（机械制造及其自动化专业论文）汽车用钢板铝板胶接性能研究.pdf

摘要 摘要 减轻车重的材料可分为两大类，一类是铝合金等轻质材料，另一类是高强 度钢等高强材料。铝等轻质材料的价格比钢材高，因此使用两种材料的搭配可 以达到质量和造价的优化。然而，由于钢铝的力学性能和热力学性能差异很大， 钢铝难以进行焊接；又因为钢铝电势不同，机械连接时，铝作为钢的阳极会很 快被腐蚀；因此，如何解决不同材料的连接问题和腐蚀问题，是扩大铝等轻质 材料和高强度钢等高强材料在汽车上应用的重要课题。本文采用胶接结构来解 决钢铝的连接问题。胶接结构可以连接性能差异较大的材料，可以通过胶粘剂 将电势相对的材料电绝缘性的分开，而且质量轻、强度高，疲劳性能好。研究 钢板铝板的胶接性能，对于拓展车身材料的应用范围有一定的参考价值。 本文以d p 6 0 0 高强度钢板、普通钢板和2 a 1 2 铝板以及结构胶粘剂a 为研 究对象，采用了力学解析、试验和有限元模拟相结合的方法，对钢板和铝板之 间的胶接性能进行了研究。首先，对单搭接头进行力学建模，提出工艺相关函 数，用被粘材料的屈服强度估算接头能承受的最大拉伸力。接下来，按照横梁 弯曲理论计算加载此估算力时，同种材料胶接接头和不同材料胶接接头处胶层 的正应力和剪应力分布情况，证明用材料的屈服强度估算接头能承受的最大拉 伸力的合理性。其次，用试验找出符合力学模型的胶接固化工艺条件，并用试 验验证用被粘材料的屈服强度估算接头能承受的最大拉伸力的合理性。再次， 使用a b a q u s 有限元软件分析刚度不平衡胶接接头，在胶层厚度不同的情况下， 胶层的应力分布情况，对前面的解析计算进行对比和验证。最后，对汽车用钢 板和铝板的胶接性能中需要进一步研究的工作提出了展望。 关键词：胶接单搭接头力学模型应力分布有限元法 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r ea r et w ok i n d so fm a 吲a l sw h i c hc a nl i g h t e nt h ew e i g h to fa u t o m o t i v e s o n ei sl i g h t w e i g h tm a t e r i a ll i k ea l u m i n u ma n dt h eo t h e ri sh i g hs t r e n g t hm a t e r i a ll i k e h i g hs t r e n g t hs t e e l t h ep r i c eo fl i g h t w e i g h tm a t e r i a ls u c h 勰a l u m i n u mi sh i g h e rt h a n s t e e l ，s ou s i n gt w ok i n d so fm a t e r i a l sc a no p t i m i z eq u a l i t ya n dp r i c et o g e t h e r s i n c e t h eb i gd i f f e r e n c e so fm e c h a n i c sa n dt h e r m o d y n a m i c sc a p a b i l i t yb e t w e e ns t e e la n d a l u m i n u m t h e y 伽tb ew e l d e dt o g e t h e rs t r a i g h t l y a l s or e g a r d i n gt h e i re l e c t r i c p o t e n t i a ld i f f e r e n c e s a l u m i n u mw i l lb ec o r r o d e dq u i c k l y 鹊a n o d eo fs t e e li ft h e ya r e m e c h a n i c a lc o n n e c t e d s oh o wt os o l v ec o n n e c t i o na n de r o s i o np r o b l e mo fd i f f e r e n t m a t e r i a l si sa ni m p o r t a n tt a s ka n di t sm e a n i n g f u lt os t u d yt h el i g h t w e i g h tm a t e r i a l a n dh i g hs t r e n g t hm a t e r i a la p p l i e do nt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r ys u c ha sa l u m i n u ma