温度对钢/铝粘接接头失效强度影响的研究∗

那景新，浦磊鑫，秦国锋，陈立军

(1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022； 2.广西师范大学职业技术师范学院，桂林 541004；3.吉林大学，大数据与网络管理中心，长春 130022)

前言

轻量化材料的使用是缓解能源危机和环境污染、实现车身结构轻量化的重要途径之一[1-2]。为了减轻客车车身质量，目前有客车使用铝合金面板三明治夹芯蒙皮结构来实现轻量化目标，而该结构的应用必然会引发铝合金与客车钢骨架之间的连接问题。粘接技术作为一种新型的连接技术，在实现新材料的连接[3]，尤其是异种材料的连接上存在较大的优势[4]，此外，粘接结构还具有应力分布均匀、粘接强度高和质量轻等优点[5]。

车辆在运行过程中，大部分的粘接组件会受到温度、湿度和盐雾等多种环境因素的影响。其中，湿度、盐雾等环境因素的影响可通过密封和涂装工艺的改进进行避免或减轻。而粘接剂作为一种高分子化合物，其力学性能受环境温度的影响较大[6-7]，特别是当温度接近材料的玻璃转化温度时，影响更为明显[8-9]。因此，本文中重点研究温度变化对粘接结构性能的影响。

目前，国内外许多学者就温度变化对粘接接头强度的影响展开了相关的研究。大连理工大学胡平、韩啸等采用脆性和韧性两种结构胶粘剂，利用仿真与试验的对比分析，研究了非平衡接头在极端温度环境下剪切强度的变化[10]。ZHANG F等人总结了加速老化试验作用后的钢铝单搭接接头剩余强度变化规律，发现接头老化行为受到粘接剂与基材结合界面强度和环境温度加载路径的影响[11]。BANEA M D等人研究了不同温度(室温，100，125和150℃)对XN1244粘接剂性能的影响，研究结果发现，在一定的加载速率下，接头强度几乎随温度呈线性下降[12]。BANEA M D和SILVA L F M D研究了环境温度对AV138和SIKA-552两种粘接剂力学性能的影响，研究结果显示，随着温度的升高，SIKA-552的剪切强度急剧下降且失效模式也发生了改变[13]。

现有的试验研究和仿真分析大都是针对同种材料粘接的研究，而对于钢/铝异种材料粘接的研究相对较少。此外，研究对象往往只考虑了纯拉和纯剪这两种简单应力状态下的接头，而车辆结构在实际使用的过程中，往往是处在复杂应力状态下，会同时受到拉应力和剪应力的作用。

因此，本文中选取了3种处于不同应力状态下的厚基底剪切接头、对接接头和45°嵌接接头，根据车辆服役温度特点，从安全的角度出发，选取-40，-10，25，50和80℃ 5个温度点，进行测试，研究温度变化对不同应力状态下粘接结构力学性能的影响。首先，通过对试验数据进行统计处理，分析了粘接接头刚度、失效位移随环境温度的变化规律。接着分析温度对接头失效强度的影响规律。然后，分析温度对粘接接头失效形式的影响。最后，对接头正、剪应力值进行拟合，建立不同温度下的应力失效准则，为复杂应力状态下车辆上粘接结构的失效预测提供参考依据。

1 试验过程

1.1 材料选择与试件设计

本文中所选取的粘接剂为Plexus MA832，该粘接剂是一种专门为金属结构粘接设计的双组份甲基丙烯酸脂类胶粘剂，其工作温度为-40～82℃。粘接试件的基体材料为车体结构中经常使用的6005A型铝合金和304不锈钢。主要材料参数如表1所示。

表1 主要材料参数

为使粘接接头受温度影响的规律得到更合理的分析，采用 DSC Q2000 V24.11 Build 124设备对Plexus MA832粘接剂的玻璃转化温度Tg进行了测试。该测试在氮气中进行，温度变化为5℃/min。由于粘接剂的玻璃化转变是一个过程，故取起止温度的平均值作为玻璃化转变温度的参考，测试结果如图1所示，可知Plexus MA832的玻璃转换温度Tg约为82.6℃。

图1 Plexus MA832玻璃转换温度

为了研究不同应力状态下，钢/铝粘接接头的力学性能，本文中选取铝合金厚基底剪切试件、45°嵌接试件和对接试件，分别代表纯剪应力状态、拉、剪组合应力状态和纯拉应力状态。其中，厚基底剪切接头和对接接头虽然在实际的胶层内部同时存在拉应力和剪应力，但在工程应用中可假设为纯剪应力和纯拉应力[14]。考虑到不锈钢加工成大尺寸试件较为困难，本文中将不锈钢设计成1mm厚的片状基材，并将其粘接在铝合金试件上，形成完整的钢/铝粘接接头，对接和45°嵌接钢/铝粘接接头如图2所示，其中粘接胶层厚度为0.2mm。此外，为提高接头的利用率和粘接夹具的统一性，对接接头不仅可用于纯拉应力的测试，如图3(a)所示，还可通过辅助装置进行纯剪应力的测试，如图3(b)所示。

