表面处理对车身用5182铝合金接头胶粘性能的影响∗

陈硕琛，李光耀，2，崔俊佳，2

前言

铝合金具有密度小、耐腐性强、力学性能好等优点，用于汽车车身结构件和覆盖件中可大幅度提升车身刚度、减轻车身质量、降低油耗。与传统钢材相比，在力学性能指标相同的情况下，使用铝合金代替钢材可使汽车车身质量减轻60%。因此，铝合金的大量应用是未来汽车发展的趋势[1-2]。“以铝代钢”后必然涉及其间的连接工艺，但由于铝合金的物理、化学性质与钢材存在较大差别，传统的连接方式难以实现有效、可靠的铝钢连接。

胶接工艺具有连接效率高、连接性能好、对被连接件材料可容性强等优点，适合于铝合金部件之间的连接。目前，在航空航天领域中，胶接工艺有着广泛的应用[3]。但在汽车领域中，主要用于车身密封和辅助点焊，在白车身结构上的应用并不多见。胶接接头的表面质量是直接影响胶接性能的重要参数，建立胶接母材表面处理工艺、接头参数与胶接性能之间的关系有利于胶接工艺的大规模应用。对此，国内外的科研人员做了大量的研究工作。在表面处理工艺方面，刘晓静等对比了4种不同的母材表面处理工艺对铝合金板件接头剪切强度的影响，发现通过阳极氧化处理的铝合金板件接头的强度最高[4]。C.Borsellino的研究发现砂纸打磨母材可改变铝合金的表面自由能，从而改变接头强度[5]。在搭接参数方面，郑小玲等模拟了胶瘤对接头强度的影响，发现在搭接接头中胶瘤可减小接头端部的应力集中现象，从而提高接头强度[6]。李龙等发现接头的刚度不平衡会导致胶层应力不平衡，从而增加胶层界面失效的风险[7]。兰凤崇等进行了铝镁合金胶接接头的应力分析，发现接头长度的增加会降低接头内部应力峰值，提高接头强度[8]。刘昌发等研究了接头尺寸对铝锂合金接头强度的影响规律，发现合理的胶层厚度为0.2～0.6mm，搭接长度为12～16mm[9]。

目前国内外的研究中，对于汽车用铝合金板件的表面质量参数与接头力学性能之间的关系的相关研究较少，缺乏对板件表面性能与接头强度之间关系的系统分析。本文中选用5182铝合金板搭接接头作为研究对象，使用不同目数的砂纸对铝合金板表面进行打磨，实际上是打毛以增加其表面粗糙度，从而提高其粘接强度。文中从微观表面形貌、粗糙度两个方面探究打磨程度对铝合金接头拉剪强度的影响规律。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

5系铝合金具有良好的成形性能，可用于汽车内覆盖件的制造。采用5182铝合金板作为母材，材料参数如表1所示。胶粘剂选用西卡power 497结构胶，材料参数如表2所示。单搭接接头的搭接尺寸依据标准ASTM D1002[10]设计，具体参数如图1所示，其中接头长度为 12.5mm，胶层厚度为0.2mm。

表1 铝合金板件材料参数

表2 胶粘剂材料参数

图1 胶接接头搭接示意图

1.2 粘接过程与表面处理方法

为探究不同表面形貌对胶接接头强度的影响，将试验选用的铝合金板件表面处理方式分为两组:一组使用丙酮清洗；另一组采用不同目数的砂纸交错打磨，打磨完成之后再使用丙酮对板件进行清洗。使用 5种不同目数的砂纸(P80，P240，P360，P600，P800)对样件进行打磨。打磨的纹路为纵横交错打磨，每个样件打磨100次。

将打磨后的铝合金板件涂胶，随后进行装配和固化处理，其中固化处理采用电阻炉加热固化，固化温度为180℃，固化时间为2h。

母材的微观表面积和表面粗糙度作为两个表面形貌的关键参数，对胶接的接头质量起着关键作用。合适的表面粗糙度可有效提高接头强度，而母材微观表面积的增加为胶层与母材的接触提供了更大空间，从而对接头强度有积极影响。在打磨完成后的样件上选取5个位置，如图2所示，使用Olympus DSX510光学显微镜测量它们的面粗糙度和微观表面积。其中面粗糙度表示为表面的算术平均高度:

式中:Sa为面粗糙度；A为微观表面积；Z(x，y)为表面各点高度。

图2 表面质量观测位置示意图

固体的表面自由能γ(mJ/mm2)是物体表面分子间作用力的体现。在本场合，代表打磨过程中，为改变表面形态，增加单位微观表面积须做的功，其值的变化会影响固体和液体的接触效果，进而影响胶接强度。因此，测量不同表面处理后母材的表面自由能，用于解释微观形貌和接头性能的联系。表面自由能γ由两个主要部分组成:

式中:γD为色散作用成分；γP为偶极作用成分。根据Owens和Wendt的理论，当液体在固体表面扩散时，固体表面自由能和液体的表面张力存在如下关系[11]:

