專利名稱：用于控制異種材料膠接固化變形的裝置與方法
技術領域：
本發明涉及的是一種汽車制造技術領域的方法及其裝置，具體是一種用于控制異種材料膠接固化變形的方法及其裝置。
背景技術：
油價高漲的壓力以及環保要求對車身輕量化提出了新的要求。輕質合金如鎂、鋁合金以及復合材料等以其低密度、高比強度逐漸在車身中大量使用。而先進高強度鋼、超高強度鋼以其優良的力學性能和相對低廉的價格優勢仍然會在車身結構件中占很大比重。因此異種材料的連接將是今后車身制造必須面對的問題。由于異種材料間物理屬性差異極大，傳統的電阻點焊以及熔化焊接方法不能實現異種材料的可靠連接。鉚接會增加構件的重量而且成本很高。膠粘連接具有良好的疲勞特性以及柔韌性，可以與鉚接等連接方式復合使用以實現同種或異種材料的連接，目前已經廣泛應用于全鋁以及全鋼車身的制造中。 然而異種材料間熱膨脹系數差異巨大，膠粘劑需要加熱到較高溫度進行固化。在高溫固化過程中，兩側板料由于熱膨脹系數差異大使得熱膨脹量并不相同，從而產生較大變形。而膠粘劑的固化會將產生的大變形鎖住，使得固化結束溫度降到室溫后變形仍然會保持。膠接大變形不僅會影響車身的裝配尺寸精度，而且也會影響連接的強度。現有的膠粘劑固化是在車身的烤漆階段進行的。在這一階段，車身被整體放置在 180攝氏度的環境中保持30分鐘(隨膠粘劑不同，固化參數也有差異)。在這種環境下，被連接的兩板在膠粘劑固化過程中被同時加熱，這樣由于兩板間熱膨脹量差異導致的膠粘劑固化變形無法消除。目前膠粘劑的供應商和汽車制造商都在努力尋找解決方案。美國的Master Bond公司在不降低膠粘劑連接強度的前提下將環氧樹脂基的膠粘劑固化溫度降低到了室溫，但是膠粘劑的固化時間增加到了 3天，導致車身制造周期大大加長，實際生產中無法應用。Dow公司開發了雙組份的聚丙烯基的膠粘劑，雖然降低了固化溫度，同時固化時間也控制在30分鐘之內，但是相對于現階段使用的環氧樹脂基結構膠粘劑的強度下降了 50%。而車身制造商的解決方法主要是增加約束，在烤漆固化過程中通過剛性約束來抑制變形的產生。這樣不僅成本高，而且不能從根本上解決兩板熱膨脹量不同的問題。總結以上各方面可以得出，異種材料膠粘固化變形的主要問題集中在整體高溫固化不可避免采用低溫固化膠粘劑，膠粘連接強度降低，滿足車身連接的強度要求需要增加膠粘劑的使用面積，成本高；外加剛性約束能降低變形，但是不能消除變形，而且會在零件內部形成較大的內應力。因此，異種材料膠接大變形問題已經成為影響多材料輕量化車身研發的巨大障礙，亟需解決。
發明內容
本發明針對現有整體等溫固化技術存在的上述不足，提供一種用于控制異種材料膠接固化變形的裝置與方法，針對被粘接材料的熱膨脹系數差異，利用膠粘劑自身的隔熱特性，通過設計具有加熱和冷卻功能的模具，對熱膨脹系數較低零件進行快速加熱到較高溫度并且保溫，同時對熱膨脹系數較高零件進行溫度較低的加熱或者進行冷卻。通過控制兩板中的溫度差異，使得膠粘劑兩側的材料在整個膠粘劑固化過程中保持相同的熱膨脹量，實現膠層從高溫側向低溫側的定向固化，從而達到控制和消除膠粘變形的目的。本發明是通過以下技術方案實現的本發明涉及一種用于控制異種材料膠接固化變形的方法，通過與零件形狀匹配的加熱和冷卻模具，對膠粘劑兩側待固化零件的金屬固化溫度的獨立控制，根據待固化零件及膠粘劑的材料屬性確定兩側模具的溫度控制策略，然后將模具及待固化零件裝夾并對兩側模具中的溫度變化進行動態控制以實現膠層的非對稱固化。所述的待固化零件包括低膨脹率零件和高膨脹率零件，其中膠粘劑兩側的低膨脹率零件和高膨脹率零件分別采用不同種類的有色金屬、鋼或復合材料，低膨脹率零件的熱膨脹系數小于等于高膨脹率零件的熱膨脹系數。所述的溫度控制策略是指膠粘劑兩側的模具分別加熱至不同的溫度，通過溫度差保證膠粘劑兩側的零件膨脹量保持一致，其中低膨脹率零件側模具的加熱溫度等于膠
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粘劑的固化溫度，而高熱膨脹率零件側模具的加熱溫度為& =^( -rT室溫)+T室溫，其中τ
