HC420LA钢板胶粘接头拉伸应力分析及工艺优化

孟庆刚 海超

（本钢板材股份有限公司产品研究院，本溪117000）

1 前言

胶粘是1种常用的金属连接工艺。与焊接和铆接等连接工艺相比，胶粘工艺具备5大优势：首先，胶粘工艺成本低廉且操作简单，不需要复杂设备；第二，胶粘工艺不改变钢板的几何形状，因此能够有效避免应力集中对钢板强度和疲劳性能的不良影响；第三，胶接工艺不仅适用于金属之间的连接，而且同样适用于金属与非金属之间的连接；第四，胶接工艺能够赋予接头良好的防水性能；第五，由于结构胶的阻尼特性，使得胶粘接头能够有效阻碍噪声和振动传播。由于具备以上优点，胶粘工艺现已被广泛应用于汽车车门、行李箱盖和发动机盖等部位。

目前，最常用的胶粘接头强度测试方法是单搭接接头的静态拉伸试验。现有的研究接头强度的方法主要有2种：试验法和数值模拟法。采用试验法不仅需要大量的试验原料和漫长的试验周期，而且只能测得接头断裂瞬间的强度，无法研究接头内部的应力分布规律，所以现有的研究均大量地使用了数值模拟方法[1-5]。

HC420LA钢是1种低合金高强钢，本溪钢铁集团生产的HC420LA钢广泛应用于汽车零部件的制造，其连接强度直接决定着车身整体的刚度和强度，所以，研究HC420LA钢的胶粘工艺具有极为重要的现实意义。

2 试验及模拟方法

2.1 试验方法

胶粘剂采用汉高环氧结构胶TEROSON EP 4520-34。制作试验样品时，首先分别使用酒精和丙酮擦拭钢板表面，以除去残存油污；然后将结构胶覆盖到钢板的粘合区域，并将试样加热至180℃，保温30 min；最后参照ASTM D1002-10

（2019）Standard Test Method for Apparent Shear Strength of Single-Lap-Joint Adhesively Bonded Met⁃al Specimens by Tension Loading(Metal-to-Metal)[6]，使用拉伸试验机进行强度测试。试验样品的几何形状如图1所示。

图1 单搭接接头试验样品

2.2 有限元模型

胶粘试样的拉伸数值模拟采用隐式有限元算法，网格划分选用四节点平面实体单元PLANE182，采用位移模式的全积分算法。为了提高求解速度，有限元模型将三维的单搭接接头试样简化为二维平面应变问题。为了能够在不影响精度的前提下，缩短计算时间，有限元模型采用了2种网格尺寸，结构胶和与之相接触的钢板采用边长0.02 mm的细小网格，钢板夹持部分和传力部分变形量较小，所以采用边长0.25 mm的大网格。有限元模型的网格设置如图2所示。

图2 有限元网格示意

在有限元模型中，钢板采用弹塑性材料模型，结构胶采用弹性模型。钢板和结构胶的弹性力学参数如表1所示。HC420LA钢的塑性变形真应力真应变曲线如图3所示。

表1 钢板和结构胶的弹性力学性能弹性力学性能弹性模量/MPa泊松比钢板2.1×105 0.30结构胶2 200 0.33

图3 HC420LA钢的塑性变形真应力与真应变

为了与实际加载条件相符，钢板与结构胶之间采用绑定接触，有限元模型的左侧25 mm内的全部节点均施加X和Y 2个方向的位移约束，右侧25 mm内的钢板表面单元加载向右的水平力。

有限元计算过程采用了0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm、1.5 mm、1.8 mm和2.0 mm 6种厚度规格的HC420LA钢板；结构胶与钢板的接触长度固定，均为12.5 mm；结构胶设置6种厚度，分别为0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm、0.25 mm、0.30 mm、0.35 mm和0.40 mm；加载力采用4种，分别为350 N、400 N、450 N和500 N。

3 模拟结果分析与讨论

3.1 试样拉伸结果的几何形状

与常规拉伸试样不同，单搭接拉伸试样两端拉力不在1条直线上，所以，拉力会产生力矩，促使接头发生旋转，使试样整体呈字母“S”的形状。接头的最终旋转角度取决于钢板和结构胶的力学性能、拉伸载荷、钢板厚度和胶层厚度。

胶层厚度为0.2 mm，钢板厚度为1.0 mm，载荷为5 kN的试验条件，其拉伸计算结果放大3倍后的形状如图4a所示。同等条件下的拉伸试验结果如图4b所示。图4a中的发生塑性应变位置与图4b中发生弯曲的位置完全一致。

