CN103033471B - 一种材料粘接强度的检测方法及其检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种材料粘接强度的测量方法。将具有环形或锥形结构的第一粘接件，第二粘接件相互粘接；第一粘接件通过第一紧固件被固定在旋转装置上，第二粘接件被与机架固连的第二紧固件夹持或卡固,第二紧固件与机架连接的固定杆上还设置有扭矩检测装置；启动旋转装置，在第一粘结件与第二粘结件之间的粘接面产生圆周切向的剪切应力；逐渐增加旋转装置的旋转力，使第一粘接件和第二粘接件相互产生旋转位移，粘接面被破坏；试样粘接面破坏时所测得的扭矩量评价材料粘接面的粘接强度。当粘接件为圆锥表面时，还需要测得轴向力并计算后评价材料粘接面的粘接强度。本发明还涉及上述检测方法的检测装置。

Description

一种材料粘接强度的检测方法及其检测仪

技术领域

本发明涉及一种材料粘接强度检测方法。本发明还涉及应用上述粘接强度检测方法的检测仪。

背景技术

工业生产中为了将两个材料（或构件、工件）互相联接起来，可以采用各种各样的联接方式，其中通过胶粘剂把被联接材料联接在一起，使其具有一定强度的联接工艺，叫胶粘工艺（或称胶结工艺）。胶粘工艺成本低，联接后的重量轻，可被粘接的材料范围也非常广泛，可以为木制品、金属构件、有机材料等等，因此在工业生产中得到了广泛应用。胶粘结构在使用时，总是要求具有最佳的力学性能，目前评定胶粘体系力学性能优劣的主要指标是粘接强度，粘接强度是指在外力作用下，使胶粘件中的胶粘剂与被粘物界面或其邻近处发生破坏所需要的应力，粘接强度又称为胶接强度。粘接强度是胶粘体系破坏时所需要的应力，其大小不仅取决于粘合力、胶粘剂的力学性能、被粘物的性质、粘接工艺，而且还与接头形式、受力情况（种类、大小、方向、频率）、环境因素（温度、湿度、压力、介质）和测试条件、实验技术等有关。粘接接头在外力作用下胶层所受到的力，可以归纳为剪切、拉伸、不均匀扯离和剥离4种形式：

（1）剪切。如图1所示，即对被联接材料施加外力大小相等、方向相反，基本与粘接面平行的外力，剪切力均匀分布在整个被联接材料的粘接面上。

（2）拉伸，亦称均匀扯离。如图2所示，即粘接面受到方向相反且垂直于粘接面的拉力作用，拉伸力均匀分布在整个粘接面上。（图2所示）

（3）不均匀扯离。也叫劈裂。如图3所示，外力作用的方向虽然也垂直于粘接面，但是分布不均匀。

（4）剥离。如图4所示，外力作用的方向与粘接面成一定角度，基本分布在粘接面的一条直线上。

上述4种力，在同一胶粘体系中很有可能有几种力同时存在，只是何者为主的问题。根据粘接接头受力情况不同，粘接强度具体可以分为剪切强度、拉伸强度、不均匀扯离强度、剥离强度等。

对应上述的应力的粘接强度的检验及评价方法方法不难获得，也可以方便地得到检验的仪器和装备。但是通过观察以上所述的检测方法及相应的检测仪器、设备，粘接材料所形成的粘接面均为一平面，对粘接面施加的破坏应力均为沿着与粘接面或平行、或垂直、或呈一定角度的向外部的位移运动。

但在生产实践中，当将一联接材料的外圆面（或外圆锥面）与另一联接材料的内圆面（内圆锥面）相粘接的情况，此时，所形成的粘接面为一圆面或圆锥面。就无法使用上述方法对材料的粘接面的粘接强度进行有效的检验。对这类材料的粘接强度的评价方法亟待建立。

发明内容

发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种材料粘接强度的检测方法。

本发明另一目的是提供一种材料粘接强度检测仪。

本发明采用的检测方法如下：

1、试样准备：被测试样包括具有环形结构的第一粘接件，第二粘接件；第二粘接件的外圆与第一粘接件的内孔形状相适配；第二粘接件套入第一粘接件的内孔中，并通过粘接剂相互粘接固连；

2、试样固定：第一粘接件通过第一紧固件夹持固定在旋转装置上，第二粘接件被与机架固连的第二紧固件夹持或卡固,第二紧固件上还设置有扭矩检测装置（如扭矩传感器，或扭力弹簧等）；

3、试样旋转：启动旋转装置，使第一粘结件与第二粘结件之间的粘接面产生圆周切向的剪切应力；逐渐增加旋转装置的旋转力，即增加第一粘结件与第二粘结件之间的圆周切向的剪切应力，使第一粘接件和第二粘接件相互产生旋转位移，粘接面被破坏，粘接失效。

