室内装饰设计用胶接接头的力学性能研究

樊 璟

（西安翻译学院，陕西西安710000）

城镇化建设的快速发展和综合经济水平的不断提升，使得国内建筑工业呈现井喷发展态势，作为建筑装饰的基本承载部件，悬臂梁承载着轻量化、安全化和稳定化多重指标的考核与要求[1]。实际应用过程中，室内装饰结构件中不可避免地需要进行胶接处理以实现各自功能化模块的连接，其中，应用较为广泛的是铝合金结构件的胶接处理[2]。6061铝合金作为室内装饰中常用的铝合金材质，由于具有密度轻、比强度高和耐蚀等优点而受到建筑装饰行业的普遍青睐，尤其是随着近年来含铒铝合金的开发与成功应用，含铒6061铝合金的生产、开发与连接应用等系列课题逐渐成为大家研究的重点[3]。在长期湿热、辐照等环节下，室内装饰用胶接接头的力学性能会发生不同程度退化，而目前室内装饰结构件的连接行为研究还多集中在焊接、螺栓连接和铆接等方面，对胶接接头的力学性能及其影响因素方面的报道较少[4-6]。本文以室内装饰用含铒6061铝合金材料为研究对象，考察含铒6061铝合金试件在不同胶层厚度下的力学性能变化并探讨了其断裂模式，结果有助于结构件的胶接工艺改善及应用性能提升。

1 试验材料与方法

室内装饰基材为含铒6061铝合金，主要元素化学成分（质量分数，%）为：0.27Cu、0.15Mn、0.93Mg、0.25Zn、0.12Cr、0.12Ti、0.52Si、0.16Fe、0.15Er、0.10Zr， 余量为Al；物性参数为：弹性模量68.89GPa、泊松比0.33、屈服强度189MPa、抗拉强度325MPa。6061+Er铝合金采用DP125型双组分环氧树脂胶粘剂进行粘结并形成胶接接头试样，胶粘剂的物性参数为：弹性模量1.86GPa、泊松比0.33、剪切模量0.55GPa、剪切强度18.0MPa、固化温度60℃、固化时间2h。

根据ISO 25217《粘结剂 双悬臂梁和锥形双悬臂梁试样测定结构胶粘剂的Ⅰ式粘结断裂力》和ASTM D3433《粘结接头中胶粘剂的断裂强度的标准试验方法》制备图1所示的双悬臂梁试件，其中，加载块尺 寸l1、l2、l3、r和R分 别 为6mm、10mm、7mm、2mm和3mm，试件尺寸L、B和H分别为160mm、25mm和3mm，胶层厚度t分别为0.2mm、0.5mm和1.0mm。试件在专用固化模具中固定，并在热压机中进行60℃/2MPa的固化处理。

图1 室内装饰设计用胶接接头试件示意图Fig. 1 Schematic diagram of adhesive joint specimen for interior decoration design

在试件上预置初始裂纹并粘结加载块，在MTS-810型万能试验机上进行荷载-位移曲线测试，记载速率为2mm/min。采用ABAQUS软件进行双悬臂梁试件胶层断裂过程的有限元模拟，有限元模型如图2所示，其中，基底和胶层分别采用4节点平面应变单元（网格尺寸0.4×0.4 mm）和4节点内聚力单元模型（网格尺寸0.2×0.2 mm）[7]。

图2 胶接接头试件的有限元模型Fig. 2 Finite element model of adhesive joint

2 试验结果与分析

图3 为胶接接头试件的力-位移曲线，表1中列出了相应地胶接接头试件的峰值载荷试验值和模拟值。当胶层厚度为0.2mm时，峰值荷载试验值为98.48N、峰值荷载-模拟值为105.49N，相对误差为7.12%；当胶层厚度为0.5mm时，峰值荷载试验值为111.68N、峰值荷载-模拟值为120.03N，相对误差为7.48%；当胶层厚度为1.0mm时，峰值荷载试验值为53.21N、峰值荷载-模拟值为61.74N，相对误差为16.03%。可见，随着胶层厚度增加，双悬臂梁胶接接头试件的峰值荷载试验值和峰值荷载模拟值都呈现先增加后减小特征，在胶层厚度为0.5mm时取得最大值，相应的试验值和模拟值的相对误差呈现逐渐增大趋势。

图3 胶接接头试件的力-位移曲线Fig. 3 Force displacement curve of adhesive joint specimen

表1 胶接接头试件的峰值载荷试验值和模拟值Table 1 Peak load test value and simulation value of adhesive joint specimen