n d h i g hs t r e n g t hs t e e l t h i sp a p e rw i l lu s ea d h e s i v eb o n d i n gt e c h n o l o g yt os o l v et h e p r o b l e m o ft w ok i n d so fm a t e r i a l sc o n n e c t i o n i tc a nc o n n e c tm a t e r i a l sw i t hg r e a t c a p a b i l i t yd i f f e r e n c e s ，d i v i d e so p p o s i t ee l e c t r i cp o t e n t i a lm a t e r i a ls t r u c t u r a l l yt h r o u g h a d h e s i v e a n dh a sa d v a n t a g e ss u c ha sl i g h t e r , s t r o n g e ra n db e t t e rf a t i g u ep r o p e r t i e s t h e r e f o r et h er e s e a r c ho fa d h e s i v eb o n d i n gc a p a b i l i t yb e t w e e ns t e e la n da l u m i n u mi s s i g n i f i c a n tt oe n l a r g et h er a n g eo fa u t o m o t i v eb o d ym a t e r i a l s t h i sp a p e rs t u d i e st h ea d h e s i v eb o n d i n g c a p a b i l i t yo fd p 6 0 0h i g hs t r e n g t hs t e e l ， l o wc a r b o ns t e e l ，2 a 1 2a l u m m u ma n da d h e s i v ea i nt h ep a p e r , m e c h a n i c a la n a l y z i n g ， t e s ta n a l y z i n ga n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d 衅啪a n a l y z i n ga r ec a r r i e do u t f i r s t l y , t h e b i g g e s tt e n s i l el o a dw h i c ht h eb o n d e dj o i n tc a nb e a ri se s t i m a t e du s i n gt h ey i e l d s t r o n g t ho ft h ea d h e r e n dt h r o u g ha nm e c h a n i c a lm o d e le a t a b l i s h e d i nt h i sm o d e la f u n c t i o nr e l a t ew i t hc u r i n gp r o c e s sp a r a m e t e ri sa l s og i v e no u t s e c o n d l y , s h e a rs t r e s s a n dp e e ls t r e s sd i s t r i b u t i o no fb a l a n c e da n du n b a l a n c e da d h e s i v eb o n d e dj o i n t sb a s e d o nt h eb e a mm o d e la r ee u l c u l a t e dw h e np u tt h ee s t i m a t el o a da tt h ee n do ft h e a d h e r e n d s ，a n dt h er a t i o n a l i t yo fe a t i m a t i n gv a l u ei sp r o v e d t h i r d l y , t h eo p t i m u m c u r i n gp r o c e s sp a r a m e t e r ss u i t a b l ew i t ht h em e c h a n i c sm o d e la r ef o u n do u ta n d r a t i o n a l i t yo ft h ee s t i m a t e