CN113970470B - 一种复合材料拉剪试体粘接工装及粘接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合材料拉剪试体粘接工装及粘接方法，粘接工装包括：底板；第一基板凹槽，设于底板上；第二基板凹槽，设于底板上，第二基板凹槽的一端与第一基板凹槽的一端相接，且第一基板凹槽的底面低于第二基板凹槽的底面；压块，设于第二基板凹槽上方；第一基板凹槽定位机构，用于在第一基板的长度方向上，将第一基板在第一基板凹槽中的位置锁定；第二基板凹槽定位机构，用于在第二基板的长度方向上，将第二基板在第二基板凹槽中的位置锁定。该粘接工装及粘接方法不引入第三相，通过合理的粘接工装设计，限定基板在三个方向上的自由度，精准控制粘接剂胶层面积和厚度，可实现高精度复合材料拉伸剪切试体的制备，满足长期环境老化试验应用。

Description

一种复合材料拉剪试体粘接工装及粘接方法

技术领域

本发明属于粘接工装技术领域，具体涉及一种复合材料拉剪试体粘接工装及粘接方法。

背景技术

现有技术中常用胶水粘接的方式，来定量检测复合材料/复合材料、复合材料/金属材料的界面结合强度。复合材料与复合材料或金属材料粘接后形成试样，放在拉伸试验机上拉剪。

现有常用的复合材料拉剪粘接工装，为有效避免机加工时机械损伤及热损伤，将试体板加工为100mm×25mm的粘接基板，使用基板制备单片试体。粘接工装如图3所示，分为底板和紧固装置，底板含有第一基板凹槽、第二基板凹槽、顶出机构及工艺预留位置。以金属材质机加工形成凹槽作为粘接工装底板，凹槽尺寸满足GB7124-2008中对于试体尺寸要求，能够顺畅放置复合材料或金属粘接基板；第一基板凹槽和第二基板凹槽设置一定高度差，高度差作为控制胶层厚度的手段之一；顶出机构用于粘接剂弯曲固化后旋动顶出机构，将试体稳定取出，降低粘接剂因操作导致的损伤；工艺预留位置便于放置及取出试体基板以及粘接位置的排胶。

但是，目前该种粘接工装存在一些问题。首先，对于粘结面积，该工装为了保证X/Y方向公差内试体的正常放置与取出，存在一定的间隙，按照GB7124-2008中对于X/Y方向的尺寸要求，分别为X方向100mm±0.25mm、Y方向25mm±0.25mm，而这样试体在工装内存在轻微晃动，影响粘接面积的一致性，根据理论计算，粘接面积偏差可达6.1%。由于工装与试体之间的间隙，在工装紧固时，可能导致基板滑移或厚度不均匀，影响测试数据准确性。其次，对于粘接厚度，胶层厚度直接影响拉剪强度，根据文献资料，拉伸剪切强度随胶层厚度增加而下降，在0.05mm-0.25mm之间尤为明显。胶层过薄则胶接面容易缺胶，受载时存在应力集中现象，加速粘接剂胶层破坏，导致拉剪强度降低。胶层过厚，粘接剂内聚力下降，拉伸剪切强度降低。而对于该种工装，粘接剂胶层厚度是由粘接工装的第一基板凹槽与第二基板凹槽之间的高度或紧固装置的限位块确定，由于复合材料基板在成型过程中可能存在的偏差，亦会导致粘接剂胶层厚度一致性难以保证，标准中基板的公差范围为±0.1mm，与工装加工公差叠加后，对于粘接剂胶层厚度影响不可忽视。再次，为精准控制粘接厚度，标准中建议使用导线或小玻璃球放置于粘接剂胶层中，作为刚性限位以达到控制厚度的作用，但该方案在粘接剂胶层中引入了第三相，形成新的界面，该界面在短期对粘接剂拉剪强度影响不明显，但若试体在后续需要进行长期环境老化试验，在老化因素作用下，导线或小玻璃球作为第三相与粘接剂胶层界面带来不确定因素，导致环境老化试验数据不准确。

