CFRP板厚与铆钉长度对CFRP-铝胶铆接头力学性能的影响

段心材，许莎，卞海玲，严颖清

CFRP板厚与铆钉长度对CFRP-铝胶铆接头力学性能的影响

段心材，许莎*，卞海玲，严颖清

（上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海 201620）

板材厚度和铆钉长度影响着碳纤维增强复合材料（CFRP）板和铝板的胶铆接头力学性能。文章以6061-T6铝合金和CFRP板为研究对象制备胶铆接头，通过剖面直观测量和拉伸-剪切试验来分析CFRP板厚和铆钉长度对接头力学性能的影响。结果表明：在CFRP板铺层方式相同的情况下，使用5.5 mm和6 mm的铆钉进行胶铆连接试验时，合适的CFRP板厚分别为1.35～1.62 mm和1.62～1.89 mm；当板厚相同时，较长的铆钉能获得更高强度的胶铆试样。

CFRP；铆钉长度；胶铆连接；力学性能

引言

汽车轻量化是降低汽车能耗、提高汽车性能的有效方法之一。复合材料和铝合金具有强度高、密度小等优点，目前被愈来愈多地应用到汽车车身的连接中，从而达到降低汽车整体质量的目的。汽车的车身连接通常包括焊接、胶接、螺栓连接、铆接以及混合连接等。近年来，学者们对复合材料与铝合金薄板的自冲铆接展开了研究，Kroll等人[1]探索了CFRP-铝合金板之间的半空心自冲铆接，通过建立自冲铆接模型分析铆接孔周围的应力分布。Franco等人[2-3]研究了铆钉间距对CFRP-铝合金板自冲铆接接头力学性能的影响。Amandine等人[4]讨论了圆头铆钉和平头铆钉对复合材料与铝合金板连接接头动态疲劳载荷的影响。昆明理工大学何晓聪团队[5-6]分析了复合材料与铝合金板连接接头的成形机理、失效形式、接头质量等。然而，研究发现铆接接头的铆钉孔周围经常会有应力集中的现象，并且板件间连接的密封性较差。因此，有学者开始将胶接与铆接两种技术结合起来用于复合材料与金属的连接，以提高接头的力学性能和密封性能。

Sadowski等人[7]研究了铆钉布局对胶铆接头的变形和应力的影响，得到了优化的铆钉布局方案。Franco等人[8]通过拉伸试验对复合材料与AA2024-T6铝板的胶接、铆接以及胶铆连接的力学性能进行对比。Marannano等人[9]分析了采用不同材质铆钉时复合材料与AW6082-T6铝合金搭接接头的失效模式及疲劳性能。Yang Liu等人[10]制备了不同铺层角度的CFRP与AL5754板的胶铆接头，研究了各组接头的力学性能，观察铆钉孔周围板材的破坏形态，分析了接头的失效机理。国内学者在连接方式、胶粘剂种类、铆钉尺寸等方面对胶铆连接强度进行研究。杨琨等人[11]探讨了CFRP与高强度钢胶铆连接的工艺和性能。刘晓东等人[12]针对不同的胶粘剂及铆钉尺寸对胶铆接头的失效形式进行了总结。卢嘉伟等人[13]将CFRP与AL5052薄板分别进行自冲铆接、胶接和胶铆连接，采用剖面直观检测方法对接头成形质量进行了评价。

针对复合材料与金属的胶铆连接，国内外学者已经从CFRP铺层方式、胶粘剂种类、铆钉材质等方面开展了研究，但是影响复合材料与金属胶铆接头力学性能的因素较多，板材厚度和铆钉长度会对胶铆接头的力学性能产生很大的影响，而目前对于这两种因素的研究较少。因此，本文以CFRP与6061-T6铝合金薄板作为研究对象，通过试验研究不同类型胶铆接头力学性能的变化规律，从而得到最优的胶铆连接参数。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

图1 胶铆连接示意图（单位：mm）

试验中使用的碳纤维增强复合材料（CFRP）板的型号为T300，铝合金板为1.5 mm厚的6061-T6铝合金。胶粘剂的牌号为ET5429，是由环氧树脂和多胺硬化剂混合而成，适合用于绝大多数复合材料和金属的连接。自冲铆钉为半空心铆钉，材质为45号钢。CFRP和铝合金板的尺寸为150 mm×40 mm，采用搭接方式，搭接长度为30 mm，如图1所示。代表CFRP板的厚度。