4、测量：粘接面破坏时的扭矩量可用于评价材料粘接面的粘接强度。

本发明方法与通常所采用的测量平面粘接材料的粘接强度的拉、剥、扯等检测方法不同，其适用于测试粘接面为圆面、圆锥面结构的粘接材料之间的粘接强度。被测试材料一为内孔呈圆形或圆锥形的筒形或环形结构。被测试材料二为环形结构，外周为具有与被测试材料一的内孔相适配的圆形或圆锥形结构。测试材料二套入测试材料一的内孔，并相互粘接固连。通过测试粘接面之间被施加外力后产生相对旋转，破坏粘接面的瞬时扭力力矩，来评价粘接材料的粘接强度。

采用本发明的测试方法，更进一步的改进是：在机架上部固连轴向施力装置，轴向施力装置的驱动轴上设置有扭矩传感器；驱动轴下端固连第二紧固件，第二紧固件为与第二粘接件内孔相适配的圆柱体，圆柱体的外周有至少一条轴向凸齿；驱动轴在轴向施力装置的驱动下，将第二紧固件插入第二粘接件的内孔，凸齿嵌固在第二粘结件的孔壁内，与第二粘接件紧固连接。

上述测试方法，增强了第二粘接件与第二紧固件之间的紧固程度，确保在粘接面被破坏前，第二粘接件不与第一粘接件同步旋转。

采用本发明的测试方法，更进一步的改进是：

上述步骤1试样准备：被测试样包括具有圆锥环结构的第一粘接件，第二粘接件；第二粘接件的外锥面与第一粘接件的内锥孔形状相适配；第二粘接件外锥面套入第一粘接件的内锥孔中，并通过粘接剂粘接固连；

上述步骤2试样固定：第一粘接件通过第一紧固件被固定在旋转装置上；机架上部固连轴向施力装置，轴向施力装置的驱动轴上分别设置有扭矩传感器和拉伸力传感器；驱动轴下端固连第二紧固件，第二紧固件外周面为与第二粘接件内锥孔相适配的锥形结构，第二紧固件的锥面上有至少一条凸齿；驱动轴在轴向施力装置的驱动下，将第二紧固件插入第二粘接件的内锥孔，凸齿嵌固在第二粘结件的孔壁内，与第二粘接件紧固连接，保持轴向压力，拉伸力传感器记录驱动轴施加在第二粘接件上的轴向力；

上述步骤4测量：将上述步骤2所测得的轴向力和粘接面破坏时所测得的扭矩量采用如下公式可评价材料粘接面的粘接强度F：

F==M-Mf＝M-P/(μ×D/2sinα)

式中：

M-粘接面被破坏时的扭矩量

Mf-第二粘接件的摩擦力矩

K-第二粘接件的摩擦力矩

P-作用在第二粘接件上的轴向力

μ-第二粘接件与第二紧固件的摩擦系数

D-第二粘接件内锥孔的平均摩擦直径

α-第二粘接件内锥孔的半圆锥角。

上述测试方法，将影响扭矩应力的摩擦应力通过公式计算予以去除，同时也增强了第二粘接件与第二紧固件之间的紧固程度，确保在粘接面被破坏前，第二粘接件不与第一粘接件同步旋转。

此外，第二粘接件的摩擦力矩中，还可以考虑温度等影响因素，在公式中引入温度等常数。F=M-Mf=M-KP/(μ×D/2sinα),K为常数。

本发明还涉及材料粘接强度的检测仪。包括机架，第一紧固件、第二紧固件，旋转装置；所述第一紧固件通过旋转装置固连在机架的下部；所述第二紧固件通过连接杆固连在机架上，连接杆上固连有扭矩检测装置。

将本发明检测方法所述的被测试样放置在检测仪内，第一粘接件被第一紧固件紧固，第二粘接件被第二紧固件夹固。启动旋转装置，当旋转装置产生的剪切应力大于第一、第二粘接件的粘接强度时，粘接面将被破坏，粘接件之间产生方向相反的旋转位移，记录扭矩峰值，即可获得粘接面被破坏时的最大剪切应力，从而可用于对粘接材料的粘接强度的强弱、好坏、是否达到控制标准进行轴向施力装置定量评价。

上述检测仪也可以由以下部件组成：包括机架，第一紧固件、第二紧固件，旋转装置、轴向施力装置；所述第一紧固件通过旋转装置固连在机架的下部；所述轴向施力装置固连在机架的上部，第二紧固件固连在轴向施力装置的驱动轴的下端，驱动轴上固连有扭矩检测装置。与前述的检测仪相比，增加了一个轴向施力装置，这样可以向下部施加更大的压力，便于第二紧固件进入、插入第二粘接件的内孔或内锥孔中。

