溫度對鋼/鋁粘接接頭失效強度影響的研究?

那景新，浦磊鑫，秦國鋒，陳立軍

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022； 2.廣西師范大學職業(yè)技術師范學院，桂林 541004；3.吉林大學，大數據與網絡管理中心，長春 130022)

前言

輕量化材料的使用是緩解能源危機和環(huán)境污染、實現車身結構輕量化的重要途徑之一[1-2]。為了減輕客車車身質量，目前有客車使用鋁合金面板三明治夾芯蒙皮結構來實現輕量化目標，而該結構的應用必然會引發(fā)鋁合金與客車鋼骨架之間的連接問題。粘接技術作為一種新型的連接技術，在實現新材料的連接[3]，尤其是異種材料的連接上存在較大的優(yōu)勢[4]，此外，粘接結構還具有應力分布均勻、粘接強度高和質量輕等優(yōu)點[5]。

車輛在運行過程中，大部分的粘接組件會受到溫度、濕度和鹽霧等多種環(huán)境因素的影響。其中，濕度、鹽霧等環(huán)境因素的影響可通過密封和涂裝工藝的改進進行避免或減輕。而粘接劑作為一種高分子化合物，其力學性能受環(huán)境溫度的影響較大[6-7]，特別是當溫度接近材料的玻璃轉化溫度時，影響更為明顯[8-9]。因此，本文中重點研究溫度變化對粘接結構性能的影響。

目前，國內外許多學者就溫度變化對粘接接頭強度的影響展開了相關的研究。大連理工大學胡平、韓嘯等采用脆性和韌性兩種結構膠粘劑，利用仿真與試驗的對比分析，研究了非平衡接頭在極端溫度環(huán)境下剪切強度的變化[10]。ZHANG F等人總結了加速老化試驗作用后的鋼鋁單搭接接頭剩余強度變化規(guī)律，發(fā)現接頭老化行為受到粘接劑與基材結合界面強度和環(huán)境溫度加載路徑的影響[11]。BANEA M D等人研究了不同溫度(室溫，100，125和150℃)對XN1244粘接劑性能的影響，研究結果發(fā)現，在一定的加載速率下，接頭強度幾乎隨溫度呈線性下降[12]。BANEA M D和SILVA L F M D研究了環(huán)境溫度對AV138和SIKA-552兩種粘接劑力學性能的影響，研究結果顯示，隨著溫度的升高，SIKA-552的剪切強度急劇下降且失效模式也發(fā)生了改變[13]。

現有的試驗研究和仿真分析大都是針對同種材料粘接的研究，而對于鋼/鋁異種材料粘接的研究相對較少。此外，研究對象往往只考慮了純拉和純剪這兩種簡單應力狀態(tài)下的接頭，而車輛結構在實際使用的過程中，往往是處在復雜應力狀態(tài)下，會同時受到拉應力和剪應力的作用。

因此，本文中選取了3種處于不同應力狀態(tài)下的厚基底剪切接頭、對接接頭和45°嵌接接頭，根據車輛服役溫度特點，從安全的角度出發(fā)，選取-40，-10，25，50和80℃ 5個溫度點，進行測試，研究溫度變化對不同應力狀態(tài)下粘接結構力學性能的影響。首先，通過對試驗數據進行統(tǒng)計處理，分析了粘接接頭剛度、失效位移隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律。接著分析溫度對接頭失效強度的影響規(guī)律。然后，分析溫度對粘接接頭失效形式的影響。最后，對接頭正、剪應力值進行擬合，建立不同溫度下的應力失效準則，為復雜應力狀態(tài)下車輛上粘接結構的失效預測提供參考依據。

1 試驗過程

1.1 材料選擇與試件設計

本文中所選取的粘接劑為Plexus MA832，該粘接劑是一種專門為金屬結構粘接設計的雙組份甲基丙烯酸脂類膠粘劑，其工作溫度為-40～82℃。粘接試件的基體材料為車體結構中經常使用的6005A型鋁合金和304不銹鋼。主要材料參數如表1所示。

