出于對一些性能和經(jīng)濟因素的考慮，很多客戶(hù)都開(kāi)始轉為采用結構膠黏劑來(lái)代替傳統的機械連接或焊接方法，這些因素包括重量和能量節約、勞動(dòng)成本縮減、美觀(guān)提升，以及復合材料和其他無(wú)法用傳統方法進(jìn)行粘接的材料的設計越來(lái)越多等。
傳統的組件連接方法包括焊接、鉚接，以及使用螺母螺栓和其他機械緊固件。設計和生產(chǎn)工程師已習慣使用這些方法，但現在他們遇到了挑戰，因為一些新因素的出現使得這些方法存在的限制開(kāi)始顯露出來(lái)。
有一個(gè)因素在很多行業(yè)中都起到了關(guān)鍵性作用，即需要降低重量來(lái)減輕燃油消耗、能量損耗和產(chǎn)生的排放，這在以?xún)热紮C或電池為能源的自供電機器和設備的制造行業(yè)中尤為突出。
要想達成這一目的，可以把由鋼鐵制造的相對較重的部件替換為較輕質(zhì)量的鋁、復合材料或塑料，并降低所用的機械緊固件的數量，或者使用更加輕薄的金屬片。
這些改變給傳統的連接方法帶來(lái)了挑戰，因為異質(zhì)材料、塑料和復合材料明顯無(wú)法進(jìn)行焊接；而輕薄的金屬片部件在集中放置穿過(guò)部件的緊固件（鉚釘、螺栓）的位置又容易發(fā)生變形或撕裂。在重負荷或因金屬疲勞造成金屬變形或撕裂的情況下，會(huì )導致部件可靠性和壽命下降，或造成緊固件之間出現間隙。
在傳統的組裝過(guò)程中也可能會(huì )造成金屬損壞，例如焊接薄金屬片時(shí)可能會(huì )造成熱變形或燒穿。而采用膠接接合面則能確保表面干凈清潔，這樣在實(shí)施最終的修整前只需進(jìn)行最低限度的表面處理即可。最終，膠黏劑可以被預先涂抹在總裝時(shí)無(wú)法進(jìn)行機械緊固的區域；而且還允許采用一些新穎的設計，以便于進(jìn)一步減少重量、成本和勞動(dòng)力。
膠黏劑經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，現可在眾多應用中替代傳統的連接方法，適用于裝配門(mén)和電梯等金屬板材、農業(yè)設備、汽車(chē)、卡車(chē)和軌道護片附件等。要想成功轉換為采用膠黏劑，設計和生產(chǎn)工程師必須考慮諸多因素，具體如下：
膠黏劑的選擇
市面上有各種結構型膠黏劑產(chǎn)品可供選擇。從氰基丙烯酸酯“快干”膠黏劑到單組分（熱固化）環(huán)氧樹(shù)脂膜，選擇多元。
雖然所有的膠黏劑都有各自的用途，但在動(dòng)態(tài)應力環(huán)境（如抗沖擊和連續振動(dòng)時(shí)）下并不是所有結構膠都適合對焊接/機械緊固件進(jìn)行替換。對于這些要求較高的應用，只有少數膠黏劑產(chǎn)品能夠適用。
主要有三種化學(xué)物質(zhì)能夠在粘接大型區域時(shí)可提供足夠的結構強度（這里，我們將結構強度定義為使用標準搭接剪切程序測定的超過(guò)1000 psi的搭接剪切強度）。
雙組分聚氨酯樹(shù)脂
經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)配制，一經(jīng)混合即可固化，而且通常情況下，即使粘接層較厚，也能夠在室溫下快速固化（不像單組分聚氨酯密封膠那樣，只有在接觸到空氣或基材水分時(shí)才能緩慢固化）。雙組分聚氨酯樹(shù)脂可實(shí)現穩固粘接，而且它具有很高的柔性，能夠在緊附基材時(shí)提供相對較高的抗沖擊性和剝離強度。但其模量通常較低，導致其耐熱性相對較差。此外，在頗具挑戰的環(huán)境條件下（如長(cháng)期暴露于水分/濕氣下），為了保持聚氨酯樹(shù)脂對金屬的粘接效果，可能需要對金屬?lài)娡康灼帷?/p>
