李剛卿，沈鶴飛，韓曉輝，徐智寶，趙 民，姜代旬，鄭自芹，梁景恒

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.中國兵器工業(yè)第五二研究所煙臺分所有限責(zé)任公司，山東 煙臺 264003）

焊接（粘接）作為軌道車輛結(jié)構(gòu)件不可或缺的連接方式，具有操作簡便、成本低、無應(yīng)力等工程特點(diǎn)，近年來廣泛應(yīng)用于軌道車輛的車窗和地板布等重要結(jié)構(gòu)的連接[1-4]。隨著軌道車輛速度等級的提高，運(yùn)行區(qū)間的擴(kuò)大，車輛服役環(huán)境日趨惡劣，尤其是當(dāng)車輛在熱帶地區(qū)運(yùn)行時(shí)可能面臨極酷環(huán)境。大量研究[5-8]表明，高溫條件下高分子材料的拉伸強(qiáng)度會明顯下降。作為高速軌道車輛的車窗和地板等焊接結(jié)構(gòu)件[9-11]，其在高溫與應(yīng)力共同作用下的安全服役性能值得研究，然而目前關(guān)于高速軌道車輛中橡膠地板布焊接結(jié)構(gòu)高溫老化性能研究還鮮有報(bào)道。

本工作以兩種軌道車輛地板布用橡膠材料為研究對象，前期以拉伸強(qiáng)度為評定依據(jù)進(jìn)行不同焊接參數(shù)的正交試驗(yàn)，確定兩組（Ⅰ和Ⅱ組）焊接參數(shù)（分別對應(yīng)Ⅰ和Ⅱ組橡膠地板布接頭），現(xiàn)研究熱空氣老化對Ⅰ和Ⅱ組橡膠地板布焊接接頭性能和形貌的影響以及進(jìn)行焊接接頭焊縫的差示掃描量熱（DSC）和拉曼光譜分析，以期為高溫環(huán)境下橡膠地板布焊接接頭性能預(yù)測提供參考，且對于橡膠材料的焊接工程化應(yīng)用和安全可靠性具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 焊接參數(shù)

Ⅰ和Ⅱ組橡膠地板布分別采用匹配的橡膠焊條進(jìn)行焊接，主要焊接參數(shù)如表1所示。

表1 橡膠地板布的主要焊接參數(shù)Tab.1 Main welding parameters of rubber floor coverings

1.2 主要設(shè)備和儀器

DHS-DGN-500型老化試驗(yàn)箱，無錫德華仕環(huán)境科技有限公司產(chǎn)品；SZ61型體式顯微鏡，日本奧林巴斯株式會社產(chǎn)品；HS-A型邵氏硬度計(jì)，煙臺華銀試驗(yàn)儀器有限公司產(chǎn)品；CMT4304型拉伸試驗(yàn)機(jī)，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司產(chǎn)品；S360型掃描電子顯微鏡（SEM），天津瑞利光電科技有限公司產(chǎn)品；DSC404F3型DSC儀，耐馳（上海）機(jī)械儀器有限公司產(chǎn)品；DXR型激光顯微拉曼光譜儀，美國賽默飛世爾科技公司產(chǎn)品。

1.3 測試分析

（1）熱空氣老化：將橡膠地板布焊接接頭試樣懸掛于熱空氣老化試驗(yàn)箱中進(jìn)行70 ℃×14 d的熱空氣老化。

（2）將橡膠地板布焊接接頭拋磨后用體式顯微鏡觀察宏觀形貌。

（3）邵爾A型硬度：按照GB/T 531.1—2008測試橡膠地板布焊接接頭焊縫及母材的邵爾A型硬度。

（4）拉伸強(qiáng)度：按照GB/T 528—2009測試橡膠地板布焊接接頭的拉伸強(qiáng)度。

（5）拉伸斷面形貌：采用離子濺射法對橡膠地板布焊接接頭拉伸斷面進(jìn)行噴金處理，用SEM觀察拉伸斷面形貌。

（6）DSC分析：采用DSC儀對橡膠地板布焊接接頭焊縫進(jìn)行分析，試驗(yàn)條件：溫度 25～110 ℃，升溫速率 10 ℃·min-1。

（7）拉曼光譜測試：采用拉曼光譜儀對橡膠地板布焊接接頭焊縫進(jìn)行掃描，掃描波數(shù)范圍：100～3 500 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接接頭的宏觀形貌