dv a l u ei sa l s ov a l i d a t e db yt e s t f i f t h l y , s t r e s sd i s t r i b u t i o n o ft h eu n b a l a n c e da d h e s i v eb o n d e dj o i n tu n d e rd i f f e r e n ta d h e s i v et h i c k n e s si s i i a b s t r a c t a n a l y s e db yu s i n ga b a q u sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n dc o n t r a s t e dw i t ha n a n l y t i e s o l u t i o nb e f o r e f i n a l l y , t h ed e e pr e s e a r c he x p e c t a t i o ni ns t e e lt oa l u m i n u mb o n d i n g c a p a b i l i t yu s e do na u t o m o b i l ei sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：a d h e s i v eb o n d i n g , s i n g l e l a pj o i n t ，m e c h a n i c sm o d e l ，s t r e s sd i s t r i b u t i o n , f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 呷旧 i l l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 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，与全铝车身相当。现在大汽车公司均加快了高强度钢在汽车车身、 底盘、悬架和转向系零件上的应用，高强度钢在汽车中的应用逐年增加，预计到 2 0 0 8 年，高强度钢在轿车用钢中所占的比例会达到6 0 9 6 “1 。 铝合会是应用较早且技术日趋成熟的轻量化材料，它在汽车上的用量呈现 第1 章绪论 持续增长的趋势。根据国际铝协统计“1 ，自1 9 9 0 年以来，铝合金在轿车上的应用 翻了一翻，在轻型车中的用量则增长了2 倍；目前每辆轿车的铝合金平均用量为 1 2 1 k g ，约占整车质量的10 9 6 。而所谓“铝密集型汽车”中的铝合金比例更高，如 福特p 2 0 0 0 轿车铝合金用量为3 3 3 k g ，达到了3 7 ；奥迪a s n 达到了创纪录的 5 4 6 k g 。预计铝将会成为仅次于钢的第二大汽车材料“1 。但是，铝与其他金属的 连接技术，是长期以来制约铝合金材料在汽车领域普遍应用的瓶颈之一。 研究多种材料在汽车上的应用的目标，既要实现轻量化，减轻汽车质量， 实现节能、降低排放的目标，又要保证符合碰撞( 正碰和侧碰) 法规，并且汽 车的总体结构基本不变，使轻量化后的汽车具有更强的竞争力。由于轻质材料 如铝、镁均比传统材料钢材价格高，发展的多材料结构轿车，连接两种不 同类型的材料( 如铸铁一铝，钢一铝，铝一镁等，铝一非金属等) ，可达到质 量和造价的优化“。如何解决异种材料的连接问题是今后扩大铝等轻质材料在 汽车上应用的重要课题。 钢板与铝板的连接，由于钢具有材质均匀、强度高、塑性韧性好的优点， 可采用焊接、铆接、栓接等方法进行连接；而铝具有质轻、易加工等特点，可 采用熔焊、电阻焊、硬焊、软焊、粘接以及铆接、栓接等方法连接。但是，钢、 铝组合焊接时，由于两者的线膨胀系数相差很大，焊接接头会产生很大的热应 力，增大了裂纹倾向；铝高温时容易氧化，形成高熔点的氧化膜( a 1 2 0 3 ) ，从而 会形成焊缝夹渣，直接影响焊缝的熔合“1 。此外，钢和铝机械连接在一起时， 由于钢板和铝板是两种电势不同的材料，铝会作为钢的阳极而很快被腐蚀掉。 胶接结构可以克服钢与铝混合连接时两者的力学性能、热力学性能的差异，有 效的连接两种材料。现在，大多数的聚合物结构胶粘剂都是非离子的电绝缘体， 所以适当有效的粘结不仅能结构性的将电势相对的钢板、铝板连接在一起，还 能将它们电绝缘性的分开”1 。因此，用胶粘技术来解决铸铁、铝焊接时易裂和 铝不能与铸铁、钢焊接等问题，在一些场合有效的代替焊接、铆接、螺纹连接 和其它机械连接显得意义重大。 胶接结构轻质高强，比强度高，还具有阻裂、减振、隔热、隔音等特殊作 用。一般来说用胶接代替铆接可使重量减轻2 5 ，强度比铆接提高3 5 ，而成 本下降约2 0 。由于胶接是面积连接，避免了应力集中，其疲劳性能可以提高 l o 倍以上，耐腐蚀性能也大幅度提高“1 。 