文章快速检索     高级检索
  失效分析与预防  2019, Vol. 14 Issue (2): 119-123  DOI: 10.3969/j.issn.1673-6214.2019.02.010
0

引用本文 

贾妮, 陈晓锋, 吕均益, 柳宁, 赵艳青, 魏恒永. 门头道密封用3M压敏胶粘带脱胶分析[J]. 失效分析与预防, 2019, 14(2): 119-123. DOI: 10.3969/j.issn.1673-6214.2019.02.010.
JIA Ni, CHEN Xiao-feng, LV Jun-yi, LIU Ning, ZHAO Yan-qing, WEI Hen-yong. Degumming Failure Analysis of 3M Tape Used in Door Dealing[J]. Failure Analysis and Prevention, 2019, 14(2): 119-123. DOI: 10.3969/j.issn.1673-6214.2019.02.010.

作者简介

贾妮(1988年−),女,硕士,工程师,主要从事汽车用非金属材料等方面的研究

文章历史

[收稿日期] 2018-12-26
[修订日期] 2019-03-09
门头道密封用3M压敏胶粘带脱胶分析
贾妮 , 陈晓锋 , 吕均益 , 柳宁 , 赵艳青 , 魏恒永     
上汽大众汽车有限公司长沙分公司,长沙 410132
摘要: 车门头道密封条脱胶,不仅影响车间生产效率,还可能由于售后发生漏水引起顾客抱怨。为研究其脱胶原因,从胶带本身粘接性能、胶带与粘接表面发生作用时间、粘接表面能及清洁、车门内板与侧框外板间隙及头道密封条压缩力、头道密封条安装工艺等5个方面,对车门头道密封条脱胶失效进行探讨。结果表明:粘接部件表面是否清洁及胶带表面是否获得足够的压力是影响脱胶的主要因素,应该保证胶带横截面上获得100%在10 N以上、80%在20 N以上压力,被粘接部件表面清洁且表面能高于40 mN/m,其中极性组分高于4 mN/m,胶带与粘接部件作用时间不低于40 min,且在此期间保证胶带不会受到明显的外部剪切,压敏胶与车身油漆具有优异的粘接性能。
关键词: 脱胶    压敏    剥离力    表面能    压力传感器    
Degumming Failure Analysis of 3M Tape Used in Door Dealing
JIA Ni , CHEN Xiao-feng , LV Jun-yi , LIU Ning , ZHAO Yan-qing , WEI Hen-yong     
SAIC VW Changsha Branch, Changsha 410132, China
Abstract: Door sealing degumming not only affects the productivity of car plants but also causes customer complaint for water leakage. In order to investigate the degumming reason, the adhesive performance of the tape, the reaction time between the tape and paint surface, the surface energy and cleaning of the paint, the gap between the door inner sheet and the body outer sheet, and the door sealing assembly process were studied in detail. The results show that the degumming is mainly related to the surface cleaning and pressure. The 3M tape has excellent adhesive performance with the door paint under the following conditions: 80% of the tape is under the pressure higher than 20 N and the rest is not lower than 10 N, the paint is clear and has a minimum surface energy of 40 mN/m with a minimum polar fraction of 4 mN/m, the reaction time between the tape and paint surface is longer than 40 min, and there is no obvious shear force during this period.
Key words: degumming    pressure-sensitive tape    peeling force    surface energy    pressure sensor    
0 引言

丙烯酸泡棉胶带是以高密度泡棉为基材,丙烯酸为背胶设计,因其优异的粘接强度和良好的密封性能,在汽车上广泛应用[1];相比于传统的铆接、焊接、螺栓等连接方式,它能有效地避免在车身上打孔,减低车身锈蚀的风险和加工工时[2]。车门头道密封条则是装配在汽车车门并与门框密封条配合使用,可以增加车门与车身间的密封作用,从而起到隔音、减震、防尘、防水的作用,在中高档车型上使用越来越普遍[3-4]。车门头道密封条与车身的粘接普遍使用丙烯酸泡棉压敏胶[5],这种粘接方式可拆卸且灵活性大,可以填补零件与车身的形面差,从而对于拐角弯折位置也可以做到有效粘接。目前头道密封条的安装考虑到人工成本的节约及质量的稳定性,大部分已从人工滚压安装方式改用设备自动安装,使用较多的设备有Grohmann及Thyssenkrupp。新技术、新工艺、新设备的引入大大提高了生产效率,但同时也带来了粘接质量不稳定、易导致脱胶的问题[6]。因此,非常有必要研究这类问题产生的根本原因,并从理论上确认工艺改善方向,最终使此类脱胶问题得以解决并得到稳定控制。