橡膠地板布焊接接頭的斷面形貌如圖1所示。

圖1 橡膠地板布焊接接頭的斷面形貌Fig.1 Section morphologies of welded joints of rubber floor coverings

由圖1（a）和（c）可知，老化前兩組焊接接頭的焊形良好，焊縫熔合佳，未見明顯缺陷。由圖1（b）和（d）可知：老化后兩組焊接接頭母材均未發(fā)生明顯變化；Ⅰ組焊接接頭焊區(qū)發(fā)生明顯變形，存在熔融現(xiàn)象；Ⅱ組焊接接頭焊區(qū)輕微變色，形狀未發(fā)生明顯變化，但橡膠焊條壓邊翹起。

2.2 焊接接頭的硬度和拉伸強(qiáng)度

橡膠地板布焊接接頭的老化程度（A）計(jì)算公式如下：

式中，σ1是老化前焊接接頭的拉伸強(qiáng)度，σ2是老化后焊接接頭的拉伸強(qiáng)度。

橡膠地板布焊接接頭的硬度和拉伸強(qiáng)度見表2。

表2 橡膠地板布焊接接頭的硬度和拉伸強(qiáng)度Tab.2 Hardnesses and tensile strengths of weld joints of rubber floor coverings

由表2可見：老化前后Ⅰ和Ⅱ組焊接接頭母材的硬度不變，Ⅰ組焊接接頭焊縫老化后的邵爾A型硬度減小21%，Ⅱ組焊接接頭焊縫老化后的邵爾A型硬度減小6%；老化后Ⅰ組焊接接頭的拉伸試樣在自身重力作用下從焊縫位置熔斷，Ⅱ組焊接接頭的拉伸強(qiáng)度減小12%。

2.3 焊接接頭的拉伸斷面形貌

橡膠地板布焊接接頭的拉伸斷面形貌如圖2所示。

由圖2可見，Ⅰ和Ⅱ組焊接接頭的斷面形貌存在較大差異。由于老化前Ⅰ組焊接接頭拉伸斷裂于焊縫位置，故拉伸斷面呈現(xiàn)波紋狀擴(kuò)展，存在較大類似波浪形的撕裂痕[圖2（a）]，這與焊接接頭具有較好延展性有關(guān)；老化后焊接接頭拉伸斷面為光滑斷面，不存在撕裂特征[圖2（b）]，這與老化后焊接接頭不能拉伸延展而直接熔斷有關(guān)。老化前后Ⅱ組焊接接頭均拉伸斷裂于熔合線位置，拉伸斷面形貌均表現(xiàn)出兩階段擴(kuò)展特征，即斷面擴(kuò)展初期產(chǎn)生與拉伸方向垂直的大撕裂棱，每個(gè)撕裂棱中又有與拉伸同向的層狀撕裂特征[圖2（c）和（d）上部分區(qū)域]，斷面裂紋擴(kuò)展后期大撕裂棱消失[圖2（c）和（d）下部分區(qū)域]，表現(xiàn)出與拉伸同向的層狀撕裂特征[圖2（e）和（f）]，說明此階段裂紋擴(kuò)展速率加快，表現(xiàn)為裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展；老化后撕裂棱更加致密，裂紋深度增大，斷面更加粗糙[圖2（f）]，這可能與橡膠中填料或者其他小料遷出有關(guān)。裴濤等[12]對硅氟橡膠高溫老化性能的研究也得到類似結(jié)果。

圖2 橡膠地板布焊接接頭的拉伸斷面形貌Fig.2 Tensile section morphologies of welded joints of rubber floor coverings

2.4 焊接接頭焊縫的DSC分析

在老化試驗(yàn)中，Ⅰ組橡膠地板布焊接接頭的拉伸試樣在焊縫處發(fā)生熔斷，Ⅱ組橡膠地板布焊接接頭母材的形貌及邵爾A型硬度均未發(fā)生明顯變化。為此，下面對橡膠地板布焊接接頭焊縫進(jìn)行DSC分析。