胶接结构在车辆制造中的应用也越来越广泛。随着新型胶粘剂的研制丌发， 第1 章绪论 人们正在研究利用不断出现的新型结构胶粘剂作为连接汽车部件的主要手段， 而不仅作为焊接方法的补充。几家汽车公司已制定了使用胶粘剂的各种规范， 如规定车的哪些部分该用胶粘剂，以及某个部位该用什么样的胶粘剂等。 1 车灯胶；2 发动机罩减震胶：3 发动机变速器密封、锁紧；4 车窗粘接、密封；5 顶棚 粘接；6 隔热材料粘接；7 项盖流水槽密封；8 行李箱内衬粘接；9 内饰粘接；1 0 防震粘 接剂：1 1 车外装饰条粘接；1 2 车底防石击涂料：1 3 点焊密封胶；1 4 刹车蹄片粘接 图1 1 胶粘剂在汽车上的应用 综上所述，胶接凭借其本身的技术优势，在工业领域广泛应用的技术积累， 接头制作工艺规范的日趋完善，以及汽车用结构胶粘剂研发技术的日趋成熟， 成为连接高强度钢板、普通钢板和铝板等有效手段，扩大不同材料在车身上混 合应用的好方法。 1 2 胶接技术简介 1 2 1 胶接技术发展概况 胶接技术是通过胶粘剂与被连接件之日j 的化学反应或物理凝固等作用将材 3 第1 章绪论 料连接在一起的连接技术。胶接技术是产生最早的连接技术，现代高分子化学 的飞速发展及合成材料的大量涌现，为胶接这门古老的技术注入了新的活力。 用兽骨、大豆等制成的古老蛋白粘胶，已被各种各样的环氧树脂、聚酯树脂、 天然或合成橡胶等聚合物所代替 1 0 - - 1 2 大大扩展了胶接技术的应用范围。除了 用于结构连接外，胶接技术还可用于旧件修复、机械设备的密封等场合，也可 用来弥补某些加工工艺中存在的缺陷。胶接可用于各种类型的材料，包括金属 和陶瓷、玻璃、木材、塑料等各种非金属的连接，也可用于金属与非金属之间 的连接m “1 。 金属结构胶接技术，是现代结构制造技术中的重要内容，它是一门交叉学 科，涉及材料学，制造工艺学和结构力学等学科领域“”。金属胶接与金属焊接 不同，金属焊接的基础主要是金属材料之间的冶金过程，而金属胶接则主要是 聚合物胶粘剂与金属表面之间相互作用的过程。现代制造工艺技术、材料结构 分析技术和计算机应用技术的发展，推动了金属结构胶接技术的进步，科研工 作者的研究内容已深入至金属材料与聚合物基胶粘剂实现界面粘附的机理，并 要求针对金属胶接结构的使用性能，进行金属胶接结构的力学分析和强度设计。 目前，金属胶接已从传统的如飞行器制造业走向汽车、造船及电子工业等其他 制造工业 1 6 j 。航空、航天和汽车工业中常用的钛合金、铝合金和钢铁材料的连 接，很多采用了胶接技术。 胶接技术的发展很快，胶接施工向自动化、高速化和连续化发展；很多工 作致力于胶粘剂快速固化技术的研究；研制工艺简便、能连接表面稍带油污及 锈蚀金属材料的高强度胶粘剂是主要发展方向之一；胶粘剂形态正从有机溶剂 型向水溶剂型转变，从溶剂型向无溶剂型转变，从双组分型到单一组分型转变； 同时为了提高结构的承载能力，出现了胶接技术和其他连接技术的复合连接工 艺，如适用于汽车工业的胶一焊复合连接技术，适用于车辆装配的胶一铆、胶 一螺复合技术等。 1 2 2 胶接技术的特点 金属胶接技术与焊接、铆接以及螺纹联接相比，有如下主要特点“”： ( 1 ) 胶接可以连接各种不同种类的材料，如金属与金属，金属与非金属等。 4 第1 章绪论 ( 2 ) 零件可避免热应力和热变形的产生。粘结与表面粘涂时，一般都是在较 低的温度下进行的，因此对于薄壁零件、受热敏感的零件以及对焊接性 差的零件是非常有利的。 ( 3 ) 胶接可提高疲劳寿命。结构胶接承受载荷时应力分布比较均匀，特别是 薄板连接，如采用铆接或点焊，由于应力集中在铆钉或焊点上，容易产 生疲劳破坏。实践证明，飞机的某些结构把铆钉改为胶接后疲劳寿命可 提高3 1 0 倍。 ( 4 ) 胶接比铆接、焊接及螺纹连接可减轻质量。在飞机制造业中可减轻2 0 3 0 。 ( 5 ) 胶接工艺比较简单，可现场施工，生产效率高，加工成本低。从生产成 本和工厂现场投资的经济效益来看，因为简化了车身板件，而且无需用 加固焊接板件的支架，可省去焊接设备，从而可以减少材料成本。 ( 6 ) 胶接比焊接、铆接的强度低，特别是冲击强度和剥离强度更低。 ( 7 ) 胶接在使用温度上有一定的局限性。有机胶粘剂多数在1 5 0 以下使用， 少数可达2 5 0 以上。无机胶粘剂虽其使用温度可达6 0 0 1 0 0 0 c ，但胶 层变脆。 ( 8 ) 胶接在质量控制方面，检测手段还不够完善，特别是缺乏准确可靠的无 损检测手段。 1 2 3 胶接机理 ( 1 ) 机械理论 由m c b a i n 和h o p k i s 提出的机械结合理论是胶接领域中最早提出的胶按理 论。它认为液态胶黏剂充满被胶接物表面的缝隙或凹陷处，固化后在界面区产 生啮合连接或投锚效果( a n c h o r i n g ) 。该理论将胶接作用归因于机械黏附作用。 机械连接形式与浸润、分子间作用力无关，通常称为锚固作用或紧固作用。 