（机械制造及其自动化专业论文）汽车用钢板胶接工艺及其力学性能研究.pdf

摘要 摘要 胶接技术由于具有提高驾乘的舒适性、降噪、减振、绝缘、减轻重量、降 低能耗、简化工艺、提高产品质量等优越的性能而在汽车车身生产中应用越来 越广泛，因此其工艺研究成为汽车制造领域的重点之一。在胶接工艺中，固化 工艺参数和胶接接头设计对胶接强度的影响很大，所以固化工艺的研究和接头 设计准则的研究历来都是胶接研究的重点。 本文针对汽车车身上常用的高强度钢板d p 6 0 0 、低碳钢板s a e l 0 0 8 ，和新开 发的改性环氧树脂型结构胶粘剂，通过理论分析，计算机数值分析和实验相结 合的方法，着重研究了固化工艺参数和胶接接头的设计准则。 在固化工艺参数的研究方面，通过胶粘剂的d s c 实验，得到了热流随时间 变化曲线，经过理论分析，导出了该胶粘剂的固化动力学模型，分析了固化温 度和固化时间对胶接强度的影响规律。通过胶接强度测试验证了该模型的f 确 性，从而得到合理的固化工艺参数范围。 在接头设计准则的研究过程中，首先对现有力学解析模型进行修正，建立 了适用于汽车板胶接接头的力学模型，并根据此模型研究了胶层厚度和搭接长 度对胶接强度的影响规律，且进行了实验验证，提出了接头几何参数设计原则。 建立了胶接接头的三维弹塑性有限元模型，分析了钢板厚度和钢板屈服强度等 因素对胶层应力分布的影响，并通过实验验证了有限元模型的j 下确性，进而提 出了胶接材料匹配原则。 关键词：胶接，固化动力学，力学分析，有限元 a b s t r a c t a b s t r a c t a d h e s i v eb o n d i n gt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di na u t o m o t i v eb o d yp r o d u c t i o nf o r i t ss u p e r i o rp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e r e s e a r c ho na d h e s i v eb o n d i n gp r o c e s si so n eo f t h ee m p h a s e si nm a n u f a c t u r i n go fa u t ob o d y t h e c u r i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dj o i n t d e s i g n i n gh a v eg r e a te f f e c t so nt h ea d h e s i v eb o n d e ds t r e n g t h ，s ot h e ya r et h ek e y f a c t o r si nt h es t u d yo fm i sf i e l d b a s e do nt h ec o m m o nu s e ds t e e lh i g h s t r e n g t hs t e e ld p 6 0 0a n dl o w - c a r b o ns t e e l s a e10 0 8a sw e l la san e ws t r u c t u r ea d h e s i v e ，t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，c o m p u t e r n u m e r i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n ts t u d y , t h i sp a p e rf o c u so nt h es t u d yo ft h ec u r i n g p r o c e s sp a r a m e t e r sa n dd e s i g nc r i t e f l o no fa d h e s i v ei o i n t s f o rt h es t u d yo fc u r i n gp a r a m e t e r s ，a c c o r d i n gt ot h ed s ce x p e r i m e n t s ，t h ec u w e s h o w st h eh o tf l o wc h a n g e sw i t ht h et i m ea r eo b t a i n e d t h eac u r i n gk i n e t i c sm o d e lo f t h i sk i n do fa d h e