拉伸速率对钢板胶接接头力学性能的影响

鹿伟青，朱传敏，牛耀民，叶 又，康柳根

(1.同济大学机械与能源工程学院，上海 201804； 2.泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201)

拉伸速率对钢板胶接接头力学性能的影响

鹿伟青1，朱传敏1，牛耀民1，叶 又2，康柳根2

(1.同济大学机械与能源工程学院，上海 201804； 2.泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201)

本文对两种钢板单搭胶接接头在不同的拉伸速率下(准静态、10m/s、20m/s)实验研究了不同拉伸速率对两种钢板接头力学性能的影响。结果表明钢板胶接接头在高速拉伸(10m/s、20m/s)时的强度相对于准静态(13mm/min)有明显提高，并且随着拉伸速率的增加而增大。这是由于在高速拉伸时接头及胶层高速形变，应变率大大增大，胶层粘性因素所产生的应力大大增加，使得接头强度提升。失效模式也随着发生改变，呈现出脆性断裂模式。被粘物材料性能的不同也会对接头强度产生影响，且这种影响随着拉伸速率的增加逐渐减小。

汽车钢板； 胶接接头； 拉伸速率； 力学性能

1 引 言

目前，胶接技术越来越多地用于车身钢板的连接[1-2]。实验研究发现拉伸速率对胶接接头强度有很大影响，而汽车在实际的应用过程中会遇到振动、撞击等[3-5]情况，使得车身各部位变形速率并不一样[6]。因此，深入研究在不同变形速率下胶接接头的力学性能对于胶接在车身中的设计及应用具有重大意义。

很多学者都对胶接接头在准静态拉伸下的力学性能进行了研究[7-9]。李刚[10]等利用三维弹塑性有限元模型分析了钢板与铝板胶接结构在承受拉剪载荷时接头内的应力分布，发现当板料厚度相同时，铝合金板侧的胶层应力大于钢板侧的胶层应力。卢志国[11]等针对汽车钢板胶接结构，通过实验得到不同胶层尺寸对接头承载能力的影响规律并建立了接头三维弹塑性有限元模型。研究发现随着胶层厚度的增加，钢板胶接结构的承载能力呈先升后降的趋势。刘伟先[12]等建立了复合材料单边斜接接头和双边斜接接头在拉伸载荷下的参数化有限元模型，通过渐进损伤分析，模拟出斜接接头的三种破坏模式，最终得到了各参数变化对斜接接头拉伸强度的影响，并对单边斜接接头和双边斜接接头结果进行了对比分析，得出双边斜接接头强度大于单边斜接接头强度的结论。大量研究表明，加载速率的不同会对材料自身性能产生显著影响。汪劲丰[13]等对CA砂浆在不同加载速率下进行了单轴抗压实验，研究了CA砂浆在高频荷载冲击等复杂外界条件下的抗压性能，并分析了试件的破坏模式、应力应变关系、抗压强度和弹性模量等的变化规律，研究表明，CA砂浆的抗压强度和弹性模量随加载速率增大而增大。提出的应力应变模型能够比较合理地描述CA砂浆在不同加载速率下的应力应变关系。罗少君[14]等根据复合材料三维粘弹性本构关系建立了纤维增强复合材料层板高速冲击损伤的有限元分析模型。研究发现，边界应力增大而冲击速度不变时，剩余速度基本不变，损伤面积先增大后减小；冲击速度增大而边界应力不变时，剩余速度线性增大，损伤面积先增大后减小。此外，还有部分学者对胶接接头在高速拉伸下的性能进行了分析研究[15-18]。陈煊[19]等研究了板厚、温度和速度对单搭接胶接接头强度的影响，结果发现，板越厚、温度越低、速度越大，剥离应力对接头的强度影响越小。Xin Yang[20]等利用一种简化的有限元模型对胶接接头的冲击行为进行了模拟。李智[21]等采用数值模拟的方法，对在动载荷和温度载荷作用下的单搭接及QFP电子封装受载胶接接头的应力响应及影响因素进行了研究。然而，从以上研究可以看出，目前的研究对于拉伸速率对钢板胶接接头力学性能的影响规律及原因分析并不充分。

本文以车身常用镀锌软钢CR3与高强钢DP1000为被粘物，用DOW BETAMATE1486 结构胶制作的单搭接头作为研究对象，对胶接接头在准静态拉伸(13mm/min)以及高速拉伸(10m/s、20m/s)下的力学性能进行了研究。

2 实 验

2.1 实验材料与试样制作

研究采用陶氏公司生产的BETAMATE1486结构胶制作接头，其基本性能参数见表1。钢板使用某车身中常用的镀锌软钢CR3与镀锌高强钢DP1000作为被粘物。两者力学性能参数见表2。