当胶粘剂固化时基材机械地固定在一起，在显微镜下固体表面不是完全光滑的， 而是由无数的峰和低谷构成。为发挥粘接功效，胶粘剂必须渗透到表面凹孔中， 并将表面中夹杂的空气赶走。胶粘剂的机械皎合，是多孔基材料( 如泡沫塑料) 的主要粘接因素。对无孔材料的粘接，机械打磨比未处理效果好的多。 ( 2 ) 吸附理论 第1 章绪论 吸附理论认为胶接是两个材料之间的分子接触而引起的，并产生表面力。 形成胶粘剂和被粘物直接接触的过程称之为“润湿”对于胶粘剂而言，要润 湿固体表面，其表面张力应低于固体临界表面张力才能达到“润湿”的目的。 当胶粘剂流入基材表面的凹陷和缝隙中时，润湿效果良好，当胶粘剂在凹 陷处架桥时，润湿效果差，会造成胶粘剂与被粘物之间实际接触面积减少。造 成整体接头强度偏低。 大多数有机胶粘剂很容易润湿金属固体。但许多固体有机基材表面张力小 于常用胶粘剂。良好的润湿要求胶粘剂应具备低于基材的表面张力，这一事实 部分的说明有机胶粘剂( 如环氧胶粘剂) 对金属具有良好的粘合性，但对未处 理的聚合物基材，如聚乙烯、聚丙烯和氟碳化合物粘合力差。 ( 3 ) 静电理论 这一理论表明在胶粘剂一被粘物的界面存在双电层，由此而形成静电力， 这种力具有抗分离性。这一理论通过在基材上剥离胶粘剂时产生的放电现象可 充分说明。 ( 4 ) 扩散理论 这一理论假定结合力是通过胶粘剂和被粘物分子之间的相互扩散而产生 的。这一扩散理论主要用于胶粘剂和被粘物均为聚合物，且具有可运动的长链 分子的情况下，如热塑性塑料的溶剂性粘合或热融胶接被认为是由于分子间相 互扩散的结果。 1 2 4 胶接技术的基本工艺”1 生产中，胶接的一般工艺过程如下： 确定胶接部位表面处理涂胶粘合固化胶接质量检 验。 胶接工艺对胶接件的表面质量要求较高，因此涂胶前应采用有机溶剂和碱 液进行表面清洗，去除表面油污；然后采用打磨、喷沙等机械方法去除工件表 面锈蚀，并在表面形成一定的租糙度；随后应采用化学和电化学处理方法，使 工件表面形成一层峰实，均匀，有适宜粗糙度的活性表面层。为了提高胶按质 量，有时还对胶接表面进行偶联剂处理。 所谓涂敷就是以适当的方法和工具将胶粘剂涂饰在被粘物表面。胶粘剂的 第1 章绪论 涂敷方法有刷涂、浸涂、喷涂和刮涂等，根据胶粘剂的使用目的、胶粘剂的粘 度、被粘物的性质可选用不同的涂胶方法。涂敷操作正确与否，对粘接质量也 有很大影响。 粘合是将涂胶后或经过适当晾置的被粘表面叠合在一起的过程。对于不含 溶剂的反应型胶粘剂，涂胶后应立即粘合，以避免胶液粘度增大，浸润性差， 反而降低粘接强度，粘合后以挤出微量胶液为好，表示不缺胶；对于溶剂型胶 粘剂，涂敷以后要进行一段时间的晾晒，然后粘合。 固化即是胶粘剂通过溶剂挥发，熔体冷却、胶液凝聚等物理作用，或缩聚、 加聚、交联等化学反应，使其变为固体，并具有一定强度的过程。在固化过程 中，温度、压力、时间是固化工艺的三个重要参数，每一个参数的变化都对胶 接性能有直接影响。 1 3 胶接技术的国内外研究现状 单搭接接头是金属与金属胶接中最常用接头形式，也是胶粘剂强度试验中 最常用的接头形式嘲2 “。对单搭接接头而言，进行实验应力分析比较困难， 研究工作主要集中在两个方面，一是理论分析寻求问题的解析解，二是用有限 元法求其数值解。在胶粘剂的应力应变关系为线性或非线性时，均得到了应力 分布的解析式咄，还建立了载荷随时间变化粘弹性胶粘剂单搭接接头的应力分 布模型伽。 v o l k e r s e n 最早研究了胶接单搭接头中搭接区内不同应变的影响“1 。g o l a n d 和r e i s s n e r 衢1 对搭接胶接接头进行分析时，考虑了板在搭接区的弯曲效应。 a l l m a n 协1 的解中考虑了板的弯曲、剪切和拉伸，得到了更符合实际情况的解。 r o b o r t s ”1 对单搭胶接接头的正应力和剪切应力做了理论分析。c h a n g 和m u l d 嚣。 考察了剪切拉伸搭接接头中弹塑性载荷的传递，建立了接头的积分方程，并计 算得到了接头区的应力。y a n g 和p a n g ”基于各向异性分层板理论，提出了复 合材料胶接板中应力应变计算的二维分析模型，该模型中考虑了外加拉伸载荷 与接头中弯曲应力的耦合作用。w i l l i a m 咖，h a h n ”“”等采用有限元方法考察 了胶接接头中的应力。h a h n 1 等和d o m “1 考察了胶接单搭接头强度及其影响 因素，k a k i a g e 等“”选择箱形截面试件，考察了胶接接头的若干原则。s c h l i m m e r “1 采用断裂力学分析方法，研究了拉伸剪切胶接试件中的胶粘剂行为。g u i l d 7 第1 章绪论 等用有限元方法模拟有机材料接头胶层中的裂缝开展，与试验结果得到了很好 的吻合”。 我国王玮、殷勇等油“1 简要概述了胶接单搭接头强度分析的概况。