s i v eh a sb e e ne s t a b l i s h e db yt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s t h ee f f e c to f c u r i n gt e m p e r a t u r ea n dc u r i n gt i m eo nt h ea d h e s i v eb o n d e ds t r e n g t hh a sb e e n i n v e s t i g a t e d m e a n w h i l e ，t h et e s t so fa d h e s i v eb o n d e dj o i n t ss t r e n g t ha r ec a r r i e do u t t ov a l i d a t et h ep r o p o s e dm o d e l ，a n dt h er e a s o n a b l ec u r i n gp r o c e s sw i n d o wi s o b s e r v e d f o rt h es t u d yo fa d h e s i v ej o i n td e s i g n i n g ，t h ep r e v i o u sj o i n tm o d e lh a sb e e n m o d i f i e d ，a n dan e wj o i n tm o d e l ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h ea p p l i c a t i o no fa u t ob o d h a sb e e ne s t a b l i s h e d t h ee f f e c t so fb o n d l i n et h i c k n e s sa n do v e r l a pl e n g t hh a v eb e e n s t u d i e da c c o r d i n gt ot h ep r o p o s e dm o d e l t h ea d h e s i v eb o n d e dt e s th a sc a r r i e do u tt o v a l i d a t et h er u l e ，a n dt h ed e s i g n i n gc r i t e r i o nf o rt h eg e o m e t r yp a r a m e t e r so fb o n d e d i o i n t t h e nat h r e e d i m e n s i o ne l a s t i c p l a s t i cf e mm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e do nt h e b a s i so fm a t e r i a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，砀ee f f e c to fs t e e ly i e l ds t r e n g t ha n d t h i c k n e s so nt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no f o i n th a sb e e ns t u d i e d ，a n dt h ee x p e r i m e n t s s h o w sg r e a ta g r e ew i t ht h er e s u l to ff e ma n a l y s i s f i n a l l y , m a t c hc r i t e r i o no f m a t e r i a l sf o rb o n d e di o i n th a sb e e np r o p o s e d t h i ss t u d yc o m e sf r o mt h em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e t h er e s u l t so ft h i sr e s e a r c h h a v eag r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h ea p p l i c a t i o n so fa d h e s i v eb o n d i n gt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：a d h e s i v eb o n d i n g ，c u r i n gk i n e t i c s ，m e c h a n l c sa n a l y s i s ，f e m 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、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：翻 堋年。