因此，目前的粘接工装难以保证拉剪试体粘接剂胶层厚度与面积，粘接剂厚度保证方式无法应用于长期环境老化试验。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种复合材料拉剪试体粘接工装及粘接方法，在不引入第三相的前提下，通过合理的粘接工装设计，实现精准定位，通过限定基板在三个方向上的自由度，有效控制粘接剂胶层面积和厚度，能够实现高精度的复合材料拉伸剪切试体的制备，可满足长期环境老化试验应用。

为了解决上述问题，本发明的一个方面提供一种复合材料拉剪试体粘接工装，包括：

底板；

第一基板凹槽，设于底板上，适于放置第一基板；

第二基板凹槽，设于底板上，适于放置第二基板，第二基板凹槽的一端与第一基板凹槽的一端相接，且第一基板凹槽的底面低于第二基板凹槽的底面；

压块，设于第二基板凹槽上方，适于向第二基板施压；

第一基板凹槽定位机构，用于在第一基板的长度方向上，将第一基板在第一基板凹槽中的位置锁定；

第二基板凹槽定位机构，用于在第二基板的长度方向上，将第二基板在第二基板凹槽中的位置锁定。

优选地，第一基板凹槽定位机构包括：

第一安装槽，设于底板上，第一安装槽沿第一基板的长度方向设置，并与第一基板凹槽的远离第二基板凹槽的一端相接；

第一限位块，设于第一安装槽中靠近第一基板凹槽的一端；

第一弹性件，设于第一安装槽中，第一弹性件的一端与第一限位块相接；

第一紧固件，设于第一弹性件的另一端，适于向第一弹性件施加压力并将第一弹性件的位置锁定。

优选地，第二基板凹槽定位机构包括：

第二基板Y方向限位块，设于第二基板凹槽的靠近第一基板凹槽的一端；

第二安装槽，设于底板上，第二安装槽沿第二基板的长度方向设置，并与第二基板凹槽的远离第一基板凹槽的一端相接；

第二限位块，设于第二安装槽中靠近第二基板凹槽的一端；

第二弹性件，设于第二安装槽中，第二弹性件的一端与第二限位块相接；

第二紧固件，设于第二弹性件的另一端，适于向第二弹性件施加压力并将第二弹性件的位置锁定。

优选地，还包括：

凹槽底面调节机构，设于第一基板凹槽的下方，适于调节第一基板凹槽的底面的高度；

第一基板Z方向限位部，设于第一基板凹槽的上方。

优选地，凹槽底面调节机构包括：

高度调节部，设于所述第一基板凹槽的下方，适于调节所述第一基板凹槽的高度；

紧固部，适于将所述第一基板凹槽的高度锁定。

优选地，还包括：

凹槽底面水平测试机构，设于第一基板凹槽的底面上；

工装水平测试机构，设于底板上。

本发明的另一方面提供一种复合材料拉剪试体粘接方法，使用上述的复合材料拉剪试体粘接工装完成。

优选地，包括以下步骤：

S1. 对第一基板、第二基板的粘接位置涂抹粘接剂；

S2. 将第一基板放置于第一基板凹槽中，将第二基板放置于第二基板凹槽中；

S3. 通过第一基板凹槽定位机构将第一基板在长度方向上的位置锁定，通过第二基板凹槽定位机构将第二基板在长度方向上的位置锁定；

S4. 通过压块向第二基板加压，完成复合材料拉剪试体的粘接。

优选地，步骤S3还包括：

通过凹槽底面调节机构、第一基板Z方向限位部将第一基板在高度方向上的位置锁定。

优选地，步骤S3还包括：

在锁定第一基板在高度方向上的位置之前，检测凹槽底面水平测试机构、工装水平测试机构的状态是否一致，确保第一基板凹槽的底面水平。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1. 本发明的复合材料拉剪试体粘接工装及粘接方法，利用第一基板凹槽定位机构、第二基板凹槽定位机构，将试体Y方向自由度进行限制，可保证拉剪试体基板之间的粘接面积；

2. 本发明的复合材料拉剪试体粘接工装及粘接方法，利用凹槽底面调节机构、第一基板Z方向限位部，将试体Z方向自由度进行限制，可保证拉剪试体粘接剂胶层厚度；

3. 本发明的复合材料拉剪试体粘接工装及粘接方法，不需要在粘接层中引入第三相即可以保证粘接剂胶层厚度，可精准获得拉剪粘接强度，该工装可适用于需要进行环境老化试验的拉剪试体制备。