式中:γS为固体总表面能；γL为液体表面张力；θ为固体和液体的接触角。由式(3)可知，只要知道两种液体(一种极性，一种非极性)与固体的接触角和液体的表面张力、色散分量和极性分量，即可算得固体的表面能。在试验中使用JC2000D2(RT-400)型接触角测量仪(图3)对极性(蒸馏水)和非极性(二碘甲烷)液体(材料参数见表3)与不同表面质量的铝合金接触角进行测量，计算得到母材表面自由能。

图3 接触角测量仪

表3 不同试剂液体表面张力 mJ·mm-2

1.3 拉伸剪切性能测试

在车辆运行中，车身单搭接胶接接头的常见受力形式为拉伸剪切，因此选用接头拉伸剪切强度用于评价胶接接头性能。

使用英斯特朗5985万能拉伸试验机对试件进行力学性能测试，加载速率为2mm/min，拉伸剪切的强度计算公式为

式中:τ为接头剪切强度；F为样件破坏的最大载荷，N；B为搭接面宽度，mm；L为搭接面长度，mm。对每个表面质量参数进行3组重复试验，接头强度取平均值，以减小误差。

2 试验结果

2.1 微观表面积和表面粗糙度

打磨会改变母材的表面形貌，进而影响到微观表面积分布。图4为不同表面处理后的铝合金板微观表面积分布情况。由图可见，未经处理的板件的微观表面积最低，经过砂纸打磨的样件微观表面积会随着砂纸目数的增加而减小。图5为不同打磨程度板件的表面粗糙度分布情况。其分布规律与微观表面积分布规律类似。未经处理的板件的粗糙度最低，经过砂纸打磨的样件的粗糙度会随着砂纸目数的增加而减小。板件的表面轮廓可直观地反映不同打磨程度下的表面质量参数之间的差异，图6为原始样件和不同目数砂纸打磨样件的微观表面形貌轮廓线。由图可见，未打磨样件的表面波峰和波谷差值很小，其最大峰谷差为2.43μm，而砂纸打磨后的样件表面存在高度差较大的波峰和波谷，当砂纸目数从800减少到80目时，其最大峰谷差会从7.14增加到19.24μm。

图4 打磨程度对微观表面积的影响

2.2 表面自由能

图5 打磨程度对表面粗糙度的影响

图6 不同打磨程度母材截面轮廓线

打磨程度的差异性导致铝合金的表面自由能有很大不同。图7为不同打磨程度下样件表面自由能分布情况。由图可见:未打磨样件表面自由能最高，为93.2mJ/mm2；当砂纸目数从80增加到600目时，铝合金板的表面自由能从56.2增加到70.8mJ/mm2；当砂纸目数从600增加到800目时，铝合金表面自由能从70.8下降到62.5mJ/mm2，使用600目砂纸打磨的铝合金样件表面自由能最高。这一规律与文献[12]描述相吻合。

图7 打磨程度对表面自由能的影响

2.3 接头强度与失效模式

砂纸的打磨可明显提高铝合金胶接接头强度。图8为铝合金胶接件剪切强度与打磨程度的关系。由图可见:未经打磨的样件剪切强度最低，仅为13.7MPa，采用360目砂纸打磨的样件剪切强度最高，达18.3MPa，比未打磨处理样件的剪切强度提高了33.6%；当砂纸目数从80增加到360目时，接头的剪切强度从16.3增加到18.3MPa，当砂纸目数从360增加到 800目时，接头强度从 18.3下降到15.4MPa。

图8 打磨程度对接头强度的影响

接头的失效模式能从侧面反映接头的强度。对于板件胶接接头，存在3种典型的胶接接头失效模式:界面失效、胶层失效和混合失效[13]。图9为不同打磨程度样件的失效断口相片。由图9(a)可见，每块失效后的板件的接头处被分成了两段，一段存在大量残胶，被定义为胶层富集区，另一段残胶较少，被定义为胶层稀少区。未经打磨的样件(图9(e))，其断口的胶层稀少区完全没有残胶分布，根据3种胶接接头的失效模式的定义，样件失效模式为界面失效。在砂纸打磨的样件中，胶层稀少区会存在部分残胶，因此经过打磨的样件失效模式都为混合失效。同时砂纸目数的不同会导致接头残胶分布情况的差异。对于80目砂纸打磨的样件(图9(b))，其胶层稀少区被虚线分成两部分，一部分存在较薄的胶层，另一部分没有胶层存在，两部分各占面积的一半左右，说明在混合失效的模式中胶层失效与界面失效模式各占约50%。当使用360目砂纸打磨样件时(图9(c))，其胶层稀少区几乎都存在一层较薄的胶层，说明在混合失效模式中胶层失效占主要成分；当使用800目砂纸打磨时(图9(d))，其胶层内部会出现气孔缺陷，无论是胶层富集区还是胶层稀少区都存在没有胶层存在的部分，说明界面失效是混合失效的主要模式。