1.2 试验方法

在制备胶铆试样时，首先使用酒精擦拭铝板表面去除油污。同时使用400目砂纸打磨CFRP板的表面，在不破坏纤维的前提下去除板材表面的保护层，打磨结束后用酒精擦拭材料表面残留的碎屑，并在室温下进行风干。表1所示是本文CFRP与铝板胶铆连接试验的方案。表1中，字母S和L代表铆钉的长度。S代表短铆钉，L代表长铆钉。字母S或L后的数字为CFRP层合板的层数，横杠“-”后的数字为铆钉的长度。如“S12-5.5”代表CFRP板的层数为12，铆钉长度为5.5 mm的胶铆试样。

表1 不同CFRP板厚与铆钉长度的胶铆试样

试样类型CFRP铺层方式CFRP厚度/mm试样个数 S8-5.5[0/90]2S1.085 S10-5.5[0/90/0/90/0]S1.355 S12-5.5[0/90]3S1.625 L12-6[0/90]3S1.625 L14-6[0/90/0/90/0/90/0]S1.895 L16-6[0/90]4S2.165

1.3 接头剖面制备

胶铆连接接头的质量，通常采用剖面直观测量来评价，在连接试验完成后需要进行接头剖面的制备。采用图2(a)所示的SQ-100型切割机沿着铆钉头部的子午线进行切割。切割完成后，采用图2(b)所示的金相磨抛机对剖面进行反复研磨直到剖面清晰。然后利用图2(c)所示的体视显微镜观察研磨后的剖面，测量并记录接头质量主要评价参数如内锁长度、铆钉头部高度和剩余厚度等。根据剖面直观测量质量评价标准的规定[14]，当铆钉头部高度的绝对值在0～0.3 mm之间，剩余厚度不小于0.14 mm时，铆接接头的质量较好。

图2 接头剖面制备试验设备

1.4 拉伸-剪切试验

本文采用MJD-200B型微机控制万能拉伸试验机对CRFP-铝板胶铆接头进行拉伸-剪切试验。试验过程中的拉伸速度为5 mm/min，最大拉伸力为200 kN。试验时采用夹具将胶铆接头两端夹紧，记录并保存拉伸的载荷-位移数据。

2 结果及讨论

2.1 剖面直观测量

图3为六种类型胶铆接头的剖面直观图。从图3可以看出，六种类型胶铆接头的铆钉头部高度绝对值都低于0.3 mm，表明接头具备一定的密封性。六种类型胶铆接头的剩余厚度都大于0.14 mm，说明铝合金板在铆接过程中没有出现裂纹，能够较好地成形。内锁长度是用来评价胶铆接头强度的重要指标，从图3中可以看出，同样的铆钉长度下，接头的内锁长度随着CFRP板铺层数的增加而逐渐下降。图3(f)中，当CFRP板的厚度为2.16 mm且铺层数为16层时，内锁长度只有0.131 mm，远小于其他几种胶铆接头的内锁长度，说明该接头在承受外界载荷时容易发生断裂。从图3还可看出，在同一铆钉长度下，随着CFRP板厚度的增加，铆钉腿部空心处的CFRP材料也增多，这样就会造成铆钉腿部不能与下板充分接触从而产生互锁，接头质量较差。

图3 不同类型的胶铆接头剖面图

2.2 载荷-位移曲线

图4所示为六种不同类型胶铆接头拉伸试验的载荷-位移曲线。从图4可以看出，除了S8-5.5这组接头外，其他五种类型的胶铆接头都经历了弹性、塑性、胶层失效和铆钉失效这四个阶段。S8-5.5接头试样在胶层失效阶段发生断裂，没有经历铆钉失效的阶段，如图4中虚线方框所示。S8-5.5接头试样的CFRP板的厚度为1.08 mm，铺层数为8。当胶层失效后，CFRP板铆钉孔周围的材料将受到铆钉的挤压，由于CFRP板的厚度较薄，不足以提供铆钉头部足够的支撑，从而导致接头发生突然断裂，接头的极限失效载荷较低。从L16-6接头试样的载荷-位移曲线可看出，胶铆接头在铆钉失效阶段的位移仅为0.492 mm，与其他五种接头的铆钉失效位移相比较短。这是由于L16-6的内锁长度为0.131 mm，铆钉与铝板不能形成良好的互锁结构，从而导致接头在铆钉失效阶段发生断裂。

图4 六种胶铆接头试样的载荷-位移曲线

图5 极限失效载荷平均值及能量吸收值

图5所示为六种胶铆接头的极限失效载荷平均值和能量吸收值。从图5可以看出，当铆钉长度为5.5 mm时，S8-5.5接头的极限失效载荷和能量吸收值最小。S10-5.5和S12-5.5接头的极限失效载荷和能量吸收值差别不大，但与S8-5.5接头相比两者分别提升了16%和70%左右。当铆钉长度为6 mm时，L12-6和L14-6接头的力学性能相比L16-6接头来说表现更优，尤其是能量吸收值提高了大约30%。当CFRP板的铺层数和厚度相同的情况下，比如S12-5.5与L12-6接头，使用长度为6 mm的铆钉所获得的胶铆接头的强度更高。因此，CFRP板与铝合金板胶铆接头的力学性能受板材厚度和铆钉长度的共同影响，为了获得优良的胶铆接头力学性能必须综合考虑这两个因素。