附图说明

图1是本发明实施例的复合材料拉剪试体粘接工装的俯视图；

图2是本发明实施例的复合材料拉剪试体粘接工装的主视图；

图3是现有技术中粘接工装的俯视图。

其中：1-底板；2-第一基板凹槽；3-第二基板凹槽；4-压块；5-第一基板凹槽定位机构；51-第一安装槽；52-第一限位块；53-第一弹性件；54-第一紧固件；55-导柱；6-第二基板凹槽定位机构；61-第二基板Y方向限位块；7-凹槽底面调节机构；71-高度调节部；72-紧固部；8-第一基板Z方向限位部；9-凹槽底面水平测试机构；10-工装水平测试机构。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1、图2所示，本实施例的一种复合材料拉剪试体粘接工装，包括：

底板1；

第一基板凹槽2，设于底板1上，适于放置第一基板；

第二基板凹槽3，设于底板1上，适于放置第二基板，第二基板凹槽3的一端与第一基板凹槽2的一端相接，且第一基板凹槽2的底面低于第二基板凹槽3的底面；

压块4，设于第二基板凹槽3上方，适于向第二基板施压；

第一基板凹槽定位机构5，用于在第一基板的长度方向上，将第一基板在第一基板凹槽2中的位置锁定；

第二基板凹槽定位机构6，用于在第二基板的长度方向上，将第二基板在第二基板凹槽3中的位置锁定。

设定基板长度方向为Y方向，另一方向为X方向。X方向可通过基板加工精度控制，并且可进行后处理与粘接工装适配，能够满足尺寸误差在0.1mm以内，而Y方向只能通过工装的定位设计来保证。本实施例的复合材料拉剪试体粘接工装，在使用时，将第一基板放置于第一基板凹槽中，通过第一基板凹槽定位机构将第一基板在第一基板凹槽2中的位置锁定，限制其Y方向（第一基板的长度方向）自由度，将第二基板放置于第二基板凹槽中，通过第二基板凹槽定位机构将第二基板在第二基板凹槽2中的位置锁定，限制其Y方向（第二基板的长度方向）自由度，然后通过压块向第二基板施压，将第一基板与第二基板粘接为一体。该粘接工装通过对基板的Y方向上位置锁定，从而保证其粘接面积的精确控制。

具体地，第一基板凹槽定位机构5包括：

第一安装槽51，设于底板1上，第一安装槽51沿第一基板的长度方向设置，并与第一基板凹槽2的远离第二基板凹槽3的一端相接；

第一限位块52，设于第一安装槽51中靠近第一基板凹槽2的一端；

第一弹性件53，设于第一安装槽51中，第一弹性件53的一端与第一限位块52相接；

第一紧固件54，设于第一弹性件53的另一端，适于向第一弹性件53施加压力并将第一弹性件53的位置锁定。

本实施例的复合材料拉剪试体粘接工装，进一步地，将第一基板放置于第一基板凹槽之前，松开第一紧固件，不对第一弹性件施加压力，使第一弹性件另一端的第一限位块松开，可将第一基板放置于第一基板凹槽中，然后紧固第一紧固件，使其对第一弹性件施压将第一限位块抵至第一基板上，与第一基板凹槽的另一端的端面配合，使第一基板Y方向位置被限定。

具体地，第二基板凹槽定位机构6包括：

第二基板Y方向限位块61，设于第二基板凹槽3的靠近第一基板凹槽2的一端；

第二安装槽，设于底板1上，第二安装槽沿第二基板的长度方向设置，并与第二基板凹槽3的远离第一基板凹槽2的一端相接；

第二限位块，设于第二安装槽中靠近第二基板凹槽3的一端；

第二弹性件，设于第二安装槽中，第二弹性件的一端与第二限位块相接；

第二紧固件，设于第二弹性件的另一端，适于向第二弹性件施加压力并将第二弹性件的位置锁定。

本实施例的复合材料拉剪试体粘接工装，进一步地，将第二基板放置于第一基板凹槽之前，松开第二紧固件，不对第二弹性件施加压力，使第二弹性件另一端的第二限位块松开，可将第二基板放置于第二基板凹槽中，然后紧固第二紧固件，使其对第二弹性件施压将第二限位块抵至第二基板上，与第二基板Y方向限位块配合，使第二基板Y方向位置被限定。