；月f 7 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：翻 号年。弓月f ? e t 第1 章绪论 第1 章绪论 对于汽车来说，采用胶接技术不但可以提高驾乘的舒适性、降噪、减振、 绝缘、减轻重量、降低能耗、简化工艺、提高产品质量，从而达到其他连接方 法所难以企及的效果。而且，随着汽车轻量化技术的发展，轻金属材料以及高 强度钢板在汽车车身制造中的应用越来越广泛，传统的点焊工艺逐渐不能满足 新材料连接技术的要求。相比之下，胶接技术的应用具有极大的潜力，目前已 成为各大汽车企业的研究重点。 1 1 胶接技术在车身上的应用概况 车身是汽车的重要组成部分。一般情况下，车身由很多合件、组件及零件( 大 多为冲压件) 构成，各零件之间通过点焊、铆接、胶接等方法连接起来。胶接技 术是一种实用性很强的技术，简便、快速、高效，可以连接各种不同种类的材 料。与焊接、铆接等连接技术相比较，胶接技术具有下面的优点u 3 ： ( 1 ) 可以有效地应用于不同种类的金属或非金属之间的连接； ( 2 ) 胶接接头属于面受力，不存在机械连接中普遍存在的应力集中问题； ( 3 ) 胶接接头由于应力分布较均匀，具有较高的疲劳性能； ( 4 ) 胶接不同金属时还可以避免因接触电位差引起的腐蚀； ( 5 ) 胶接工艺可以节省金属材料，胶接结构能有效地减轻汽车重量3 0 ； ( 6 ) 胶接件中的连接缝具有对水、空气或其它环境介质的优良密封性； ( 7 ) 胶接工艺生产效率高，操作简便，经济效果相当可观。 此外，采用胶接技术还可以提高驾乘的舒适性、降噪、减振、绝缘、减轻 重量、降低能耗、简化工艺、提高产品质量，从而达到其它连接方法所难以企 及的效果。随着汽车轻量化技术的发展，轻金属材料以及高强度钢板在汽车车 身的使用越来越多，传统的点焊工艺逐渐不能满足新材料连接技术的要求。相 比之下，胶接技术的应用具有极大的潜力，目前已成为各大汽车企业的研究重 点。 从车身整个制造过程所涉及的工作部位和功能这个角度出发，可将车身用 第1 章绪论 胶粘剂大致分为焊装工艺j = | j 胶、涂装工艺用胶、内饰件用胶等“。 由于用在汽车车身上的胶粘剂，有其自身的特殊性，一方面在性能上应达 到汽车质量和使用寿命的要求，另一南面还必须满足大批量、快节奏生产作业 工艺的需要，应有良好的施工工艺性及其唰工艺介质( 主要是各种工艺用油) 的 适应性。所以，要根据不同的功能选择合适的密封胶，首先要满足质量要求， 结构胶要满足一定的强度和剐度要求，减震胶吸能效果要好，密封胶要具有较 好的密封性等。其次，还要考虑到材料的工艺性，要便于涂胶，具有良好的渗 透性，能够适用于有油的钢板等。图1 】为各种性能的胶粘剂力学性能范围罔。 v i l e l n f l a n l e 。习2 c 要兰多 列 汁。o “x i b l 。蒜勰。，渊嗣圜_ 列。二。；i ”1 _ _ 丁1 _ 二；r _ _ r 二# 穹睡牟 ，如t “”“ 不同性能的胶粘剂力学性能范围 j 下是由于胶接结构的性能相对优于点焊结构，所以在上世纪八十年代出现 了汽车的以胶代焊技术构想，随后各公司进行了多项研究，并且利用胶焊技术 解决了车身装配过程中的定位问题，即在胶接线上加入少量的焊点以保证定位。 但在粘合剂眭期持久可靠性的问题卜遇到困难因此，结构胶接也仅间断地在 某种批量生产的汽车上使用。为推广胶接技术在车身连接叶1 的应h j ，在汽车技 术会议上，结构粘接特设委员会进行了专门研讨，胶粘剂剂生产厂家也参与了 技术交流。 从上世纪9 0 年代开始，三菱汽车公司为提高车箱的刚性，就在中心支架 和顶板采用了结构胶粘剂。1 9 9 5 年推出的新车( d e a m o n d e ) 其车身结构上就使用 墨藏 筛i 章绪论 了减震性结构用粘合剂，并采用胶焊技术降低车身的振动和噪音。h 产汽车公 司以提高车箱刚性为目的在侧板接合处和下纵梁处也使用了胶接技术，并同 时采用提高钢板的厚度和使用加强肋等方法提高侧而掩击时的安全性。 欧洲奥迪公司的a 4 型汽车于1 9 9 5 年上市，此牟前部的发动机室就使用了 结构胶牯剂，其作用之一是吸收正面冲撞时的撞击能：其次，由于车前部刚性 的提高，也增加了行驶的稳定性且减少了振动和噪音。 