激光表面处理提高铝合金胶接接头强度的研究

赵媛媛 郑松刚 张超 刘达工

摘 要：粘接作為重要的汽车轻量化连接技术之一，胶接接头的强度和性能是我们关注的重点，胶接接头的强度和性能完全取决于胶粘剂接触的表面类型，因此在粘接之前对基材表面进行一定处理是粘接工艺中最重要的环节之一。金属的表面处理包括溶剂擦拭、机械打磨、化学清洗和酸蚀。激光表面处理是一种新型绿色环保的表面处理工艺，它可以高速有效的清洁材料表面附着物，并且改变材料表面微观结构及材料表面自由能及浸润性。从而提高粘接接头十字拉伸强度、单搭接拉伸剪切强度和接头耐水性能。通过激光处理，所有接头的破坏形式由界面破坏转为内聚破坏。对铝合金环氧结构胶2098G胶接接头而言，十字拉伸强度、剪切强度和水浴剪切强度，激光处理后比溶剂擦拭分别提高了17.8%，133.8%，88.1%。对铝合金聚氨酯结构胶TS6015胶接接头而言，十字拉伸强度、剪切强度和水浴剪切强度，激光处理后比溶剂擦拭分别提高了698%，225%，223%。激光表面处理有效的使铝合金胶接接头的强度达到胶的本体强度的94%～100%，是铝合金粘接的有效表面处理方法。

关键词：铝合金;粘接;结构胶;激光表面处理;材料浸润性

中图分类号：TQ436+.2;TG495 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）09-0031-08

Research on Laser Surface Treatment to Improve the Strength of Aluminum Alloy Adhesive Joint

Zhao Yuanyuan1， Zheng Songgang2， Zhang Chao1， Liu Dagong1

（1.Nanjing Laiteweite Research institute of Light Weight Technology Co.，Ltd.， Nanjing 211212， China;

2.Tianjin Master Automobile Body Equipment Technology Co.，LTD.， Tianjin 300400， China）

Abstract：Bonding as one of the important automotive lightweight joining technologies， the strength and performance of the bonded joint is a key concern. The strength and performance of the bonded joint depends entirely on the type of surface the adhesive contacts， so certain treatment of the substrate surface prior to bonding is one of the most important aspects of the bonding process. Surface treatment of metals includes solvent wiping， mechanical polishing， chemical cleaning and acid etching. Laser surface treatment is a new green surface treatment process which can clean the material surface adhesion at high speed and effectively， and change the material surface microstructure and the material surface free energy and wettability. This improves the cross tensile strength of bonded joints， the tensile shear strength of single lap joints and the water resistance of joints. By laser treatment， the damage of all joints is changed from interfacial damage to cohesive damage. For aluminium alloy epoxy structural adhesive 2098G bonded joints， the cross tensile strength， shear strength and water bath shear strength were increased by 17.8%， 133.8% and 88.1% respectively after laser treatment compared to solvent wiping. For the aluminium alloy polyurethane structural adhesive TS6015 adhesive joint， the cross tensile strength， shear strength and water bath shear strength were increased by 698%， 225% and 223% respectively after laser treatment compared to solvent wiping.The laser surface treatment is an effective surface treatment for bonding aluminium alloys by achieving 94% to 100% of the strength of the bonding body. It is an effective surface treatment method for aluminum alloy bonding.

Key words：aluminum alloy;bonding， structural adhesive;laser surface treatment;material wettability

0 引言

汽车轻量化多材料连接技术是汽车轻量化的必经之路，他包括机械连接，焊接，粘接3大类，粘接作为重要的连接技术之一受到重视。开发适合汽车制造的高效铝-铝、钢-铝、铝-非金属、钢-非金属、非金属-非金属的连接技术成为汽车工业必须解决的技术难题[1]。

粘接技术在汽车轻量化多材料连接技术中应用优势：可实现异种材料连接、连接结构刚度大、连接区域应力分布均匀、隔离异种材料防止发生电偶腐蚀、疲劳性能优良、提升NVH性能、轻量化和低成本。

