CN101506642B - 用于制造具有两个子部件的粘合连接的结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于结构的两个子部件的粘合连接的质量控制过程，包括如下步骤：a)提供将被控制的复合材料的结构；b)提供一个预制造测试设备(1)，所述一个预制造测试设备(1)代表所述结构的所述子部件中的一个，其中所述子结构部件由金属材料或复合材料制成；c)在与所述子部件的实际粘合连接类似的条件下，将所述一个预制造测试设备(1)粘结到所述结构的另一个子部件(7)；d)在所述一个预制造测试设备(1)上执行至少一次机械测试，所述至少一次机械测试允许评价所述粘合连接的质量，其中，所述一个预制造测试设备(1)的主体(11)具有底部，所述底部具有平坦表面，所述主体(11)用于在其底部处粘接到所述结构的所述另一个子部件(17)，非粘合释放膜(14)施加在所述平坦表面上，并且所述平坦表面部分地置于所述一个预制造测试设备(1)与另一个子部件(17)的表面之间。

Description

用于制造具有两个子部件的粘合连接的结构的方法

技术领域

本发明包括在结构的制造领域中，其包括几个子部件(例如，由纤维或类似材料的非连续加强材料和热固性树脂或类似材料的连续基体(matrix)形成的复合材料的结构的子部件的共固化)的连接固结过程和/或几个子部件的粘合连接(例如，复合材料或金属材料结构的子部件的粘结)，本发明具体地包括在那些由于安全问题需要对代表证明连接质量的所述连接的标准试件进行额外测试的技术领域中。 

背景技术

基本结构中对于先进复合材料的大量引入已经成为结构优化的基本过程(在减轻重量和提高机械性能的基础上)，是设计和制造新一代飞行器的首要目标之一。 

引入复合材料的主要优点之一是由于高度集成的结构元件能够在组装过程中节约成本，所述结构元件一般包括蒙皮(skin)和在固化和/或粘结过程中集成的加强或加固元件。 

这些粘合连接，与传统的铆接连接相比具有很多优点(组装过程中节省成本，更轻质、更坚固、并具有更小的应力集中、防漏等)，但具有一个重大的缺陷：所述连接使用的材料和环境条件以及操作条件都必须一直控制得十分完美，并且代表所述连接的测试件的制造和测试必需要保证所述测试件的质量。 

制造和测试这些测试件的成本相当高，而且难以确保证测试件的结构和制造条件与代表的部件的结构和制造条件相同，因此获得的结果仅仅是近似于所代表的连接的实际状态。 

因此，工业上需要新的、不具有上述缺陷的粘合连接质量控制过程，本发明旨在满足该需要。 

发明内容

鉴于上述，本发明的目的在于使用代表粘合连接的子部件中的一个的预制造设备为粘合连接提供一种质量控制过程，该预制造设备在与代表粘合连接的条件类似的条件下粘结到另一个子部件上。 

该目的通过用于结构的两个子部件的粘合连接的质量控制过程来实现，该过程包括如下步骤： 

a)提供将被控制的制的材料的结构； 

b)提供一个预制造测试设备，该设备代表结构的子部件中的一个，其中所述子结构部件由金属材料或复合材料制成； 

c)在与所述子部件的实际粘合连接类似的条件下，将所述一个预制造测试设备粘结到所述结构的另一个子部件； 

d)在所述一个预制造设备上执行至少一次机械测试，所述至少一次机械测试允许评价所述粘合连接的质量。定性结果(失效模式)和定量结果(失效应力和应变)均被认为代表测试中的实际粘合连接， 

其中，所述一个预制造测试设备的主体具有底部，所述底部具有平坦表面，所述主体用于在其底部处粘接到所述结构的所述另一个子部件，其中非粘合释放膜施加在所述平坦表面上，并且所述平坦表面部分地置于所述一个预制造测试设备与另一个子部件的表面之间。 

