作为一种新的轻质材料连接方法,胶粘剂黏合法在船舶制造业中受到越来越多的关注。铝合金和复合材料经常被用在客船和高速船的上层建筑中,小的船只基本全由这些材料制成,目的是为了减轻重量,也是为了使生产更有效。现在的连接方法,比如铝的熔焊接、铆接或螺栓连接都非常昂贵,而且不能保持令人满意的长期性能。胶粘剂黏结一些吸引人的地方有:它不改变基体材料的性能;允许异种材料的粘合;它不要求热加工,因此不会有相伴随的热变形和火灾危害的问题;它有很大的灵活性。
在造船业中已有一些胶粘剂黏合的应用。现代客轮和邮轮的窗户表面都采用了普通的设计特点。这些窗户通常是用弹性胶粘剂粘合起来的,这样大限度的减少对玻璃的压力。此外,钢铁结构的位移可以通过改变胶层厚度来摆平。目前胶粘剂的另外一个应用是用来粘接快速客轮的座椅围栏和内部甲板,这样做是为了使用比焊接中建议的小厚度还要薄还要轻的甲板木材。Reavey在“胶粘剂黏合法在气垫船中的使用”中指出,这些气垫船都是通过飞机粘结技术和设计实现建造成的。Reavey也作出结论:粘合的铝制接头有非常好的耐久性,但是很昂贵。
材料选择:
在应用中选择合适的胶粘剂需要考虑粘合的物体的形状、加载条件和生产要求。在应用中,基板或贴壁通常是预先确定的,一些情况中,表面处理(涂料,底漆等)也是提前确定的。这些材料和表面处理可以通过标准的调查问卷来确定,调查的结果也可以用来编制胶粘剂选择需求清单。基于这些要求,人们可能会要求胶粘剂供应商推荐合适的粘合剂。
需求清单内容包括:
材料和表面处理
要粘合的物体的几何形状和加载条件
服务温度
生产的环境和服务环境
胶粘剂的应用
固化条件
要求的寿命
由于对详细的粘合物形状和加载条件没有或只有一个模糊的概念,所以这里关于粘合强度的要求相对较少。因此,胶粘剂的选择主要基于一些常规的因素,比如预期的服务环境和生产要求。
进一步的筛选测试将会进行来选择粘合设计过程中所用的材料。筛选测试的目的是为了减少可能存在的、适用于不同胶粘材料(比如钢铁、铝和复合材料)的胶粘剂、底料、涂料和其他一些表面处理的结合。测试将会被有效的选择从而获得相应的测试数据。所有的测试共同遇到的一点是样本简单而且生产成本低。这里使用的典型测试有焊缝剥离试验(只针对于柔性胶粘剂)、剪切试验以及波音楔形块检验。有关测试的老化条件由需求清单上确定的实际使用环境来决定。
接头设计和分析
成功的粘合接头设计需要了解接头的力学知识、几何知识、被粘接部分所用材料的知识、服务加载、环境条件和检查完成的接头存在的要求。有了这些信息,你可以设计接头的局部几何形状,并决定怎样组装接头和用夹具辅助加工接头(如果有必要)。
关于如何设计局部几何图形和怎样进行(简单)应力分析可以通过一些文献中的举例来发现。一般来说需要有一个更好的关于造船应用中如何进行整个设计过程的文件。该理论已在很多案例中被开发(例如航空工业),但终用户在进行船舶接头设计时仍然非常困难。
就分析搭接而言,有许多封闭式解决方案是可行的,可以用来评估粘合强度。然而,这些规则不适合复杂几何形状的粘合,那么的选择就是进行FE分析。FE分析需要有大量的经验,要特别关注失效准则(没有普遍的失效准则)、非线性材料成型技术、成型假设、成型简化和一些临界条件。许多情况下,通过没有进行额外标定实验的数值模拟来预测粘合强度是不可能的。因此,一个实用的方法是使用全尺寸的测试样本进行测试。
接头设计中需要考虑的一些重要方面有:
由机械载荷和热载荷引起的应变;
蠕变:尤其对只能承载非常小的静载荷的柔性粘合剂非常重要。
生产设计:确保表面处理和胶粘剂的简单应用,并组装接头。
腐蚀性:足够的电绝缘,避免不同材料之间的腐蚀,如钢铁和铝。
接头的可检验性:允许超声探头接入,可以视觉上检查接头。
NDE/NDI检测方法使用注释:
目前用来检测接头粘合强度的方法没有一个是非破坏性的,因此NDE/NDI检测方法是作为生产过程中整体质量战略的一部分被使用的。超声波可用于确认胶粘剂正确的填充在胶层中。粘合强度可以通过选择正确的基体材料、表面处理、胶粘剂和工艺参数得以保证。材料系统的性能是通过(加速)老化测试体现出来的。NDE/NDI检测方法用来确认接头是根据规格进行生产的。