热空气老化对橡胶地板布焊接接头性能的影响

李刚卿，沈鹤飞，韩晓辉，徐智宝，赵 民，姜代旬，郑自芹，梁景恒

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；2.中国兵器工业第五二研究所烟台分所有限责任公司，山东 烟台 264003）

焊接（粘接）作为轨道车辆结构件不可或缺的连接方式，具有操作简便、成本低、无应力等工程特点，近年来广泛应用于轨道车辆的车窗和地板布等重要结构的连接[1-4]。随着轨道车辆速度等级的提高，运行区间的扩大，车辆服役环境日趋恶劣，尤其是当车辆在热带地区运行时可能面临极酷环境。大量研究[5-8]表明，高温条件下高分子材料的拉伸强度会明显下降。作为高速轨道车辆的车窗和地板等焊接结构件[9-11]，其在高温与应力共同作用下的安全服役性能值得研究，然而目前关于高速轨道车辆中橡胶地板布焊接结构高温老化性能研究还鲜有报道。

本工作以两种轨道车辆地板布用橡胶材料为研究对象，前期以拉伸强度为评定依据进行不同焊接参数的正交试验，确定两组（Ⅰ和Ⅱ组）焊接参数（分别对应Ⅰ和Ⅱ组橡胶地板布接头），现研究热空气老化对Ⅰ和Ⅱ组橡胶地板布焊接接头性能和形貌的影响以及进行焊接接头焊缝的差示扫描量热（DSC）和拉曼光谱分析，以期为高温环境下橡胶地板布焊接接头性能预测提供参考，且对于橡胶材料的焊接工程化应用和安全可靠性具有重要意义。

1 实验

1.1 焊接参数

Ⅰ和Ⅱ组橡胶地板布分别采用匹配的橡胶焊条进行焊接，主要焊接参数如表1所示。

表1 橡胶地板布的主要焊接参数Tab.1 Main welding parameters of rubber floor coverings

1.2 主要设备和仪器

DHS-DGN-500型老化试验箱，无锡德华仕环境科技有限公司产品；SZ61型体式显微镜，日本奥林巴斯株式会社产品；HS-A型邵氏硬度计，烟台华银试验仪器有限公司产品；CMT4304型拉伸试验机，美特斯工业系统（中国）有限公司产品；S360型扫描电子显微镜（SEM），天津瑞利光电科技有限公司产品；DSC404F3型DSC仪，耐驰（上海）机械仪器有限公司产品；DXR型激光显微拉曼光谱仪，美国赛默飞世尔科技公司产品。

1.3 测试分析

（1）热空气老化：将橡胶地板布焊接接头试样悬挂于热空气老化试验箱中进行70 ℃×14 d的热空气老化。

（2）将橡胶地板布焊接接头抛磨后用体式显微镜观察宏观形貌。

（3）邵尔A型硬度：按照GB/T 531.1—2008测试橡胶地板布焊接接头焊缝及母材的邵尔A型硬度。

（4）拉伸强度：按照GB/T 528—2009测试橡胶地板布焊接接头的拉伸强度。

（5）拉伸断面形貌：采用离子溅射法对橡胶地板布焊接接头拉伸断面进行喷金处理，用SEM观察拉伸断面形貌。

（6）DSC分析：采用DSC仪对橡胶地板布焊接接头焊缝进行分析，试验条件：温度 25～110 ℃，升温速率 10 ℃·min-1。

（7）拉曼光谱测试：采用拉曼光谱仪对橡胶地板布焊接接头焊缝进行扫描，扫描波数范围：100～3 500 cm-1。

2 结果与讨论

2.1 焊接接头的宏观形貌

橡胶地板布焊接接头的断面形貌如图1所示。

图1 橡胶地板布焊接接头的断面形貌Fig.1 Section morphologies of welded joints of rubber floor coverings

由图1（a）和（c）可知，老化前两组焊接接头的焊形良好，焊缝熔合佳，未见明显缺陷。由图1（b）和（d）可知：老化后两组焊接接头母材均未发生明显变化；Ⅰ组焊接接头焊区发生明显变形，存在熔融现象；Ⅱ组焊接接头焊区轻微变色，形状未发生明显变化，但橡胶焊条压边翘起。

2.2 焊接接头的硬度和拉伸强度

橡胶地板布焊接接头的老化程度（A）计算公式如下：

式中，σ1是老化前焊接接头的拉伸强度，σ2是老化后焊接接头的拉伸强度。

橡胶地板布焊接接头的硬度和拉伸强度见表2。

表2 橡胶地板布焊接接头的硬度和拉伸强度Tab.2 Hardnesses and tensile strengths of weld joints of rubber floor coverings

由表2可见：老化前后Ⅰ和Ⅱ组焊接接头母材的硬度不变，Ⅰ组焊接接头焊缝老化后的邵尔A型硬度减小21%，Ⅱ组焊接接头焊缝老化后的邵尔A型硬度减小6%；老化后Ⅰ组焊接接头的拉伸试样在自身重力作用下从焊缝位置熔断，Ⅱ组焊接接头的拉伸强度减小12%。

