膠焊連接力學(xué)性能的影響因素研究

閆雪燕，楊文葉，李振興，劉敬，李文中

吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江寧波 315336

0 引言

電阻點(diǎn)焊因其易操作、有益于自動(dòng)化、效率高和成本低廉等特點(diǎn)，在當(dāng)今車身連接工藝中得到普遍應(yīng)用。但是電阻點(diǎn)焊本身存在一些缺陷，例如連接接頭容易出現(xiàn)腐蝕問題，易出現(xiàn)應(yīng)力集中而導(dǎo)致疲勞耐久性差[1]，在點(diǎn)焊接頭中添加結(jié)構(gòu)膠可有效隔絕腐蝕介質(zhì)，使點(diǎn)焊的腐蝕問題得到妥善解決。結(jié)構(gòu)膠連接的應(yīng)力分布均勻，因此可有效改善點(diǎn)焊的應(yīng)力集中問題，顯著提升接頭的疲勞強(qiáng)度[2]。結(jié)構(gòu)膠連接在改善點(diǎn)焊接頭性能的同時(shí)，其本身可以顯著提升車身的剛度、碰撞等性能[3-4]。但是結(jié)構(gòu)膠也有其天然的缺陷，剝離強(qiáng)度差、環(huán)境耐久性[5]及脆性等問題，膠層一旦出現(xiàn)裂紋，接頭會(huì)迅速破壞，對(duì)于尺寸公差較差的位置，易出現(xiàn)膠寬不足，而焊點(diǎn)可以有效彌補(bǔ)黏接接頭的這些固有缺陷。綜上可以看出，將點(diǎn)焊和膠接相結(jié)合的膠焊連接，在發(fā)揮點(diǎn)焊和膠接各自優(yōu)勢的同時(shí)，也彌補(bǔ)了彼此缺陷，因此對(duì)膠焊的研究有著重大的意義。

本文研究了膠層和母材強(qiáng)度對(duì)膠焊連接的影響，并對(duì)接頭性能的影響因素進(jìn)行了分析，對(duì)膠接接頭的應(yīng)用有一定指導(dǎo)的意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

膠焊母材選用鋼板DP600和DC04，其厚度分別為1.4 mm和1.2 mm，結(jié)構(gòu)膠選用環(huán)氧樹脂基結(jié)構(gòu)膠，母材的搭接面積均為50 mm×20 mm。設(shè)計(jì)的材料組合有：DP600+DP600、DP600+DC04和DC04+DC04，分別用這3種材料組合制備3種連接接頭：點(diǎn)焊連接、黏接、膠焊連接。試驗(yàn)接頭類型見表1。

表1 試驗(yàn)接頭類型

固化工藝：黏接接頭和膠焊接頭都在180 ℃恒溫箱中固化20 min。

剪切力測試：采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)，在室溫條件下測試接頭的剪切力，測試速度為10 mm/min，每種接頭類型測試5組數(shù)據(jù)。為減小拉伸過程中的附加彎矩，在兩端的夾持位置，分別夾持與試件相同的料厚且面積為50 mm×20 mm的鋼板。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 膠層對(duì)膠焊接頭力學(xué)性能的影響

本文通過比較點(diǎn)焊和膠焊的焊核直徑來分析膠層對(duì)膠焊力學(xué)性能的影響，此試驗(yàn)選用母材組合DP600+DP600，焊接工藝信息為：中頻伺服點(diǎn)焊機(jī)φ6 mm，預(yù)壓時(shí)間200 ms，其他參數(shù)見表2。點(diǎn)焊與膠焊在不同焊接參數(shù)下的焊核直徑對(duì)比見表3。

表2 焊接工藝參數(shù)

表3 點(diǎn)焊與膠焊在不同焊接參數(shù)下的焊核直徑對(duì)比 單位:mm

由表3可知，1#下膠焊焊核直徑小于點(diǎn)焊，很大程度上是由于焊接質(zhì)量導(dǎo)致；2#～4#下，膠焊焊核直徑都大于點(diǎn)焊。總體來看，膠層在一定程度上可以加大焊核直徑。

