CN102391794A - 用于控制异种材料胶接固化变形的装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种汽车制造技术领域的用于控制异种材料胶接固化变形的装置与方法，通过与零件形状匹配的加热和冷却模具，对胶粘剂两侧待固化零件的金属固化温度的独立控制，根据待固化零件及胶粘剂的材料属性确定两侧模具的温度控制策略，然后将模具及待固化零件装夹并对两侧模具中的温度变化进行动态控制以实现胶层的非对称固化；本发明利用胶粘剂自身的隔热特性，通过改变两板中的温度分布，使得胶粘剂两侧的材料在整个胶粘剂固化过程中保持相同的热膨胀量，实现胶层从高温侧向低温侧的定向固化，从而达到控制和消除胶粘变形的目的。

Description

用于控制异种材料胶接固化变形的装置与方法

技术领域

本发明涉及的是一种汽车制造技术领域的方法及其装置，具体是一种用于控制异种材料胶接固化变形的方法及其装置。

背景技术

油价高涨的压力以及环保要求对车身轻量化提出了新的要求。轻质合金如镁、铝合金以及复合材料等以其低密度、高比强度逐渐在车身中大量使用。而先进高强度钢、超高强度钢以其优良的力学性能和相对低廉的价格优势仍然会在车身结构件中占很大比重。因此异种材料的连接将是今后车身制造必须面对的问题。由于异种材料间物理属性差异极大，传统的电阻点焊以及熔化焊接方法不能实现异种材料的可靠连接。铆接会增加构件的重量而且成本很高。胶粘连接具有良好的疲劳特性以及柔韧性，可以与铆接等连接方式复合使用以实现同种或异种材料的连接，目前已经广泛应用于全铝以及全钢车身的制造中。然而异种材料间热膨胀系数差异巨大，胶粘剂需要加热到较高温度进行固化。在高温固化过程中，两侧板料由于热膨胀系数差异大使得热膨胀量并不相同，从而产生较大变形。而胶粘剂的固化会将产生的大变形锁住，使得固化结束温度降到室温后变形仍然会保持。胶接大变形不仅会影响车身的装配尺寸精度，而且也会影响连接的强度。

现有的胶粘剂固化是在车身的烤漆阶段进行的。在这一阶段，车身被整体放置在180摄氏度的环境中保持30分钟(随胶粘剂不同，固化参数也有差异)。在这种环境下，被连接的两板在胶粘剂固化过程中被同时加热，这样由于两板间热膨胀量差异导致的胶粘剂固化变形无法消除。目前胶粘剂的供应商和汽车制造商都在努力寻找解决方案。

美国的Master Bond公司在不降低胶粘剂连接强度的前提下将环氧树脂基的胶粘剂固化温度降低到了室温，但是胶粘剂的固化时间增加到了3天，导致车身制造周期大大加长，实际生产中无法应用。Dow公司开发了双组份的聚丙烯基的胶粘剂，虽然降低了固化温度，同时固化时间也控制在30分钟之内，但是相对于现阶段使用的环氧树脂基结构胶粘剂的强度下降了50％。而车身制造商的解决方法主要是增加约束，在烤漆固化过程中通过刚性约束来抑制变形的产生。这样不仅成本高，而且不能从根本上解决两板热膨胀量不同的问题。

总结以上各方面可以得出，异种材料胶粘固化变形的主要问题集中在整体高温固化不可避免：采用低温固化胶粘剂，胶粘连接强度降低，满足车身连接的强度要求需要增加胶粘剂的使用面积，成本高；外加刚性约束能降低变形，但是不能消除变形，而且会在零件内部形成较大的内应力。因此，异种材料胶接大变形问题已经成为影响多材料轻量化车身研发的巨大障碍，亟需解决。

发明内容

本发明针对现有整体等温固化技术存在的上述不足，提供一种用于控制异种材料胶接固化变形的装置与方法，针对被粘接材料的热膨胀系数差异，利用胶粘剂自身的隔热特性，通过设计具有加热和冷却功能的模具，对热膨胀系数较低零件进行快速加热到较高温度并且保温，同时对热膨胀系数较高零件进行温度较低的加热或者进行冷却。通过控制两板中的温度差异，使得胶粘剂两侧的材料在整个胶粘剂固化过程中保持相同的热膨胀量，实现胶层从高温侧向低温侧的定向固化，从而达到控制和消除胶粘变形的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种用于控制异种材料胶接固化变形的方法，通过与零件形状匹配的加热和冷却模具，对胶粘剂两侧待固化零件的金属固化温度的独立控制，根据待固化零件及胶粘剂的材料属性确定两侧模具的温度控制策略，然后将模具及待固化零件装夹并对两侧模具中的温度变化进行动态控制以实现胶层的非对称固化。