表1 主要材料參數

為使粘接接頭受溫度影響的規(guī)律得到更合理的分析，采用 DSC Q2000 V24.11 Build 124設備對Plexus MA832粘接劑的玻璃轉化溫度Tg進行了測試。該測試在氮氣中進行，溫度變化為5℃/min。由于粘接劑的玻璃化轉變是一個過程，故取起止溫度的平均值作為玻璃化轉變溫度的參考，測試結果如圖1所示，可知Plexus MA832的玻璃轉換溫度Tg約為82.6℃。

圖1 Plexus MA832玻璃轉換溫度

為了研究不同應力狀態(tài)下，鋼/鋁粘接接頭的力學性能，本文中選取鋁合金厚基底剪切試件、45°嵌接試件和對接試件，分別代表純剪應力狀態(tài)、拉、剪組合應力狀態(tài)和純拉應力狀態(tài)。其中，厚基底剪切接頭和對接接頭雖然在實際的膠層內部同時存在拉應力和剪應力，但在工程應用中可假設為純剪應力和純拉應力[14]。考慮到不銹鋼加工成大尺寸試件較為困難，本文中將不銹鋼設計成1mm厚的片狀基材，并將其粘接在鋁合金試件上，形成完整的鋼/鋁粘接接頭，對接和45°嵌接鋼/鋁粘接接頭如圖2所示，其中粘接膠層厚度為0.2mm。此外，為提高接頭的利用率和粘接夾具的統(tǒng)一性，對接接頭不僅可用于純拉應力的測試，如圖3(a)所示，還可通過輔助裝置進行純剪應力的測試，如圖3(b)所示。

圖2 接頭幾何尺寸(單位：mm)

圖3 測試原理圖

1.2 試件粘接

粘接試件的制備需要在無塵、穩(wěn)定的環(huán)境(溫度為25±3℃，濕度為50%±5%)下進行。涂膠之前，首先使用80目砂紙打磨鋁合金和不銹鋼試件的粘接表面，然后使用丙酮擦拭粘接表面，去除粘接表面的油脂和灰塵。待試件干燥后通過所設計的專用夾具完成粘接，并對粘接接頭進行為期4周的固化。粘接夾具如圖4所示。

圖4 粘接夾具

1.3 試驗方案

為研究溫度變化對Plexus MA832粘接劑性能的影響，本文中根據車輛服役溫度特點，從安全的角度出發(fā)，選取-40和80℃作為溫度研究極限，而室溫(25℃)作為Plexus MA832粘接劑的操作溫度具有研究的必要性。此外，為了更準確地研究溫度變化對Plexus MA832粘接劑性能的影響，本文中在25～-40℃之間選取一個溫度點(-10℃)，同樣在25～80℃之間選取另一個溫度點(50℃)，共5個溫度點進行試驗，每組試驗重復5次。將粘接接頭按照不同的溫度要求放置在高低溫濕熱環(huán)境箱2h后取出，濕熱環(huán)境箱如圖5所示。之后將其安裝在WDW3100微機控制電子萬能試驗機上，粘接接頭的兩端通過萬向節(jié)與拉伸試驗機相連，以保證測試過程中施加的力通過試件軸線，消除非軸向的作用力。拉伸試驗機以5mm/min的恒定速度拉伸試件直至破壞。

圖5 濕熱環(huán)境箱

2 結果與討論

2.1 載荷位移曲線

鋼/鋁粘接接頭在不同溫度下的載荷位移曲線如圖6所示。將載荷-位移曲線轉換成應力-應變曲線，曲線的斜率則代表粘接接頭的剛度。

圖6 鋼/鋁粘接接頭在不同溫度下的載荷位移曲線

由圖6可見，隨著溫度的升高，不同應力狀態(tài)下粘接接頭的剛度、失效載荷和失效位移均呈現出下降的趨勢。低溫(-40℃)狀態(tài)下，粘接接頭的強度和剛度出現了明顯的上升。此外，低溫(-40℃)時，載荷位移曲線在達到最大載荷后，出現一個快速下降的過程，這表明發(fā)生了脆性失效。在高溫(80℃)時，曲線在達到最大載荷后，并沒有快速下降，而是有一段緩沖之后再快速下降，這是因為高溫(80℃)接近粘接劑的玻璃轉換溫度，粘接劑由玻璃態(tài)向高彈態(tài)轉變所致。