膠層的存在對(duì)焊接工藝窗口有一定影響，在較小的電流作用下，膠焊更容易形成較大的焊核；在較大電流作用下，膠焊更容易發(fā)生飛濺[6]。理論上得到同一直徑大小的焊核，膠焊所需的電流更小，故膠焊較點(diǎn)焊能耗更小。但是膠焊普遍存在內(nèi)飛濺，這是因?yàn)槟z層使得兩板間的電阻不可控，再加上車間電流的不穩(wěn)定，使內(nèi)飛濺較易發(fā)生。因此在焊接時(shí)需要適當(dāng)增加電極力，使膠盡可能排開，降低膠層的影響，從而使焊接過程更穩(wěn)定，減少飛濺。

2.2 母材強(qiáng)度對(duì)膠焊接頭的影響

采用萬能試驗(yàn)機(jī)得到不同母材強(qiáng)度組合下點(diǎn)焊、黏接和膠焊的載荷-位移曲線，如圖1至圖3所示。

圖1 DP600+DP600載荷位移曲線

圖2 DP600+DC04載荷位移曲線

圖3 DC04+DC04載荷位移曲線

2.2.1 母材強(qiáng)度對(duì)膠焊接頭中結(jié)構(gòu)膠性能的影響

圖1中膠焊和黏接的峰值載荷很接近，膠焊中的焊點(diǎn)，雖然破壞了部分膠層，但是對(duì)接頭強(qiáng)度影響不大，在圖2和圖3中也可得到相同的結(jié)論。膠焊的載荷-位移曲線呈兩個(gè)峰值，當(dāng)載荷增長至膠層受力極限產(chǎn)生斷裂時(shí)，呈現(xiàn)為第一個(gè)峰值，因?yàn)槟z層呈脆性，曲線體現(xiàn)為陡降，膠層斷裂后，僅由焊點(diǎn)承擔(dān)載荷，此時(shí)呈現(xiàn)為第二個(gè)峰值，第二個(gè)峰值是焊點(diǎn)性能的表現(xiàn)，因而同點(diǎn)焊的載荷位移曲線形態(tài)類似。

比較圖1至圖3中膠焊的峰值載荷，當(dāng)搭接母材強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，峰值載荷也在提升，通過增強(qiáng)母材的強(qiáng)度可以提升膠焊接頭的強(qiáng)度。母材強(qiáng)度越高，可以使結(jié)構(gòu)膠的高剪切強(qiáng)度得到越好的體現(xiàn)。由高強(qiáng)度母材組合圖1中膠焊的載荷-位移曲線可以看出，在第一個(gè)峰值出現(xiàn)前主要呈現(xiàn)的是板材的彈性階段，因此，膠層的斷裂主要因膠層受力達(dá)到最大值，其斷裂受板件變形影響不大，由圖1至圖3的膠焊載荷位移曲線顯示，在第一個(gè)峰值出現(xiàn)前，即膠層斷裂前，板件已經(jīng)進(jìn)入了屈服階段，膠層的斷裂更多的是因?yàn)榘寮冃我鸬哪z層撕裂，此時(shí)結(jié)構(gòu)膠的剪切強(qiáng)度并沒有實(shí)現(xiàn)最大，其高剪切強(qiáng)度性能沒有得到充分發(fā)揮，這也解釋了高強(qiáng)度母材組合的膠焊載荷峰值高于低強(qiáng)度母材組合的原因，因此結(jié)構(gòu)膠應(yīng)用到板件強(qiáng)度較高的位置更能發(fā)揮其性能優(yōu)勢。

2.2.2 母材強(qiáng)度對(duì)膠焊中焊點(diǎn)載荷的影響

比較圖1至圖3中點(diǎn)焊曲線峰值和膠焊曲線的第二個(gè)峰值，圖1為DP600+DP600板件組合，圖中膠焊曲線的第二個(gè)峰值同點(diǎn)焊載荷峰值相近，因?yàn)槟z焊曲線的第二個(gè)峰值為膠焊中焊點(diǎn)能經(jīng)受的最大載荷，因此在此板件組合下膠焊中焊點(diǎn)的強(qiáng)度同點(diǎn)焊相近。理論上，同一板件組合和焊接參數(shù)下膠焊中焊點(diǎn)強(qiáng)度要大于純點(diǎn)焊強(qiáng)度，通過第2.1節(jié)中驗(yàn)證，膠焊中焊點(diǎn)直徑要大于單純點(diǎn)焊，但是受焊接質(zhì)量的影響，可能會(huì)使膠焊中焊點(diǎn)的強(qiáng)度下降，因此在圖1中，膠焊中焊點(diǎn)的強(qiáng)度并沒有比點(diǎn)焊大，而是同點(diǎn)焊基本一致。

