結構膠結構參數對接頭強度的影響

黃紅端 史付磊 韋春萍 張波

【摘 要】結構膠的應用過程中，通常需要確定最佳的搭接參數，如搭接寬度、膠層厚度等，但對于不同的材料，最適合的搭接寬度是不同的。文章通過試驗手段探究了接頭結構參數對膠接接頭強度的影響，確定了合理的接頭結構參數設計范圍，為膠接接頭在車身結構的應用提供指導。

【關鍵詞】試驗;結構膠;接頭強度;應力分布

【中圖分類號】TG407 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）05-0142-02

0 引言

膠接技術由于其無需破壞母材且可連接異種材料的優點，以及膠接工藝具有優良的綜合性能，因此在非金屬車身上逐漸被廣泛采用。采用膠接工藝進行連接的結構，其應力分布均勻，疲勞耐久性好，具有良好的密封性，因此在車輛的制造過程中，很多部件都采用膠接方式進行連接以減小應力集中或提升局部結構剛度[1]。

在膠接接頭性能方面，國外的學者也做了許多研究，無論是連接金屬材料或是復合材料，膠粘劑需要一個合適的黏結表面，不同的表面處理對膠接接頭性能的影響是不可忽略的。Lucas. F. M. 等人[2-4]研究了不同的表面處理方式、幾何參數及材料對單搭接接頭剪切性能的影響，總結了不同表面處理條件、搭接邊寬度和膠層厚度對接頭剪切強度的影響。Naito K.等人對膠層厚度影響接頭強度的具體規律進行了進一步的探究發現，隨著膠層厚度的增大，接頭的剪切強度逐漸降低[5]。國內方面，研究者們針對膠接接頭的幾何參數和膠接接頭的結構對接頭強度的影響進行了大量的研究[6-8]。劉昌發[9]對膠層尺寸對鋁鋰合金單搭接膠接接頭剪切強度的影響進行了研究，確定了這種膠接接頭的最佳膠層厚度和搭接邊寬度。

不同結構參數對接頭力學影響的規律不一樣，合理的結構設計參數對提高接頭強度、延長其使用壽命有重要意義。因此，本文利用試驗與仿真分析手段探究結構參數對接頭力學性能的影響規律，以及接頭的內應力分布規律，為結構膠在車身結構應用提供指導。

1 搭接邊寬度對接頭強度的影響

1.1 搭接邊寬度試驗材料

試驗母材材料牌號為HC420LA（簡稱420）、5182鋁合金（簡稱5182）、CFRP。3種板件的厚度分別為1.8 mm、1.5 mm和2.5 mm。膠粘劑選擇回天7130結構膠，膠層厚度固定為0.2 mm，膠接接頭的搭接種類包括HC420LA-HC420LA、AA5182-AA5182、AA5182-CFRP、CFRP-

CFRP4種。接頭的搭接邊寬度選擇10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm 5個參數。

1.2 搭接邊寬度試驗方法及結果分析

進行拉伸剪切實驗時選取2 mm/min的加載速率進行準靜態加載。實驗結束后記錄每個樣件的接頭最大剪切載荷，分析搭接邊寬度對接頭最大剪切載荷的影響。

當使用金屬材料作為母材時，不同的搭接邊寬度的最大接頭載荷分布如圖1所示。由圖1可以看出，搭接邊寬度對膠接接頭的最大剪切載荷影響如下：隨著搭接邊寬度的增大，接頭失效時峰值載荷會明顯增加，但是當搭接寬度達到一定值以后，載荷上升速度隨搭接邊寬度的提升逐漸變慢。這是由于當搭接邊寬度較小時，接頭失效載荷低于母材屈服強度，此時接頭失效過程中母材處于彈性階段，增加搭接邊寬度將明顯增加接頭失效載荷;當搭接邊寬度較大時，接頭失效載荷超過母材屈服強度，接頭失效過程中母材屈服引發接頭塑性變形，而膠接頭抗塑性變形能力較差，因此接頭失效載荷不會明顯增加。

圖1中，不同搭接邊寬度接頭的最大剪切載荷分布如下：（a）為不同搭接邊寬度的420-420接頭最大剪切載荷分布情況;（b）為不同搭接邊寬度的5182-5182接頭最大剪切載荷分布情況;（c）為不同搭接邊寬度的5182-CFRP接頭最大剪切載荷分布情況;（d）為不同搭接邊寬度的CFRP-CFRP接頭最大剪切載荷分布情況。

2 膠層厚度對接頭強度的影響

以5182鋁合金為母材，對不同搭接長度下膠層厚度對接頭強度的影響進行了試驗與分析，鋁合金板件的尺寸如下：長度為100 mm、寬度為25 mm、厚度為1.8 mm，搭接區域長度為10 mm，膠層厚度選取了0.2 mm、0.3 mm、0.5 mm、1.0 mm 4個值。不同膠層厚度的單搭接膠接接頭的準靜態剪切條件下的最大剪切力如圖2所示。

由圖2可以看出，在不同搭接長度下，膠層厚度對單搭接膠接接頭的剪切強度的影響呈現相似的趨勢。膠層厚度的增加并沒有提高接頭剪切強度。在不同的搭接邊寬度下，隨著膠層厚度的增加，接頭的剪切強度都呈現出了大致的先升高、后降低的趨勢。當膠層厚度在0.2～0.3 mm這一區間時，膠接接頭剪切強度最大，當膠層厚度超過0.3 mm時，接頭的剪切強度隨著膠層厚度的增加而降低。

3 結論

膠接接頭強度隨著搭接邊寬度的增加而增加，同時接頭強度增加的幅度逐漸變緩;在不同搭接長度下，膠層厚度對單搭接膠接接頭的剪切強度的影響呈現相似的趨勢，膠層厚度的增加并沒有提高接頭剪切強度。

本課題由國家自然科學基金（51505139）支持。作者感謝上汽通用五菱汽車股份有限公司和湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室。

參 考 文 獻

[1]王滿，楊松柏.動車組用膠粘劑及性能要求[C].北京國際粘接技術研討會，2010（8）：130-133.

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[3]Park J H，Choi J H，Kweon J H.Evaluating the st-rengths of thick aluminum-to-aluminum joints with different adhesive lengths and thicknesses[J].Co-mposite Structures，2010，92（9）：2226-2235.

[4]廖麗娟，黃晨光.Numerical analysis of effects of adhesive type and geometry on mixed-mode failure of adhesive joint[J].International Journal of Adhesion & Adhesives，2016：1-8.

[5]Naito K，Onta M，Kogo Y.The effect of adhesive thickness on tensile and shear strength of polyimide adhesive[J].International Journal of Adhesion andAdhesives，2012（36）：77-85.

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[8]盧志國，楊紇，林建平.膠層尺寸對單搭膠接接頭性能的影響研究[J].中國膠粘劑，2009，18（5）：1-3.

[9]劉昌發，黃明輝，孫振起.膠層尺寸對鋁鋰合金單搭接膠接接頭剪切強度的影響[J].機械工程材料，2012，36（3）：85-88.

[責任編輯：陳澤琦]