结构胶结构参数对接头强度的影响

黄红端 史付磊 韦春萍 张波

【摘 要】结构胶的应用过程中，通常需要确定最佳的搭接参数，如搭接宽度、胶层厚度等，但对于不同的材料，最适合的搭接宽度是不同的。文章通过试验手段探究了接头结构参数对胶接接头强度的影响，确定了合理的接头结构参数设计范围，为胶接接头在车身结构的应用提供指导。

【关键词】试验;结构胶;接头强度;应力分布

【中图分类号】TG407 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）05-0142-02

0 引言

胶接技术由于其无需破坏母材且可连接异种材料的优点，以及胶接工艺具有优良的综合性能，因此在非金属车身上逐渐被广泛采用。采用胶接工艺进行连接的结构，其应力分布均匀，疲劳耐久性好，具有良好的密封性，因此在车辆的制造过程中，很多部件都采用胶接方式进行连接以减小应力集中或提升局部结构刚度[1]。

在胶接接头性能方面，国外的学者也做了许多研究，无论是连接金属材料或是复合材料，胶粘剂需要一个合适的黏结表面，不同的表面处理对胶接接头性能的影响是不可忽略的。Lucas. F. M. 等人[2-4]研究了不同的表面处理方式、几何参数及材料对单搭接接头剪切性能的影响，总结了不同表面处理条件、搭接边宽度和胶层厚度对接头剪切强度的影响。Naito K.等人对胶层厚度影响接头强度的具体规律进行了进一步的探究发现，随着胶层厚度的增大，接头的剪切强度逐渐降低[5]。国内方面，研究者们针对胶接接头的几何参数和胶接接头的结构对接头强度的影响进行了大量的研究[6-8]。刘昌发[9]对胶层尺寸对铝锂合金单搭接胶接接头剪切强度的影响进行了研究，确定了这种胶接接头的最佳胶层厚度和搭接边宽度。

不同结构参数对接头力学影响的规律不一样，合理的结构设计参数对提高接头强度、延长其使用寿命有重要意义。因此，本文利用试验与仿真分析手段探究结构参数对接头力学性能的影响规律，以及接头的内应力分布规律，为结构胶在车身结构应用提供指导。

1 搭接边宽度对接头强度的影响

1.1 搭接边宽度试验材料

试验母材材料牌号为HC420LA（简称420）、5182铝合金（简称5182）、CFRP。3种板件的厚度分别为1.8 mm、1.5 mm和2.5 mm。胶粘剂选择回天7130结构胶，胶层厚度固定为0.2 mm，胶接接头的搭接种类包括HC420LA-HC420LA、AA5182-AA5182、AA5182-CFRP、CFRP-

CFRP4種。接头的搭接边宽度选择10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm 5个参数。

1.2 搭接边宽度试验方法及结果分析

进行拉伸剪切实验时选取2 mm/min的加载速率进行准静态加载。实验结束后记录每个样件的接头最大剪切载荷，分析搭接边宽度对接头最大剪切载荷的影响。

当使用金属材料作为母材时，不同的搭接边宽度的最大接头载荷分布如图1所示。由图1可以看出，搭接边宽度对胶接接头的最大剪切载荷影响如下：随着搭接边宽度的增大，接头失效时峰值载荷会明显增加，但是当搭接宽度达到一定值以后，载荷上升速度随搭接边宽度的提升逐渐变慢。这是由于当搭接边宽度较小时，接头失效载荷低于母材屈服强度，此时接头失效过程中母材处于弹性阶段，增加搭接边宽度将明显增加接头失效载荷;当搭接边宽度较大时，接头失效载荷超过母材屈服强度，接头失效过程中母材屈服引发接头塑性变形，而胶接头抗塑性变形能力较差，因此接头失效载荷不会明显增加。

图1中，不同搭接边宽度接头的最大剪切载荷分布如下：（a）为不同搭接边宽度的420-420接头最大剪切载荷分布情况;（b）为不同搭接边宽度的5182-5182接头最大剪切载荷分布情况;（c）为不同搭接边宽度的5182-CFRP接头最大剪切载荷分布情况;（d）为不同搭接边宽度的CFRP-CFRP接头最大剪切载荷分布情况。

2 胶层厚度对接头强度的影响

以5182铝合金为母材，对不同搭接长度下胶层厚度对接头强度的影响进行了试验与分析，铝合金板件的尺寸如下：长度为100 mm、宽度为25 mm、厚度为1.8 mm，搭接区域长度为10 mm，胶层厚度选取了0.2 mm、0.3 mm、0.5 mm、1.0 mm 4个值。不同胶层厚度的单搭接胶接接头的准静态剪切条件下的最大剪切力如图2所示。

由图2可以看出，在不同搭接长度下，胶层厚度对单搭接胶接接头的剪切强度的影响呈现相似的趋势。胶层厚度的增加并没有提高接头剪切强度。在不同的搭接边宽度下，随着胶层厚度的增加，接头的剪切强度都呈现出了大致的先升高、后降低的趋势。当胶层厚度在0.2～0.3 mm这一区间时，胶接接头剪切强度最大，当胶层厚度超过0.3 mm时，接头的剪切强度随着胶层厚度的增加而降低。

3 结论

胶接接头强度随着搭接边宽度的增加而增加，同时接头强度增加的幅度逐渐变缓;在不同搭接长度下，胶层厚度对单搭接胶接接头的剪切强度的影响呈现相似的趋势，胶层厚度的增加并没有提高接头剪切强度。

本课题由国家自然科学基金（51505139）支持。作者感谢上汽通用五菱汽车股份有限公司和湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室。

参 考 文 献

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[8]卢志国，杨纥，林建平.胶层尺寸对单搭胶接接头性能的影响研究[J].中国胶粘剂，2009，18（5）：1-3.

[9]刘昌发，黄明辉，孙振起.胶层尺寸对铝锂合金单搭接胶接接头剪切强度的影响[J].机械工程材料，2012，36（3）：85-88.

[责任编辑：陈泽琦]