具体地，第一弹性件、第二弹性件可为弹簧、弹片或其他弹性元件；第一紧固件、第二紧固件可为紧固螺栓或其他紧固件。

进一步地，第一基板凹槽定位机构5还包括导柱55，第一弹性件设于导柱55中。导柱可对第一弹性件的伸缩方向进行限定，防止其移位。

进一步地，第二基板凹槽定位机构6还包括导柱，第二弹性件设于导柱中。导柱可对第二弹性件的伸缩方向进行限定，防止其移位。

具体地，还包括：

凹槽底面调节机构7，设于第一基板凹槽2的下方，适于调节第一基板凹槽2的底面的高度；

第一基板Z方向限位部8，设于第一基板凹槽2的上方。

设定胶层厚度方向为Z方向，粘接剂胶层厚度控制就是工装设计时Z方向的控制，需要将第一基板和第二基板之间的高度差实现一定范围内的有效精准调控，这是由于粘接剂的不同，粘接剂胶层厚度并不相同，根据文献记载有机粘接剂厚度控制在0.05-0.15mm，而无机粘接剂厚度控制在0.1-0.2mm之间。并且复合材料或金属基板也无法保证其厚度，即使基板厚度在公差范围内，但对胶层厚度带来的影响也不可忽视。因此想要获得高稳定性、高一致性的拉剪试体，对于工装设计时Z方向的控制必不可少。由于第一基板先置于凹槽内，为固定状态，第二基板后置于凹槽内，在压块加载时为活动状态，第二基板在加载时其极限位置为第二基板凹槽的底面，自身带有限位属性，因此本发明主要针对第一基板进行定位设计。在第一基板凹槽下方设置凹槽底面调节机构，用于调节第一基板凹槽底面的高度，在第一基板凹槽和第二基板凹槽之间形成可控可调节的高度差。

具体地，凹槽底面调节机构7包括：

高度调节部71，设于所述第一基板凹槽2的下方，适于调节所述第一基板凹槽2的高度；

紧固模块72，适于将所述第一基板凹槽2的高度锁定。

进一步地，高度调节部可以是螺纹顶出杆，用以调节基板高度；还可以是液压杆或电磁阀控制的电动杆。

进一步地，紧固部可以为拉簧与旋动式锁紧机构配合，将第一基板凹槽2的底部紧固。

进一步地，第一基板Z方向限位部包括设置在第一基板凹槽上方的紧固挡板和设置在紧固挡板与第一基板凹槽之间的限位块。限位块作为解决基板上表面与紧固挡板中间高度差，也起到避免紧固挡板施压后将基板损伤的作用。

粘接位置在粘接时存在多余胶液需要有效排除，因此需要在底面调节高度后，对高度进行有效限定。粘接位置的施压状态，可能造成基板翘曲，粘接两侧基板不平行，导致制样失效，因此，需要在基板1中部上方增加限位，保证粘接/固化过程期间，基板无Z方向滑移。

具体地，本实施例的复合材料拉剪试体粘接工装还包括：

凹槽底面水平测试机构9，设于第一基板凹槽2的底面上；

工装水平测试机构10，设于底板1上。

通过凹槽底面水平测试机构与工装水平测试机构状态的一致性可确定第一基板凹槽底面水平度。

本实施例的复合材料拉剪试体粘接方法，使用上述的复合材料拉剪试体粘接工装完成，基板为碳纤维复合材料，粘接剂为环氧树脂体系，包括以下步骤：

S1. 对第一基板、第二基板的粘接位置涂抹粘接剂；

S2. 将第一基板放置于第一基板凹槽中，将第二基板放置于第二基板凹槽中；

S3. 根据胶层设计厚度，选择不同的第一基板Z方向限位部，并将第一基板Z方向限位部与底板紧固，调节凹槽底面调节机构将第一基板与第一基板Z方向限位部紧贴，然后紧固住凹槽底面调节机构，将第一基板在Z方向上的位置锁定，检测凹槽底面水平测试机构、工装水平测试机构的状态是否一致，确保第一基板凹槽的底面水平，使用计量器具对第一基板凹槽和第二基板凹槽之间垂直高度进行复测，确认数据；紧固第一紧固件，使其对第一弹性件施压将第一限位块抵至第一基板上，与第一基板凹槽另一端端面配合，使第一基板Y方向位置被限定；紧固第二紧固件，使其对第二弹性件施压将第二限位块抵至第二基板上，与第二基板Y方向限位块配合，使第二基板Y方向位置被限定；