雙組分丙烯酸樹(shù)脂經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)配制，可在不噴涂底涂的情況下與金屬牢固地粘接在一起（有時(shí)連金屬的去污過(guò)程和防銹油的清除過(guò)程都可以省去）。丙烯酸樹(shù)脂的耐高溫性能強于聚氨酯樹(shù)脂，但在低溫條件下通常會(huì )變得更脆，因而剝離強度和粘接力度都會(huì )降低。有些人希望通過(guò)改良配方來(lái)克服丙烯酸樹(shù)脂自身存在的限制，如加入彈性粒子和環(huán)氧樹(shù)脂等。因此，在溫度條件不是很極端的情況下，高性能的丙烯酸樹(shù)脂和丙烯酸混合物能夠滿(mǎn)足多種應用需求，而且它們能快速固化并與塑料穩固粘接，這些都是十分有用的特性。
環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑
要實(shí)現最佳的抗振動(dòng)性和環(huán)境耐受性，環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑屬于較適合的解決方案。不過(guò)，在抗沖擊、抗振動(dòng)應力、環(huán)境耐受性以及提供較高結構強度方面，環(huán)氧樹(shù)脂還存在著(zhù)廣泛的差異。很多人只熟悉第一代環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑，這些膠黏劑往往都是剛性的，環(huán)境耐受性也相對較低。但隨著(zhù)環(huán)氧樹(shù)脂技術(shù)的不斷改進(jìn)，新一代的環(huán)氧樹(shù)脂已經(jīng)克服了這些限制。
在 20 世紀 70 年代，環(huán)氧膠黏劑的柔性大幅提高。這些膠黏劑的剝離強度得到大幅提升，在沖擊力、熱應力、疲勞耐受性方面也得到改進(jìn)。柔性環(huán)氧樹(shù)脂現應用于飛機部件的蜂窩板粘接、鐵路板材的鋪設等諸多領(lǐng)域，在這些應用中，環(huán)氧樹(shù)脂必須具有長(cháng)期穩定的使用壽命，即便面臨重復振動(dòng)和熱循環(huán)帶來(lái)的挑戰，也能應對自如。
增韌環(huán)氧樹(shù)脂
20 世紀 80 年代，增韌環(huán)氧樹(shù)脂問(wèn)世。不像柔性環(huán)氧樹(shù)脂那樣，需要依賴(lài)低模量來(lái)提供抗沖擊性和抗疲勞性，增韌環(huán)氧樹(shù)脂在配制過(guò)程中采用較高的模量矩陣，其中加入了非常小的（微米級）橡膠顆粒。這些顆粒在承受壓力時(shí)能吸收能量，并阻止微裂紋的擴展，從而提供極致的抗沖擊和抗疲勞性能。增韌環(huán)氧樹(shù)脂目前被運用于要求較高的應用當中，如移動(dòng)基站的粘接、武器粘接、運動(dòng)產(chǎn)品制造（復合山地自行車(chē)框架和高爾夫球桿頭與桿體的粘接）等。
增韌環(huán)氧樹(shù)脂保留了此類(lèi)膠黏劑所固有的環(huán)境耐受性能，通常是高強度焊接和機械緊固更換的最佳選擇。
圖1.通過(guò)對比剝離和剪切性能得出的雙組分結構型膠黏劑之間的相對關(guān)系
膠接接合面的設計
接合面構型
結構型膠黏劑在剪切和拉伸過(guò)程中（尤其是壓縮時(shí)）的強度是較高，在剝離和劈裂時(shí)強度較弱，因為此時(shí)所有粘接力都集中在分離部分的前緣。因而，有必要設計一種接頭，讓剪切和拉伸力（而非剝離和分裂力）占主導地位。
下圖展示了幾則接頭再設計的示例，用以實(shí)現粘接力最大化。汽車(chē)和大型設備制造商等要求較高的客戶(hù)會(huì )使用計算機建模技術(shù)來(lái)評估各種設計的接合面應力，并對最終設計進(jìn)行優(yōu)化。