图4 为胶接接头试件的试验力-位移曲线，分别列出了试验结果与仿真结果的试验力-位移曲线。当胶层厚度为0.2mm时，5组0.2mm胶层厚度试件的试验力-位移试验曲线与试验力-位移仿真曲线基本吻合，表明采用本文设定的ABAQUS软件分析结果与试验结果具有较好的一致性；当胶层厚度增加至0.5mm和1.0mm时，不同胶层厚度试件的试验力-位移试验曲线与试验力-位移仿真曲线也基本吻合。这也就说明，ABAQUS软件分析结果不会因为胶层厚度变化而发生明显偏差，可以采用ABAQUS软件对室内设计用胶接接头进行载荷荷载预测[8]。

图4 胶接接头试件的试验力-位移曲线Fig. 4 Test force displacement curve of adhesive joint specimen

图5 为胶接接头试件的应变能释放率-等效裂纹长度曲线（R曲线），表2中列出了相应地胶接接头试件的断裂能试验值和断裂能模拟值。当胶层厚度为0.2mm时，断裂能试验值为0.96N/mm、峰值荷载-模拟值为0.92N/mm，相对误差为4.17%；胶层厚度为0.5mm时，断裂能试验值为1.25N/mm、峰值荷载-模拟值为1.24N/mm，相对误差为0.80%；胶层厚度为1.0mm时，断裂能试验值为0.41N/mm、峰值荷载-模拟值为0.43N/mm，相对误差为4.89%。可见，随着胶层厚度增加，双悬臂梁胶接接头试件的裂能试验值和断裂能模拟值都呈现先增加后减小特征，在胶层厚度为0.5mm时取得最大值，此时的试验值和模拟值的相对误差最小，仅为0.8%。此外，对比分析不同胶层厚度胶接接头试件的应变能释放率-等效裂纹长度曲线可知，在开始阶段，应变能释放率呈现快速增加的趋势，此时裂纹并没有扩展；当应变能释放率呈现波动状态时，对应进入“平台阶段”[9]。

图5 胶接接头试件的应变能释放率-等效裂纹长度曲线Fig. 5 Strain energy release rate-equivalent crack length curve of adhesive joint specimen

表2 胶接接头试件的断裂能试验值和模拟值Table 2 Experimental and simulated values of fracture energy of bonded joint specimens

图6 为胶接接头试件的断裂形貌，分别列出了胶层厚度0.2mm、0.5mm和1.0mm试件的断裂形貌。对比分析可知，当胶层厚度为0.2mm时，胶接接头试件呈现内聚断裂失效特征，表现为胶层本体发生破坏，且裂纹扩展主要在胶层内部；当胶层厚度增加至0.5mm时，胶接接头试件呈现混合断裂失效特征，表现为内聚断裂失效耦合界面断裂失效（基底与胶层间发生裂纹扩展[10]）；当胶层厚度增加至1.0mm时，胶接接头试件的断裂模式与胶层厚度为0.5mm时相似，都表现为混合断裂失效特征。结合图6和表2的测试结果可知，胶层厚度不仅会对胶接接头试件的断裂能产生明显影响，还会影响胶接接头的断裂模式。

图6 胶接接头试件的断裂形貌Fig. 6 Fracture morphology of adhesive joint specimen

3 结论

（1）随着胶层厚度增加，胶接接头试件的峰值荷载试验值和峰值荷载模拟值都呈现先增加后减小特征，在胶层厚度为0.5mm时取得最大值，相应的试验值和模拟值的相对误差呈现逐渐增大趋势。

（2）当胶层厚度为0.2mm时，断裂能试验值为0.96N/mm、峰值荷载-模拟值为0.92N/mm，相对误差为4.17%；胶层厚度为0.5mm时，断裂能试验值为1.25N/mm、峰值荷载-模拟值为1.24N/mm，相对误差为0.80%；胶层厚度为1.0mm时，断裂能试验值为0.41N/mm、峰值荷载-模拟值为0.43N/mm，相对误差为4.89%。

（3）当胶层厚度为0.2mm时，胶接接头试件呈现内聚断裂失效特征，表现为胶层本体发生破坏，且裂纹扩展主要在胶层内部；当胶层厚度增加至0.5mm时，胶接接头试件呈现混合断裂失效特征，表现为内聚断裂失效耦合界面断裂失效（基底与胶层间发生裂纹扩展）；当胶层厚度增加至1.0mm时，胶接接头试件的断裂模式与胶层厚度为0.5mm时相似，都表现为混合断裂失效特征。