摘要：近期科研生产过程中，随炉试片的搭接剪切试验出现非胶结处的基材断裂，经过对试片的制备、加工以及拉伸试验等过程因素分析，总结出随炉试片的基材厚度是影响这一试验失效的主要因素。通过本文试验论证，给工艺文件的改进提供基础理论依据。
关键词：随炉试片 搭接剪切强度 基材 破坏形式
1引言
随炉试片是与生产零部件一起，严格按照工艺文件要求处理的，用于检验零部件胶结的强度、韧性等指标的检验形式[1]。随炉试片有多种形式，剥离随炉试片、剪切随炉试片以及不均匀扯离随炉试片等，其中驾驶舱随炉试片属于搭接剪切的形式。
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图1单搭接剪切试样
驾驶舱随炉试片搭接剪切试验的试样采用的是单搭接结构，见图1。给试样的两个搭接基材上施加纵向拉伸剪切力，在试样断裂时所能承受的最大载荷即为胶黏剂的金属对金属搭接的拉伸剪切强度。拉伸剪切强度测试试验逐步成为一种应用最广泛的胶黏剂粘接性能优劣的评价方法[2]。拉伸剪切强度反映材料承受剪切力的能力。因此，本试验用搭接剪切强度反映基材厚度对随炉试片搭接剪切优劣的影响。
2试验方案
近期，在进行理化试验过程中，发现某机型驾驶舱随炉试片搭接剪切试验出现了，试片在未达到标准所规定的指标时，基材就出现断裂的情况。此次失效试验影响了成品零部件的正常交付，针对以上情况，本试验分析了影响搭接剪切试验失效的一系列因素。
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图2试验完成的驾驶舱随炉试片搭接剪切试样
影响搭接剪切试验的因素主要有环境条件（温度、湿度）、胶黏剂的喷涂、搭接面表面处理、工装、固化工艺、基材的材料以及基材厚度、试样的裁剪制备等。试片制备与零部件制备同时进行，并按照工艺文件所要求的的环境条件严格把控，而试验在理化试验室标准环境下进行，所以环境条件影响可以排除。
从图2中可以看出，失效试验的断裂位置不在胶结面处，而是在基材位置。这说明试片的胶结过程没有问题，因此排除搭接面底胶和胶膜铺层、表面处理、工装、固化工艺等方面的影响因素。经过对比分析，本试验主要研究试片的基材厚度和试样加工过程对搭接剪切试验的影响，随炉试片制备流程见图3。
图3 随炉试片试验方案
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3随炉试片制备流程
3.1试片制备所需材料和器材
参考某机型驾驶舱随炉试片制备标准，所需材料包括：：2A12—T4铝合金板、J-95胶膜、J-96底胶、CR3523-5-02铆钉、喷枪、数显卡尺、固化炉等。
另外，为了更好的模拟随炉试片的真实性，试验所需表面处理，铆接以及机加工工艺共请托跟零部件工序处理相同的单位进行。
3.2型材选取
根据某机型驾驶舱随炉试片制备标准的要求，选择与零部件相同的材料：2A12—T4铝合金板。鉴于工艺文件中要求的基材厚度为1.0mm，因此本试验所选取的基材厚度分别为0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.5mm、1.6mm、2.0mm。根据标准要求，每种厚度准备规格为150mm*270mm的两块。
3.3基材表面处理
某机型驾驶舱随炉试片制备标准中规定表面处理工艺为：非封闭式铬酸阳极化，此工序请托表面处理车间进行。表面阳极化处理完成后，要在文件规定的时间（一般不多于8h）内进行底胶喷涂。
3.4铆接并固化
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图4 铆接装配图
按照图4的要求，搭接长度控制在25mm±0.2mm。一组试片使用4组铆钉。铆钉间距80mm±1mm。按照搭接面积尺寸裁剪相同尺寸的J-95胶膜，粘接完毕后按文件要求以及图纸尺寸铆接。铆接完成后按照文件中对J-95胶膜的固化工艺参数进行加温固化。
3.5试样加工