圖2.幾則在優(yōu)選模式中應用粘接力的接合面再設計示例
表面處理
粘接部分也必須干凈清潔。如果表面覆有一層弱束縛材料（無(wú)論是氧化銹、油漬，還是灰塵），那么膠黏劑通常無(wú)法接觸到金屬本體，從而導致粘接失敗。
可以讓膠黏劑與特定表面（如鋼的磨鱗面）牢固粘接，然后用它來(lái)去除底層金屬表面的雜物。因此，必須在粘接前去除污垢和弱束縛表面層，在此過(guò)程中，通常使用溶劑型脫脂劑去污，或者使用磨損法去銹。
處理注意事項
在最終選擇結構型膠黏劑時(shí)，還需要考慮到生產(chǎn)方法。必須將膠黏劑的三項關(guān)鍵參數考慮在內：
◆工作時(shí)間（或者混合膠黏劑到閉合接合面的間隔時(shí)間）
◆自然強度或操作強度（從膠黏劑膠化至可進(jìn)行進(jìn)一步處理的自固定化狀態(tài)所需的時(shí)間）
◆完全固化時(shí)間（膠黏劑達到最終固化狀態(tài)的時(shí)間）
上述時(shí)間因膠黏劑的化學(xué)成分和配方不同而有所差異；同時(shí)也受環(huán)境和操作溫度的影響。雖然與焊接相比，結構型膠黏劑的實(shí)際操作過(guò)程非常迅速，但結構型膠黏劑本身需要一個(gè)固定期來(lái)達到足夠的強度，以便膠接接合面在下游工件加工過(guò)程中能夠承受住進(jìn)一步的壓力。
在室溫下，這一過(guò)程最短可能需要 15 分鐘，最長(cháng)可能需要幾個(gè)小時(shí)。通過(guò)加熱（對大型部件可使用感應固化或加熱燈、加熱槍?zhuān)粚π⌒筒考墒褂每鞠洌┛梢钥s短這一時(shí)間。
此外，一旦雙組分膠黏劑混合后，它就會(huì )開(kāi)始固化或者進(jìn)入“凝膠”過(guò)程?；旌虾筇囟〞r(shí)間內，兩個(gè)粘接表面必須實(shí)現緊密結合。如果在粘接表面之前，膠黏劑處于混合狀態(tài)的時(shí)間過(guò)長(cháng)，那么該膠黏劑就會(huì )因過(guò)度凝結而無(wú)法對基材表面進(jìn)行浸潤，也就是說(shuō)，它將無(wú)法與基材表面充分實(shí)現緊密接觸，而且最終粘接強度也會(huì )顯著(zhù)降低。
另外，雙組分膠黏劑的固化會(huì )通過(guò)化學(xué)反應來(lái)完成，而不是以干燥（如在接觸膠黏劑中）或冷卻（如在熱熔膠中）的方式實(shí)現。高溫下比低溫下的化學(xué)反應速度更快。
因此，在設計生產(chǎn)工序時(shí)需要考慮到生產(chǎn)設施和粘接基材的溫度。如果溫度差異十分顯著(zhù)（例如，冬夏之間溫度的變動(dòng)），那么就需要改變生產(chǎn)工序，或者更換所用的膠黏劑。
接合面測試和失效模式
設計和生產(chǎn)是通過(guò)應用破壞性測試方法的統計數據進(jìn)行驗證的，這些方法都是根據實(shí)際接合面所承受的主要力量來(lái)設計的。這些測試方法價(jià)格低廉，而且可以在各種環(huán)境條件中施行。這些方法可能包括剪切、沖擊、剝離和其他眾多應用的具體方法。
最常見(jiàn)的設計測試是搭接剪切測試，其中要同時(shí)考慮到基材、表面處理和粘接方法。ASTM?D1002提供了一種驗證設計方案的方法，對此，可輕松進(jìn)行定制以獲得相關(guān)測試數據。
搭接剪切測試可能是評估各種產(chǎn)品對各類(lèi)基材的粘接作用的最常用方式。還可以用它來(lái)對機械緊固件和焊接點(diǎn)的強度進(jìn)行測試，以便在前期準備中，在金屬板之間為放置緊固件留出充足的搭接區域?？赏ㄟ^(guò)標準方法獲取對比數據，其中對比展示了增韌環(huán)氧樹(shù)脂與剛性環(huán)氧樹(shù)脂、機械緊固法以及焊接法的失效力度（見(jiàn)圖 4）。
圖4.增韌環(huán)氧樹(shù)脂可以達到或超過(guò)傳統連接方法的剪切失效力度