2.2 溫度變化對失效強度的影響

2.2.1 失效強度

為研究溫度變化對粘接接頭失效強度的影響，將拉伸試驗所得到的粘接接頭的失效強度數據進行統(tǒng)計處理。其中失效強度由失效載荷除以粘接面積獲得，而平均失效強度則取5組有效測試試件的平均值，得到厚基底剪切接頭、45°嵌接接頭和對接接頭在不同溫度下，平均失效強度的變化趨勢，如圖7所示。

圖7 溫度變化對不同應力狀態(tài)接頭粘接強度的影響

由圖7可知，隨著溫度的上升，不同應力狀態(tài)下鋼/鋁粘接接頭的失效強度均呈現出下降的趨勢。雖然3種類型接頭的平均失效強度隨溫度變化的整體趨勢相同，但在測試溫度范圍內，厚基底剪切接頭強度的下降幅度明顯要高于對接接頭和45°嵌接接頭。溫度從常溫(25℃)升至高溫(80℃)時，厚基底剪切接頭的粘接失效強度下降了55.9%，45°嵌接接頭下降了53.1%，而對接接頭下降了41.3%。說明粘接接頭強度的變化不僅受到溫度的影響，接頭中剪應力和正應力的不同占比也會對粘接接頭強度的變化存在著一定的影響。

此外，為獲得溫度變化對鋼/鋁粘接結構失效形式的影響，試驗完成之后，對厚基底剪切接頭、45°嵌接接頭和對接接頭失效后的斷面進行了分析。研究發(fā)現，溫度變化并沒有改變Plexus MA832鋼/鋁粘接接頭的失效形式，不同應力狀態(tài)下，粘接接頭的失效形式均表現為內聚失效。以常溫(25℃)為例，不同應力狀態(tài)接頭的失效形式如圖8所示。

圖8 失效形式(常溫25℃)

2.2.2 擬合曲線

為更好地研究溫度變化對粘接接頭失效強度的影響規(guī)律，對任意溫度下的失效強度進行預測，本文中根據接頭平均失效強度的變化趨勢，分別選用三次多項式函數和指數函數對接頭的失效強度進行擬合，并得到相應的擬合曲線公式，同時計算出每條擬合曲線的擬合優(yōu)度值(R2)，以此對兩種擬合曲線精度進行了比較，擬合曲線和方程如圖9所示。為了使擬合曲線更加真實地反映接頭粘接強度的變化趨勢，擬合數據采用所有的試驗強度測試數據，而并非只采用接頭平均失效強度值。由圖9可知，對于不同應力狀態(tài)的接頭，三次多項式函數的擬合優(yōu)度值(R2)均高于指數函數，因此，選用三次多項式函數作為鋼/鋁粘接接頭隨溫度變化的表達式。

圖9 對接接頭、45°嵌接接頭和厚基底剪切接頭隨溫度變化擬合曲線

2.3 失效準則

2.3.1 失效準則的建立

為建立與工程實際應用更加符合的粘接結構失效準則，對不同應力狀態(tài)下接頭的正應力值和剪應力值進行了擬合，建立了不同溫度下的鋼/鋁接頭的初始失效準則，其中接頭膠層正應力和剪應力分別為