S4. 通过压块向第二基板加压，将第一基板与第二基板粘接为一体，完成复合材料拉剪试体的粘接。

分别使用背景技术中的现有方案粘接工装和本发明粘接工装先后进行拉剪试体粘接。完成试体制备后，在相同测试单位进行数据测试，经比较拉剪强度由原粘接工装的12.5MPa提升至14MPa，离散度降低50%以上。本发明粘接工装效果显著。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种复合材料拉剪试体粘接工装，其特征在于，包括：

底板；

第一基板凹槽，设于底板上，适于放置第一基板；

第二基板凹槽，设于底板上，适于放置第二基板，第二基板凹槽的一端与第一基板凹槽的一端相接，且第一基板凹槽的底面低于第二基板凹槽的底面；

压块，设于第二基板凹槽上方，适于向第二基板施压；

第一基板凹槽定位机构，用于在第一基板的长度方向上，将第一基板在第一基板凹槽中的位置锁定；

第二基板凹槽定位机构，用于在第二基板的长度方向上，将第二基板在第二基板凹槽中的位置锁定；

凹槽底面调节机构，设于所述第一基板凹槽的下方，适于调节所述第一基板凹槽的底面的高度；

第一基板Z方向限位部，设于所述第一基板凹槽的上方；

凹槽底面调节机构包括：

高度调节部，设于所述第一基板凹槽的下方，适于调节所述第一基板凹槽的高度；

紧固部，适于将所述第一基板凹槽的高度锁定。

2.根据权利要求1的复合材料拉剪试体粘接工装，其特征在于，第一基板凹槽定位机构包括：

第一安装槽，设于底板上，第一安装槽沿第一基板的长度方向设置，并与第一基板凹槽的远离第二基板凹槽的一端相接；

第一限位块，设于第一安装槽中靠近第一基板凹槽的一端；

第一弹性件，设于第一安装槽中，第一弹性件的一端与第一限位块相接；

第一紧固件，设于第一弹性件的另一端，适于向第一弹性件施加压力并将第一弹性件的位置锁定。

3.根据权利要求1的复合材料拉剪试体粘接工装，其特征在于，第二基板凹槽定位机构包括：

第二基板Y方向限位块，设于第二基板凹槽的靠近第一基板凹槽的一端；

第二安装槽，设于底板上，第二安装槽沿第二基板的长度方向设置，并与第二基板凹槽的远离第一基板凹槽的一端相接；

第二限位块，设于第二安装槽中靠近第二基板凹槽的一端；

第二弹性件，设于第二安装槽中，第二弹性件的一端与第二限位块相接；

第二紧固件，设于第二弹性件的另一端，适于向第二弹性件施加压力并将第二弹性件的位置锁定。

4.根据权利要求1的复合材料拉剪试体粘接工装，其特征在于，还包括：

凹槽底面水平测试机构，设于第一基板凹槽的底面上；

工装水平测试机构，设于底板上。

5.一种复合材料拉剪试体粘接方法，其特征在于，使用如权利要求1-4任一的复合材料拉剪试体粘接工装完成，包括以下步骤：

S1. 对第一基板、第二基板的粘接位置涂抹粘接剂；

S2. 将第一基板放置于第一基板凹槽中，将第二基板放置于第二基板凹槽中；

S3. 通过第一基板凹槽定位机构将第一基板在长度方向上的位置锁定，通过第二基板凹槽定位机构将第二基板在长度方向上的位置锁定；通过凹槽底面调节机构、第一基板Z方向限位部将第一基板在高度方向上的位置锁定；

S4.通过压块向第二基板加压，完成复合材料拉剪试体的粘接。

6.根据权利要求5的复合材料拉剪试体粘接方法，其特征在于，步骤S3还包括：

在锁定第一基板在高度方向上的位置之前，检测凹槽底面水平测试机构、工装水平测试机构的状态是否一致，确保第一基板凹槽的底面水平。