石玉璞 等采用二维弹性理论及余能原理分析了由两种不同材料、不同厚度和不同长 度的板条，用一定厚度的胶层胶合搭接在一起，其接头部分的应力分布情况， 并给出了载荷系数k 1 、k 2 的解析解。晏石林等“n 对具有不同弹性模量、不同 厚度的两种材料之间的胶接接头进行了分析。张福范“钉采用级数的方法计算了 不用材料胶接时，接头处层间应力的分布情况。游敏、孙德新等呻“分析了胶 层中分布多段问隙时，胶层中应力分布的情况，结果表明，与连续胶层接头相 比，断续胶层胶接接头的最大剪应力值增加不多，且将搭接区域承载较低部分 的胶层去除，具有很强的理论意义。孙德新1 等利用a n s y s 有限元软件，在 考虑接头几何非线性、胶粘剂塑性等特征德基础上分析了间隙胶层连接德刚度 不对称胶接接头中，胶层内内应力的分布情况，并在此基础上对胶粘剂的最佳 用量进行了优化。常保华等1 采用三维弹塑性有限元方法分析了胶焊接头中胶 粘剂厚度、弹性模量对胶焊接头内应力分布的影响。 现有的研究多数仅限于研究相同材料、相同尺寸的板材搭接的应力分布情 况，即刚度对称搭接接头问题的分析，对于刚度不对称胶接接头中胶层应力分 布的研究，大多数限于数学解析，为了方便求解，其假设往往使结果带有局限 性“”“”。另外，在分析胶接单搭接头胶层应力分布的时候，多数学者研究胶 层应力分布时，加载的拉伸载荷比较小，小于胶层能够承受的最大拉伸载荷， 因此，对接头被粘板材胶层能承受的最大载荷给出合理的估算，研究加载接头 失效前胶层能承受的最大载荷时，胶层的应力分布情况对进一步研究胶接接头 失效由重要意义。 1 4 课题来源及研究意义 本课题来源于美国某集团公司与同济大学机械工程学院的国际合作项目。 汽车用钢板铝板胶接性能研究作为项目研究的前期工作和技术积累对于胶接技 术在车身方面的应用有重要意义。 胶接技术最早主要应用于铝合金、钛合金、硼一铝复合材料的连接。现已 用于低碳钢、不锈钢、有机涂层或会属涂层钢板( 如汽车用镀锌钢板) 和热轧钢 8 第1 章绪论 板的连接，它在异种材料的连接上应用潜力很大，有相当广阔的应用前景。汽车 用板材胶接性能的研究涉及高分子化学、物理化学、界面科学、材料科学，弹 性力学，材料力学等领域，是一个跨学科多领域交叉的课题。本文主要研究高强 度钢板和铝板胶接接头失效前，最大承载情况及接头处应力分布情况的规律性， 并与高强度钢板和高强度钢板胶接，普通钢板和普通钢板胶接，普通钢板和高 强度钢板胶接，普通钢板和铝板胶接时，胶接接头失效前胶接接头最大承载情 况及接头处应力分布情况的规律及其力学性能差异进行对比分析。这对于胶接 技术在汽车用板材连接技术方面的应用，以及其它轻质材料在车身上的应用， 减轻车身重量有着重要的意义。 1 5 本文研究的主要内容 本文研究内容主要有两部分： 第一部分为理论研究部分。建立力学模型，估算强度钢板和铝板胶接接头 在断裂失效前，接头能承受的最大拉伸力，通过力学分析，计算加载此最大拉 伸力时，胶接接头胶层中的剪应力和正应力的分布情况，并与高强度钢板和高 强度钢板胶接，普通钢板和普通钢板胶接，普通钢板和高强度钢板胶接，普通 钢板和铝板胶接时，胶接接头失效前胶接接头最大承载情况及接头处应力分布 情况的规律及其力学性能差异进行对比分析。 第二部分为实验验证和有限元验证部分。以美国通用汽车公司使用的d p 6 0 0 高强度钢板，普通钢板，2 a 1 2 系列变形铝板以及结构粘接剂a 为研究对象，对 胶接接头的力学性能进行实验验证。对胶接试件进行拉伸试验，得出胶接接头 能承受的最大拉伸力，对估算的胶接接头能承受的最大拉伸力进行验证。通过 改变试件的胶层厚度，固化温度等工艺参数，研究胶接工艺对胶接接头能承受 的最大拉伸力的影响，并通过观察断面组织等手段，对估算的接头能承受的最 大拉伸力进行修正，找出高强度钢板和铝板胶接性能的规律性。最后应用 a b a q u s 有限元软件对胶接接头建模，进一步验证理论估算胶接接头失效前胶 层受力的正确性和不同材料胶接性能的规律性。 9 第2 章胶接接头受力分析基础 第2 章胶接接头受力分析基础 胶接接头由被粘物和夹在被粘物之问的胶粘剂所构成，是结构部件上的不连 续部分，起着传递载荷的作用。胶接接头的强度取决于胶粘剂的内聚强度、被 粘物本身的强度和胶粘剂与被粘物界面的结合强度。而实测强度主要由三者之 中最薄弱的环节所支配，并受到接头形式、几何尺寸和加工质量的影响。 2 1 胶接接头基础 2 1 1 胶接接头的基本类型 实际上应用的胶接接头的结构形式是多种多样、变化多端的，但总的来说， 都是几种基本类型的单独或相互组合的结果。常用的接头类型有对接接头、斜 接接头、搭接接头、套接接头等。 ( 1 ) 对接接头 对接就是将两个被粘面涂胶后对合在一起，成为一体，见图2 1 ( a ) 。这种 接头类型对于破损件的修复很有用，因为它能基本上保持原来的形状。热塑性 塑料制品的溶剂或热熔胶粘，就可以采用这种对接形式，但不适用于金属和热 固性塑料制品，因为对接承受的是不均匀撕离力的作用，容易产生弯曲和应力 集中，对横向载荷很敏感。