表1 陶氏结构胶BETAMATE1486性能参数

表2 镀锌软钢CR3与高强钢DP1000性能参数

胶接单搭接头制作过程如下：

(1)将钢板按轧制方向以100mm*25mm尺寸剪成块状；(2)处理周边毛刺；(3)用丙酮清洗钢板表面的油污及灰尘；(4)按照图1所示的结构尺寸，制备好接头试样，保持至少2小时。接头中使用玻璃球控制胶层厚度为0.2mm；(5)按照胶粘剂供应商的工艺条件180±2℃下30分钟对接头进行固化；(6)固化后的试样室温下保持至少24小时；(7)将多余的胶瘤去除，检查试样有无异常并剔除异常试样。

接头结构示意图如图1所示。

2.2 准静态拉伸试验

依据ASTM D1002-2001[22]标准，对每个试件加载至失效来测定接头准静态强度。所用设备为Zwick Z050拉伸试验机，拉伸速率为13mm/min。拉伸过程中试样两侧均粘有垫片以保持负载平面与拉伸机的中央平面重合。每组实验取5个试样求平均值。

2.3 高速拉伸试验

将制备好的试样在高速拉伸试验机(美国英斯特朗公司，Instron VHS8800)上以10m/s、20m/s拉伸速率测试拉伸强度。拉伸过程中试样两侧均粘有垫片以保持负载平面与拉伸机的中央平面重合。高速拉伸设备如图2所示。

图2 高速拉伸设备Fig.2 High-speed tensile machine

2.4 断面分析

为了理解钢板胶接接头在不同加载速率下的力学性能，接头的断面使用扫描电子显微镜进行分析，断面试样从拉断试样的搭接区域表面切取，观察接头断面在失效模式上的差异，并将失效模式与强度结合起来，进一步分析接头的失效过程。

3 结果与讨论

3.1 拉伸速率对强度的影响

钢板单搭接头准静态拉伸与高速拉伸结果如图3所示。从图中数据可以看出，镀锌CR3钢板胶接接头在13mm/min拉伸速率下平均强度为6.59kN，在高速拉伸10m/s速率下强度提高了95%，为12.84kN，而在高速拉伸20m/s速率下强度为19.15kN，提高了190%。镀锌DP1000钢板胶接接头的准静态拉伸强度为8.55kN，在高速拉伸10m/s与20 m/s速率下强度分别为14.55kN与19.01kN，分别提高了70%、122%。从图中折线的趋势可以看出，两种胶接接头在高速拉伸下的接头强度明显提高，并且随着拉伸速率的增加接头强度增大。

图3 加载速率对钢板单搭接头强度的影响Fig.3 Effect of tensile speed on strength of adhesive-bonded steel

为了进一步了解接头强度随拉伸速率变化的原因，下面对接头断面进行分析。

3.2 拉伸速率对断面的影响

图4 加载速率对钢板胶接单搭接头断面的影响(a) 镀锌CR3钢板接头； (b) 镀锌DP1000钢板接头a1,b1: 13mm/min; a2,b2: 10m/s; a3,b3: 20m/s;Fig.4 Effect of tensile speed on fracture surface of adhesive-bonded steel: (a) adhesive-bonded galvanized CR3; (b) adhesive-bonded galvanized DP1000

3.2.1 接头断面观察 如图4(a1)所示，镀锌CR3钢板胶接接头在13mm/min拉伸速率下的断面主要为内聚失效，且断面比较粗糙，有胶层撕裂的痕迹(图4(a1)中箭头所示胶层断裂处有明显的胶粘剂的变形凸起和互相粘连)。而其在高速拉伸10 m/s速率下(图4(a2))的断面虽然也主要为内聚失效, 但胶层呈现脆性断裂的痕迹(图4(a2)箭头处所示胶层断裂处呈现清楚的鳞片状特征)。另外，CR3钢板胶接接头在高速拉伸20 m/s的拉伸速率下的断面(图(a3))与10 m/s时的类似。这说明接头在10 m/s与 20 m/s高速拉伸下的断裂模式相类似，但与准静态拉伸存在很大区别。

对于镀锌DP1000钢板胶接接头，高的拉伸速率也使得接头断面呈现脆性断裂的特征(图4(b2)、4(b3)中箭头处所示)。这与镀锌CR3钢板接头类似。结合胶接接头强度可知，胶层的断裂模式的不同是导致胶接接头在高速拉伸下强度远高于准静态拉伸接头强度的可能原因。为了进一步明确这个原因，下面对接头断面利用扫描电镜进行微观观察及分析。

3.2.2 接头断面SEM分析 使用扫描电子显微镜对接头断面的内聚失效部位进行分析，镀锌CR3钢板胶接接头和镀锌DP1000钢板胶接接头胶层断面的

微观形貌分别如图5、图6所示。从图5可以看出，CR3钢板胶接接头在准静态拉伸下的胶层出现较多的塑性变形(图5(a)方框所示胶层撕裂处呈现明显的胶层变形及粘连)，而在高速拉伸下胶层则出现较明显的“脆性”断裂(图5(b)、5(c)方框所示断裂处胶层呈现独立清晰的鳞片状特征)。