式中：F為接頭失效載荷；A為粘接面積；α為接頭粘接角度。

應力準則為

式中：N和S分別為模式1和模式2的失效強度(分別對應本文中對接接頭和厚基底剪切接頭的失效強度)；q為兩種模式之間相互關系的參數。

當q=2時，式(3)變?yōu)樽顬槌Ｓ玫亩螒κ蕜t：

厚基底剪切接頭、45°嵌接接頭和對接接頭對應的粘接角度分別為 0°，45°和 90°，根據式(1)和式(2)即可計算出模式1(正應力)和模式2(剪應力)的失效強度。雖然只需厚基底剪切接頭的剪切強度和對接接頭的拉伸強度即可建立二次應力準則，但45°嵌接接頭的拉剪組合應力能夠提高其擬合精度。以剪應力為橫坐標，正應力為縱坐標，根據厚基底剪切接頭、45°嵌接接頭和對接接頭的正、剪應力的變化規(guī)律，采用最為常用的二次應力準則對不同溫度下的正、剪應力數據進行曲線擬合，不同溫度下的失效準則曲線、擬合公式和擬合優(yōu)度(R2)如圖10所示。當膠層的正、剪應力值落在預測曲線的外側時，意味著發(fā)生失效，而在曲線內側則表示安全。

由圖10可以發(fā)現，在不同溫度下，二次應力準則的擬合優(yōu)度均在0.975以上，擬合精度較高，適合作為Plexus MA832粘接劑在不同溫度下的失效準則。

2.3.2 溫度變化對失效準則的影響

圖10 不同溫度作用下，粘接接頭失效準則擬合曲線、擬合公式和擬合優(yōu)度(R2)

為獲得任意溫度作用下的粘接接頭的失效準則，本文中進一步研究了二次應力準則隨溫度變化的特點。根據以上的分析發(fā)現，不同溫度下，二次應力準則的擬合精度均較高，因此假設任意溫度作用后的應力準則也符合二次應力準則，如式(4)所示。其中，二次應力準則方程的形狀由N(對接接頭的正應力)和S(厚基底剪切接頭的剪應力)決定。根據2.3.1節(jié)所建立的不同溫度下的二次應力準則，利用MATLAB軟件進行擬合，獲得對接接頭和厚基底剪切接頭的擬合方程，分別如式(5)和式(6)所示。σ=17.693-0.0589T-7×10-5T2-6×10-6T3(5)τ=24.15-0.1023T-0.0004T2-9×10-6T3(6)將式(5)和式(6)帶入式(4)，獲得二次應力準則與任意溫度之間的關系方程：

為更直觀地反映二次應力準則在車輛任意服役溫度下的變化規(guī)律，利用MATLAB軟件繪制了相應的三維曲面，如圖11所示。

圖11 任意溫度作用下的二次應力準則

3 結論

(1)Plexus MA832鋼/鋁粘接接頭的失效強度不僅受溫度的影響，同時還與接頭的應力狀態(tài)密切相關，其中，厚基底剪切接頭的失效強度下降最為明顯，相比于室溫(25℃)，高溫(80℃)時下降約為55.9%，其次為45°嵌接接頭，下降幅度為53.1%，而對接接頭的下降幅度最低，為41.3%。此外，溫度的變化并未引起接頭失效形式的改變，所有接頭的失效形式均表現為內聚破壞。

(2)在車輛服役溫度范圍內，分別采用三次多項式函數和指數函數對粘接接頭隨溫度變化的下降規(guī)律進行擬合，結果表明，不論對于哪種應力狀態(tài)接頭，采用三次多項式擬合的精度都較高。

(3)通過計算接頭膠層的正、剪應力值，進行曲線擬合，發(fā)現Plexus MA832粘接劑在不同溫度下的失效準則均符合橢圓方程(二次應力準則)，并在此基礎上建立了二次應力準則隨溫度變化的三維曲面，利用曲面更加直觀地反映接頭失效強度在車輛任意服役溫度下的變化趨勢，為后續(xù)粘接技術在車輛結構上的應用提供了參考依據和技術指導。

本文中主要研究的是不同應力狀態(tài)下的鋼/鋁粘接接頭受溫度的影響規(guī)律，由于靜強度不能代表全部意義上的強度，故為更好地分析溫度對粘接接頭失效強度的影響，今后將在本文研究的基礎上，對接頭疲勞強度受溫度的影響規(guī)律做進一步的研究。