基于试验的胶接接头力学性能分析

史付磊 黄红端 张波 韦春萍

【摘 要】胶接是一种高效可靠的连接技术，具有良好的材料适应性及优异的力学性能，可以用于解决车身用轻量化材料的连接问题。文章对4种不同黏结母材的胶接接头综合性能进行了测试与分析，包括剪切性能、拉伸性能、剥离性能、高速剪切性能等，探究了不同母材材料、结构参数组合的胶接接头在不同试验工况下的力学性能规律，为结构胶在车身结构的应用提供指导。

【关键词】结构胶;连接;测试与分析;力学性能

【中图分类号】U465 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）07-0135-06

0 引言

胶接技术由于其无需破坏母材且可连接异种材料的优点，同时胶接工艺具有优良的综合性能，逐渐在非金属车身上得到广泛采用[1]，其接头力学性能直接关系到结构的连接可靠性，因此得到广泛重视。

在胶接接头性能方面，国外的学者也做了许多研究，无论是连接金属材料或是复合材料，胶粘剂都需要一个合适的黏结表面，不同的表面处理方式对胶接接头性能的影响是不可忽略的。Lucas. F. M. 等人[2-4]探究了表面处理方式、结构几何参数及材料类型对单搭接接头剪切性能的影响规律。V. Fiore[5]等人研究了固化时间对于胶接复合连接接头性能的影响，Renata Kotynia[6]等人研究了加速固化条件下环氧胶粘剂剪切性能和玻璃化转变温度的变化。国内方面，刘昌发[7]对胶层尺寸对铝锂合金单搭接胶接接头剪切强度的影响进行了研究，确定了这种胶接接头的最佳的胶层厚度和搭接边宽度。余海州[8]等人研究了单搭接接头胶层中的间隙对接头拉伸强度和应力分布的影响。结果表明，影响接头强度的主要因素是间隙所在的位置，中间区域间隙的大小对其强度影响较小，间隙的存在使得名义强度降低，但接头的实际拉伸强度却提高了。赵宁[9]和杨小辉[10]等人分别对内聚力在单搭接接头胶层断裂仿真方面的影响进行了研究，得到了与实验相符合的结果。

在胶接接头实际的应用中会面临许多不同的工况，因此需要对胶接接头多种条件下的性能进行测试分析，并对胶接接头的性能进行综合全面的评价。因此，本文利用试验分析手段探究了不同母材材料、结构参数组合的胶接接头在不同试验工况下的力学性能规律，为结构胶在车身结构中的应用提供指导。

1 胶接接头拉伸性能分析

1.1 拉伸试验材料

试验母材材料牌号为HC420LA（简称420）、5182铝合金（简称5182）、CFRP。3种板件的厚度分别为1.8 mm、1.5 mm和2.5 mm。接头的搭接种类见表1。

1.2 拉伸试验方法

为了减小试验误差，对于金属材料的接头试验采用对接的搭接方式，如图1（a）所示，由于CFRP不能折弯，因此对于含有CFRP的接头采用“十”字接头的搭接方式，如图1（b）所示。所有接头黏结面面积为40 mm×40 mm，黏结面与拉伸方向垂直，胶层厚度为0.2 mm。加载时，将试样通过螺栓和夹头连接，垂直于黏结面的拉力作用在夹头上，如图2所示，拉力试验机以2 mm/min的恒定测试速度进行试验，记录试样剪切破坏的最大负荷作为破坏载荷。

1.3 拉伸试验结果及分析

1.3.1 “U”形对接拉伸

选取HC420LA和5182铝合金作为母材，“回天”7130作为黏结用胶粘剂，进行对接拉伸试验。HC420LA-HC420LA和5182-5182两种接头的失效形貌如图3所示，由图3可见，“回天”7130接头失效主要为胶粘剂失效。图4是两种接头拉伸力的对比直方图。从图4中可以发现，由于钢板刚性较大，因此接头抗拉伸性能比铝板出色。

在“U”形对接拉伸加载过程中，在加载力的作用下，接头会逐渐产生形变。由图4可以看出，虽然两种接头的失效模式相近，主要为胶粘剂的内聚失效，但两种不同材料的接头的变形情况是不一样的。420钢的变形量较小，而5182铝合金板件则有明显变形。这一变形导致了两种接头虽然失效模式相近但强度却差别较大的结果。