DP1000钢板胶接接头与CR3接头胶层断裂形式类似，如图6所示。

通过扫描电子显微镜观察，进一步分析可知，由于胶层具有高分子结构，因而具有较为明显的粘性。当发生变形时，粘性因素服从于牛顿规律，即所产生的应力为：

图5 CR3钢板胶接接头在不同加载速率下断面的微观形貌 (a) 13mm/min； (b) 10m/s； (c) 20m/sFig.5 Microstructure of fracture surface of adhesive-bonded CR3 with different tensile speed (a) 13mm/min; (b) 10m/s; (c) 20m/s

图6 DP1000钢板胶接接头在不同加载速率下断面的微观形貌 (a) 13mm/min； (b) 10m/s； (c) 20m/sFig.6 Microstructure of fracture surface of adhesive-bonded DP1000 with different tensile speed (a) 13mm/min; (b) 10m/s; (c) 20m/s

(1)

另一方面，胶粘剂作为高分子材料，由大量不同构象的长链大分子组成。在外力作用下，蜷曲的长链大分子被拉伸，拉伸速率的增大使得长链大分子的反应时间缩短[23]，表现出应变敏感性，而这对于整个结构的强度、刚度及破坏形式都会产生影响[16]。

3.3 被粘物材料性能对接头强度影响

从图3镀锌CR3钢板与DP1000钢板胶接接头强度随拉伸速率的变化可以看出，在准静态及拉伸速度较低时，DP1000钢板胶接接头的强度明显高于CR3钢板胶接接头，而随着拉伸速率增加到20m/s时，这种强度的差异随之消失。这是由于在低速拉伸时，被粘物材料性能的差异会导致胶接接头的强度不同[19]。屈服强度、拉伸强度及刚度均较低的CR3软钢在准静态拉伸过程中钢板非搭接区域会发生较大变形，在搭接区域边缘胶层和钢板之间的变形不协调，这种变形的不协调会导致裂纹首先出现在搭接区域边缘并最终导致接头失效，进而接头在较低强度时就发生断裂；而DP1000由于屈服强度较高刚度较大，钢板非搭接区域在拉伸过程中不会发生大的变形，避免了胶层和钢板之间的不协调变形产生裂纹及扩展最终导致断裂，因而在准静态拉伸时强度较高。而在拉伸速率达到足够大时，两种接头之间的强度差值减小，这可能是由于随着应变率的增大，两种钢屈服强度之间的差值逐渐减小，而拉伸速率的加快，使得胶层和被粘物还未来得及发生充分变形就断裂，由于被粘物刚度不同引起的接头强度的差异不再体现出来，进而导致接头强度差异减小[24]。

4 结 论

通过对镀锌软钢CR3与高强钢DP1000单搭接胶接接头在准静态拉伸(13mm/min)以及高速拉伸(10m/s、20m/s)下的力学性能进行研究，结果发现：

1. 两种钢板胶接接头在高速拉伸下的接头强度明显高于准静态拉伸的强度，并且随着拉伸速率的增加接头强度增大；

2. 两种钢板胶接接头在高速拉伸状态下的胶层呈现脆性断裂的模式，这与准静态拉伸有很大区别；高速拉伸时，由于接头及胶层高速形变，应变率大大增大，胶层粘性因素所产生的应力大大增加，从而导致高速拉伸接头强度提高，而胶粘剂的应变敏感性也是产生这一现象的重要因素；

3. 准静态拉伸时被粘物材料性能的不同会导致接头强度的不同，而在高速拉伸时由于高应变率使得材料性能的差异减小导致接头强度差异缩小。

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Effect of Tensile Speed on Mechanical Properties of Adhesive-bonded Steel

LU Weiqing1， ZHU Chuanming1， NIU Yaomin1， YE You2， KANG Liugen2

(1.School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2.Pan-Asia Technical Automotive Center Co., Shanghai 201201, China)

Adhesive-bonded steel is widely used as automotive steel. At different tensile speed (13mm/min、10m/s、20m/s), two tensile tests of different adhesive-bonded steel were performed. The influence of mechanical properties caused by tensile speed was developed. For two different adhesive-bonded steel joints, the tensile strength at high tensile speed (10m/s、20m/s) is much higher than that at quasi-static speed (13mm/min), and the tensile strength goes up with the increase of the tensile speed. Because at high tensile speed, the deform speed of adhesive-bonded joints and the adhesive is also very high. In this case, the stress produced by the viscous factors increase greatly, and the strength of the adhesive-bonded joints is developed. The failure mode is also changed to brittle failure mode. The strength of the adhesive-bonded joints is also influenced by the properties of adherend, and the influence decreases with the increase of the tensile speed.

automotive steel； adhesive-bonded joint; tensile speed; mechanical properties

1673-2812(2017)01-0052-05

2015-11-23；

2016-01-08

鹿伟青(1989-)，女，硕士研究生。主要从事胶接结构力学行为及抗腐蚀性能研究。E-mail：zhuqingpp@126.com。

朱传敏(1969-)，男，副教授。E-mail：01065@tongji.edu.cn。

TG495

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.01.011