同时，胶粘面积小，承载能力低，其结果是不牢易 坏。 ( 2 ) 斜接接头 斜接就是将两被粘物端部制成一定角度的斜面，涂胶后再粘结，实际上就 是小于9 0 。的对接，见图2 1 ( b ) 。不过一般的斜接角不大于4 5 。，斜接长度 不小于被粘物厚度的5 倍。应该说斜接接头承受的是剪切力，分布比较均匀， 粘结面积增大，承载能力提高，不但纵向承载能力高，而且横向承载能力也很 高，并且可以保持原来的形状，因此，是比较好的一种接头形式。然而实际上 斜接接头的应用并不广泛，其原因是斜面制备比较困难，若是配合不好，胶层 厚度难以保证，可能达不到预期效果。 1 0 第2 章胶接接头受力分析基础 ( 3 ) 套接接头 套接就是将被粘物的一端插入另一被粘物的孔内的接头形式，见图2 1 ( c ) 。 套接接头的特点是受力情况好，胶粘面积大，承载能力高，适用于圆管与圆管 或圆棒与圆管的胶接。 墨工薹e z 勉 ( a ) 对接接头 要x 要茧z z 乙 ( b ) 斜揍接头 图2 1 对接接头 要勖 ( c ) 套接接头 ( 4 ) 搭接接头 搭接就是平板被粘物涂胶后叠合在另一平板被粘物端部一定长度上，使之 成为一体的接头形式。搭接接头有单搭接、平接、双搭接等形式，见图2 2 。搭 接接头因其制作工艺简单，适用于板与板的胶接以及薄板的加强，因此，被广 泛使用。胶接接头的载荷传递是不均匀的。就搭接接头而言，一方面由于金属 被粘物与合成胶粘剂的弹性模量相差悬殊，在载荷作用下，应变程度有很大的 差异，造成接头中的应力分布不均匀；另一方面，由于加载偏心，引起被粘物 的弯曲和搭接部位的转动，使胶层上除有平行于外力的剪切应力外，还有弯矩 引起的垂直于胶层的正应力剥离应力。 双搭接接头两面都有搭接盖板，形状是对称的，偏心度等于零。从传力角 度来说，是一种理想的胶接接头。单搭接接头存在偏心度，然而由于受载时接 头处的挠曲变形，有效偏心度减小，使弯曲力矩缓和，从而减小了弯曲应力， 只要正确设计，可以采用。平接接头是不利的，尤其是在材料厚度加大时，弯 曲应力在接头总应力中所占的比重增大，就越加不利。 匹匿玉 ( a ) 单搭接接头 骆茎型蔓铲 ( b ) 双搭接街头 图2 2 搭接接头 忑受型澄 ( c ) 平接接头 2 1 2 胶接接头的受力情况 胶接接头在使用当中，受力是相当复杂的，受到机械力、热和环境因素综 合力的作用，其中最主要的是机械力。机械力基本可归纳为四种主要的类型， 第2 章胶接接头受力分析基础 即剪切力、拉伸力、剥离力和不均匀扯离力，如图2 3 所示。 伊嚼直 拉伸剪切剥离扯离 图2 3 胶接接头受力的基本类型 2 1 3 胶接接头的破坏类型 根据胶接接头破坏的位置，可把其破坏分为以下基本类型： ( 1 ) 内聚破坏 内聚破坏分为胶粘剂的内聚破坏和被粘物的内聚破坏，见图2 4 。前者是胶 粘剂胶层发生破坏，后者是被粘物发生破坏。胶粘剂和被粘物的内聚破坏，主 要取决于两者材料自身的强度。当然还与材料内部的缺陷、构成接头后体系内 部的胶层厚度、被粘物的表面处理状况以及组分问的相互作用等有关。 a ) 蔹粘荆 ( b ) 被嚣物 图2 4 胶粘剂的内聚破坏和被粘物的内聚破坏 ( 2 ) 界面破坏和混合破坏 界面破坏是指胶层与被粘物在界面处整个脱开而形成的破坏。混合破坏也 叫交替破坏，包括一部分内聚破坏和一部分界面破坏，即破坏通过胶粘剂在两 界面处交替进行，见图2 5 。界面破坏的原因是被粘材料的可粘性差造成的。研 究表明，除了无法胶接的材料有完全的界面破坏之外，一般不存在真正的界面 破坏，宏观上看到的界面破坏，在显微镜下都会观察到胶粘剂的残迹。胶接时 应该尽量设法避免界面破坏。 1 2 第2 章胶接接头受力分析基础 目= 目 2 2 单搭接接头胶层应力解析法基础 胶接接头的受力分析，可以分为接头的弹性变形阶段和裂纹的生长及接头失 效两个阶段，如图2 6 所示。 产生裂纹的拉伸载荷 弹性变形阶段裂纹生长和失效阶段 1 维杆、1 维梁和1 维板模型 j r 断裂机理：g 或j 积分方法 拉伸载荷 图2 6 两个研究阶段的框架图 第一阶段，研究胶接接头处弯曲变形相对较小时，胶层中的应力分布情况。 第二阶段，通过拉伸实验来研究胶接接头的断裂破坏，利用断裂准则研究裂纹 产生和生长的特性问题。两个研究阶段重合的地方很少，因为它们关注的是胶 接接头不同特性的弹性变形问题。但是，两个研究领域可以统一在板端拉伸载 荷增加的过程中，通过分析接头处胶层应力应变的分布情况，确定拉伸载荷的 某一数值作为裂纹开始的临界失效载荷。 2 2 1 刚度平衡单搭接头应力分析的解析法 刚度平衡单搭接接头的解析分析方法可以归纳为三大类。第一类是l 维杆 模型，如1 9 3 8 年v o l k e r s o n 第一次提出的剪滞模型；但是，这个模型仅仅分析 了胶层中产生的剪切应力。