阳极氧化处理对5754铝合金板材胶接性能的影响

李英东，王立娟，赵丕植，冯莹娟，曹海龙

(中铝材料应用研究院有限公司，北京 102200)

铝合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性能好等优点，在航空航天、轨道交通、汽车工业领域有着广泛的应用，特别是近年来新能源汽车的蓬勃发展，铝合金作为一种可回收的轻量化材料正逐步由装饰性的辅助材料转变为主要的结构材料，从而实现整车的轻量化[1]。铝合金的连接技术对于其应用来讲至关重要，铝合金本身的焊接性能比较差，而如使用铆接和螺栓连接，连接结构比较笨重，而且会产生严重的应力集中。相比之下，结构胶接工艺简单，成本低，应力集中小，很适合用于铝合金结构件的连接[2]。

胶接接头的表面处理方式会对胶接后的断裂强度产生很大影响。对于铝合金，阳极氧化处理是目前应用最为广泛的表面处理方式，一方面可以增加基材的耐腐蚀性，另一方面可以有效提升胶接强度。目前，阳极氧化技术作为胶接接头的预处理方式已经有所研究与应用[3]。从目前的文献调研来看，阳极氧化过程的时间、电压等参数对胶接强度影响较小[4]，而板材的表面形貌、力学性能和几何参数等会对胶接性能造成较为明显的影响[5]。基于此，本试验研究了阳极氧化处理后汽车用5754铝合金板材的胶接性能，重点考察了阳极氧化工艺、氧化膜的表面形貌、板材力学性能等对胶接强度的影响规律，从而为铝合金在汽车轻量化领域的应用提供理论依据和数据支撑。

1 试验过程

试验材料为西南铝业(集团)有限责任公司生产的5754铝合金板材，化学成分如表1所示，材料力学性能如表2所示。

表1 5754铝合金板材的化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of 5754 Al alloy sheet(wt/%)

表2 5754铝合金板材的力学性能Table 2 Mechanical properties of 5754 Al alloy sheet

阳极氧化所用试样尺寸为125 mm×80 mm×2 mm，工艺流程如图1所示。其中，碱蚀溶液为60 g/L～100 g/L的NaOH，温度68 ℃～72 ℃，时间2 min～10 min；阳极氧化溶液为180 g/L的H2SO4，温度17 ℃～19 ℃，电流密度1.4 A/dm2～1.6 A/dm2，时间10 min～20 min；封闭方式包括高温纯水封闭和含封闭剂的高温封闭(封闭剂浓度2 g/L)。阳极氧化后采用JSM-IT300型扫描电镜对阳极氧化后的表面形貌进行观察。

图1 阳极氧化工艺流程Fig.1 Anodizing process

胶接所用胶黏剂为陶氏化学公司生产的Dow Betamate 4600F高温固化胶黏剂，采用单搭接方式进行胶接，胶接区域为80 mm×20 mm，如图2所示。采用φ0.2 mm的玻璃珠控制胶层厚度，将板材搭接对粘，用燕尾夹固定后放入烘箱中180 ℃烘烤30 min，取出冷却至室温。采用MTS Model C64100kN伺服万能试验机以10 mm/min的速率进行加载对胶接试样进行拉伸，记录拉伸曲线。

图2 胶接方式和接头尺寸Fig.2 Bonding method and the joint size

2 试验结果与讨论

2.1 氧化膜结构对胶接性能的影响

图3为5754-H22铝合金板试样经过阳极氧化和封闭处理后氧化膜的表面形貌。由图3a显示，当采用高温纯水封闭时，试样表面被花瓣状的封闭产物所覆盖。这是由于在高温封闭过程中，Al2O3和H2O反应生成了水合氧化物AlO(OH)[6]，该水合氧化物力学性能差，与铝基体结合强度低，易脱落。相比而言，图3b显示当采用含封闭剂的高温封闭时，氧化膜表面平整，可以观察到表面存在直径约5 nm～10 nm的纳米孔洞，这是一种高表面能结构，具有较强的吸附性能。原因是封闭剂中所含有的膦化物成分能有效抑制表面氧化物水合作用的进行[2]，阻止水合氧化物的形成，维持表面阳极氧化膜的多孔状形貌。

胶接断裂方式可以分为胶层内部发生内聚破坏，胶层与被粘物之间发生的界面破坏，其发生形式取决于胶层内聚强度与胶层/被粘物界面结合强度之间的竞争关系。当内聚强度高于界面强度时，发生界面破坏；当内聚强度低于界面强度时，发生内聚破坏。通常发生内聚破坏的断裂力要高于界面破坏的。因此，要取得良好的胶接效果，表面处理状态至关重要。

