焊接对单组分环氧树脂胶粘剂粘接性能影响

刘佳欣，王 利，吴彦霖，杨 宇，徐 鑫，冯嘉雨

(辽宁忠旺集团有限公司， 辽宁 辽阳111003)

胶粘是一种能够保证高强度、刚度以及长疲劳寿命、同时实现轻量化的最适宜连接工艺[1]，因此在铝合金车身中应用较广泛。但是，胶接接头也具有受环境、温度等因素影响较大的特点，并且铝合金车身大量采用焊接工艺，焊接时较高的热输入对已固化的胶层性能会产生很大影响，甚至导致接头失效。本文选取一种单组分环氧树脂结构胶，在距离胶层不同距离位置施加MIG焊，并对受热影响的粘接接头测试剪切强度，通过强度变化和断口形貌确定胶层边缘与焊缝中心的安全距离，结果与模拟分析吻合，为胶接结构设计及胶接应用提供一定的理论依据。

1 试验材料及方法

试验材料为5083铝合金，尺寸为180mm(长)×100mm(宽)×5mm(厚)；胶粘剂为单组分环氧树脂结构胶，与铝合金粘接后剪切强度可达25MPa；试验接头形式为搭接，采用酒精对待粘接表面进行清理后均匀施胶，搭接长度12.5mm，并在180℃条件下保温20min固化：之后在距离胶层边缘不同距离位置进行MIG焊接，焊接工艺参数为，母材5083合金，焊丝材料5356合金，焊接电流140A～160A，焊接电压21.1V～21.9V，焊速540mm/min。

粘接并焊接7块试板，第一块试板胶接后不进行焊接，第二块至第七块试板的胶层边缘与焊缝中心距离依次为15mm、20mm、25mm、30mm、35mm和40mm；之后按照GB/T 7124-2008将每块试板切割成5支标准剪切试样[2]，如图1所示，并使用电子万能试验机进行剪切试验。

2 结果与分析

2.1 接头破坏形式分析

图2为未经焊接的试样剪切破坏形貌，所有试样破坏形式均为内聚破坏，满足胶粘剂接头破坏形式要求。

图3(a)、图3(b)分别为胶层边缘与焊缝中心距离为15mm和20mm的试样的破坏形貌，该两组试样在焊接后脱粘，接头破坏形式为界面破坏。

图4(a)为胶层边缘与焊缝中心距离为25mm试样剪切破坏形貌，其中焊接起弧点处试样接头破坏形式为内聚加界面破坏，且内聚破坏比例小于95%，其它样件均为界面破坏；图4(b)、图4(c)、图4(d)分别为胶接接头边缘与焊缝中心距离为30mm、35mm、40mm试样剪切破坏形貌，接头破坏形式均为内聚破坏。

胶接接头的破坏形式包括内聚破坏、界面破坏和内聚界面破坏并存3种形式，通常合格的胶接接头内聚破坏形式所占比例要求大于95%(所占比例测量时采用透明格子计算纸贴在破坏接头表面，并根据界面破坏及内聚破坏分别所占网格数量进行比例估算)。试验中胶层边缘与焊缝中心距离为15mm、20mm试样焊接后在未受外力情况下脱粘，接头破坏形式均为界面破坏，分析为该距离下所受温度较高，导致粘接失效；距离为25mm试样起弧点破坏形式为内聚界面破坏并存，且内聚破坏比例小于95%，其它样件均为界面破坏，故不满足使用要求；距离为30mm及大于30mm试样接头破坏形式均为内聚破坏，内聚破坏形式所占比例大于95%，满足使用要求。

2.2 力学性能

因胶接接头边缘与焊缝中心距离为15mm、20mm试样焊接后脱粘，故未进行剪切试验，其它样件检验结果如表1所示。

试验结果表明，胶接后未焊接试样拉伸剪切强度均值为28.9MPa，满足该结构胶使用性能要求；与焊缝中心距离为25mm试样剪切强度均值为7.3MPa，未达到使用要求；与焊缝中心距离为30mm、35mm及40mm试样拉伸剪切强度均值分别为28.8MPa、28.8MPa和28.9MPa，满足使用要求。

2.3 焊接温度场模拟

根据所用焊接参数及材料对试板进行温度场模拟分析，选取的温度分析点为距起弧点30mm、90mm和150mm且胶层边缘与焊缝中心距离分别为20mm、25mm和30mm，共计9个分析点，如图5所示；图6中未标注数值的曲线为胶层边缘与焊缝中心距离小于20mm和大于30mm部分，不在文中具体分析。

表1 各组试样拉伸剪切性能

从温度随时间变化曲线可看出，胶层边缘与焊缝中心距离为20mm时所受温度可维持在230℃以上；距离为25mm时所受温度维持在200℃左右，接近此胶粘剂耐受温度上限；随着距离增大，所受温度不断降低，在距离为30mm时胶接接头所受温度持续在150℃左右。由于试验选用的胶粘剂在未固化之前为含有至少两个环氧基团的低分子量预聚物[3]，在180℃保温条件下环氧树脂开环相互聚合，形成网状或体形大分子的刚性状态结构，因此固化前后分子结构不同导致耐受温度也有所差异。在胶接接头边缘与焊缝中心距离为15mm、20mm时，随着焊接过程的持续胶层温度在230℃以上，固化后的胶层在该温度下失效，导致脱粘，接头破坏形式为界面破坏；在胶接接头与焊缝中心距离为25mm时，胶接接头所承受温度为200℃，此温度接近耐受温度上限，但是起弧点所承受温度持续时间相对较短，该距离下起弧点试样未完全失效，接头为内聚加界面破坏，但粘接性能明显下降，该组其它试样因承受温度时间较长，持续高温导致接头完全失效，接头破坏形式为界面破坏；随胶层与焊缝中心距离不断增加，接头所承受热量逐渐降低，在距离为30mm时，接头所承受温度为150℃，在该温度下，接头破坏形式为内聚破坏，力学性能无明显降低；距离为35mm、40mm试样接头破坏形式均为内聚破坏，拉伸剪切性能与未进行焊接试样相比无明显变化。

3 结论

尺寸为180mm×100mm×5mm的5083铝合金采用单组分环氧树脂胶粘并在胶层附近焊接，当胶层边缘距离焊缝中心30mm时剪切性能稳定，胶层破坏形式主要为内聚破坏，且与模拟分析结果吻合。因此，建议产品设计时胶层边缘距焊缝中心距离至少30mm。