图2 接头几何尺寸(单位：mm)

图3 测试原理图

1.2 试件粘接

粘接试件的制备需要在无尘、稳定的环境(温度为25±3℃，湿度为50%±5%)下进行。涂胶之前，首先使用80目砂纸打磨铝合金和不锈钢试件的粘接表面，然后使用丙酮擦拭粘接表面，去除粘接表面的油脂和灰尘。待试件干燥后通过所设计的专用夹具完成粘接，并对粘接接头进行为期4周的固化。粘接夹具如图4所示。

图4 粘接夹具

1.3 试验方案

为研究温度变化对Plexus MA832粘接剂性能的影响，本文中根据车辆服役温度特点，从安全的角度出发，选取-40和80℃作为温度研究极限，而室温(25℃)作为Plexus MA832粘接剂的操作温度具有研究的必要性。此外，为了更准确地研究温度变化对Plexus MA832粘接剂性能的影响，本文中在25～-40℃之间选取一个温度点(-10℃)，同样在25～80℃之间选取另一个温度点(50℃)，共5个温度点进行试验，每组试验重复5次。将粘接接头按照不同的温度要求放置在高低温湿热环境箱2h后取出，湿热环境箱如图5所示。之后将其安装在WDW3100微机控制电子万能试验机上，粘接接头的两端通过万向节与拉伸试验机相连，以保证测试过程中施加的力通过试件轴线，消除非轴向的作用力。拉伸试验机以5mm/min的恒定速度拉伸试件直至破坏。

图5 湿热环境箱

2 结果与讨论

2.1 载荷位移曲线

钢/铝粘接接头在不同温度下的载荷位移曲线如图6所示。将载荷-位移曲线转换成应力-应变曲线，曲线的斜率则代表粘接接头的刚度。

图6 钢/铝粘接接头在不同温度下的载荷位移曲线

由图6可见，随着温度的升高，不同应力状态下粘接接头的刚度、失效载荷和失效位移均呈现出下降的趋势。低温(-40℃)状态下，粘接接头的强度和刚度出现了明显的上升。此外，低温(-40℃)时，载荷位移曲线在达到最大载荷后，出现一个快速下降的过程，这表明发生了脆性失效。在高温(80℃)时，曲线在达到最大载荷后，并没有快速下降，而是有一段缓冲之后再快速下降，这是因为高温(80℃)接近粘接剂的玻璃转换温度，粘接剂由玻璃态向高弹态转变所致。

2.2 温度变化对失效强度的影响

2.2.1 失效强度

为研究温度变化对粘接接头失效强度的影响，将拉伸试验所得到的粘接接头的失效强度数据进行统计处理。其中失效强度由失效载荷除以粘接面积获得，而平均失效强度则取5组有效测试试件的平均值，得到厚基底剪切接头、45°嵌接接头和对接接头在不同温度下，平均失效强度的变化趋势，如图7所示。

图7 温度变化对不同应力状态接头粘接强度的影响

由图7可知，随着温度的上升，不同应力状态下钢/铝粘接接头的失效强度均呈现出下降的趋势。虽然3种类型接头的平均失效强度随温度变化的整体趋势相同，但在测试温度范围内，厚基底剪切接头强度的下降幅度明显要高于对接接头和45°嵌接接头。温度从常温(25℃)升至高温(80℃)时，厚基底剪切接头的粘接失效强度下降了55.9%，45°嵌接接头下降了53.1%，而对接接头下降了41.3%。说明粘接接头强度的变化不仅受到温度的影响，接头中剪应力和正应力的不同占比也会对粘接接头强度的变化存在着一定的影响。

此外，为获得温度变化对钢/铝粘接结构失效形式的影响，试验完成之后，对厚基底剪切接头、45°嵌接接头和对接接头失效后的断面进行了分析。研究发现，温度变化并没有改变Plexus MA832钢/铝粘接接头的失效形式，不同应力状态下，粘接接头的失效形式均表现为内聚失效。以常温(25℃)为例，不同应力状态接头的失效形式如图8所示。

图8 失效形式(常温25℃)

2.2.2 拟合曲线

为更好地研究温度变化对粘接接头失效强度的影响规律，对任意温度下的失效强度进行预测，本文中根据接头平均失效强度的变化趋势，分别选用三次多项式函数和指数函数对接头的失效强度进行拟合，并得到相应的拟合曲线公式，同时计算出每条拟合曲线的拟合优度值(R2)，以此对两种拟合曲线精度进行了比较，拟合曲线和方程如图9所示。为了使拟合曲线更加真实地反映接头粘接强度的变化趋势，拟合数据采用所有的试验强度测试数据，而并非只采用接头平均失效强度值。由图9可知，对于不同应力状态的接头，三次多项式函数的拟合优度值(R2)均高于指数函数，因此，选用三次多项式函数作为钢/铝粘接接头随温度变化的表达式。