2.3 焊接接头的拉伸断面形貌

橡胶地板布焊接接头的拉伸断面形貌如图2所示。

由图2可见，Ⅰ和Ⅱ组焊接接头的断面形貌存在较大差异。由于老化前Ⅰ组焊接接头拉伸断裂于焊缝位置，故拉伸断面呈现波纹状扩展，存在较大类似波浪形的撕裂痕[图2（a）]，这与焊接接头具有较好延展性有关；老化后焊接接头拉伸断面为光滑断面，不存在撕裂特征[图2（b）]，这与老化后焊接接头不能拉伸延展而直接熔断有关。老化前后Ⅱ组焊接接头均拉伸断裂于熔合线位置，拉伸断面形貌均表现出两阶段扩展特征，即断面扩展初期产生与拉伸方向垂直的大撕裂棱，每个撕裂棱中又有与拉伸同向的层状撕裂特征[图2（c）和（d）上部分区域]，断面裂纹扩展后期大撕裂棱消失[图2（c）和（d）下部分区域]，表现出与拉伸同向的层状撕裂特征[图2（e）和（f）]，说明此阶段裂纹扩展速率加快，表现为裂纹失稳扩展；老化后撕裂棱更加致密，裂纹深度增大，断面更加粗糙[图2（f）]，这可能与橡胶中填料或者其他小料迁出有关。裴涛等[12]对硅氟橡胶高温老化性能的研究也得到类似结果。

图2 橡胶地板布焊接接头的拉伸断面形貌Fig.2 Tensile section morphologies of welded joints of rubber floor coverings

2.4 焊接接头焊缝的DSC分析

在老化试验中，Ⅰ组橡胶地板布焊接接头的拉伸试样在焊缝处发生熔断，Ⅱ组橡胶地板布焊接接头母材的形貌及邵尔A型硬度均未发生明显变化。为此，下面对橡胶地板布焊接接头焊缝进行DSC分析。

橡胶材料从低温到高温将经历玻璃态、高弹态、粘流态3个阶段[13]，通常在室温下为高弹态。由Ⅰ组橡胶地板布焊接接头老化后的邵尔A型硬度减小、拉伸试样在重力作用下自然熔断以及其宏观形貌可知，Ⅰ组焊接接头焊缝在70 ℃条件下表现粘流态特征。为了验证Ⅰ组焊接接头焊缝的温度特性对其进行了DSC分析[14]，结果如图3所示（DDSC曲线为DSC曲线的微熵曲线）。

从图3可以看出：Ⅰ组焊接接头焊缝在65.6℃时热流率发生转变，在67.2 ℃时存在明显吸热峰，说明此时焊缝发生粘流态转变；Ⅱ组焊接接头焊缝和Ⅰ组焊接接头母材对应的DSC曲线以及DDSC曲线相似，在25～110 ℃加热过程中均未见明显吸热峰，这进一步表明Ⅰ组橡胶地板布焊接接头焊缝的粘流态转变温度较低，在较高温度下应尽量避免使用Ⅰ组焊接接头。

图3 橡胶地板布焊接接头焊缝和母材的DSC和DDSC曲线Fig.3 DSC and DDSC curves of welded joint welds and base materials of rubber floor coverings

2.5 焊接接头焊缝的拉曼光谱分析

随着温度升高，高分子材料中分子链活动加剧，一旦高分子从环境温度中获得足够的能量，其化学键会发生断裂，进而影响高分子材料的力学性能，造成高分子材料老化[15-17]。为了分析热空气老化后橡胶地板布焊接接头力学性能变化的微观原因，对橡胶地板布焊接接头焊缝进行拉曼光谱测试，结果如图4所示。

从图4可以看出，老化后Ⅰ组焊接接头焊缝在1 056 cm-1处的特征峰（归属于C—O键伸缩振动峰）和1 118 cm-1处的特征峰（归属于C=C键伸缩振动峰）强度明显减小[图4（a）]，这是由于在热空气老化过程中，橡胶分子链中的自由基与氧发生交联反应，以及C=C键发生裂解等所致[7]，其是橡胶地板布焊接接头力学性能变化的主要原因。老化前后Ⅱ组焊接接头焊缝的谱带峰未见明显变化[图4（b）]，表明其橡胶分子链的化学交联键未发生断裂。

图4 橡胶地板布焊接接头焊缝的拉曼光谱Fig.4 Raman spectra of welded joint welds of rubber floor coverings

3 结论

（1）热空气老化后，Ⅰ组橡胶地板布焊接接头的拉伸试样从焊缝处熔断，焊缝的邵尔A型硬度减小21%；Ⅱ组橡胶地板布焊接接头拉伸强度减小12%，焊缝的邵尔A型硬度减小5%。

（2）DSC分析可得，Ⅰ组橡胶地板布焊接接头焊缝在65.6 ℃时热流率发生转变，在67.2 ℃时存在明显吸热峰，表明焊缝发生粘流态转变；Ⅱ组橡胶地板布焊接接头焊缝和Ⅰ组橡胶地板布焊接接头母材在25～110 ℃中均未见明显吸热峰。

（3）拉曼光谱分析可得，热空气老化后Ⅰ组橡胶地板布焊接接头焊缝在1 056和1 118 cm-1处的特征峰强度明显减小，这是热空气老化过程中橡胶分子链发生交联和裂解反应导致的，其是橡胶地板布焊接接头力学性能变化的主要原因。