不過(guò)，標準搭接剪切測試并未說(shuō)明各類(lèi)設計的抗沖擊性能。其他測試方法可設計用于檢測沖擊/疲勞耐受性；有些方法非常復雜且耗時(shí)良久（如ASTM D3166）；但通常只需簡(jiǎn)單進(jìn)行測試就能實(shí)現清晰對比。舉例來(lái)說(shuō)，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的擺錘測試機就能解釋不同粘接方法吸收沖擊力的相對能力（見(jiàn)圖 5）。
圖5.增韌環(huán)氧樹(shù)脂粘接與點(diǎn)焊粘接的對比，T6061 鋁，擺錘撞擊測試（重量為 3 磅，擺臂長(cháng) 20 英寸）
另一種常用于柔性基材的方法是剝離測試。剝離測試的類(lèi)型非常多。包括：ASTM D3167浮輥剝離和 ASTM D1876- T-剝離法。
當基材與膠黏劑粘接時(shí)，膠黏劑可覆蓋整個(gè)接合面。這就避免了力量集中在一處（像在接合面中使用鉚釘或螺栓時(shí)會(huì )發(fā)生的那樣）。壓力沿著(zhù)接合面進(jìn)行擴散能夠減輕金屬因張力而發(fā)生的變形，同時(shí)也能提高極限失效力度。如果接合面會(huì )受到反復擠壓，則壓力沿粘接層進(jìn)行擴散可提高抗疲勞性和部件壽命?？墒褂美y試機對膠接接合面和機械緊固接合面進(jìn)行對比測試來(lái)展示這種效果（見(jiàn)圖 6）。
圖6.T6061 鋁（0.063 英寸厚）、拉力應用中的鉚釘與膠接鋁的失效對比
在這里還能間接展示出另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即薄片鋼材可在不發(fā)生（因使用鉚釘、螺栓和點(diǎn)焊導致的壓力集中所造成的）金屬變形的情況下進(jìn)行膠接。使用膠黏劑可以讓壓力在薄片金屬的大塊面積上均勻擴散。因而，可以使用薄片金屬來(lái)減輕重量，同時(shí)還能保持原本的強度或抗疲勞水平。
對整個(gè)接合面進(jìn)行焊接會(huì )制造出一個(gè)牢固的接合面；然而，焊接本身可能會(huì )帶來(lái)其他不良影響（包括高勞力成本和能量消耗，以及焊接過(guò)熱導致的金屬變形或弱化）。此外，采用焊接和機械緊固法可能需要進(jìn)行更多的修整才能達到成品部件的審美要求。
測試結果表明，高端結構型膠黏劑的極限破壞力度甚至能夠趕上全縫焊接，而且不會(huì )因溫度過(guò)熱造成金屬變形或弱化。
對粘接接合面特定強度的進(jìn)一步對比顯示，膠黏劑在強度和縮減重量方面都頗具優(yōu)勢。
（點(diǎn)擊可查看大圖）
總結
如上所述，在各種力量的驅動(dòng)下，大量長(cháng)期采用焊接、釬焊、鉚釘和螺栓連接等標準連接方法的公司現已開(kāi)始考慮采用具有較高性能的增韌結構型膠黏劑。
這種膠黏劑在很多方面都有顯著(zhù)的優(yōu)勢，如整體成本和重量縮減、粘接異質(zhì)基材的能力、在均勻的應力分布下創(chuàng )建接合面的能力，以及隨之帶來(lái)的較高的抗疲勞性和受力性。增韌型膠黏劑能夠提升美學(xué)效果并降低勞動(dòng)密集型加工成本，如磨除點(diǎn)焊過(guò)程產(chǎn)生的碎屑。
選擇合適的膠黏劑至關(guān)重要，工程師應該與其材料供應商緊密合作以選取合適的產(chǎn)品。此外，某些接合面再設計和生產(chǎn)工藝調整工作可能會(huì )對項目最終的成功產(chǎn)生重大影響。但根據以往經(jīng)驗，如果采用合適的結構型膠黏劑，能在性能上趕超焊接、鉚釘和螺栓連接等傳統連接方法。
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