图9 不同打磨程度样件断口形貌

3 分析与讨论

3.1 打磨程度与润湿效果

打磨会改变板件的表面粗糙度，进而影响表面自由能，而增加的表面自由能将提升胶粘剂在母材上的润湿效果。

图10为极性(蒸馏水)与非极性(二碘甲烷)液体在不同粗糙度的铝合金板件表面的润湿情况。由图可见:无论是极性还是非极性，液体都可在固体表面形成良好润湿，且母材粗糙度对两种液体的浸润效果影响规律一致；当粗糙度从2.5降低到0.8μm时，液体的接触角会降低，浸润效果会提高；当粗糙度从0.8降低到0.3μm时，液体的接触角会有一个明显的回升，浸润效果下降；最小的接触角出现在粗糙度为0.18μm的未打磨样件中，此时浸润效果最好。结合图5、图7和图10可以发现:当砂纸目数从80增加到600目时，由于表面粗糙度的降低，板件的表面自由能会不断提高，浸润效果也会明显提高；但当砂纸的目数从600增加到800目时，表面自由能有一个明显的下降，样件浸润效果变差；当使用800目砂纸打磨时，铝合金表面粗糙度Ra＝0.3μm，对样件进行表面轮廓分析可以发现，表面峰谷的高度差H＝7.54μm。研究表明，当固体表面的凸起高度达到5～9μm时，其凸起的部位在固体表面会形成类似于荷叶的表面的微米级结构[14-15]，这些微米级结构具有疏水性。因此，当砂纸目数从600增加到800目时，虽然铝合金的表面粗糙度降低了，表面变得光滑，但由于表面生成具有疏水性的微观结构，表面自由能会下降，板件浸润性变差。

图10 表面粗糙度对浸润效果的影响

对于未经打磨的原始样件，由于轧制的铝合金板表面光滑程度较高，表面粗糙度为0.18μm，峰谷差小于3μm，因此具有最高的表面自由能和最佳的浸润性。

3.2 打磨程度对力学性能的影响

胶接界面形貌是影响接头强度的重要因素，表面粗糙度的增加可增强母材与胶层的接触面积，加大两者之间的机械咬合程度，从而提高接头强度。

对于未经打磨的原始样件，表面自由能最高，胶接时胶层与铝合金表面结合最为紧密。然而，由于未经打磨的样件其表面过于光滑，难以与胶层形成大面积机械咬合，因此，其断口形貌如图9(e)所示，接头失效模式为界面失效，其接头强度较低。

对于经过表面处理的样件，不同的打磨程度引起的表面自由能变化对接头的影响也不同。当使用80目的砂纸打磨时，铝合金板的表面自由能较低。由于浸润效果差，断裂面中胶层稀少区存在大面积的无胶区，这一现象意味着在胶接过程中，胶不能完全渗入铝合金板表面的缝隙中，难以形成大面积的机械咬合，此时板件的微观表面积不能代表实际胶粘界面面积，断口形貌如图9(b)所示。当使用360目(600目)砂纸打磨时，板件有着较高的表面自由能。断口形貌如图9(c)所示，断裂面中胶层稀少区几部完全覆盖着一层薄胶层，表明胶层能完全浸入板件表面的缝隙，此时板件的微观表面积可近似代表实际的胶粘界面面积。当使用800目砂纸打磨时，由于母材表面微米级结构的存在，表面自由能较低，导致液体难以实现良好的浸润效果。因此，接头的断口中，胶层的富集区存在着大量的气泡轮廓，如图9(d)所示。

综上所述，当砂纸目数从80增加到360目时，虽然板件的微观表面积会下降，但由于表面自由能的提高，胶接浸润效果改善，实际的胶接界面面积会增加，因此接头强度也不断提高。当砂纸目数从360目增加到600目时，板件微观表面积下降，在此过程中表面自由能已经处于一个较高的水平，胶接过程浸润效果较好，因此降低的板件微观表面积会导致接头强度的下降。当砂纸目数为800目时，由于表面疏水结构的存在，导致了胶层缺陷——气泡的产生，接头强度比其他打磨程度有明显的降低。

4 结论

本文中研究了5182铝合金的打磨程度和表面形貌对胶接接头剪切强度的影响，得到如下结论:

(1)与未打磨的样件相比，使用砂纸打磨可改变铝合金板件表面形貌，增加其表面粗糙度，增加胶层与板件的机械咬合，提高接头强度；

(2)适当地增加表面粗糙度可增加胶层与板件的接触面积，达到提高接头强度的效果，而过大的板件表面粗糙度会导致胶层与板件的浸润效果变差，胶层无法完全渗入板件的微观结构中，对接头强度的提升较小；

(3)与未打磨的样件相比，砂纸打磨会使接头的失效模式从界面失效变为混合失效，对于不同打磨程度的样件，母材表面自由能越高，其混合失效模式中胶层失效所占比例越大。