的特征峰（歸屬于C=C鍵伸縮振動峰）強度明顯減小[圖4（a）]，這是由于在熱空氣老化過程中，橡膠分子鏈中的自由基與氧發生交聯反應，以及C=C鍵發生裂解等所致[7]，其是橡膠地板布焊接接頭力學性能變化的主要原因。老化前后Ⅱ組焊接接頭焊縫的譜帶峰未見明顯變化[圖4（b）]，表明其橡膠分子鏈的化學交聯鍵未發生斷裂。

圖4 橡膠地板布焊接接頭焊縫的拉曼光譜Fig.4 Raman spectra of welded joint welds of rubber floor coverings

3 結論

（1）熱空氣老化后，Ⅰ組橡膠地板布焊接接頭的拉伸試樣從焊縫處熔斷，焊縫的邵爾A型硬度減小21%；Ⅱ組橡膠地板布焊接接頭拉伸強度減小12%，焊縫的邵爾A型硬度減小5%。

（2）DSC分析可得，Ⅰ組橡膠地板布焊接接頭焊縫在65.6 ℃時熱流率發生轉變，在67.2 ℃時存在明顯吸熱峰，表明焊縫發生粘流態轉變；Ⅱ組橡膠地板布焊接接頭焊縫和Ⅰ組橡膠地板布焊接接頭母材在25～110 ℃中均未見明顯吸熱峰。

（3）拉曼光譜分析可得，熱空氣老化后Ⅰ組橡膠地板布焊接接頭焊縫在1 056和1 118 cm-1處的特征峰強度明顯減小，這是熱空氣老化過程中橡膠分子鏈發生交聯和裂解反應導致的，其是橡膠地板布焊接接頭力學性能變化的主要原因。