图4为5754-H22铝合金试样阳极氧化后经不同封闭处理后的拉伸曲线和断裂形貌。两种试样的屈服力均大致为24 kN。这与5754-H22铝合金板材屈服强度是相关的，在发生屈服后，继续拉伸，纯水高温封闭试样率先发生断裂。从剥离形态来看，高温纯水封闭试样为界面破坏，即胶黏剂/试样结合强度低于胶层结合强度。这说明所观测到的封闭产物不利于胶接，封闭产物阻止了胶黏剂与板材的直接接触，因此，在拉伸过程中，封闭产物被胶黏剂黏附后与基体板材发生脱离。由于封闭产物与板材的结合力较弱，故迅速发生脱落，导致胶黏剂与板材完全脱开，发生界面破坏。采用封闭剂的高温封闭，表面存在多孔状结构，增加了胶黏剂与板材的接触面，胶黏剂渗透到孔洞中形成“钉扎”，一方面增强粘接界面上的机械啮合作用，另一方面，粘接界面上分子间物理作用和化学作用的实际表面积增大。剥离面形态显示为内聚破坏，即胶层内部发生破坏，从断裂曲线来看，内聚破坏有效提高了断裂力，相比于界面破坏，内聚破坏使断裂力上升了3 kN。

图4 5754-H22铝合金阳极氧化后不同封闭处理经胶接固化后试样拉伸曲线和胶层断裂形貌Fig.4 The tensile curve and the adhesive layer fracture morphologies of anodized 5754-H22 aluminum alloy specimenbonded and reinforced by different sealants

2.2 铝合金板力学性能对胶接性能的影响

5754铝合金板单搭接试样在准静态拉伸过程中，由于拉力不能作用在同一直线上，铝合金板会发生弯曲和搭接部位的转动，这导致胶层内除了存在平行于外力的剪切应力外，还有偏心弯矩引起的垂直胶接面的正应力——剥离应力。剥离应力的存在会大大降低了胶接接头的强度，整个拉伸断裂过程如图5所示。

图5 单搭接试样拉伸断裂过程示意图Fig.5 Diagram of single-lap tensile fracture

在拉力和偏心矩的作用下，单搭接试样会逐渐发生静态拉伸、扭转变形以及最终断裂。材料在第二阶段在偏心距的作用下发生转动变形所需要的力与材料的屈服强度息息相关，这也会最终影响材料的胶接强度。

图6所示为5754铝合金H111和H22状态试样的胶接后拉伸曲线。试样在经过相同的阳极氧化处理后，其胶接性能出现了明显不同。从图4可以看出，在拉伸过程中，试样依次出现弹性变形和塑性变形，由于5754-H111和5754-H22铝合金的屈服强度分别为110 N/mm2和155 N/mm2，因此，5754-H111和5754-H22铝合金的屈服力分别大致为18kN和24 kN，在发生塑性变形后，对应图5的第二阶段，作用力逐渐归为同一直线，此时，促使胶接发生撕裂断裂的正应力即剥离应力成为发生断裂的主导作用力，最终，优先发生屈服出现剥离应力的5754-H111铝合金试样胶层率先断裂，其断裂力为29 kN。而屈服强度较高的5754-H22铝合金试样胶层在33 kN的拉伸力下发生断裂。从断裂面来看，两者同属于胶层与胶层之间发生的断裂破坏，也即胶层本身的内聚剥离，剥离方式相同。因此，影响最终胶接断裂力的只是材料本身的屈服强度，屈服强度越高，断裂力越大。

图6 5754铝合金H111和H22状态试样胶接固化后拉伸曲线和胶层断裂形貌Fig.6 The tensile curve and the adhesive layer fracture morphologies of the bonded and reinforced 5754 Al alloy specimens at H111 and H22 tempers

2.3 不同刻蚀量试样厚度变化对胶接性能的影响

试验板材初始厚度是2 mm，在进行阳极氧化处理时，碱蚀工序会对基体材料进行全面的腐蚀，其结果是碱蚀时间过程会导致试样厚度明显下降，选取了低度、正常和高度碱蚀不同刻蚀量的试样，研究刻蚀量对其胶接性能进行表征。经过不同时间的碱蚀后，试样的厚度从2.0 mm下降至1.9 mm和1.7 mm，在其他工艺参数不变的条件下，对阳极氧化后的试样进行胶接和拉伸试验，结果如图7所示。由图7可知，碱蚀后三种不同厚度的试样其弹性变形阶段基本吻合，当达到材料的屈服强度时，由于试样厚度不相同，屈服力逐渐出现分化，可以观察到随着厚度的下降，屈服力逐渐下降，之后，经过塑性变形后，胶层逐渐发生断裂，断裂形态均为内聚破坏。

图7 不同刻蚀量的铝合金试样胶接固化后拉伸曲线和胶层断裂形貌Fig.7 The tensile curve and adhesive layer fracture morphologies of the bonded and reinforced Al alloy specimens with different etching amounts

3 结 论

1)采用特殊的封闭处理方式可以使封闭后的铝合金试样阳极氧化膜维持多孔结构，具有优异的胶接性能。

2)在相同的表面状态下，铝合金试样基体屈服强度越高，其胶接强度越高。

3)阳极氧化过程预处理的碱蚀工序刻蚀会造成试样厚度下降，使胶接强度下降。