第二类是1 维梁模型，该模型1 9 4 4 年第一次由g o l a n d 1 3 第2 章胶接接头受力分析基础 - - r e i s s n c r ”提出，h a g - - s m i t h ( 1 9 7 3 ) “”，o p l i n g e r ( 1 9 9 1 、1 9 9 4 ) m 1 进行 了深入研究。利用该模型，胶层受到的剪切应力和正应力都能够被确定。第三 类模型，首先使用1 维粱模型确定搭接接头端部的载荷情况，这与第二类模型 的第一步分析相似。然后运用2 维板的弹性力学理论，结合变分原理和余能原 理分析接头胶层中的应力分布情况。该理论1 9 8 3 年首次被c h c n 和c h a n g 6 2 提 出。该理论最大的贡献是，长度方向的正应力和剪切应力能够被确定。 ( 1 ) 1 维杆模型理论 v o l k e r s o n 假设胶层只有剪切变形，被粘物只有拉伸变形，如图2 7 所示， 然后建立了接头处的线弹性差分方程。 钞司 - j t c ， 图2 7 ( a ) i 维杆模型( b ) 被粘物的拉伸应力( c ) 胶层的剪切应力l v o l k c r s o n 给出的胶层的剪切应力吒如下： 巳i ( t o c o s h ( t o x ) ) ( 2 s i n h ( w 2 ) ) + ( 妒一1 ) 甜s i n h ( n 涝) “ 一1 ) 2 c o s h 2 ) ) ( 2 1 ) 其中：靠- f ( 2 w c ) ，胶层中的平均剪切戍力； 形，2 c = 搭接宽度和搭接长度； t v t 2 = 被枯物的厚度； 卵= 胶层厚度； 妒一t 1 f 2 ，妒( 4 g o c 2 ) ( e t i 叩) ； 2t ( 1 + 妒砌；x x “2 c ) ； g 。= 胶层的剪切模鼙；e = 破粘物的弹性模罐。 1 4 第2 章胶接接头受力分析基础 如果被粘物的厚度相等，t l - t ：- t ，妒一1 并且一( 却) 2 ，胶层的最大拉伸 力出现在接头搭接部分的端部： 眈) 。- 仞2 ) “2 c o t h ( o ，2 ) ”2 ( 2 2 ) 搭接长度较大的时候，最大剪切应力眈) 。的绝对值和( g 口( 2 e t r l ) ) 1 位成比 例，与搭接长度2 c 无关。 在v o l k e r s o n 假设的基础上，a d a m 和p e p p i a t t ( 1 9 7 3 ) 给出了被粘物所受拉 伸力口l 和胶层中的平面剪切应力f 。的近似解： 吼- 去卜。一e o s h ( o 茗) ) 一业掣) ( 2 s ， 鍪( 。( 1 - , 0 - e o s h ( e a c ) ) ) c o s h ( m ) 一s i n h ( 饿) 1 ( 2 4 ) 。 昕1 s i n h ( 2 a c ) 7 j 式中：x 是搭接接头处从右侧搭接边缘为0 点的搭接距离， 2 c 是搭接长度： 矽，t l ，叩，f 2 ：分别是被粘物的宽度，上被粘物的厚度，胶层厚度和下被粘物的厚度； e ，e ，丘：分别是上被粘物的弹性模量，胶粘剂的弹性模量和下被粘物的弹性模量； g | ，g ，g ，：分别是上被粘物的剪切模量，胶粘剂的剪切模量和下被粘物的剪切模量； a - ( 疋) ”2 ；妒一( e 2 f ：) ( + e 2 t 2 ) ； k 4 - q g i g 。g 2 ( e a + e 2 ) e ：t e 2 t 2 哆p 1 + g , g t 2 七2 g i g z _ i ) 。 ( 2 ) 1 维梁和1 维板模型理论 1 维杆模型有两个重要的因素没有考虑：一是施加于接头边缘的弯矩；二是 接头纵截面内由于加载偏心引起的几何非线性。1 维梁模型构造图如2 8 所示。 f 觚墙 啪e 虱， 蚝机 图2 8 单搭接头的构造( a ) 接头的儿何参数和材料参数( b ) 接头部分受力情况 第2 章胶接接头受力分析基础 从图2 8 可以看出，搭接接头端部的弯矩m 。和其系数k 可以近似表示为： g o m r ( 争 ( 2 5 ) 式中：t 为被粘物单位宽度上的拉伸力，t 为被粘物的厚度。 g o l a n d - - r e i s s n e r 的研究对单搭接接头应力分析的最显著的贡献是：他发展 了薄板的柱状弯曲理论。由于拉伸载荷加载偏心引起的被粘物板弯曲变形在胶 层产生了显著的正应力，尤其在接头端部，该正应力作用效果能够把粘结好的 被粘物撕开，见图2 9 。他们的研究中考虑了两种极限情况：( 1 ) 胶层很薄，并 且是刚性的以至于它的挠度可以完全忽略；( 2 ) 接头的挠度主要是由胶层引起 的，被粘物纵向( z 向) 的挠度可以忽略不计。计算剪切力和正应力的分布时， 可以把胶粘剂层简化成类似于弹簧的弹性单元体。 图2 9 单搭接接头胶层的正应力吒和剪切应力l 图 胶层的正应力和剪切应力由下式给出： 予( 耙牙等+ a k c o s h a c o s a 沁n a 詈碱詈+ 去假虿k + r k s