a k o d o9 0 m 型车在车门门根处、车门锁的安装处使用了结构胶粘剂使粘接 处的应力分散，延长了车门的使用寿命。在牟前地板处，地板与下纵梁采用胶 焊结构以提高车身的扭转刚性与耐久性。其次，结构胶粘剂的使用也使中心 支架和前支架的剐性得到改善。为了提高安全性9 4 型本r 1 车与其它公刊一样 采用了加固措施，确保了足够的刚性。 陶l2 胶粘剂在车身中部位的麻用 近年来，随着新型胶粘剂的开发，胶接接头的持久可靠性问题在很大程度 上得到了缓解，所以，结构胶粘技术在车身制造中的应用也越来越广泛。目前 胶粘剂在汽车车身中的应用部位如图1 2 所示，并且随着汽车轻量化、材料技 术的发展，胶接技术的应用范围越来越大。 1 2 胶接技术的国内外研究现状 第1 章绪论 胶接的研究目的在于揭示胶接现象的本质，探索胶接过程的规律，解答为 什么会有胶接现象的产生，为什么胶接力有大小之别，从而指导人们去开发新 的胶粘剂并将胶接技术加以推广嘲。下面将从粘接机理的研究和接头力学的分析 等方面详细介绍目前国内外的进展情况。 1 2 1 粘接机理的研究进展 胶接过程是一个复杂的物理、化学过程，材料与胶粘剂的表面、界面作用 是其中最重要的影响因素之一。胶粘剂与被粘物之间相互作用的内容包括湿润 与粘附( 吸附) 过程，配位作用与化学反应过程，互扩散作用与机械作用等等。 虽然m c b a i n 和h o p k i s 最早就提出了机械结合理论，奠定了粘接机理的研 究基石田3 。但是，这只能定性的理解胶接现象，不能定量的分析粘附力的大小。 建立在润湿理论基础上的胶接机理研究能够定量的分析粘附力的大小，所以现 代胶接理论的研究要从湿润热力学概念提出的l8 0 5 年算起，实际上现代胶接理 论的发展仅仅只有2 0 0 多年历史。平衡时最大热力学粘附功与表面能的关系式 是在1 8 6 9 年提出的，这是以表面能为基础的胶接吸附理论的根据。合成胶粘剂 的掘起和胶粘剂在飞机结构上的应用，促使本世纪4 0 年代以后提出了各种的胶 接理论：原苏联学者b b 皿ephfmh 曾在1 9 4 9 年根据胶膜从被粘物表面 剥离时的放电现象，把平行板电容器模型推广到粘接现象中，提出著名的粘附 功公式奠定了静电理论的基础口3 ；1 9 4 9 1 9 5 3 年，c c b oi oukh 兹等以高分子 的链状结构、分子的挠曲性以及高分子的“微布朗运功”能力为基础提出了扩 散理论；s k i n n e r 、s a v a g e 和r u t z l e r 等在1 9 5 3 年提出以双电层理论为依据的 电子胶接机制；6 0 年代中、后期对胶接界面间生成化学键的研究日益重视，导 致化学键理论的崛起。1 9 6 1 年j j b i k e r m a n 提出了“薄弱界面层”( w b l ) 理论； 同一时期的w c w a k e 整理出系统的胶粘剂流变学。1 9 8 8 年，p o s s a r t 在不断裂 粘合界面的前提下，测定实际电荷密度及双电层的贮能协1 。 这些粘接机理在一定情况下都有相应的实验现象支持，随着科学技术的发 展，检测手段越来越发达，e s c a 、s e m 、s t m 、a f m 、x p s 等技术在实验方面对各 种粘接机理提供了证据。直到现在，有关表面能为基则的吸附理论、电化学见 解、扩散理论的实验证明以及力学研究等都还在继续发展。 1 2 2 胶接接头力学性能的研究 4 第1 章绪论 在胶接接头力学性能研究方面，由于实验测试应力分析比较困难，所以研 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。 由于单搭接接头是金属板料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睁“引，所以，对单搭接头的研究是最多的。最初的简单力学 分析假设被粘体为刚性，而仅考虑胶粘剂受纯剪切变形的情况，后来v o l k e r s e n 提出剪滞模型，研究了胶接单搭接头中搭接区内不同部位应变的不同对应力分 布的影响1 。g o l a n d 和r e i s s n e r n 幻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 1 l m a n n 3 3 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 口4 3 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 k i n 朝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 u 刚基于各向异性分层 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 llj a m n7 1 ，h a h n n 8 伸等采用 有限元方法考察了胶接接头中的应力。