^為低熱膨脹率零件的加熱溫度，等于膠粘劑的固化溫度，β s分別為低熱膨脹率零件以及高熱膨脹率零件的熱膨脹率，Tss為室溫溫度，范圍為15-25°C。所述的高膨脹率零件的加熱固化時間與低膨脹率零件的加熱固化時間相同，為 30-50分鐘，以保證膠層全部固化。所述的膠粘劑為市售的密封膠、內飾膠或結構膠，其固化溫度為80-220°C。所述的裝夾是指低熱膨脹零件與加熱模具相接，高熱膨脹零件與加熱冷卻模具相接，兩個零件之間通過涂敷粘接膠進行粘接。所述的動態控制是指對高膨脹率材料側加熱模具的溫度進行實時測量，當溫度高于指定的溫度TS5°C，即對其進行冷卻，確保整個固化過程中高膨脹率材料的溫度保持在Ts，即高熱膨脹率零件側模具的加熱溫度。本發明涉及一種用于控制異種材料膠接固化變形的裝置，包括加熱模具、加熱冷卻模具和隔熱附件，其中加熱模具、低膨脹率零件、粘接膠層及隔熱附件、高膨脹率零件以及加熱冷卻模具依次疊置，隔熱附件與粘接膠層位于同一平面；所述的加熱模具通過熱傳導提供膠粘劑層固化所需要的熱量，該加熱模具的型面與加熱區域型面一致。所述的加熱模具采用電阻絲加熱、電渦流感應加熱、激光加熱或紅外線加熱。所述的加熱冷卻模具的型面與接觸區域的零件相同。所述的加熱冷卻模具通過風冷或水冷進行冷卻且該模具為銅質。所述的隔熱附件置于加熱模具和加熱冷卻模具之間，用于阻隔兩個模具之間的熱交換以及輔助定位。與現有技術相比，本發明具有以下優點現有技術通過整體等溫實現固化過程且整個零件全部置于烤箱內進行整體加熱，這樣對烤箱體積有一定要求不利于大尺寸或異型零件的加工處理。本發明通過差溫固化，即在零件兩側采用加熱和冷卻模具進行溫度的獨立控制，從而實現變形的有效控制。本發明將整體對稱加熱固化轉變為溫度可控的非對稱差溫加熱固化，可以實現不同材料膠接固化變形的有效控制，具有較高的適應性。同時也可以與正常的烤漆固化配合使用，即先使用模具非對稱加熱對膠粘劑進行部分固化，然后再和其它零件通過烤漆加熱實現完全固化，以避免在烤漆階段整體固化所產生的大變形。
圖1是本發明涉及的模具及待加熱零件的安裝示意圖。圖2是以水冷方式為例的上加熱冷卻模具結構示意圖。圖3是以電阻絲加熱方式為例的下加熱冷卻模具結構示意圖。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例1如圖1所示，本實施例包括加熱冷卻模具1、高膨脹率零件2、粘接膠層3、低膨脹率零件4、隔熱附件5以及加熱模具6，其中加熱模具6、低膨脹率零件4、粘接膠層3及隔熱附件5、高膨脹率零件2以及加熱冷卻模具1依次疊置，隔熱附件5與粘接膠層3位于同一平面；所述的低膨脹率零件4為低碳鋼，其熱膨脹系數小于高膨脹率零件2鋁合金的熱膨脹系數。依照冷卻劑溫度估算方法將鋁合金熱膨脹系數23. 6e_6，低碳鋼熱膨脹系數 11.3e_6 13. k_6，加熱溫度按選用膠粘劑的要求，為180°C，室溫25°C帶入，對應高膨脹率零件的加熱溫度范圍為99°C 113°C本實施例中冷卻劑溫度步長取為2V，時間步長取為1秒，加熱時間為3600秒，對應冷卻劑溫度為105°C .由于溫差較大，故冷卻方式選擇液體冷卻方式。所述的加熱冷卻模具1具體形式如圖2所示，選用液體冷卻方式。其中定位孔7 用來確定上下兩模具間的相對位置，入水口 8用來注入冷卻水，出水口 7用來流出冷卻水。所述的加熱模具6具體形式如圖3所示，選用電阻絲加熱方式。包括定位孔7以及電阻絲繞組10。工藝參數將下加熱冷卻模具的溫度設定在180攝氏度，加熱時間為60 分鐘，上加熱/冷卻裝置的冷卻劑溫度恒定在105攝氏度，流速控制在每小時1立方米。對照組為相同規格的待固化零件，用上述同幾何尺寸的模具裝夾進行約束。固化方式為整體置于180攝氏度的環境中加熱60分鐘。實驗對照結果為單面加熱方法，膠粘上板固化后最大變形0. 37mm，膠粘下板固化后最大變形0. 57mm ；對照組膠粘上板固化后最大變形1. 07mm，膠粘下板固化后側最大變形 1. 17mm。實施例2本實施例中，低膨脹率零件4為鋁合金，其熱膨脹系數為23. 6e_6，高膨脹率零件2為鎂合金，其熱膨脹系數為27. Oe-60低膨脹率零件的熱膨脹系數小于高膨脹率零件。加熱溫度按膠粘劑的需求選擇在80°C，室溫為20°C，對應鎂合金板溫度需控制在 72°C左右。由于溫度差不大，故冷卻方式可以選擇風冷。故所述之加熱冷卻模具1省略。本實施例中的冷卻溫度步長取為1°C，時間步長取為1秒，加熱時間為1800秒，對應設置冷卻溫度為73°C。所述的加熱模具6具體形式如圖2所示，選用電阻絲加熱方式。包括定位孔7以及電阻絲繞組10。所述之加熱冷卻模具依照計算結果省去不用。對照組為相同規格的待固化零件，用上述同幾何尺寸的模具裝夾進行約束。固化方式為整體置于80攝氏度的環境中加熱30分鐘。實驗對照結果為單面加熱方法，膠粘上板固化后最大變形0. 14mm，膠粘下板固化后最大變形0. 33mm ；對照組膠粘上板固化后最大變形0. 66mm，膠粘下板固化后側最大變形 0.82mm。