粘接接头的强度和性能是我们关注的重点，胶接接头的强度和性能完全取决于胶粘剂接触的表面类型，因此在粘接之前对基材表面进行一定处理是粘接工艺中最重要的环节之一。金属的表面处理包括溶剂擦拭、机械打磨、化学清洗和酸蚀。激光表面处理是一种新型绿色环保的表面处理工艺，它可以高速有效的清洁材料表面附着物，并且改变材料表面微观结构及材料表面自由能及浸润性。它基于激光与材料相互作用效应的一项新技术，与传统的机械打磨、溶剂擦拭、喷丸处理、化学刻蚀、火焰处理、等离子处理有无可比拟的优势。它不需要任何破坏臭氧层的有机溶剂，无污染、无噪声，对人体和环境无害，是一种“绿色”表面处理技术[2-3]。激光表面处理是一种绿色环保的表面处理方法，不需使用任何化学药剂，例如丙酮或异丙醇等常用的粘接表面处理溶剂。可以轻易解决化学清洗带来的环境污染问题。

激光表面处理的原理是通过高能量的激光脉冲作用，使材料表面在吸收能量后发生融化或气化，进而达到去除材料表面污染的效果。此外，材料在气化的同时会形成高压的等离子体，造成部分熔融材料喷射出来覆盖在材料表面，从而改变被处理材料的表面形貌。同时部分金属材料还会产生氧化，生成一层新的致密氧化膜，同时激光表面处理可以增加粘接件的耐腐蚀性能[4]。

激光表面处理提供了一些独特的特点和优势。已经有大量的研究致力于将激光表面处理作为清洁表面、产生极性和反应性物质以及产生形貌以改善与涂层和粘合剂的结合的手段[5，6]。激光表面处理可以增加或减少表面自由能，这取决于残留的化学物质和最终的形貌。例如，Lawrence和他的同事发表了一系列关于激光表面处理不锈钢和铝来改变润湿性的论文[7-9]。在文章中，我们讨论了激光微加工技术在金属粘接领域的应用。

1 试验部分

1.1 试验原料

异丙醇，工业级，天津天泰化学品有限公司;6061铝合金，西南铝业有限公司;环氧树脂结构胶陶氏2098G，杜邦集团;聚氨酯结构胶TS6015，苏州众晶复合材料有限公司。0.5mm及1.0mm玻璃微珠，市售。

1.2 试验设备

激光器为YDFLP-100-M7-M-R型，深圳杰普特光电股份有限公司;50kN型电子万能拉力试验机，济南美特斯有限公司;水浴箱，市售。

1.3 试验制备

测试基材为6061铝合金，其中十字拉伸试验样片规格为75mm×25mm×3mm，单搭接拉伸剪切样片规格为100mm×25mm×3mm，水浴剪切样件规格为100mm×25mm×3mm。十字拉伸示意图为图1 ，单搭接剪切示意图为图2。采用激光器对粘接料片Al-6061粘接区域进行扫描，扫描参数为：扫描速度2500mm/s，功率60W，脉冲宽度500ns，频率40kHz，扫描线间距0.09mm。

采用胶水为环氧树脂结构胶DOW2098G，该胶最大的特点是双组份常温固化。适用于机械连接+胶的连接方式，也适用于铝板与结构胶的自粘。采用掺镱脉冲光纤激光器，激光波长为1064nm，对铝-6061进行异丙醇擦拭和激光表面处理，进行对比实验，测试铝-6061+DOW2098G+铝-6061试件的常温十字拉伸强度，剪切强度，以及40℃水浴240h后的剪切强度，胶层厚度控制在0.5mm。

对铝-6061进行异丙醇擦拭和激光表面处理，进行对比实验，分别测试铝-6061+TS6015+铝-6061试件的常温十字拉伸强度、常温单搭接剪切强度以及40℃水浴240h后的剪切强度，胶层厚度控制在1.0mm。

1.4 测定或表征

（1）十字拉伸强度。按照 GB/T 1040.1-2006标准进行测试，其中夹具的移动速度为10mm/min，试样的搭接长度为（25±0.5）mm，搭接宽度为（25±0.5）mm。胶粘剂的粘接厚度为0.5mm或1mm，固化条件为常温固化7d。

（2）单搭接拉伸剪切强度。按照 GB/T 7124-2008标准进行测试，其中夹具的移动速度为10mm/min，试样的搭接宽度为（12.5±0.5）mm，搭接长度为（25±0.5）mm。胶粘剂的粘接厚度为0.5mm或1mm，固化条件为常温固化7d。

（3）耐水性剪切强度。按照 GB/T 7124-2008标准进行测试，其中夹具的移动速度为10mm/min，试样的搭接宽度为（12.5±0.5）mm，搭接长度为（25±0.5）mm。胶粘剂的粘接厚度为0.5mm或1mm，固化条件为常温固化7d。水浴条件为样件在40℃浸泡240h。