h a h n 心町等和d o r n 瞳考察了胶接单搭接头 强度及其影响因素，k a k i a g e 等瞳明选择箱形截面试件，考察了胶接接头的若干原 则。s c h l i m m e r 口叫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 等口钔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。 随着计算机技术的发展，计算机数值分析的被引入。1 9 7 1 年w o o l e y 和 c a r v e r 心即最早将有限元法用于单搭接头应力分析，研究了搭接长度、胶粘剂厚 度的影响其分析结果与理论分析取得了较好的一致。1 9 7 4 年a d a m s 和p e p p i a t t 啪1 采用有限元的方法对毛边效应进行了分析，并研究了被粘体非受力端形状对应 力集中的影响。1 9 8 2 年h a r r i s 和a d a m s 乜7 3 对接头的大变形影响进行了有限元 分析，包括胶粘剂和被粘体的塑性变形。由于胶粘剂是多种高分子聚合物组成 的共混体系，因而不可避免地存在粘弹塑性，导致胶接接头随时间的推移进行 应力的再分配，即蠕变现象。对蠕变的研究离不开高分子材料粘弹性和粘塑性 的研究，z i e n k i e w i c z 瞳踟首先提出用粘塑性理论对塑性和蠕变行为进行统一解 释，将胶粘剂力学研究极大地推进了一步。以后的研究者在此基础上进行一系 列的改进，推动胶接力学分析的进步。1 9 8 4 年，a d a m s r d 和w a k e w c 2 9 在其 论文中提出对脆性胶粘剂材料，失效准则采用最大主应力，对韧性胶粘剂则应 第1 章绪论 该采用最大主应变这样的失效准则，从而推动了胶接断裂力学的发展。1 9 9 3 年 s u 口们等在梯接接头的蠕变研究中采用了粘塑性模型，发现虽然蠕变导致应力的 均布化，但伴随着应变发生急剧增大，从而得出最小载荷同样需要控制的结论。 1 9 9 0 年g r o t h 口”结合粘弹性和粘塑性，完成了胶接接头在低应力和高应力下的 全面考虑。 我国王玮、殷勇等2 3 3 1 也详细研究了胶接单搭接头强度分析的概况。石玉 璞钔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 。、k 。的解析解。晏石林等口5 1 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。张福范叼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、孙德新等日7 3 羽分析了胶层中 分布多段间隙时，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。孙德新口刚等利用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的刚度不对称 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h 们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。 有些透明材料在应力作用下会呈现出各向异性，这就是光弹效应。根据光 弹效应可以验证胶接接头中的应力分布情况。1 9 5 4 年m y l o n a s h 妇利用光弹技术 对胶层边缘不同形状的毛边情况进行了大量的研究；1 9 7 3 年a d a m s 和 p e p p i a t t h 2 、4 也采用了光弹测量( p h o t o e l a s t i c ) 技术对胶接接头中的应力分布 情况进行了验证。2 0 0 0 年王峰会、万建松h 们使用光弹性方法研究了复合材料的 界面断裂规律，观察了裂纹沿界面的扩展过程，界面的应力分布，并结合断裂 力学方法计算了复合材料界面的脱粘强度实验现象揭示了裂纹扩展与能量释放 之间的关系。2 0 0 4 年曾纪杰和熊渊博h 列研究了张开型粘弹塑性界面断裂，得出 两种材料的最小屈服极限对裂纹的扩展起主要制约作用。 近年来，科学技术的长足发展，为胶接接头力学分析提供了有力工具。材 料微观组织与性能关系，高分子材料损伤断裂，材料界面裂纹行为等方面取得 更进一步的发展，这些都有助于胶接力学性能的研究，对胶接技术的发展起到 理论推动作用。 