图9 对接接头、45°嵌接接头和厚基底剪切接头随温度变化拟合曲线

2.3 失效准则

2.3.1 失效准则的建立

为建立与工程实际应用更加符合的粘接结构失效准则，对不同应力状态下接头的正应力值和剪应力值进行了拟合，建立了不同温度下的钢/铝接头的初始失效准则，其中接头胶层正应力和剪应力分别为

式中：F为接头失效载荷；A为粘接面积；α为接头粘接角度。

应力准则为

式中：N和S分别为模式1和模式2的失效强度(分别对应本文中对接接头和厚基底剪切接头的失效强度)；q为两种模式之间相互关系的参数。

当q=2时，式(3)变为最为常用的二次应力失效准则：

厚基底剪切接头、45°嵌接接头和对接接头对应的粘接角度分别为 0°，45°和 90°，根据式(1)和式(2)即可计算出模式1(正应力)和模式2(剪应力)的失效强度。虽然只需厚基底剪切接头的剪切强度和对接接头的拉伸强度即可建立二次应力准则，但45°嵌接接头的拉剪组合应力能够提高其拟合精度。以剪应力为横坐标，正应力为纵坐标，根据厚基底剪切接头、45°嵌接接头和对接接头的正、剪应力的变化规律，采用最为常用的二次应力准则对不同温度下的正、剪应力数据进行曲线拟合，不同温度下的失效准则曲线、拟合公式和拟合优度(R2)如图10所示。当胶层的正、剪应力值落在预测曲线的外侧时，意味着发生失效，而在曲线内侧则表示安全。

由图10可以发现，在不同温度下，二次应力准则的拟合优度均在0.975以上，拟合精度较高，适合作为Plexus MA832粘接剂在不同温度下的失效准则。

2.3.2 温度变化对失效准则的影响

图10 不同温度作用下，粘接接头失效准则拟合曲线、拟合公式和拟合优度(R2)

为获得任意温度作用下的粘接接头的失效准则，本文中进一步研究了二次应力准则随温度变化的特点。根据以上的分析发现，不同温度下，二次应力准则的拟合精度均较高，因此假设任意温度作用后的应力准则也符合二次应力准则，如式(4)所示。其中，二次应力准则方程的形状由N(对接接头的正应力)和S(厚基底剪切接头的剪应力)决定。根据2.3.1节所建立的不同温度下的二次应力准则，利用MATLAB软件进行拟合，获得对接接头和厚基底剪切接头的拟合方程，分别如式(5)和式(6)所示。σ=17.693-0.0589T-7×10-5T2-6×10-6T3(5)τ=24.15-0.1023T-0.0004T2-9×10-6T3(6)将式(5)和式(6)带入式(4)，获得二次应力准则与任意温度之间的关系方程：

为更直观地反映二次应力准则在车辆任意服役温度下的变化规律，利用MATLAB软件绘制了相应的三维曲面，如图11所示。

图11 任意温度作用下的二次应力准则

3 结论

(1)Plexus MA832钢/铝粘接接头的失效强度不仅受温度的影响，同时还与接头的应力状态密切相关，其中，厚基底剪切接头的失效强度下降最为明显，相比于室温(25℃)，高温(80℃)时下降约为55.9%，其次为45°嵌接接头，下降幅度为53.1%，而对接接头的下降幅度最低，为41.3%。此外，温度的变化并未引起接头失效形式的改变，所有接头的失效形式均表现为内聚破坏。

(2)在车辆服役温度范围内，分别采用三次多项式函数和指数函数对粘接接头随温度变化的下降规律进行拟合，结果表明，不论对于哪种应力状态接头，采用三次多项式拟合的精度都较高。

(3)通过计算接头胶层的正、剪应力值，进行曲线拟合，发现Plexus MA832粘接剂在不同温度下的失效准则均符合椭圆方程(二次应力准则)，并在此基础上建立了二次应力准则随温度变化的三维曲面，利用曲面更加直观地反映接头失效强度在车辆任意服役温度下的变化趋势，为后续粘接技术在车辆结构上的应用提供了参考依据和技术指导。

本文中主要研究的是不同应力状态下的钢/铝粘接接头受温度的影响规律，由于静强度不能代表全部意义上的强度，故为更好地分析温度对粘接接头失效强度的影响，今后将在本文研究的基础上，对接头疲劳强度受温度的影响规律做进一步的研究。