对于胶接接头而言，其抗剪切和抗拉伸性能都较为出色。但在实际的试验和应用过程中，其受力状况并不总是纯剪切或纯拉伸，由于受力方式的差异和材料本身性能的不同，在拉伸剪切中往往会产生形变而出现剥离，胶接接头的抗剥离强度往往没有其拉伸强度和剪切强度高，剥离的存在使得接头的强度出现差异。在“U”形对接拉伸试验中，由于420高强钢的刚度比5182铝合金的刚度要高很多，在拉伸过程中，420高强钢产生的形变比5182铝合金接头也要小很多。因此相比之下，在加载过程中，420高强钢“U”形对接拉伸接头更接近于一个纯拉伸过程，其强度较高。而对于5182铝合金而言，由于其板件刚度较小，在加载过程中发生了较大的形变，在拉伸过程中由于形变的存在，接头局部会开始出现剥离的情况，从而使得接头强度相比420高强钢要低很多。

1.3.2 “十”字拉伸

选取CFRP和5182铝合金作为母材，“回天”7130作为黏接用胶粘剂，进行“十”字拉伸试验。CFRP-CFRP和5182-CFRP两种接头的失效形貌如图5所示，由图5可见，对于使用“回天”7130作为黏接用胶粘剂的接头，当母材为CFRP-CFRP时，接头失效为碳纤维板层间失效;当母材为CFRP-5182时，碳纤维板层间失效与界面失效各占失效模式的50%左右。导致两种接头的失效模式有差异的主要原因是两种接头材料的差异。CFRP和5182铝合金两者刚度差异较大，在“十”字拉伸加载过程中，5182铝合金由于刚度较小，更易产生变形，而CFRP板刚度较大，很难产生较大的变形。因此，在拉伸过程中，CFRP-CFRP接头两端的板件都不会发生较大的变形，接近于一个纯拉伸过程，由于碳纤维层间的抗剥离强度较低，所以接头最终表现为碳纤维层间被剥离失效。而对于5182-CFRP“十”字拉伸接头，在拉伸过程中两种材料的變形情况是不一样的，碳纤维板变形量小而5182铝合金板变形较大。铝合金板在拉伸过程中的大变形导致胶层比较容易在变形区域产生裂纹从而出现胶层失效，而碳纤维板的层间抗剥离强度较低，同时也会出现碳纤维层间剥离失效的失效模式。

图6是两种接头在拉伸力的对比直方图。由图6可知，对于“回天”7130，CFRP-CFRP接头强度与5182-CFRP接头强度接近。两种接头的失效时都出现了碳纤维层间剥离失效的失效模式，这说明接头“十”字拉伸时的强度极限基本等于碳纤维层间的拉伸或剥离强度极限，对于这两种接头而言，这一极限是接近的。

2 胶接接头准静态剪切性能分析

2.1 准静态剪切试验材料

试验母材材料牌号为HC420LA（简称420）、5182铝合金（简称5182）、CFRP。3种板件的厚度分别为1.8 mm、1.5 mm和2.5 mm。接头的搭接种类包括HC420LA-HC420LA、AA5182-AA5182、AA5182-CFRP、CFRP-

CFRP 4种。

2.2 准静态剪切试验方法

根据《胶粘剂拉伸剪切强度的测定（刚性材料对刚性材料）》（GBT 7124—2008）确定接头的搭接形式，具体的板件长度为100 mm，宽度为25 mm，接头长度为12.5 mm，胶层厚度为0.2 mm，使用垫片对胶层厚度进行控制。固化时选取辅助预紧方式对接头进行夹持，固化时间根据试验结果选取最佳参数。接头固化完成后使用万能拉伸试验机以2 mm/min的加载速率对样件进行剪切拉伸试验。

2.3 准静态剪切试验结果

在对试样进行拉伸剪切试验后记录最大剪切力F，接头的剪切强度定义如公式（1）：

τ=F/（BL）（1）

公式（1）中，F代表最大剪切力，B代表搭接头宽度，L代表接头长度，τ代表接头剪切强度。

当使用“回天”7130胶粘剂，不同母材接头的剪切失效情况如图7所示。铝合金接头为混合失效，碳纤维-铝合金接头为胶层失效和纤维层间失效，碳纤维接头为纤维层间失效，钢板为胶层失效。

图8为4种接头剪切试验中载荷-位移曲线图，从图8中可以看出，HC420LA接头能承受最大的剪切载荷，5182-CFRP有最大的剪切位移，而5182-5182接头承受的载荷最低。图9所示为不同母材接头的剪切强度直方图，满足母材刚性越大，接头强度越大的趋势。造成母材强度越大，接头强度越大的趋势的原因之一为当母材刚度越大时，接头在剪切过程中所产生的形变更小，受到的剥离应力较小，因此强度更高。