橡膠材料從低溫到高溫將經(jīng)歷玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)3個(gè)階段[13]，通常在室溫下為高彈態(tài)。由Ⅰ組橡膠地板布焊接接頭老化后的邵爾A型硬度減小、拉伸試樣在重力作用下自然熔斷以及其宏觀形貌可知，Ⅰ組焊接接頭焊縫在70 ℃條件下表現(xiàn)粘流態(tài)特征。為了驗(yàn)證Ⅰ組焊接接頭焊縫的溫度特性對其進(jìn)行了DSC分析[14]，結(jié)果如圖3所示（DDSC曲線為DSC曲線的微熵曲線）。

從圖3可以看出：Ⅰ組焊接接頭焊縫在65.6℃時(shí)熱流率發(fā)生轉(zhuǎn)變，在67.2 ℃時(shí)存在明顯吸熱峰，說明此時(shí)焊縫發(fā)生粘流態(tài)轉(zhuǎn)變；Ⅱ組焊接接頭焊縫和Ⅰ組焊接接頭母材對應(yīng)的DSC曲線以及DDSC曲線相似，在25～110 ℃加熱過程中均未見明顯吸熱峰，這進(jìn)一步表明Ⅰ組橡膠地板布焊接接頭焊縫的粘流態(tài)轉(zhuǎn)變溫度較低，在較高溫度下應(yīng)盡量避免使用Ⅰ組焊接接頭。

圖3 橡膠地板布焊接接頭焊縫和母材的DSC和DDSC曲線Fig.3 DSC and DDSC curves of welded joint welds and base materials of rubber floor coverings

2.5 焊接接頭焊縫的拉曼光譜分析

隨著溫度升高，高分子材料中分子鏈活動加劇，一旦高分子從環(huán)境溫度中獲得足夠的能量，其化學(xué)鍵會發(fā)生斷裂，進(jìn)而影響高分子材料的力學(xué)性能，造成高分子材料老化[15-17]。為了分析熱空氣老化后橡膠地板布焊接接頭力學(xué)性能變化的微觀原因，對橡膠地板布焊接接頭焊縫進(jìn)行拉曼光譜測試，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，老化后Ⅰ組焊接接頭焊縫在1 056 cm-1處的特征峰（歸屬于C—O鍵伸縮振動峰）和1 118 cm-1處的特征峰（歸屬于C=C鍵伸縮振動峰）強(qiáng)度明顯減小[圖4（a）]，這是由于在熱空氣老化過程中，橡膠分子鏈中的自由基與氧發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，以及C=C鍵發(fā)生裂解等所致[7]，其是橡膠地板布焊接接頭力學(xué)性能變化的主要原因。老化前后Ⅱ組焊接接頭焊縫的譜帶峰未見明顯變化[圖4（b）]，表明其橡膠分子鏈的化學(xué)交聯(lián)鍵未發(fā)生斷裂。

圖4 橡膠地板布焊接接頭焊縫的拉曼光譜Fig.4 Raman spectra of welded joint welds of rubber floor coverings

3 結(jié)論

（1）熱空氣老化后，Ⅰ組橡膠地板布焊接接頭的拉伸試樣從焊縫處熔斷，焊縫的邵爾A型硬度減小21%；Ⅱ組橡膠地板布焊接接頭拉伸強(qiáng)度減小12%，焊縫的邵爾A型硬度減小5%。

（2）DSC分析可得，Ⅰ組橡膠地板布焊接接頭焊縫在65.6 ℃時(shí)熱流率發(fā)生轉(zhuǎn)變，在67.2 ℃時(shí)存在明顯吸熱峰，表明焊縫發(fā)生粘流態(tài)轉(zhuǎn)變；Ⅱ組橡膠地板布焊接接頭焊縫和Ⅰ組橡膠地板布焊接接頭母材在25～110 ℃中均未見明顯吸熱峰。

（3）拉曼光譜分析可得，熱空氣老化后Ⅰ組橡膠地板布焊接接頭焊縫在1 056和1 118 cm-1處的特征峰強(qiáng)度明顯減小，這是熱空氣老化過程中橡膠分子鏈發(fā)生交聯(lián)和裂解反應(yīng)導(dǎo)致的，其是橡膠地板布焊接接頭力學(xué)性能變化的主要原因。