在本发明的优选实施例中，本发明的过程目标应用于由复合材料制成的结构。 

在另一个优选实施例中，本发明的过程目标应用于由金属材料制成的结构。 

本发明相对于使用标准测试件的质量控制过程的优点在于：本发明允许利用置入代表连接的子部件中的一个预制造设备代替所述标准测试件的制造和测试，所述子部件中的一个在与实际连接条件类似的条件下粘结到另一个子部件。子部件之间的连接质量由预制造设备与另一个子部件之间的连接质量表示，这通过用于在制造过程之后立即现场执行的测试中使所述预制造设备与所述另一个子部件之间的连接的失效所必须的应力给出，这大大简化了所述连接的鉴定过程并减小其成本。 

以下将参照附图在示意性实施例的如下详细说明中公开本发明的其它特征和优点。 

附图说明

图1示出了在根据本发明的质量控制过程中使用的设备1的具有部分剖面的正视图，该设备由将固定到将被测试的元件表面上的主体11和一次性头部(disposable head)12组成，该一次性头部包括用于通过易断颈部16连接的工具的凹槽或腔体-在附图中，是具有六边形截面的用于方孔螺钉用扳手的圆柱形腔体15。主体11具有平坦表面，该表面成为与将被测试的元件的表面连接的连接表面，可以包括或可以不包括在设备本身中的连接粘合剂13和可以包括或可以不包括在设备本身中的非粘合释放膜14(聚四氟乙烯材料或类似材料)将施加该表面上，并且所述表面部分地置于本发明的对象设备1和将被测试的元件的表面之间； 

图2示出了安装在将被测试的元件17的表面上的设备1的等角投影图； 

图3示出了与图2相同的视图，并且描绘了引入所述设备1的壳体15内的工具18的杆部，通过工具18可以在设备上施加两种不同负荷，每种应力用箭头部表示：在设备的对称轴线上的扭矩19和应力20，该应力20在易断颈部16的切口处具有相应的合成弯曲力矩； 

图4示出了与图3相同的视图，并示意性地示出了沿设备1的对称轴施加的扭矩19，该扭矩引起易断颈部16的断裂和一次性头部12的分离，这表示正确的粘合连接。； 

图5示出了与图3相同的视图，并示意性地示出了沿设备1的对称轴施加的扭矩19，该扭矩引起设备1的主体11的脱粘，这表示不良粘合连接； 

图6示出了与图4相同的视图，并示意性地示出了垂直于设备1的对称轴施加的应力20，该应力将会产生在易断颈部16的切口处的合成弯曲力矩，导致易断颈的断裂和一次性头部12的分离，这表示正确的粘合连接； 

图7示出了与图5相同的视图，并示意性地示出了垂直于设备1的对称轴施加的应力20，该应力将产生在易断颈部16的切口处的合成弯曲力矩，使设备的主体11脱粘，这表示不良粘合连接； 

图8示出了在钩状或钥匙状形式的壳体22代替艾伦型六角形(Allen type hexagonal)壳体15的情况下本发明的对象设备1的部分剖面的平面正视图。这种新结构允许在设备1的对称轴的方向上施加拉力； 

图9示出了在工具23引入钩状或钥匙状形式的壳体22中的情况下具有工具23的设备1的等角投影图。工具23利用平移移动24被引入头部12的腔体22，并以沿其轴线的四分之一转25而被堵住； 

图10示出了与图9相同的视图，并示意性地示出了施加的拉力26，所述拉力导致易断颈部16的断裂和头部12的分离，这表示正确的粘合连接；以及 

图11示出了与图9相同的视图，并示意性地示出了施加的拉力26，所述拉力导致设备1的主体11脱粘，这表示不良粘合连接。 

具体实施方式

图1和2示出了在本发明的发明目的的优选实施例中使用的预制测试设备1的具有部分剖面的前视图和等角投影图，该设备的作用是取代用于证明结构粘合连接质量的标准测试件。设备1允许测试共同粘结连接(复合材料的预固化元件和没有固化的复合材料元件之间的粘合连接)和二次粘结连接(大致为复合材料或固体金属的预固化元件和/或普通非金属元件之间的粘合连接)的质量。 

