结构胶胶接接头在混合连接工艺中的应用研究进展

宫海楠, 张广鑫

（1.黑龙江省科学院 高技术研究院，黑龙江 哈尔滨 150040；2. 黑龙江省科学院 石油化学研究院，黑龙江 哈尔滨 150040）

0 引 言

目前工业上使用的连接技术主要有：机械紧固、焊接和胶粘接。与单独的连接技术相比，胶接连接金属有几个优势。它在低温下创建键合，在一次操作中结合粘接和密封，提供热绝缘和电绝缘，均匀分布应力，外观表面光滑，并提供疲劳、振动和声音阻尼。在许多实际应用中，其节省了物体结构质量，简化了结构设计[1,2]。混合连接工艺结合其母工艺的最佳特性，将两个或多个连接过程相结合，将一种胶粘剂与另一种连接方法结合，以达到高模量、高强度和永久粘接的效果。其主要优点包括:抗疲劳性提高，应力分布更均匀，抗剥离和抗冲击、结构质量减轻、更好的荷载共享和密封性能好等。

在混合连接工艺中最常用的胶粘剂是结构胶，包括环氧胶、聚氨酯胶、丙烯酸酯、氰基丙烯酸酯胶、厌氧胶和高温胶等。胶粘剂的选择过程十分困难，没有通用的胶粘剂可以满足所有的应用需求。一般来说，混合连接中使用的胶粘剂基本要求与常规胶粘剂粘接工艺中使用的胶粘剂相同。根据所使用的混合工艺，所选的胶粘剂必须具有一些特性。例如，对于焊接工艺，胶粘剂应对焊接温度有足够的耐热性，以免对最终混合接头的强度产生不利影响。胶接接头是连接结构中最重要的组成部分，本文将对结构胶接接头在混合连接工艺中的应用进行综述。

1 结构胶胶接接头在混合连接工艺中的应用

1.1 混合胶接紧固接头

许多学者对具有多个紧固件接头的混合胶接紧固接头进行了实验和数值研究。Chowdhury[3]的一项研究表明，螺栓在实践中的存在可以为混合胶接紧固接头提供故障安全机制，而单靠胶接接头是无法实现的。为了进一步证实混合胶接紧固接头的损伤耐受性，Fu 和Mallick[4]进行了疲劳测试研究，并量化了混合接头与单胶接接头相比的疲劳寿命优势。这项研究表明，在航空航天应用中使用胶粘剂粘合虽然具有可行性，但混合胶接紧固接头仍然被认为是一种低效的设计，传统的胶粘剂刚度太高，无法在粘合和紧固件之间有效地分担荷载，因此胶粘剂通过接头承担了大部分荷载。不平衡荷载分担要求混合胶接紧固接头中使用柔性胶粘剂。Kelly[5]推算了两种类型混合胶接紧固接头的荷载分担，一种是刚性环氧胶粘剂，另一种是柔性聚氨酯胶粘剂。实验研究表明，在刚性粘合层中，螺栓传递的荷载很小，因此，它对单胶接接头的改进作用是有限的。相比之下，如果胶粘剂层或附着物中有一方柔顺性较好，即弹性模量较低，粘接线厚度较高，附着物厚度较低，则效果更明显。同时建立了分析模型来评估应力[6]，预测螺栓和胶接接头中的荷载传递，及螺栓胶接复合材料接头[7]的强度。

当胶粘剂和螺栓之间有很大的荷载分担时，混合胶接紧固接头的性能比两个单独的接头都有改善。混合胶接紧固接头中的荷载分担取决于材料和几何参数的组合，在接头设计中获得适当的荷载分布并不容易。Lopez-Cruz 等[8]证明了与刚性胶粘剂相比使用柔性胶粘剂的混合胶接紧固接头的强度更高。接头强度的提高不仅是因为有效的荷载分担，还因为柔性胶粘剂能够缓解接头粘接线中的应力集中[9,10]。因此，为了改进混合胶接紧固接头设计，需要对柔性胶粘剂的性能有更全面的了解，在Lopez-Cruz 的实验中发现粘接刚度与接头强度[8]高度相关。

Crocker 等人[11]通过单轴、双轴和平面张力测试表征柔性聚氨酯胶粘剂，然后用超弹性进行建模。Duncan 和Dean[12]表征了橡胶增韧的环氧胶粘剂，并利用其超弹性模型对粘合接头进行了数值模拟。Kelly[5]在拉力下测试了聚氨酯胶粘剂，并使用弹性塑料模型进行有限元分析。Bodjona 和Lessard[13]使用基于方差的统计方法进行了全局敏感性分析，研究了不同接头设计参数对荷载分担的影响，并报告说胶粘剂屈服强度是影响荷载分担的最重要因素。几项使用强而硬的胶粘剂(即FM300,FM73,Hysol EA 9317)和薄聚合物与最强的母接头相比，胶粘剂厚度未能提高混合接头的强度[14-16]。