图4 模拟与试验结果的形状对照

对于钢板厚度和胶层厚度的任意一种搭配，单搭接接头的旋转角度均随着拉伸载荷的增大而增大，如图5所示。

图5 接头旋转角度与载荷之间的关系

由图5曲线中还可知，当胶层厚度和拉伸载荷不变时，单搭接接头的旋转角度随着钢板厚度的增加而减小，这是由于钢板抵抗弯曲变形的能力随着厚度的增大而增强的缘故。但是，当拉伸载荷增大至约4.3 kN后，0.8 mm的薄钢板整体发生屈服，塑性变形降低了钢板的弯曲程度，使得曲线的增加趋势发生骤减。胶层厚度对单搭接接头旋转角度的影响如图6所示，两者呈明显的线性正相关关系。

图6 接头旋转角度与胶层厚度之间的关系

3.2 钢板应力场计算结果

试样的接头处发生旋转后，钢板在胶层末端处的弯曲程度最大，在各种试验条件下，均出现了塑性应变。等效应变最大值出现在钢板表面与胶层末端连接处，且该最大值随着接头旋转角度而增大。在钢板内部，最大值点周围的等效应变值随着距离的增加而逐渐减小。对于胶层厚度为0.2 mm，钢板厚度为1.0 mm的试样，该处的塑性等效应变场如图4a所示。

3.3 结构胶应力场计算结果

胶层内部应力状态和最大等效应力值直接影响着试样断裂时的强度。图7a和图7b分别是胶层内部第1主应力和第2主应力的计算结果，图7c为胶层内部的等效应力场。由此可知，在胶层与钢板接触的2个直角处，不仅承受着最大的等效应力、而且该处的第1主应力和第2主应力也均为胶层内部的正数最大值，为两向拉应力状态。

图7 胶接接头的应力场模拟结果

当载荷为5 kN时，等效应力的最大值，与胶层厚度和钢板厚度之间的关系如图8所示。该图表明，胶层内的等效应力最大值随着钢板和胶层厚度的增大而逐渐减小。因此，当胶接接头的钢板和胶层厚度越大，接头强度就越高。

图8 等效应力最大值与钢板厚度和胶层厚度之间的关系

3.4 模拟与试验结果对比

选取1.0 mm、1.2 mm、1.5 mm和2.0 mm 4种厚度的HC420LA钢板，0.2 mm、0.3 mm和0.4 mm 3种胶层厚度进行了单搭接接头的拉伸试验，最终试验结果如图9所示。等效应力最大值计算结果如图10所示。

图9 接头强度测试结果

图10 等效应力最大值计算结果

图10 与图9的对比结果表明，接头的实际强度与等效应力最大值之间呈负相关，即等效应力的最大值越小，接头强度就越大。这是因为，等效应力对胶层起着破环作用，等效应力越大，其破坏作用也越大。对应地，接头就越容易遭到破环，从而降低接头的强度。

4 胶粘工艺优化方案

由前述的模拟和试验结果可知，对于任意的钢板厚度，胶层厚度的增加均能够有效减小结构胶受到的等效应力和2个主应力，从而提高胶层的破坏载荷，提高单搭接接头的拉伸强度。

在胶层的两侧，分别添加1个等腰直角三角形胶瘤结构。对于钢板厚度为1.0 mm，胶层厚度为0.2 mm的试样，添加胶瘤结构后的等效应力场计算结果如图11所示。

图11 带有胶瘤结构的胶层等效应力场

图11 中的等效应力场最大值仅有117.786 MPa，远小于图7c中的257 MPa，因此该胶瘤结构能够有效降低结构胶受到的最大应力，有助于保持胶层结构的完整，最终提升接头的强度。

5 结论

a.单搭接接头经拉伸后呈S形状，胶层旋转角度随着载荷的增大而增大，随钢板厚度的增大而减小，与胶层厚度呈正相关关系；

b.钢板的最大等效应力出现在与胶层直角的接触处，且该处发生了明显的塑性变形；

c.胶层与钢板表面接触的直角受两向拉应力，且该处的等效应力值为胶层内的最大值，胶层长度方向的中部受到一向拉应力和一向压应力，且等效应力值较小；

d.胶层内部的等效应力最大值与接头强度之间呈负相关，等效应力是破坏胶层的主要因素；

e.适当增加胶层厚度或者在胶层两侧添加胶瘤结构，能够有效提高HC420LA钢单搭接接头的拉伸强度。