6 第l 章绪论 1 3 课题背景和意义 鉴于结构胶接技术具有提高驾乘的舒适性、降噪、减振、绝缘、减轻重量、 降低能耗、简化工艺、提高产品质量等优越性能，故其在汽车车身上的应用越 来越广泛，其研究也吸引了各大公司的注意。 胶接工艺的研究包含了传热学、界面学、高分子物理、化学反应等多个学 科领域，因此到目前为止，虽然胶接技术的研究已经历了相当长的时间，但是 其体系仍然不完善。所以，胶接技术的理论研究具有相当广阔的空间。 结构胶接是胶接技术的一种，接头主要用于承受载荷，故其对强度要求很 高。而在胶接过程中，胶粘剂固化状况和接头设计对胶接强度影响非常大。所 以，胶粘剂固化规律的研究和接头设计准则的研究一直以来都是重点。 胶粘剂的固化过程实际上是聚合物发生化学反应的过程。在固化过程中， 温度、时间是固化工艺的两个重要参数，每一个参数的变化都对胶接性能有直 接影响。聚合物只有在一定的温度下才能发生反应，而且，温度也对化学反应 速率也有很大的影响；在一定的固化温度下，要达到完全固化需要一定的时间， 如果固化时间不足，胶层就不能完全凝固。升高温度可以缩短固化时间，从而 影响到生产效率；如果固化温度不够，固化时间再长也不能使之固化。完全固 化的胶层才能充分发挥作用，未固化的胶接接头基本上不存在承载能力。胶粘 剂的固化状况对胶接强度的影响非常大。而到目前为止，对于固化过程的研究， 主要通过大量的实验，而相关的理论研究报导很少。所以，建立能够反映胶粘 剂固化情况的模型，通过理论来研究胶接工艺以指导生产，对于胶接技术的应 用和推广具有很大的指导意义，同时，固化模型也具有很高的理论研究价值。 胶接力学性能分析是胶接结构强度预测、可靠性评估，以及胶接结构合理 设计的基础，对于工程应用、理论研究都具有重要意义。而已有的研究都是针 对飞机结构的胶接，胶层厚度相对板料厚度都可以忽略不计，但是，由于汽车 板都是薄板，胶接厚度就不能忽略了。所以，对传统模型进行修j 下以适合于汽 车结构的胶接同样具有重要的实际应用价值和理论研究意义。 本文针对的是一种新开发的改性环氧树脂型结构胶粘剂，其工艺的研究还 是空白，而且该胶粘剂的力学性能对接头强度的影响规律仍然未知。所以本课 题具有重要的理论意义和应用价值。 第1 章绪论 1 4 本文的研究内容 本文针对常用的车身钢板和新开发的改性坏氧树脂型结构胶粘剂，通过理 论分析，计算机数值分析和实验相结合的方法，主要研究了该胶粘剂的固化动 力学规律和适用于各种胶粘剂的胶接接头设计规律，其具体内容包括： ( 1 ) 改性环氧树脂型胶粘剂的固化规律研究 由于研究的对象是一种新开发的改性环氧树脂型胶粘剂，其固化规律的研 究尚不深入。本课题将通过d s c 实验和理论分析相结合的方法对胶粘剂的固化 动力学加以研究，并通过得到的固化动力学模型研究固化温度和固化时间等因 素对固化度的影响规律；然后根据固化度和强度之间的关系得到固化温度和固 化时间影响下的胶接强度变化规律；最后将以静强度作为判断标准，对实验结 果和理论分析结果进行对比，验证理论分析的正确性。 ( 2 ) 胶接接头力学性能的影响因素及其规律性研究 通过对现有的胶接接头力学模型进行修币，建立更为准确的力学模型，研 究汽车用钢板胶接接头中的应力分布情况，在此解析解的基础上研究搭接长度、 胶层厚度等因素对胶接强度的影响规律，并与实验结果加以对比，从而对接头 尺寸设计提供j 下确的指导。然而，力学解析模型在解决弹塑性问题时，过于复 杂，而有限元可以很好的解决这些问题。所以，本文将通过对材料力学性能的 测试，建立胶接接头的三维弹塑性有限元模型，并通过有限元分析相同厚度、 相同强度的钢板胶接时，接头中的应力分布情况；不同厚度、相同强度的钢板 胶接时，接头中的应力分布情况；相同厚度、不同强度的钢板胶接时，接头中 的应力分布情况；以及屈服强度对胶接接头中应力分布的影响规律。最后将通 过实验验证有限元模型的正确性，并加以修正。 8 第2 章胶接的理论基础 第2 章胶接的理论基础 胶接理论的研究目的在于揭示胶接现象的本质，探索胶接过程的规律，从 而指导人们去开发新的胶粘剂并将胶接技术加以推广。本章将简要介绍部分粘 接机理、胶接工艺和胶接接头力学分析的基础理论，为后续的理论研究奠定基 础。 2 1 粘接机理 胶接过程是一个比较复杂的物理、化学过程，是一种多学科综合的边缘学 科，其研究与粘附的形成与失效机理分不开。胶接机理就是解释为什么会产生 胶接现象，预测胶接过程中的一些影响因素，指导我们去改善胶接性能。以下 是对粘接机理的简单介绍： ( 1 ) 机械结合理论 这种理论认为胶粘剂与被粘物之间的胶接力是机械结合力。它最早是由 m c b a i n 和h o p k is 提出的。胶接表面经涂胶后，液态胶粘剂渗入被粘物表面的孔 隙内部，固化后在界面区产生啮合连接或投锚效果。这种机械结合力的大小与 被粘物表面的粗糙度有关。