所述的待固化零件包括：低膨胀率零件和高膨胀率零件，其中：胶粘剂两侧的低膨胀率零件和高膨胀率零件分别采用不同种类的有色金属、钢或复合材料，低膨胀率零件的热膨胀系数小于等于高膨胀率零件的热膨胀系数。

所述的温度控制策略是指：胶粘剂两侧的模具分别加热至不同的温度，通过温度差保证胶粘剂两侧的零件膨胀量保持一致，其中：低膨胀率零件侧模具的加热温度等于胶粘剂的固化温度，而高热膨胀率零件侧模具的加热温度为

其中：T_低为低热膨胀率零件的加热温度，等于胶粘剂的固化温度，β_低和β_高分别为低热膨胀率零件以及高热膨胀率零件的热膨胀率，T_室温为室温温度，范围为15-25℃。

所述的高膨胀率零件的加热固化时间与低膨胀率零件的加热固化时间相同，为30-50分钟，以保证胶层全部固化。

所述的胶粘剂为市售的密封胶、内饰胶或结构胶，其固化温度为80-220℃。

所述的装夹是指：低热膨胀零件与加热模具相接，高热膨胀零件与加热冷却模具相接，两个零件之间通过涂敷粘接胶进行粘接。

所述的动态控制是指：对高膨胀率材料侧加热模具的温度进行实时测量，当温度高于指定的温度T_高5℃，即对其进行冷却，确保整个固化过程中高膨胀率材料的温度保持在T_高，即高热膨胀率零件侧模具的加热温度。

本发明涉及一种用于控制异种材料胶接固化变形的装置，包括：加热模具、加热冷却模具和隔热附件，其中：加热模具、低膨胀率零件、粘接胶层及隔热附件、高膨胀率零件以及加热冷却模具依次叠置，隔热附件与粘接胶层位于同一平面；

所述的加热模具通过热传导提供胶粘剂层固化所需要的热量，该加热模具的型面与加热区域型面一致。

所述的加热模具采用电阻丝加热、电涡流感应加热、激光加热或红外线加热。

所述的加热冷却模具的型面与接触区域的零件相同。

所述的加热冷却模具通过风冷或水冷进行冷却且该模具为铜质。

所述的隔热附件置于加热模具和加热冷却模具之间，用于阻隔两个模具之间的热交换以及辅助定位。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：现有技术通过整体等温实现固化过程且整个零件全部置于烤箱内进行整体加热，这样对烤箱体积有一定要求不利于大尺寸或异型零件的加工处理。本发明通过差温固化，即在零件两侧采用加热和冷却模具进行温度的独立控制，从而实现变形的有效控制。

本发明将整体对称加热固化转变为温度可控的非对称差温加热固化，可以实现不同材料胶接固化变形的有效控制，具有较高的适应性。同时也可以与正常的烤漆固化配合使用，即先使用模具非对称加热对胶粘剂进行部分固化，然后再和其它零件通过烤漆加热实现完全固化，以避免在烤漆阶段整体固化所产生的大变形。

附图说明

图1是本发明涉及的模具及待加热零件的安装示意图。

图2是以水冷方式为例的上加热冷却模具结构示意图。

图3是以电阻丝加热方式为例的下加热冷却模具结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：加热冷却模具1、高膨胀率零件2、粘接胶层3、低膨胀率零件4、隔热附件5以及加热模具6，其中：加热模具6、低膨胀率零件4、粘接胶层3及隔热附件5、高膨胀率零件2以及加热冷却模具1依次叠置，隔热附件5与粘接胶层3位于同一平面；所述的低膨胀率零件4为低碳钢，其热膨胀系数小于高膨胀率零件2铝合金的热膨胀系数。

依照冷却剂温度估算方法将铝合金热膨胀系数23.6e^-6，低碳钢热膨胀系数11.3e^-6～13.5e^-6，加热温度按选用胶粘剂的要求，为180℃，室温25℃带入，对应高膨胀率零件的加热温度范围为99℃～113℃

本实施例中冷却剂温度步长取为2℃，时间步长取为1秒，加热时间为3600秒，对应冷却剂温度为105℃.