2 结果与讨论

2.1 基本性能

铝合金由于具有质轻、耐腐蚀、吸能性好、可循环利用等优点，成为汽车、轮船、航空航天等制造业的主要材料。作为粘接基材，铝合金-6061的化学成分如表1所示， 表2为铝合金-6061的主要力学性能。

环氧树脂结构胶DOWBETAMATE2098G是一种双组份环氧基胶粘剂，A∶B=2∶1，可显著提高整车的刚性和耐冲击性，胶粘剂和粘接的接头具有强的耐久性，因胶粘剂的密封性能卓越，从而为钢板和焊点获得良好的耐腐蚀保护，兼容其他车身连接工艺，如机械连接和热融连接。环氧树脂胶粘剂的胶层厚度控制在0.5mm，聚氨酯结构胶TotalSeal6015是带点柔软且能用于结构粘接的粘合劑，适用于粘接多种基材。产品特性为粘接基材范围广，断裂伸长率高，无溶剂等。聚氨酯胶粘剂的胶层厚度控制在1.0mm。表3为环氧树脂结构胶DOWBETAMATE2098G和聚氨酯结构胶TOTALSEAL6015性能。

2.2 激光表面处理铝合金SEM照片分析

图3示出异丙醇擦拭和激光表面处理后铝板的微观表面形貌对比图，其中图3中a图为异丙醇擦拭后铝板的微观表面形貌，图3中b图为激光表面处理后铝板的微观表面形貌。从图3中微观形貌可以明显看出异丙醇擦拭后的铝板表面比较光滑，激光处理后的铝板微观表面粗糙度明显上升，表面比较粗糙，这有利于胶粘剂和铝板更好的机械锁合，从物理方面提升了粘接接头的强度。

激光表面处理铝合金的机理是光化学、光物理和光热过程，可以单独发生，也可以组合发生，从而导致烧蚀。光化学烧蚀是由于吸收光子而导致的化学键解离，对于有机材料，这通常需要800～1000mJ/cm2的能量密度。金属和陶瓷需要比有机材料高达一个数量级的较高能量密度才能引起光烧蚀[10]。紫外范围（100～400nm）的光子被表面一微米内的大多数材料吸收，并具有足够的能量分离共价键。此外，脉冲持续时间短（～10皮秒或更短）的激光可以具有足够的峰值功率来实现多光子吸收和光烧蚀。足够功率的激光脉冲可以分解大量的聚合物和金属的表面改性键，产生一个低密度、高压的等离子体，可以爆炸性剥离和喷射表层物质。如果这些机制的时间尺度很短（几十纳秒或更短），这个过程仍然主要是光烧蚀，而不是光热。光烧蚀过程通常导致表面加热较少，因此热影响区较小，熔化较少，碎片较少。

光热消融（热消融）发生在激光辐射被吸收并导致材料快速加热到沸点以上从而形成蒸汽的时候。可见光至红外光谱范围（400nm～1mm）的激光的光子能量小于3ev，不太可能导致键离解，但会导致加热。此外，脉冲持续时间较长（纳秒及更长）的激光主要会导致发热。热消融的时间尺度对于减少消融部位（即热影响区）附近材料的热降解也很重要。作为热烧蚀的一部分发生的快速熔化、沸腾和固化可导致高度纹理化的表面。

光物理烧蚀是由激光脉冲在材料表面附近产生的冲击波引起的材料喷射。冲击波通常是由基底的快速热膨胀引起的。如果激光脉冲的持续时间明显短于材料的热弛豫时间，就会产生热弹性应力，并从辐射点以波的形式传播出去。应力波会导致材料表面破裂并喷出颗粒[11]。物理消融比其他激光消融机制明显更节能，因为具有数千个原子的粒子可以被喷射，而不需要分离或蒸发粒子内的原子[12]。

激光表面处理图案化的多功能性已经导致广泛使用这种技术来改变表面形貌和化学性质。对各种材料进行了激光参数研究，如脉冲持续时间、波长、激光能量密度和脉冲重复率等因素。较短的脉冲持续时间（τ<10 ps）导致等离子体形成和光烧蚀，从而在不干扰周围衬底的情况下去除材料[13，14]。应力约束条件下超快激光器的原子模型预测了临界能量密度下熔融层或熔滴的机械散裂。能量密度的进一步增加会导致以烧蚀羽流中的雾化蒸汽为特征的相爆炸[15]。对于τ>50 ps，热烧蚀占主导地位，因此除了通过蒸发去除材料之外，基底的熔化和重新固化还会产生新形貌。本文中的激光表面处理以热烧蚀为主，基材熔化并重新固化后产生新的形貌如图3（b）所示。