權利要求
1.一種用于控制異種材料膠接固化變形的方法，其特征在于，通過與零件形狀匹配的加熱和冷卻模具，對膠粘劑兩側待固化零件的金屬固化溫度的獨立控制，根據待固化零件及膠粘劑的材料屬性確定兩側模具的溫度控制策略，然后將模具及待固化零件裝夾并對兩側模具中的溫度變化進行動態控制以實現膠層的非對稱固化。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的待固化零件包括低膨脹率零件和高膨脹率零件，其中膠粘劑兩側的低膨脹率零件和高膨脹率零件分別采用不同種類的有色金屬、鋼或復合材料，低膨脹率零件的熱膨脹系數小于等于高膨脹率零件的熱膨脹系數。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的溫度控制策略是指膠粘劑兩側的模具分別加熱至不同的溫度，通過溫度差保證膠粘劑兩側的零件膨脹量保持一致，其中低膨脹率零件側模具的加熱溫度等于膠粘劑的固化溫度，而高熱膨脹率零件側模具的加熱溫度β姊+ 其中=Iffi為低熱膨脹率零件的加熱溫度，等于膠粘劑的固化溫度，β <￡和β胃分別為低熱膨脹率零件以及高熱膨脹率零件的熱膨脹率，Tss為室溫溫度，范圍為 15-250C O
4.根據權利要求2所述的方法，其特征是，所述的高膨脹率零件的加熱固化時間與低膨脹率零件的加熱固化時間相同，為30-50分鐘。
5.根據權利要求1-3中任一所述的方法，其特征是，所述的膠粘劑為市售的密封膠、內飾膠或結構膠，其固化溫度為80-220°C。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的裝夾是指低熱膨脹零件與加熱模具相接，高熱膨脹零件與加熱冷卻模具相接，兩個零件之間通過涂敷粘接膠進行粘接。
7.根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的動態控制是指對高膨脹率材料側加熱模具的溫度進行實時測量，當溫度高于指定的溫度TS5°C，即對其進行冷卻，確保整個固化過程中高膨脹率材料的溫度保持在Ts，即高熱膨脹率零件側模具的加熱溫度。
8.一種根據上述任一權利要求所述方法的異種材料膠接固化變形的裝置，其特征在于，包括加熱模具、加熱冷卻模具和隔熱附件，其中加熱模具、低膨脹率零件、粘接膠層及隔熱附件、高膨脹率零件以及加熱冷卻模具依次疊置，隔熱附件與粘接膠層位于同一平所述的加熱模具通過熱傳導提供膠粘劑層固化所需要的熱量，該加熱模具的型面與加熱區域型面一致；所述的加熱冷卻模具的型面與接觸區域的零件相同；所述的隔熱附件置于加熱模具和加熱冷卻模具之間，用于阻隔兩個模具之間的熱交換以及輔助定位。
9.根據權利要求8所述的裝置，其特征是，所述的加熱模具采用電阻絲加熱、電渦流感應加熱、激光加熱或紅外線加熱。
10.根據權利要求8所述的裝置，其特征是，所述的加熱冷卻模具通過風冷或水冷進行冷卻且該模具為銅質。
全文摘要
一種汽車制造技術領域的用于控制異種材料膠接固化變形的裝置與方法，通過與零件形狀匹配的加熱和冷卻模具，對膠粘劑兩側待固化零件的金屬固化溫度的獨立控制，根據待固化零件及膠粘劑的材料屬性確定兩側模具的溫度控制策略，然后將模具及待固化零件裝夾并對兩側模具中的溫度變化進行動態控制以實現膠層的非對稱固化；本發明利用膠粘劑自身的隔熱特性，通過改變兩板中的溫度分布，使得膠粘劑兩側的材料在整個膠粘劑固化過程中保持相同的熱膨脹量，實現膠層從高溫側向低溫側的定向固化，從而達到控制和消除膠粘變形的目的。
文檔編號G05D23/02GK102391794SQ20111021255
公開日2012年3月28日 申請日期2011年7月27日 優先權日2011年7月27日
發明者朱曉搏, 李永兵, 來新民, 林忠欽, 王培中, 陳關龍 申請人:上海交通大學, 通用汽車環球科技運作有限公司