由于温差较大，故冷却方式选择液体冷却方式。

所述的加热冷却模具1具体形式如图2所示，选用液体冷却方式。其中定位孔7用来确定上下两模具间的相对位置，入水口8用来注入冷却水，出水口7用来流出冷却水。

所述的加热模具6具体形式如图3所示，选用电阻丝加热方式。包括定位孔7以及电阻丝绕组10。工艺参数：将下加热冷却模具的温度设定在180摄氏度，加热时间为60分钟，上加热/冷却装置的冷却剂温度恒定在105摄氏度，流速控制在每小时1立方米。

对照组为相同规格的待固化零件，用上述同几何尺寸的模具装夹进行约束。固化方式为整体置于180摄氏度的环境中加热60分钟。

实验对照结果为：单面加热方法，胶粘上板固化后最大变形0.37mm，胶粘下板固化后最大变形0.57mm；对照组胶粘上板固化后最大变形1.07mm，胶粘下板固化后侧最大变形1.17mm。

实施例2

本实施例中，低膨胀率零件4为铝合金，其热膨胀系数为23.6e^-6，高膨胀率零件2为镁合金，其热膨胀系数为27.0e^-6。低膨胀率零件的热膨胀系数小于高膨胀率零件。

加热温度按胶粘剂的需求选择在80℃，室温为20℃，对应镁合金板温度需控制在72℃左右。由于温度差不大，故冷却方式可以选择风冷。故所述之加热冷却模具1省略。

本实施例中的冷却温度步长取为1℃，时间步长取为1秒，加热时间为1800秒，对应设置冷却温度为73℃。

所述的加热模具6具体形式如图2所示，选用电阻丝加热方式。包括定位孔7以及电阻丝绕组10。

所述之加热冷却模具依照计算结果省去不用。

对照组为相同规格的待固化零件，用上述同几何尺寸的模具装夹进行约束。固化方式为整体置于80摄氏度的环境中加热30分钟。

实验对照结果为：单面加热方法，胶粘上板固化后最大变形0.14mm，胶粘下板固化后最大变形0.33mm；对照组胶粘上板固化后最大变形0.66mm，胶粘下板固化后侧最大变形0.82mm。

Claims (10)

1.一种用于控制异种材料胶接固化变形的方法，其特征在于，通过与零件形状匹配的加热和冷却模具，对胶粘剂两侧待固化零件的金属固化温度的独立控制，根据待固化零件及胶粘剂的材料属性确定两侧模具的温度控制策略，然后将模具及待固化零件装夹并对两侧模具中的温度变化进行动态控制以实现胶层的非对称固化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的待固化零件包括：低膨胀率零件和高膨胀率零件，其中：胶粘剂两侧的低膨胀率零件和高膨胀率零件分别采用不同种类的有色金属、钢或复合材料，低膨胀率零件的热膨胀系数小于等于高膨胀率零件的热膨胀系数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的温度控制策略是指：胶粘剂两侧的模具分别加热至不同的温度，通过温度差保证胶粘剂两侧的零件膨胀量保持一致，其中：低膨胀率零件侧模具的加热温度等于胶粘剂的固化温度，而高热膨胀率零件侧模具的加热温度为

其中：T_低为低热膨胀率零件的加热温度，等于胶粘剂的固化温度，β_低和β_高分别为低热膨胀率零件以及高热膨胀率零件的热膨胀率，T_室温为室温温度，范围为15-25℃。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的高膨胀率零件的加热固化时间与低膨胀率零件的加热固化时间相同，为30-50分钟。

5.根据权利要求1-3中任一所述的方法，其特征是，所述的胶粘剂为市售的密封胶、内饰胶或结构胶，其固化温度为80-220℃。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的装夹是指：低热膨胀零件与加热模具相接，高热膨胀零件与加热冷却模具相接，两个零件之间通过涂敷粘接胶进行粘接。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的动态控制是指：对高膨胀率材料侧加热模具的温度进行实时测量，当温度高于指定的温度T_高5℃，即对其进行冷却，确保整个固化过程中高膨胀率材料的温度保持在T_高，即高热膨胀率零件侧模具的加热温度。

8.一种根据上述任一权利要求所述方法的异种材料胶接固化变形的装置，其特征在于，包括：加热模具、加热冷却模具和隔热附件，其中：加热模具、低膨胀率零件、粘接胶层及隔热附件、高膨胀率零件以及加热冷却模具依次叠置，隔热附件与粘接胶层位于同一平面；

所述的加热模具通过热传导提供胶粘剂层固化所需要的热量，该加热模具的型面与加热区域型面一致；所述的加热冷却模具的型面与接触区域的零件相同；所述的隔热附件置于加热模具和加热冷却模具之间，用于阻隔两个模具之间的热交换以及辅助定位。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征是，所述的加热模具采用电阻丝加热、电涡流感应加热、激光加热或红外线加热。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征是，所述的加热冷却模具通过风冷或水冷进行冷却且该模具为铜质。

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