上述检测仪的第一紧固件可以由卡盘和下部的卡盘座组成，卡盘用于锁紧、卡固第一粘接件。上述旋转装置由电机带动，电机的输出转轴与卡盘座固连。

上述第二紧固件可以设计成带上下钳口的可相互锁紧的夹板。上下夹板分别夹持第二粘接件的上下端面并与第二粘结件锁紧、卡固。

上述第二紧固件也可以设计成与第二粘接件内孔相适配的圆柱体(或圆锥体)，圆柱体的外周有至少一条轴向凸齿（圆锥体的外周有至少一条凸齿）。在机架的上部固连一个轴向施力装置，与施力装置的驱动轴固连的第二紧固件从上部插入第二粘接件的内锥孔，凸齿嵌固在第二粘结件的孔壁内，这样的结构可以增强第二紧固件对第二粘接件的抵抗旋转的卡固性能。

更进一步的改进是，轴向施力装置的驱动轴上分别设置有扭矩传感器和拉伸力传感器。当被测试样为锥形结构时，轴向施加的压力将会在被测试样与夹持部件之间产生圆周切向的摩擦力，摩擦力与轴向力成正比关系，并与粘接面上产生的剪切应力方向相反。通过仪表测量出轴向力，可将摩擦力对扭矩的影响予以排除。使不同结构的粘接面的粘接强度具有可比性。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1-图4是现有技术的材料粘接强度的测试方法示意图。

图5是锥形结构的被测试样的剖面结构示意图。

图6是本发明实施例1的粘接强度检测仪结构示意图。（其中固定部位的各部件为局部透视图）

图7是本发明实施例2的粘接强度检测仪结构示意图。

图8是图6的A-A剖面示意图。

图9是图6中第一粘接件和第二粘接件组成的被测试样剖面放大示意图。（为避免剖面线过多，影响各部件线条结构显示，只有粘接面有剖面线）。

图10是图6中的第二紧固件的放大示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1：

如图6、8所示的第一种实施例的粘接强度检测仪，包括机架4，机架下部固连的电机5通过减速器可驱动第一紧固件的卡盘座6旋转，卡盘座上部固连卡盘8；机架上部固连轴向施力装置12（如气缸或液压油缸），轴向施力装置的驱动轴上设置有扭矩传感器10；驱动轴下端固连第二紧固件9，第二紧固件为与第二粘接件内孔相适配的圆柱体，其结构如图8、10所示，圆柱体的外周有若干条轴向凸齿13。

被测试样7的结构如图9所示，具有环形结构的第一粘接件1，第二粘接件3和粘接面2。

上述试样的粘接强度检测方法如下：

1、试样固定：将被测试样7放置在检测仪的卡盘内，第一粘接件被卡盘固定，驱动轴在轴向施力装置的驱动下，将第二紧固件插入第二粘接件的内孔，凸齿嵌固在第二粘结件的孔壁内，与第二粘接件紧固连接。

2、试样旋转：启动电机，并逐渐增加电机的输出功率，当测试试样的第一粘接件和第二粘接件之间的粘接面被破坏，第一粘接件和第二粘接件相互产生旋转位移时，关闭电机。

3、测量：记录粘接面破坏时所测得的扭矩量（即其峰值），将其用于评价材料粘接面的粘接强度。

实施例2：

如图7所示的第二种实施例的粘接强度检测仪，其与图6所示的检测仪的区别在于，被测试样7结构如图5所示，其具有锥形结构的第一粘接件1，第二粘接件3和粘接面2；其半圆锥角为α，平均直径为D。轴向施力装置的驱动轴上分别设置有扭矩传感器10和拉伸力传感器11；驱动轴下端固连的第二紧固件9具有与第二粘接件内孔相适配的锥形结构，第二紧固件的锥面上有至少一条凸齿。

实施例2的检测仪的检测方法如下：

1、试样固定：将被测试样7放置在卡盘内，第一粘接件被卡盘固定。驱动轴在轴向施力装置的驱动下，将第二紧固件插入第二粘接件的内孔，凸齿嵌固在第二粘结件的孔壁内，与第二粘接件紧固连接。

2、第一次测量：保持轴向压力，拉伸力传感器记录驱动轴施加在第二粘接件上的轴向力。

3、试样旋转：启动电机，并逐渐增加电机的输出功率，当测试试样的第一粘接件和第二粘接件之间的粘接面被破坏，第一粘接件和第二粘接件相互产生旋转位移时，关闭电机。

4、第二次测量：记录粘接面破坏时所测得的扭矩量（即其峰值），将步骤2所测得的轴向力和粘接面破坏时所测得的扭矩量按照如下公式进行计算后，可评价材料粘接面的粘接强度F：