Liu 等人[17]对荷载行为进行了实验研究，并对同时由胶粘剂粘合和螺栓连接部件组成的FRP 混合双搭接接头进行了研究，包括胶粘剂的纤维结构(单向或多向)、胶粘剂类型(刚性或柔性)和位移率。结果表明，柔性胶粘剂混合接头的阻力和粘接螺栓连接部件的阻力相对应。增大位移速率后，接头的极限破坏荷载得到了显著提高，而变形能力并未降低。多向粘接体和柔性胶粘剂的混合接头具有较高的接头效率和优良的延展性。

Imanaka 等人[18]研究了高强度钢制成的搭接接头中盲铆钉和胶粘剂的结合，以及接头宽度和粘接性能对疲劳寿命的影响。使用丙烯酸胶粘剂的粘接接头和铆接/粘接接头的疲劳寿命大致相等，但使用环氧胶粘剂的混合接头的疲劳寿命有所增加。接头的疲劳强度随着接头宽度与孔径比的减小而增加。与粘接接头相比，铆接粘接接头的疲劳裂纹扩展速率降低。

Habibi[19]等人研究得出，胶铆连接接头同时具有铆钉接头强度和与胶粘剂接头相关的更均匀的应力分布。Gómez 等人[20]提出了一种结合弹簧和阻尼器的简单分析模型，与实验曲线相比，该模型可以重现结构胶铆连接混合单搭接的行为，误差小于15%，还提出了简化的有限元模型来分析应力分布，并进一步推算接头性能。

Marannano 等人[21]对铝和碳纤维增强聚合物（CFRP）层压板之间的粘合铆接双搭接接头进行了数值实验研究，突出了通过使用铝和钢铆钉获得的这种接头的静态和疲劳性能。图1a、b 显示了不同接头的拉伸强度和刚度的平均值。实验数据是通过对单胶粘接头、铝和钢铆钉的单铆接接头以及用铝和钢铆钉的混合接头进行拉伸试验获得的。研究结果证明，在胶接接头上引入钢或铝铆钉，其重叠长度等于理论建议的最小尺寸的两倍，可以提高静态强度，特别是疲劳性能。

图1 （a）接头的平均拉伸失效荷载( b )接头的平均刚度Fig.1 (a) The average tensile failure load and ( b ) the average rigidity of the joints

研究人员还研究了不同制造工艺、基材和铆钉材料对铆接接头结构性能的影响。Li 等人[22-24]比较了电磁铆接工艺与传统铆接工艺的优缺点，证明前者比后者更稳定，并且铆钉经历了剪切破坏。Di Franco 等人[25]研究了自冲铆接(SPR)的效果，发现自冲铆接会破坏纤维的连续性，从而降低CFRP 基板的力学性能。研究中，铆钉的插入方向没有被考虑在内。在铆接接头中，聚合物由于复合材料衬底的应力集中或分层，衬底上的通孔会大大降低接头强度。

Moroni 还研究了混合铆钉粘合接头的力学行为[26]。他们进行了一项广泛的实验研究，比较单独和混合接头在强度、刚度和能量吸收方面的差异，也考虑了一些几何和环境变量的影响。他们发现，与单独使用铆钉的接头相比，混合接头（铆钉连接接头）增加了最大荷载和初始刚度。

Sadowski 和Golewski[27-29]使用具有相同粘合面积的混合接头的13 种不同模型来研究形状对接头强度的影响。他们分析了单圈和双圈混合接头紧固件的不同分布。发现接头的初始刚度不受倒角尺寸的影响，但倒角的使用显著增加了强度。他们指出，紧固件应远离垂直于拉力方向的搭接轴线，以实现多紧固件的最佳分布。

Presse 等人[30]研究了由自穿孔铆钉和胶粘剂接合的多材料连接的疲劳寿命。基于结构应力方法和材料SN 曲线对自穿孔铆钉和粘合连接的疲劳寿命进行了估计。这两个数值评估概念都是在不同的材料和厚度组合上开发的，并与实验观察到的疲劳寿命有很好的一致性。

