[发明专利]用于控制异种材料胶接固化变形的装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种汽车制造技术领域的方法及其装置，具体是一种用于控制异种材料胶接固化变形的方法及其装置。

背景技术

油价高涨的压力以及环保要求对车身轻量化提出了新的要求。轻质合金如镁、铝合金以及复合材料等以其低密度、高比强度逐渐在车身中大量使用。而先进高强度钢、超高强度钢以其优良的力学性能和相对低廉的价格优势仍然会在车身结构件中占很大比重。因此异种材料的连接将是今后车身制造必须面对的问题。由于异种材料间物理属性差异极大，传统的电阻点焊以及熔化焊接方法不能实现异种材料的可靠连接。铆接会增加构件的重量而且成本很高。胶粘连接具有良好的疲劳特性以及柔韧性，可以与铆接等连接方式复合使用以实现同种或异种材料的连接，目前已经广泛应用于全铝以及全钢车身的制造中。然而异种材料间热膨胀系数差异巨大，胶粘剂需要加热到较高温度进行固化。在高温固化过程中，两侧板料由于热膨胀系数差异大使得热膨胀量并不相同，从而产生较大变形。而胶粘剂的固化会将产生的大变形锁住，使得固化结束温度降到室温后变形仍然会保持。胶接大变形不仅会影响车身的装配尺寸精度，而且也会影响连接的强度。

现有的胶粘剂固化是在车身的烤漆阶段进行的。在这一阶段，车身被整体放置在180摄氏度的环境中保持30分钟(随胶粘剂不同，固化参数也有差异)。在这种环境下，被连接的两板在胶粘剂固化过程中被同时加热，这样由于两板间热膨胀量差异导致的胶粘剂固化变形无法消除。目前胶粘剂的供应商和汽车制造商都在努力寻找解决方案。

美国的Master Bond公司在不降低胶粘剂连接强度的前提下将环氧树脂基的胶粘剂固化温度降低到了室温，但是胶粘剂的固化时间增加到了3天，导致车身制造周期大大加长，实际生产中无法应用。Dow公司开发了双组份的聚丙烯基的胶粘剂，虽然降低了固化温度，同时固化时间也控制在30分钟之内，但是相对于现阶段使用的环氧树脂基结构胶粘剂的强度下降了50％。而车身制造商的解决方法主要是增加约束，在烤漆固化过程中通过刚性约束来抑制变形的产生。这样不仅成本高，而且不能从根本上解决两板热膨胀量不同的问题。

总结以上各方面可以得出，异种材料胶粘固化变形的主要问题集中在整体高温固化不可避免：采用低温固化胶粘剂，胶粘连接强度降低，满足车身连接的强度要求需要增加胶粘剂的使用面积，成本高；外加刚性约束能降低变形，但是不能消除变形，而且会在零件内部形成较大的内应力。因此，异种材料胶接大变形问题已经成为影响多材料轻量化车身研发的巨大障碍，亟需解决。

发明内容

本发明针对现有整体等温固化技术存在的上述不足，提供一种用于控制异种材料胶接固化变形的装置与方法，针对被粘接材料的热膨胀系数差异，利用胶粘剂自身的隔热特性，通过设计具有加热和冷却功能的模具，对热膨胀系数较低零件进行快速加热到较高温度并且保温，同时对热膨胀系数较高零件进行温度较低的加热或者进行冷却。通过控制两板中的温度差异，使得胶粘剂两侧的材料在整个胶粘剂固化过程中保持相同的热膨胀量，实现胶层从高温侧向低温侧的定向固化，从而达到控制和消除胶粘变形的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种用于控制异种材料胶接固化变形的方法，通过与零件形状匹配的加热和冷却模具，对胶粘剂两侧待固化零件的金属固化温度的独立控制，根据待固化零件及胶粘剂的材料属性确定两侧模具的温度控制策略，然后将模具及待固化零件装夹并对两侧模具中的温度变化进行动态控制以实现胶层的非对称固化。

所述的待固化零件包括：低膨胀率零件和高膨胀率零件，其中：胶粘剂两侧的低膨胀率零件和高膨胀率零件分别采用不同种类的有色金属、钢或复合材料，低膨胀率零件的热膨胀系数小于等于高膨胀率零件的热膨胀系数。

所述的温度控制策略是指：胶粘剂两侧的模具分别加热至不同的温度，通过温度差保证胶粘剂两侧的零件膨胀量保持一致，其中：低膨胀率零件侧模具的加热温度等于胶粘剂的固化温度，而高热膨胀率零件侧模具的加热温度为其中：T_低为低热膨胀率零件的加热温度，等于胶粘剂的固化温度，β_低和β_高分别为低热膨胀率零件以及高热膨胀率零件的热膨胀率，T_室温为室温温度，范围为15-25℃。

所述的高膨胀率零件的加热固化时间与低膨胀率零件的加热固化时间相同，为30-50分钟，以保证胶层全部固化。

所述的胶粘剂为市售的密封胶、内饰胶或结构胶，其固化温度为80-220℃。