1 故障分析

车门头道密封条是使用3M公司的丙烯酸泡棉压敏胶ST1200与车门板金进行粘接,整车下线后,检查发现胶带与车身表面发生界面粘合破坏[6],肉眼没有观察到有残胶留在车门油漆表面。由图1看出:第一,脱胶主要发生在锁扣板区域(图1a)和底部区域(图1b);第二,胶面光亮,无明显受压后产生的变形,无污染(图1c)。

图 1 脱胶头道密封条 Fig.1 Degumming door sealing

对失效件测试其剥离强度,确认零件本身质量状态;对新状态零件测试其剥离强度,研究作用时间对剥离强度的影响,剥离强度测试标准为DIN 1464[7],使用Zwick 2010拉力机,粘接时使用自动滚轮对胶面进行滚压。使用Kruss MSA型表面张力仪研究粘合部件表面能[8]对剥离强度的影响。结合白光扫描[9]及泡管压缩力研究外部剪切对剥离强度的影响,泡管压缩力使用Zwick 2010拉力机和专用工装进行测量,测试标准参照PV3364。使用Texscan的I-Scan系统[10]测试粘合面压力大小与分布,研究压力对压敏胶剥离强度的影响。

2 分析结果与讨论 2.1 失效零件剥离强度测试

选择脱胶区域的失效零件,截取光亮、无明显压痕及污染部分200~300 mm,再次粘贴在平面油漆板上进行试验。失效零件在80 ℃下加热2 h后,冷却至室温测试其剥离强度,最终测得剥离强度为22.0 N/cm(图2)。脱开形式主要是以界面粘合破坏为主,兼具部分内聚破坏[11]。结果表明,即使在进行二次粘合的情况下,该丙烯酸泡棉压敏胶也能满足标准20 N/cm的要求,表现出良好的粘接性能。

图 2 失效零件剥离强度测试曲线(胶带宽度8.5 mm) Fig.2 Peeling force test curve for failure part, the width of the tape is 8.5 mm
2.2 胶带与粘合部件作用时间对剥离强度的影响

选取新状态零件进行剥离强度测试,在实验中保持滚压力、滚压速度、清洁方式等因素一致,胶带与粘合表面作用时间为变量,对与标准板粘合不同时间的胶带进行剥离强度测试,结果如图3所示。由图可知,20 min后剥离强度达到28.7 N/cm,说明ST1200具有优越的初粘力;40 min后基本趋于稳定,且胶带从泡棉层撕裂,残胶均匀分布于板金和部件两侧。按照目前该主机厂总装车间实际生产工艺40台/h的产量,从完成密封条安装到密封条受到侧框外板剪切力,相隔27个工位,期间相隔时间为41 min,能够保证泡棉胶带粘接力趋于稳定。

图 3 反应时间对粘接力的影响 Fig.3 Effect of reaction time on peeling force
2.3 粘合部件表面能及清洁

胶粘剂对被粘基材的粘接过程是一个复杂的物理化学过程,综合了润湿吸附、配位作用、化学反应、分子扩散和机械互锁等形式的粘接过程[12]。胶带在粘合部件表面充分浸润是保证有效粘接的重要因素,空腔注蜡为该品牌车型特有的防腐工艺,车门板金由于门槛饰条定位孔的存在,特别是在车门底部,容易被溢蜡污染。对不同状态密封条粘合面表面能及胶带剥离强度进行测试,测试结果见表1

表 1 表面清洁对表面能[8]及剥离强度的影响 Table 1 Effect of cleaning and surface energy on peeling force[8]

表1可以看到:蜡雾的存在明显降低粘合面表面能,特别是极性组分,由初始态的5.03 mN/m降低至0.28 mN/m,不满足标准中不低于4.00 mN/m的要求。同时,蜡雾的存在也明显影响胶带的剥离力,由初始态35.1 N/cm降低至16.3 N/cm,但该蜡雾可以被异丙醇清洁,清洁后的表面基本可以回复到初始状态。所以,为了避免蜡雾对粘接性能的影响,建议在进行头道密封条的施工前先对粘合面使用异丙醇进行清洁。

2.4 钣金尺寸及密封条压缩负荷分析

头道密封条通过泡棉胶ST1200粘合在门内板上[2],当车门关闭时,头道密封条泡管作用在侧框外板上形成整车的头道密封。门钣金为结构复杂的曲面,不同位置(见图4)泡管受力情况不同,使用内窥镜观察门关闭状态下密封条泡管受压情况,如图5所示。可以发现:位置C处泡管挤压严重,开口向上翻开,剪切力Fx较大,而正向压力Fy较小,对比位置D处泡管受压情况,泡管变形小,开口向下闭合,剪切力Fx较小,而正向压力Fy较大。特别是当门内板与侧框外板间隙变小或密封条压缩负荷变大时,此时胶带受到的剪切力将会随之变大,当车门长期在该状态下闭合时,均会产生脱胶风险。