3 胶接接头动态剪切性能分析

3.1 动态剪切试验材料

高速试验的接头材料与搭接参数与接头剪切试验所使用材料一致。试验母材材料牌号为HC420LA（简称420）、5182铝合金（简称5182）、CFRP。3种板件的厚度分别为1.8 mm、1.5 mm和2.5 mm。接头的搭接种类包括HC420LA-HC420LA、AA5182-AA5182、AA5182-CFRP、CFRP-CFRP 4种。

3.2 动态剪切试验方法及结果分析

将制备好的试样在高速拉伸试验机上以10 m/s的拉伸速率测试拉伸强度。拉伸过程中试样两侧均黏有垫片以保持负载平面与拉伸机的中央平面重合。

对于“回天”7130结构胶，其高速拉伸时接头力位移曲线如图10所示，由图10可知，当母材中含有5182铝合金时，接头强度已经超过了铝合金的屈服强度，因此此类接头具有较大的位移，体现出了良好的吸能特性。对于母材为HC420LA和CFRP的接头，其接头强度较高，且失效过程中母材变形都为弹性变形。图11为使用“回天”7130作为胶粘剂时在准静态加载和高速加载状态下的接头强度对比图，由图11可知，胶接接头在10 m/s的高速拉伸条件下，接头强度明显提高。420-420接头强度由准静态的38.4 MPa提高了88%，达到72.3 MPa;5182-5182接头强度由准静态的16.4 MPa提高了56%，达到25.6 MPa;5182-CFRP接头强度由准静态的21.1 MPa提高了30%，达到27.5 MPa;CFRP-CFRP接头强度由准静态的28.1 MPa提高了51.6%，达到42.6 MPa。

由试验结果可知，剪切速度为10 m/s时的胶接接头强度远高于准静态剪切下的接头。这一现象主要是由拉伸过程的差异引起的。在高速加载的状态下，接头的加载和失效过程都十分短，而接头失效时所需要吸收的能量是一定的，当失效过程变短时，为了在更短的时间内达到接头的失效能量，接头上需要加载更大的剪切力。同时，剪切失效过程的变短也会对胶接接头的微裂纹的产生和扩展过程产生影响。胶接接头在准静态剪切时失效过程持续时间长，微裂纹在失效前在接头中能够充分地扩展，导致接头失效时强度较低。

从图11中可以发现，接头在高速剪切状态下的强度相较于准静态剪切有所提高，造成这一现象的原因是多方面的：一是在高速剪切条件下，接头失效过程持续时间变短，需要达到更高的载荷才能达到接头失效时所需要的能量以满足失效能的要求;二是接头失效过程的变短使得接头或者胶层内的微裂纹来不及充分扩展，从而使得接头强度变高;三是接头母材在高速剪切条件下出现了母材强化的现象，强化后的接头刚度变大，更不容易产生变形，接头受到的剥离应力更小，强度得到提升。

在高速剪切试验中，对于不同母材的接头，其失效面的失效模式与准静态剪切差别不大。图12展示了高速剪切条件下的接头失效面的失效模式，可以发现，420-420接头与5182-5182接头的失效模式与准静态剪切相近，均主要为胶粘剂内聚失效，而5182-CFRP及CFRP-CFRP接头则主要为混合失效模式，这是由于碳纤维层间基体强度与胶粘剂强度相近导致的。

4 胶接接头剥离性能分析

4.1 剝离试验材料

试验选用HC420LA高强钢、5182铝合金、T300碳纤维板（CFRP）作为被连接母材，选用“回天”7130作为胶粘剂。搭接形式为420-5182、CFRP-5182。

4.2 剥离试验方法

根据国标《高强度胶粘剂剥离强度的测定浮辊法》（GB/T 7122—1996）选用0.8 mm厚的5182铝合金板材作为挠性被黏接材料，选用1.5 mm厚的420钢板和2.5 mm厚的CFRP作为刚性被黏接材料进行试验。试验的样件尺寸如图13所示。样件完成后，插入剥离夹具中如图14所示，然后使用万能试验机对试件进行剥离试验。试验的加载速度为100 mm/min。试验完成后从力位移曲线中，截取有效剥离长度内的单位宽度，平均剥离力用kN/m表示。