F==M-Mf＝M-P/(μ×D/2sinα)

式中：

M-粘接面被破坏时的扭矩量

Mf-第二粘接件的摩擦力矩

P-作用在第二粘接件上的轴向力

μ-第二粘接件与第二紧固件的摩擦系数

D-第二粘接件内锥孔的平均摩擦直径

α-第二粘接件内锥孔的半圆锥角。

实施例1和实施例2中，第一、第二紧固件夹持紧固第一、第二粘接件的方法也可以采用本领域其他的适宜夹固方式。在此不再一一详述。如可以将第二紧固件设计成底部有凸齿的压头，凸齿可以为多个，并呈三点式分布，轴向施力装置的驱动轴将压头的凸齿压入第二粘接件的端面。第二紧固件也可以设计成由四方头紧定螺丝和夹头组成，将一个或多个紧定螺丝拧入第二粘接件的上端面，夹头夹紧紧定螺丝的方头。下部的旋转装置旋转方向与紧定螺丝的拧紧旋转方向相反，即可使第二紧固件牢牢将第二粘接件夹紧，在粘接面被破坏前，不会随着下部的旋转装置同向旋转。当然上述紧定螺丝也可以采用活节螺丝等替换，还可以在两个活结螺丝之间的圆头孔之间穿插定位棒，用夹头夹持圆头或定位棒都可以将第二粘接件夹持固定。

尽管已经根据优选实施例对本发明进行了示例和描述，但应认识到，本发明并不局限于前述的具体实施方式。在不背离权利要求书中所阐述的本发明的情况下，可对此作出变更和改变，如上述第一粘接件和第二粘接件均可以在圆环形结构的基础上，有所变化，如在环形端面上形成外翻边。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种粘接强度测试方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、试样准备：被测试样包括具有圆锥环结构的第一粘接件，第二粘接件；第二粘接件的外锥面与第一粘接件的内锥面形状相适配；第二粘接件外锥面套入第一粘接件的内锥孔中，并通过粘接剂粘接固连；

(2)试样固定：第一粘接件通过第一紧固件被固定在旋转装置上；机架上部固连轴向施力装置，轴向施力装置的驱动轴上分别设置有扭矩传感器和拉伸力传感器；驱动轴下端固连第二紧固件，第二紧固件的外周面为与第二粘接件内锥孔相适配的锥形结构，第二紧固件的锥面上有至少一条凸齿；驱动轴在轴向施力装置的驱动下，将第二紧固件插入第二粘接件的内锥孔，凸齿嵌固在第二粘结件的孔壁内，与第二粘接件紧固连接，保持轴向压力，拉伸力传感器记录驱动轴施加在第二粘接件上的轴向力；

(3)、试样旋转：启动旋转装置，在第一粘结件与第二粘结件之间的粘接面产生圆周切向的剪切应力；逐渐增加旋转装置的旋转力，使第一粘接件和第二粘接件相互产生旋转位移，粘接面被破坏；

(4)测量：将上述步骤（2）所测得的轴向力和粘接面破坏时所测得的扭矩量采用如下公式可评价材料粘接面的粘接强度F：

F＝＝M-Mf＝M-P/(μ×D/2sinα)

式中：

M-粘接面被破坏时的扭矩量

Mf-第二粘接件的摩擦力矩

P-作用在第二粘接件上的轴向力

μ-第二粘接件与第二紧固件的摩擦系数

D-第二粘接件内锥孔的平均摩擦直径

α-第二粘接件内锥孔的半圆锥角。

2.一种粘接强度检测仪，其特征在于：包括机架，第一紧固件、第二紧固件，旋转装置、轴向施力装置；所述第一紧固件通过旋转装置固连在机架的下部；所述轴向施力装置固连在机架的上部，第二紧固件固连在轴向施力装置的驱动轴的下端，驱动轴上固连有扭矩检测装置。

3.如权利要求2所述的粘接强度检测仪，其特征在于：所述驱动轴上分别设置有扭矩传感器和拉伸力传感器。

4.如权利要求2-3任一权利所述的粘接强度检测仪，其特征在于：旋转装置包括电机，第一紧固件包括卡盘，卡盘下部的卡盘座与电机输出转轴固连。

5.如权利要求2所述的粘接强度检测仪，其特征在于：第二紧固件为一圆柱体，圆柱体的外周有至少一条轴向凸齿。

6.如权利要求3所述的粘接强度检测仪，其特征在于：第二紧固件为一圆锥体，圆锥面的外周有至少一条凸齿。