圖2和圖3中，膠焊曲線的第二個(gè)峰值遠(yuǎn)高于點(diǎn)焊曲線的峰值，在DP600+DC04和DC04+DC04這兩個(gè)板件組合下，膠焊中焊點(diǎn)的承載能力相比點(diǎn)焊大幅提高，一方面如第2.1節(jié)中的描述，同點(diǎn)焊相比，膠焊中焊點(diǎn)的直徑變大；另一方面膠層可降低焊點(diǎn)附近的應(yīng)力集中，使應(yīng)力分布更為均勻[2]。分別比較圖1至圖3中點(diǎn)焊曲線的峰值載荷和膠焊曲線的第二個(gè)峰值載荷，在低強(qiáng)度板件組合下，膠焊曲線中第二個(gè)載荷峰值要遠(yuǎn)高于同一板件組合下點(diǎn)焊曲線的峰值載荷，因而母材強(qiáng)度越低，膠焊中焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度提高得越顯著。

2.2.3 母材強(qiáng)度對(duì)接頭承載能力的影響

比較圖1至圖3中3種母材強(qiáng)度組合的膠焊曲線，最大位移由大到小排序?yàn)閳D3、圖2、圖1，其中圖2和圖3的最大位移相近，并約為圖1的3倍，即當(dāng)母材的強(qiáng)度下降時(shí)，最大位移值在變大。極限載荷值由大到小排序?yàn)閳D1、圖2、圖3，即當(dāng)母材的強(qiáng)度下降時(shí)，膠焊的極限載荷值也在下降。

母材強(qiáng)度大的膠焊連接，其能承載的載荷越大，然而接頭的失效速率卻快于母材強(qiáng)度小的膠焊連接。因此在某些碰撞位置，受到的瞬時(shí)峰值力很大，同時(shí)需要零件在受到碰撞沖擊后，能在一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)承受載荷，此時(shí)，板件強(qiáng)度大的膠焊連接雖然能承受更大的載荷，但是其有快速失效的缺點(diǎn)，就不適應(yīng)用于此位置。對(duì)連接接頭承受載荷需求較高的位置，可適當(dāng)提高連接板件的強(qiáng)度。因此，對(duì)于膠焊連接，要針對(duì)不同位置的受力特點(diǎn)合理設(shè)計(jì)板件組合。

3 結(jié)論

(1)膠焊中的膠層在一定程度上可以增加焊核直徑，理論上形成相同直徑的焊核，膠焊所需的電流更小，因此膠焊相對(duì)于點(diǎn)焊能耗更低。膠層使兩板間的電阻不可控，使膠焊易發(fā)生內(nèi)飛濺，從而影響接頭強(qiáng)度，因此在焊接過程中要適當(dāng)增加電極力，使膠盡可能排開，降低膠層的影響。

(2)母材強(qiáng)度越高，膠焊接頭強(qiáng)度越高，膠層的斷裂受母材影響越小，結(jié)構(gòu)膠的高剪切強(qiáng)度得到越好的體現(xiàn)，使其剪切強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)最大化，因此結(jié)構(gòu)膠應(yīng)用到板件強(qiáng)度較高的位置更能發(fā)揮其性能優(yōu)勢。

(3)膠焊中焊點(diǎn)的強(qiáng)度相對(duì)于單純點(diǎn)焊有增強(qiáng)，并且母材強(qiáng)度越小，膠焊中焊點(diǎn)強(qiáng)度的增強(qiáng)越顯著。

(4)母材強(qiáng)度越大，膠焊接頭強(qiáng)度越大，但失效速率越快；母材強(qiáng)度越小，接頭強(qiáng)度越小，但失效速率越慢。因此要根據(jù)不同位置的受力特點(diǎn)和接頭強(qiáng)度需求合理安排母材的強(qiáng)度組合。