4.3 剥离试验结果分析

剥离实验完成后样件的失效形貌如图15所示，对于相同母材的接头，接头的失效模式如下：对于420-5182接头，胶粘剂剥离失效形式为界面失效;对于CFRP-5182接头，胶粘剂失效模式为混合失效（大面积的界面失效混合小部分碳纤维撕裂）。不同接头的剥离强度分布如图16所示。

胶粘剂的剥离强度主要胶粘剂本身的强度和胶粘剂与被黏接表面的结合情况有关，对于两种材料的剥离试验用胶接接头，材料本身的强度都要高于胶粘剂与被黏接材料表面的强度，因此两种接头的失效模式相近，均主要为胶粘剂与被黏接表面的界面失效，由于碳纤维的层间抗剥离强度较差，也出现了极少部分区域的碳纤维剥离失效。由于剥离试验中所选取的材料，其材料性能本身不对接头剥离强度产生较大的影响，接头的剥离强度主要由胶粘剂与被黏接表面的黏附情况影响。由于两种接头的附着情况相近，胶粘剂本身强度没有差异，因此最终接头的剥离强度差异也不大。

5 结论

（1）接头拉伸试验（对接拉伸或“十”字拉伸）结果分析表明，不同母材接头有着不同的失效形式：420-420和5182-5182两种金属接头的失效模式为胶层失效，CFRP-CFRP接头的接头失效模式为纤维层间失效，5182-CFRP接头失效模式为碳纤维层间失效与界面失效各占50%。不同母材接头承受最大载荷的趋势是一致的。不同母材的接头强度随母材刚度增加而增大;HC420LA接头能承受最大的剪切载荷，且两种接头最大载荷接近。

（2）胶接接头准静态剪切性能试验结果分析表明，不同母材接头有着不同的失效形式：铝合金接头为混合失效，碳纤维-铝合金接头为胶层失效和纤维层间失效，碳纤维接头为纤维层间失效，钢板为胶层失效。不同母材接头承受最大载荷的趋势是一致的。HC420LA接头能承受最大的剪切载荷，5182-CFRP有最大的剪切位移，而5182-5182接头承受的载荷和剪切位移都最低。由接头剪切强度直方图可知，不同母材的接头强度随母材刚度增加而有增大的趋势。动态剪切性能试验结果如下：高速拉伸对不同母材胶接接头的影响规律类似，胶接接头在高速拉伸下的接头强度明显高于准静态拉伸的强度;不同母材的接头高速拉伸强度的区别比准静态大。

（3）在胶接接头剥离性能的分析中，通过实验的方式针对“回天”7130胶粘剂测试了其接头剥离强度，实验结果表明，两种接头的剥离强度接近。

参 考 文 献

[1]王满，杨松柏.动车组用胶粘剂及性能要求[C].北京国际粘接技术研讨会，2010（8）：130-133.

[2]Silva L F M D，Carbas R J C，Critchlow G W.Ef-fect of material，geometry，surface treatment and environment on the shear strength of single lap joints[J].International Journal of Adhesion & Adh-esives，2009，29（6）：621-632.

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

[4]Lijuan Liao，Chengguang Huang.Numerical analysis of effects of adhesive type and geometry on mixed-mode failure of adhesive joint[J].International Journal of Adhesion & Adhesives，2016（68）：389-396.

[5]V  Fiore，F Alagna，G  Galtieri，et al.Valenza.Ef-fect of curing time on the performances of hybrid/mixed joints[J].Composites，2013（Part B 45）：911-918.

[6]Renata Kotynia，Kinga Adamczewska，Anna Strako-wska，et al.Effect of accelerated curing conditions on shear strength and glass transition temperature of epoxy adhesives[J].Procedia Engineering，2017（193）：423-430.

[7]劉昌发，黄明辉，孙振起.胶层尺寸对铝锂合金单搭接胶接接头剪切强度的影响[J].机械工程材料，2012，36（3）：85-88.

[8]余海洲，游敏，郑小玲，等.单搭接接头胶层间隙对强度和应力的影响[J].机械强度，2006，28（5）：775-779.

[9]赵宁，欧阳海彬，戴建京，等.内聚力模型在结构胶接强度分析中的应用[J].现代制造工程，2009（11）：128-131.

[10]杨小辉，胡坤镜，赵宁，等.内聚力界面单元在胶接接头分层仿真中的应用[J].计算机仿真，2010，27（10）：317-320.

[责任编辑：陈泽琦]