Romanov 等人[31]对多螺栓混合胶接紧固复合材料接头的静态行为和荷载分担进行了参数化研究，研究了5 种不同的几何配置：重叠长度、螺栓之间的距离和到螺栓的边缘距离。研究发现，胶粘剂和螺栓之间的荷载分担取决于几何形状，即通过较短的接头重叠长度和较小的螺栓边缘距离改进的。结果表明，与荷载分担相比，接头重叠面积是强度提高的主要因素。然而，在重叠面积不变的情况下，增强的荷载分担会导致更高的接头强度，显示出它们之间的非线性关系。

1.2 焊接工艺和胶接

简要讨论了结构胶在粘结和焊接工艺相结合的最常见的混合连接技术中的应用。

1.2.1 电阻点焊胶接

与单胶粘剂粘合或电阻点焊相比，点焊接头和胶粘剂层有着明显竞争优势。Charbonnet 等人[32]利用三种镀锌低碳钢、一种单组分环氧胶粘剂和一种单组分橡胶密封剂进行实验，结果证明，焊接部件的行为与连续粘接接头类似，与传统点焊接头相比，提高了其整体性能。

Peroni 等人[33]研究了由深拉钢制成并采用不同连接系统连接的薄壁闭截面结构件的渐进坍塌行为，研究了以不同连续连接技术为特征的解决方案，并将其与通常的点焊解决方案进行了比较，这对于汽车结构来说是非常规的。考虑到不同类型的胶粘剂(丙烯酸酯和环氧树脂)和激光焊接，他们发现，连续连接结构通常比点焊结构更好，并有着更高的刚度和抗疲劳强度，更好的振动响应，特别是在使用胶接接头的情况下。

Piwowarczyk 等人[34]的实验获得了混合接头(聚氨酯胶粘剂+点焊接头)，其比胶粘剂接头或电阻点焊接头具有更高的机械强度。同样，Pizzorni 等[35]也使用半结构、柔性环氧-聚氨酯胶粘剂组装接头对DP1000 钢基板制成的混合电阻点焊胶接接头进行了实验研究，并对静态和疲劳进行了评估，将点焊接头与胶粘接头进行了比较，结果证实了点焊接头和弹性胶粘剂混合连接更具可靠性。

聚合物焊接接头的失效过程仍未被完全了解，也不存在既定的失效准则，主要原因是焊核与粘结层的共存使得应力应变分析更加复杂[36]。Campilho等人[37]考虑到一种延性胶粘剂，对混合焊接单搭接头进行了实验和数值研究，与点焊和胶粘剂结合的等效接头进行了比较。对重叠长度的参数化研究允许在不同条件下对这种混合技术的强度优势进行适当表征。对损伤增长的有限元方法(FEM)和内聚区模型(CZM)也进行了测试，以评估这种技术的强度预测，显示出对各种接头的准确估计。

综上所述，大量研究表明，焊接接头的搭剪强度、耐腐蚀性和疲劳性能均高于传统点焊接头，而焊接接头主要用于获得更高的静强度和刚度，以及优越的疲劳强度。

1.2.2 搅拌摩擦焊接胶接

对于搅拌摩擦焊接胶接技术而言，必须使用具有高耐热性、良好的润湿度和流动特性的聚合物胶粘剂，以获得良好的金属表面粘结。实现这一目的最佳选择是环氧基胶粘剂(单组分或双组分)和聚酰亚胺基胶粘剂[38]。因此通过将搅拌摩擦焊接和胶粘结合成搅拌焊接胶接，由于粘接层降低了焊缝边缘的剥离应力，大大提高了接头的整体力学性能[39]。该方法被用于提高镁铝搅拌摩擦点焊焊接接头的强度，从而提高了准静态强度和抗疲劳强度[40]。同样，对AA2024-T3 的连续重叠接头采用该方法，使其准静态强度和抗疲劳强度明显提高[41]。Lertora等[42]于2019 年研究了AA6082 铝合金焊通和流入配置下的搅拌摩擦焊接胶接，发现后者提高了接头强度和接头疲劳寿命。在另一项研究中，Fortunato等人[43]发现将超声检测应用于搅拌摩擦焊接接头检查是一种评估接头质量的可行方法。

2 结 论

现如今的制造业中，轻量化、多材料结构等新趋势以及对不同材料连接的需要，使得对混合连接工艺的研究热度持续不减，在混合连接工艺中，使用结构胶粘剂的优势包括:增强疲劳和抗冲击性，更高的粘结强度，以及更大的设计灵活性。对混合工艺数值模拟的研发将有助于确定工艺参数对混合接头质量的影响，并将促进混合连接工艺在工业领域的优化及推广。