设备1由主体11和一次性头部12形成，主体11将固定到将被测试的元件17的表面上，一次性头部12通过易断颈部16连接。头部12包括用于将工具18(例如，方孔螺钉头部用扳手)插入其内的凹槽或腔体15。 

设备的主体11具有平坦表面，该表面将成为与将被测试的元件17的表面连接的连接表面，可以包括或可以不包括在设备本身中的连接粘合剂13，和可以包括或可以不包括在设备1本身中的非粘合释放膜14(聚四氟乙烯材料或类似材料)将施加在所述表面上，并且所述表面部分置于本发明的对象设备1和将被测试的元件17的表面之间。 

非粘合释放膜14具有多个作用：控制粘合表面的面积，防止使连接强度变化的粘合凸凹面的形成，以及在连接处产生切口效应。 

设备1可以由金属材料、复合材料、塑性材料或上述材料中的几个制成。 

对于设备1的单个结构，使用的粘合剂的类型及其应用条件影响其典型性质： 

c)如果所述粘合剂在供应之前设置在设备1中，并且如果所述粘合剂与典型的粘合连接的粘合剂不同，或者与其相同但不是同一批次的粘合剂，或者所述粘合剂已经受到相同的储存条件和/或所述粘合剂在相同的条件下应用，则测试结果将表示所述粘合剂已经粘结在其上的元件的表面制备的质量。 

d)如果所述粘合剂在供应之后被设置，与典型的粘合连接的粘合剂相同，从同一批次的粘合剂抽出，已经受到相同的存储条件且在相同的条件下应用，则测试结果将表示表面制备的质量和所使用的粘合剂的条件。 

在任何情况下，推荐在设备1中使用与下列粘合剂相同类型的粘合剂：典型 的粘合连接中使用的粘合剂，或者至少具有类似处理能力条件和机械性质且总是具有大于设备1的易断颈部16的剪切强度和韧性的剪切强度和韧性的粘合剂。 

设备1的结构允许进行三种可能测试： 

i)通过在设备1的对称轴上施加扭矩19对粘合剂进行剪切强度测试。易断颈部16的扭转强度被设定成在比为粘合连接失效而估计的扭矩略低的扭矩的情况下所述设备断裂。如果利用简单的非测力工具施加扭矩19时，则该测试是定性的且将具有几个可能的结果： 

—如果设备1在易断颈部16处断裂(参见图4)，则连接的质量良好，并且作为证明，主体保持粘接到结构元件。 

—如果在易断颈部16没有损坏的情况下设备1与结构元件完全分开(参见图5)，则考虑三种情况： 

1、粘合失效：粘合剂保持粘接到设备的表面上，这表明表面制备质量差，并因此为不良连接。 

2、粘性失效：粘合剂保持分布在结构元件表面和设备之间，这表明该粘合剂的剪切强度低于所需的最小值。假设设备选择正确，这只能发生在结构b)中，这表明粘合剂的选择不好，或粘合剂的变质，并因为为不良连接。 

3、由于结构元件的断裂或分层导致的失效，这表明粘合连接尺寸过大或在表面制备之前或在制备期间的基质(substrate)的变质。 

如果使用了测力工具，该测试将具有定量结果，所述定量结果将提供连接的实际强度的额外信息。 

ii)对粘合剂进行断裂韧度测试：在设备1的对称轴上施加应力20。设备1在易断颈部16处的弯曲强度被设定为在比为粘合连接失效估计的应力略低的应力的情况下所述设备断裂。如果利用非测力工具施加应力20，则测试是定性的且将具有与剪切强度测试相同的可能结果。如果使用测力工具，该测试将具有定量结果，所述定量结果将提供接头部的实际强度的额外信息。 