图 4 不同位置受力分析 Fig.4 Force analysis for different location
图 5 车门内板与侧框外板间隙 Fig.5 Gap between the door and outer frame

对门内板和侧框外板进行白光扫描[7],数据合成间隙,如图4所示。结果表明,位置C区域门板尺寸超差,要求±1.0 mm,实际均低−1.0 mm,间隙偏小。同时,对胶区域密封条在门关闭条件下,其压缩程度更大,受到更强的切剪力,不利于粘结(图6)。

图 6 缺陷零件压缩负荷 Fig.6 Compression force for failure part
2.5 气压力缸设备压力分析

ST1200胶带为压敏胶,足够的压力传递到胶带表面是保证其有效粘接的必要因素,压力大小及分布可以通过压敏纸或压力传感器来表征。相比于传统的压敏纸,美国Tekscan公司生产的I-Scan传感器薄且柔软,可用于曲面测试,它能更加精确地记录每个点的数据,同时实时采集图像供静态或动态分析[10]。对失效位置压力分布进行测试,结果见图7。结果表明,失效位置压力均不能达到胶带横截面上获得压力100%在10 N以上、80%在20 N以上的要求,且部分位置宽度方向压力分布不均,主要集中在内侧,这也可以充分解释脱胶总是从内侧开始的原因。

图 7 3M胶带压力分布情况 Fig.7 Force distribution for 3M tape

以位置b的测试结果为例,有颜色区域为实时采集图像,横向代表胶带长度方向,纵向代表胶带宽度方向,颜色越深代表压力越大;调整前胶带所受压力为15~17 N/cm2,从胶带颜色来看,压力分布不均匀,而经过调整后,胶带所受压力能保持在20 N以上,且从胶带颜色来看,压力分布均匀。

2.6 整改状态跟踪及预防措施

经过分析发现,影响脱胶的主要原因是粘接压力不足及粘接面未得到充分清洁,密封条的压缩力及钣金尺寸超差为次要影响因素。优化门板金尺寸及密封条压缩负荷至公差范围内,调整设备气压缸保证胶带横截面上获得压力100%在10 N以上、80%在20 N以上,同时生产线增加粘接面清洁工艺,跟踪项目车批量生产后未发现脱胶,脱胶问题得到解决;为保证后续批量生产的稳定性,要求定期对上述参数进行测量。

3 结论

1)脱胶的主要因素是粘接表面不够清洁,且胶带表面受到的压力不够。

2)从便捷性和有效性来考虑,建议开发浸润效果和初粘力更好的3M压敏胶带,以保证后续产品质量的稳定性。

参考文献
[1]
方潇湧. 丙烯酸泡棉胶带在汽车结构优化上的应用[J]. 汽车工程师, 2011(2): 55-57. DOI:10.3969/j.issn.1674-6546.2011.02.013
[2]
王玉恒. 车门密封条设计研究[J]. 上海汽车, 2013(3): 29-32.
[3]
朱盛镭,寿建华,王红英. 车用密封条的发展(上)[J]. 汽车与配件, 1996(14): 14-16.
[4]
程涛,苏世学,杨树彬,等. 3M强力双面胶带在某航空火工系统中的应用研究[J]. 火工品, 2011(4): 1-4. DOI:10.3969/j.issn.1003-1480.2011.04.001
[5]
陈宗蓟. 3M粘接系列产品在汽车中的应用[J]. 汽车与配件, 2004(11): 39-40.
[6]
李洪涛. 车门密封条粘接开胶问题解决[J]. 汽车零部件, 2016(5): 73-75. DOI:10.3969/j.issn.1674-1986.2016.05.019
[7]
DIN EN 1464—2010. Adhesives-determination of peel resistance of adhesive bonds-floating roller method [S]. European Automobile Manufacture Association,2010:6−9.
[8]
王晖,顾帼华,邱冠周. 接触角法测量高分子材料的表面能[J]. 中南大学学报:自然科学版, 2006, 37(5): 942-947.
[9]
邵何兴,王学敏,韩宇. 三维白光扫描技术在白车身内间隙检测中的应用[J]. 汽车工艺师, 2017(9): 44-45. DOI:10.3969/j.issn.1672-657X.2017.09.012
[10]
兰民国. Tekscan压力分布测量系统[J]. 测控技术, 2002, 21(4): 8-9. DOI:10.3969/j.issn.1000-8829.2002.04.003
[11]
潘慧铭,黄素娟. 表面、界面的作用与粘接机理(一)[J]. 粘接, 2003, 24(2): 40-45. DOI:10.3969/j.issn.1001-5922.2003.02.015
[12]
孙德林,余先纯. 胶粘剂与粘接技术基础[M]. 北京:化学工业出版社,2014:60−62.