根据某机型驾驶舱随炉试片制备标准的要求，按照图4中，横向切割，切割位置是两个铆钉之间切割两片，每种厚度的试片切割加工成6片，每片宽度为25mm±0.2mm。为了保证公差要求，试片切割包含裁剪和侧铣。切割对试样容易产生断层等瑕疵，因此本试验会对比分析此因素对试验的影响。
4搭接剪切试验
4.1试验器材以及设备
温湿度记录仪、数显卡尺、计算器、相机、数显千分尺、AG-I50KN电子拉力机以及试验防护用品。
4.2搭接剪切试验方法要求
根据某机型驾驶舱随炉试片制备标准的要求，试验方法为IGC04.26.345，搭接剪切拉伸试验。本试验在标准试验环境下进行，温湿度控制在23±5℃、50±10%范围内。
试验速度为2mm/min。数显卡尺测定搭接面的长度和宽度，电子拉力机测定试样出现断裂时的载荷值。
4.3试验数据
4.3.1不同基材厚度试样的搭接剪切强度
搭接剪切强度σ =P/lb 式（1）
σ——搭接剪切强度，MPa；
P——试样断裂时最大载荷，KN；
l——试样搭接长度，mm；
b——试样搭接宽度，mm。
表1不同基材厚度试样的搭接剪切强度
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图5不同厚度基材搭接剪切试验后试片的破坏形式
4.3.3试样加工对试验的影响
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图6 有加工缺陷的试样（基材厚度1.6mm）破坏模式
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4.4试验结果分析
4.4.1根据某机型驾驶舱随炉试片制备标准的要求，本搭接剪切试验的指标是搭接剪切强度σ≥15MPa。从表1中可以看出，试片厚度在1.0mm时，搭接剪切强度就达标。但是，从图5中可以看出，基材厚度为1.0mm时，还是非胶结区域的基材破坏；
4.4.2试样的理想破坏模式为两个胶结面间的内聚破坏。从图5可以看出，厚度在1.6mm和1.8mm的试样全部为内聚破坏；
4.4.3从表1中可以看出，试片厚度为1.4mm时，2号（20.13 MPa）和5号（20.25 MPa）试样剪切强度偏低，结合图5可以看出，这两根试样出现了基材破坏。而另外3根（1号、3号和4号）为内聚破坏，同样其对应搭接剪切强度也在24MPa以上。
4.4.4从表1中可以看出，试片在1.6mm以上时，搭接剪切强度趋于稳定，全部维持在24MPa以上。
4.4.5图6显示，2号、3号、6号试样在加工过程中，试样搭接区域边界位置产生了断层，使得搭接剪切试验出现了基材破坏。从表2中可以看出此加工缺陷对搭接剪切强度有一定的影响。
5结论
5.1目前某机型驾驶舱随炉试片制备标准要求的基材厚度1.0mm，虽然满足指标要求，但是不能反映出试片胶结好坏的真实水平。此种驾驶舱随炉试片搭接剪切试验的真实剪切强度应该在24MPa左右。
5.2增加基材的厚度，可以满足试样在理想破坏模式——内聚破坏的形式下断裂。结合实际生产成本以及本试验的论证，建议此类驾驶舱随炉试片基材厚度选取1.6mm。
5.3试样加工过程对搭接区域的边界位置会产生断层效应，一定程度影响胶结强度；但是对非搭接区域不会产生加工缺陷。所以试样加工造成的缺陷不是造成此次驾驶舱随炉试片搭接剪切试验失效的根本原因。
参考文献
[1] 点焊胶接件制造过程控制方法[J].陈舸.应用技术，2004,25（2）
[2]浅谈影响胶粘剂/防腐涂料拉伸剪切强度测定结果的因素[J].杨帆 杨雪 晁峰涛.全面腐蚀控制，2017（11）
[3]张子龙，向海，雷兴平.航空非金属材料性能测试技术-复合材料[M].北京：化学工业出版社，2014
[4] 复合材料单搭接对接结构剪切失效影响因素[J].屈天骄等.第三届中国国际复合材料科技大会摘要集-分会场26-30，2017,10
[5]杨本宁，郑艳萍，李成，侯玉亮.复合材料胶结单搭接连接强度与失效模式研究[D].郑州：郑州大学，2019
论文作者:陈泽兴
论文发表刊物:《科学与技术》2019年20期
论文发表时间:2020/4/29
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