iii)拉力测试(参见图9、10和11)。需要一个适于工具23使用的钩状或钥匙状的腔体22，所述工具23允许在设备1上施加拉力16。该工具23利用平移移动14被引入头部12的腔体22中，并以沿其轴线的四分之一转15而被堵住。设备1在易断颈部16中的拉伸强度将被设定为在比为粘合连接失效所估计的应力略小的应力的情况下所述设备断裂。如果利用非测力工具施加拉力26，则测试将是定性的且将具有与剪切强度测试相同的可能结果。如果使用测力工具，测试 将具有定量结果，所述定量结果将提供连接的实际强度的额外信息。 

本发明的过程对象能够利用与图1中所示方式不同的方式预制造的设备，尤其是没有易断颈部16的设备来实现，虽然在这种情况下测力工具将是测试所必须的。 

包括在由下述权利要求限定的保护范围内的那些变形可以引入刚刚已经描述过的优选实施例中。 

Claims (11)

1.一种用于制造具有两个子部件的粘合连接的结构的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

a)提供将被控制的复合材料的结构；

b)提供一个预制造测试设备，所述一个预制造测试设备代表所述结构的所述子部件中的一个，其中所述子结构部件由金属材料或复合材料制成；

c)在与所述子部件的实际粘合连接的条件类似的条件下，将所述一个预制造测试设备粘结到所述结构的另一个子部件；

d)在所述一个预制造测试设备上执行至少一次机械测试，所述至少一次机械测试允许评价所述粘合连接的质量，

其中，所述一个预制造测试设备的主体具有底部，所述底部具有平坦表面，所述主体用于在其底部处粘接到所述结构的所述另一个子部件，其中非粘合释放膜施加在所述平坦表面上，并且所述平坦表面部分地置于所述一个预制造测试设备与另一个子部件的表面之间。

2.如权利要求1所述的用于制造具有两个子部件的粘合连接的结构的方法，其特征在于，所述至少一次机械测试是以下测试中的一个：剪切强度测试、断裂韧度测试和拉力测试。

3.如权利要求2所述的用于制造具有两个子部件的粘合连接的结构的方法，其特征在于，通过将非测力工具施加到所述预制造测试设备执行所述测试。

4.如权利要求2所述的用于制造具有两个子部件的粘合连接的的结构的方法，其特征在于，通过将测力工具施加到所述预制造测试设备执行所述测试。

5.如前述权利要求中任一项所述的用于制造具有两个子部件的粘合连接的的结构的方法，其特征在于，所述预制造测试设备包括：

主体，所述主体用于在其底部处粘结到所述结构的所述另一个子部件；

头部，所述头部具有用于工具的腔体，所述工具允许将机械应力传递给所述预制造测试设备；

颈部，用于所述连接主体和所述头部，所述颈部的尺寸被形成为当所述机械应力达到预定大小时断裂。

6.如权利要求5所述的用于制造具有两个子部件的粘合连接的结构的方法，其特征在于，所述预制造测试设备的所述主体、所述头部和所述颈部都被构造为绕对称轴线旋转的主体。

7.如权利要求6所述的用于制造具有两个子部件的粘合连接的的结构的方法，其特征在于，所述机械应力是通过所述工具施加到所述测试设备的扭矩。

8.如权利要求6所述的用于制造具有两个子部件的粘合连接的结构的方法，其特征在于，所述机械应力是通过所述工具施加到所述测试设备的侧向应力。

9.如权利要求6所述的用于制造具有两个子部件的粘合连接的的结构的方法，其特征在于，所述机械应力是通过所述工具施加到所述测试设备的轴向应力。

10.如权利要求1所述的用于制造具有两个子部件的粘合连接的结构的方法，其特征在于，所述结构是由纵梁加强的蒙皮形成的航空结构，所述测试设备代表所述纵梁。

11.一种具有两个子部件的粘合连接的结构，其特征在于，所述结构通过如权利要求1所述的方法制造而成。

Images