2.3 失效模式

图6所示为六种类型胶铆接头的失效模式。图6(a)所示为S8-5.5胶铆接头的失效模式。从虚线框的失效位移可以看到CFRP板与铝板上下分离，胶粘剂失去黏结力，但CFRP板与铝板仍然由铆钉连接在一起。这是因为在拉伸剪切力的作用下，铆钉头部一侧将CFRP板分层，导致CFRP板被铆钉头部固定住而未发生脱离。图6(b)为S10-5.5胶铆接头失效模式，被刺穿的CFRP板在拉伸过程中受到铆钉头部的挤压发生分层撕裂，使得铆钉孔变大而无法继续够承受更多的外载荷，同时由于铆钉腿部与铝板的内锁长度较大，互锁性能较好，所以铆钉没有脱离下层铝板。铝板有少量的胶粘剂存在，胶粘剂的破坏为混合破坏模式。

图6 不同类型胶铆试样失效模式

图6(c)到图6(f)所示的四种胶铆接头的失效模式都是铝板脱离铆钉和CFRP板，铆钉位于CFRP板并有脱离的趋势，同时铆钉头部挤压CFRP板导致铆钉孔周围出现纤维撕裂破坏的情况。胶层的失效模式为混合破坏。图6(c)和图6(d)所示的铝板上附着有胶粘剂和CFRP板基体材料。图6(f)所示的L16-6胶铆接头铝板端部附着有0°铺层的纤维，而CFRP板上90°铺层的纤维裸露在外，说明胶铆接头端部胶粘剂与板材的黏结力大于复合材料基体与增强体之间的黏结力。图6中不规则图形注明的区域代表黏结空隙，这些粘接空隙的产生主要是因为胶粘剂未能与板材充分接触。

3 结论

本文针对CFRP板与铝板的胶铆连接问题，分别使用不同厚度的CFRP板和不同长度的铆钉进行胶铆连接试验，并对不同接头试样进行拉伸试验和失效模式分析，得出以下结论：

（1）当铆钉长度不变时，随着CFRP板厚度的增加，胶铆接头的内锁长度降低。

（2）在CFRP板铺层方式不变的前提下，为了获得较好的接头质量，当铆钉长度为5.5 mm时，适合的CFRP板厚为1.35～1.62 mm；当铆钉长度为6 mm时，适合的CFRP板厚为1.62～1.89 mm。当CFRP板厚相同时，使用5.5 mm长的铆钉获得的接头强度比使用6 mm长铆钉的低。因此，为了获得良好的胶铆接头力学性能必须综合考虑这两个因素。

（3）CFRP与铝板胶铆连接接头的主要失效模式为铝板脱离CFRP板和铆钉，以及胶层的混合失效。由于S8-5.5和S10-5.5的胶铆接头的上层CFRP板比较薄，这两种接头的失效模式与其余四种接头有所不同。S8-5.5接头失效后CFRP板、铝板和铆钉仍然连接在一起，而S10-5.5接头的CFRP板脱离铝板和铆钉。

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Effect of CFRP Plate Thickness and Rivet Length on Mechanical Properties of CFRP- Aluminum Bond-riveted Joints

DUAN Xincai, XU Sha*, BIAN Hailing, YAN Yingqing

( School of Mechanical and Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620 )

The thickness of Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP) plate and the length of rivet affect the mechanical properties of bond-riveted joints between CFRP and aluminum plate. In this paper, 6061-T6 aluminum alloy and CFRP plate were used as research objects to prepare bond-riveted joints. The effects of CFRP plate thickness and rivet length on the mechanical properties of joints were analyzed by means of section measurement and tensile shear test. The results show that the suitable thickness of CFRP plate is 1.35～1.62mm and 1.62～1.89mm respectively when 5.5 mm and 6 mm rivets are used for bond-riveted test under the same stacking mode of CFRP plate; when the thickness of plate is the same, longer rivets can obtain higher strength riv-bonding samples.

CFRP; Length of rivet; Bond-riveted joint; Mechanical property

U465;U466

A

1671-7988(2021)23-128-05

U465；U466

A

1671-7988(2021)23-128-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.036

段心材，就读于上海工程技术大学机械与汽车工程学院。

许莎，博士，讲师，就职于上海工程技术大学机械与汽车工程学院。