胶粘剂的机械咬合，是多孔基材料( 如泡沫塑料) 的 主要胶接因素。对无孔材料的胶接，机械打磨比未处理效果好的多。“6 1 ( 2 ) 扩散理论 胶粘剂分子本身或其链段通过热运动，扩散到被粘物表面内部，实质上是 界面发生了互溶，从而使胶粘剂与被粘物分子交织在一起而形成了牢固的结合 ( 如图2 1 ) 。扩散速度与温度、压力有关。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。 9 第2 章胶接的理论基础 ab a b 耱i l 咚擎炳 ( 3 ) 电荷作用理论 这种理论认为在胶粘剂一被粘物的界面存在双电层，胶接强度来源于双电 层中正负电荷之间的吸引力( 如图2 2 ) 。这种吸引力与电荷密度的平方成正比。 电荷密度很大程度上受到胶粘剂和被粘物化学性能的影响。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。 、一， ( = ) n a ( = ) ( = ) = ) ( = ) 9 9 ( = ) ( = ) n ( = ) 啪o u 啪啪u 一 、 图2 2 电荷作用机理示意图 有机材料 金属材料 ( 4 ) 吸附理论 吸附理论认为胶接是两个材料之间的分子接触而引起的。它分为两个过程， 首先，胶粘剂必须要能和被粘物表面直接接触，然后由胶粘剂分子和被粘物分 子之间产生化学的或者物理的结合力。胶粘剂在被粘物表面铺展的过程称之为 “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。 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 说明有机胶粘剂( 如环氧胶粘剂) 对金属具有良好的粘合性。 ( 5 ) 化学反应理论 1 0 第2 章胶接的理论基础 化学反应理论认为胶粘剂与被粘物接触时，其界面会产生化学反应，这种 反应有氢键结合、配位键结合、共价键结合。如环氧树脂和钢板接触时，由于 钢板表面存在着金属氧化膜，环氧树脂的环氧基和钢板氧化膜之间会形成配位 键，形成牢固的粘接。此理论可以通过x p s 分析等手段验证。 虽然上面理论目前尚无法统一起来，每种理论都有相应的实验现象来证明。 但是对我们理解胶接现象，研究胶接中的影响因素有很大帮助。 2 2 胶接工艺 胶接技术虽然操作简便，但如果运用不当，很难达到预期的胶接强度，甚 至导致失败。影响胶接性能的因素很多，为了得到好的胶接性能，必须明确胶 接过程工艺及其影响因素和影响规律，并加以控制。胶接工艺质量控制模型如 图2 3 所示4 7 。 胶接影响因素 接头设计 生嚣管ll 胶捌理机制li 一 工艺参数与 测试条件 胶接 物尺 寸 搭接 宽度 接头 形式 胶层 厚度 妻耋l l ；| | | li 橐革l i | | 墓il 毒蚕i l 。訾| i 攀0 蓁蓁ii蓁| 图2 3 胶接质量控制模型图 其中胶接工艺主要包括接头设计、表面处理、涂胶、固化和质量检测等。 下面分别对其进行说明。 2 2 1 胶接接头设计 实际中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。对于板料来说，常用的接头类型 有对接接头、斜接接头、搭接接头、剥离接头等7 j 。 第2 章胶接的理论基础 ( 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，如图2 4 a 所示。这 种接头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。 ( 劢斜接接头 斜接就是将两被粘物端部制成一定角度的斜面，涂胶后再胶接，如图2 4 b 所示。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。然而由于斜面制备比较困难，若是配合不好，胶层厚度难以保证，可能达 不到预期效果，实际上斜接接头的应用并不广泛。 互嚣强z 磁娶互翌强磁 a 对接接头b 斜接接头 图2 4 对接接头和斜接接头 ( 3 ) 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 5 。 毯迈曼塾弦 a 单搭接接头 噬銎 b 双搭接接头 图2 5 搭接接头 薹銎田 c 平接接头 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， 在汽车中被广泛使用。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， 1 2 第2 章胶接的理论基础 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。 ( 4 ) 剥离接头 剥离接头就是将折成直角的两块板，通过胶层连接成t 型的一种接头形式， 如图2 6 。这种接头形式主要是开口处承受载荷，由于受力面积非常小，所能承 受的载荷也很小，在工程中一般不使用，但经常用来测试胶粘剂抗剥离能力。 图2 6 剥离接头 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， 即拉伸力、剪切力、剥离力和不均匀扯离力，如表2 1 所示。 表2 1 胶接接头受力示意图 7 才 意x ，故可忽略。于是y x tx 的方程为：y 2 一彖x + c，z 尺 。 ，z 尺 其中，c 为常数，通过实验数据可以求得。 表3 3 实验数据处理结果 升温速率 峰顶温度乙 1 k m i n 乃 l n o r | , ) l i l k k 一1 5 4 3 8 70 0 0 2 2 7 9- 6 0 8 3 8 2i 6 0 9 4 3 8 1 04 5 1 20 0 0 2 2 1 66 1 1 1 9 12 3 0 2 5 8 5 1 54 5 8 60 0 0 2 1 8 l- 6 1 2 8 1 82 7 0 8 0 5 2 04 6 3 50 0 0 2 1 5 7- 6 1 3 8 8 12 9 9 5 7 3 2 表3 3 中为实验数据的处理结果，用y 对x 作图，并进行线性拟合。如图 3 5 所示。拟合直线的斜率为1 1 3 0 5 ，所以得n = o 9 2 0 3 。 第3 章胶粘剂i 青i 化规律研究 图3 5 1 n 对1 乙的线性拟合图 所以可得该改性环氧树脂型结构胶粘剂的固化动力学方程满足： 鲁叫l 一口) n = ae x p ( - 匆( 1 刊” 其中，a = 5 3 4 1 0 9 。 包2 8 6 4 6 k j m o l5 r = 8 3 1 j 木m o l k ； = o 。9 2 0 3 。 由于，l = o 9 2 0 3 ，在 0 ，1 区间内，近似满足线性条件，即以1 。所以有： 鲁一x p ( 一鲁) ( 1 刊 求解微分方程得： 口= 1 一e x p ( - a t e x p ( 一面- 巳6 ) ) 代入数值得： 口= 1 一e x p ( 一5 3 4 x1 0 9 t e x p ( 一面8 6 4 6 0 ) ) ( 5 ) 固化动力学方程 固化动力学方程反映的是胶粘剂固化度与固化温度、固化时间、材料性能 等参数之间的规律。在胶粘剂材料一定的条件下，固化动力学方程能够反应固 化温度和固化时间对固化度的影响规律。 通过上面的d s c 实验分析和理论推导，得到该改性环氧树脂型结构胶粘剂 第3 章胶粘剂l 州化规律研究 的固化动力学方程为： 口= 1 - 唧( - 5 3 4 x 1 0 9 t e x p ( 一两8 6 4 西6 0 ) ) 其中：口为固化度； t 为固化时间； 丁为固化温度。 3 4 固化温度和固化时间对固化度的影响规律 本章3 3 节通过d s c 实验研究和理论推导得到该改性环氧树脂型结构胶粘 剂的固化动力学方程，从此方程中可以看到，对于一定的胶粘剂，固化过程中 的温度和固化反应的时间对固化度的影响非常大。下面分别就其影响规律进行 分析。 3 4 1 固化温度对固化度的影响规律 固化温度是胶粘剂固化反应过程中需要达到的温度。固化温度决定着固化 反应在一定时间内能够完成的程度，也决定着固化过程进行的快慢，还能影响 固化物的最终性能，温度是固化工艺的最主要因素之一。每种胶粘剂都有特定 的固化温度，这个温度称为特征固化温度，低于特征固化时，固化速度将比较 缓慢，适当提高温度会加速固化过程，并能提高粘接强度。 由于胶粘剂固化过程中，放热峰的起始温度z ，峰顶温度乙和峰终温度弓分 别对应胶粘剂的凝胶化温度、特征固化温度和后处理温度。所以，可将各种不 同升温速率下固化反应放热峰的起始温度，峰顶温度和峰终温度对升温速率 进行线性拟合，得到恒温固化时胶粘剂的凝胶化温度、特征固化温度和后处理 温度，处理结果如图3 6 所示。 通过图3 6 中各直线外推到升温速率= 0 时，即恒温固化时，纵坐标轴上 的各点数值，可分别近似得到该环氧树脂型结构胶粘剂的凝胶化温度乙，= 1 2 8 5 ；特征固化温度乃。= 1 5 9 6 c ；后处理温度乙。，= 1 7 2 4 c 。即该改性环氧树 脂型结构胶粘剂的固化温度高于1 2 8 5 才能发生固化反应，这是固化工艺的重 要依据。 2 9 第3 章脞枯荆川化规律研究 510 引温述率b 图36 升温速率与温度关系图 根据化学反应速率的勒沙特列定律可知，温度对反应速度有很大影响。埘 于大多数反应来说，温度越高，参与反应的分子运动越剧烈化学反应速率越 快。虽然该改性环氧树脂型结构胶粘荆同化温度高于1 2 85 c 都能