2.3 激光表面处理前后材料润湿特性

经过对粘接材料激光表面处理后，粘接材料表面能发生显著变化，图4为异丙醇擦拭和激光表面处理后材料与达因液浸润示意图，其中图4a为达因值55的达因笔在异丙醇擦拭后铝合金板上划线示意图，达因液为凝珠现象，表明铝板与达因液的浸润性不太好，接触角<90°;图4b为达因值55的达因笔在铝合金板上划线示意图，激光表面处理后材料与达因液浸润，达因液在铝板表面完全扩散开，接触角变为0°。从图4中可以看出，激光表面处理后，达因液在铝板表面完全扩散开，结构胶和材料的表面浸润性大大增强，有利于粘接接头强度提升。

图4提供了润湿现象。下面我们将强调宏观润湿理论的发展，同时注意预测润湿行为的微观模型。描述固体/液体/蒸汽界面相互作用的基本理论是由1805年的杨氏方程给出的：

其中：θ为接触角，γSL为固液界面自由能，γSV为固汽界面自由能，γLV为液汽界面自由能。接触角是一个宏观的热力学量，因为它独立于分子间力，分子间力的作用距离比润湿界面的尺寸小得多。表观活化能可通过多种技术观察到[16]，是计算表面自由能的几种模型的基础[17-19]。固体通常有一个较高的γSL通常表现出较低的接触角（< 90°），而低的γSL界面自由能显示出高接触角 （> 90°）。控制固体表面自由能，进而控制润湿性能是材料研究者的目标。

Wenzel观察并发表了一篇关于理解表面微观形貌对接触角影响的重要论文[20]。他1936年的论文描述了表面粗糙度如何增强疏水表面的疏水性和亲水性表面的亲水性。他对杨氏方程的修正为：

其中：θApp为粗糙表面接触角，r是粗糙度系数，定义为实际表面积与平坦表面积之比，θ 0为理想表面的固有接触角，它代替了杨氏接触角，理想的表面是光滑的、均匀的、坚硬的、不溶的和不与接触液体反应的。因为r总是大于1，增加粗糙度只会增加方程（Wenzel）的分子，从而使表观接触角远远小于90°[20]，Wenzel模型成功地预测了粗糙、光滑表面的表观接触角。从以上理论模型可以很好的解释文章中图3现象与实验结果的关联，经过激光處理的铝合金表面的接触角由<90°变为完全扩散为0°，cosθApp由<1增大为1，则γSL固液界面自由能减小，液体浸润性更好，胶粘剂和铝合金粘合力增大。经过激光处理的铝合金表面的粗糙度增大，r增大，故γSL固液界面自由能减小，液体浸润性越好，同样可以使胶粘剂和铝合金粘合力增大。

2.4 粘接接头性能表征

2.4.1 铝合金与环氧树脂结构胶的粘接

表4为2098G胶水异丙醇擦拭和激光表面处理后铝合金粘接接头的常温十字拉伸强度、常温单搭接剪切强度和水浴后单搭接剪切强度。从数据可以看出异丙醇擦拭后粘接接头的十字拉伸强度的平均值为5.40MPa，激光处理后粘接接头的十字拉伸强度的平均值为6.36MPa，激光处理后比溶剂擦拭提高了17.8%。异丙醇擦拭后粘接接头的常温单搭接剪切强度的平均值为9.21MPa，激光处理后粘接接头的常温单搭接剪切强度的平均值为21.54MPa，激光处理后比溶剂擦拭提高了133.8%。对单搭接粘接样件进行40℃下240h的水浴处理，进行粘接接头的耐水性能测试。从数据可以看出异丙醇擦拭后单搭接接头水浴的剪切强度的平均值为9.70MPa，激光处理后单搭接接头水浴的剪切强度的平均值为18.25MPa，激光处理后比溶剂擦拭提高了88.1%。

图5所示为不同处理方式对铝合金粘接接头强度的柱状对比图。可见激光处理比常规的溶剂擦拭对粘接接头的拉伸性能、剪切性能以及水浴后剪切性能都有显著提升。

图6a、b为异丙醇擦拭和激光表面处理后2098G结构胶常温单搭接样件拉伸剪切后胶接接头破坏形式示意图，图6a显示了异丙醇擦拭后常温单搭接样件拉伸剪切后胶接接头示意图，很显然剪切接头破坏方式为粘附破坏;图6b显示了激光表面处理后常温单搭接样件拉伸剪切后胶接接头示意图，很显然剪切接头破坏方式为内聚破坏;破坏方式的转变证明了激光表面处理对接头强度提升的决定性影响。图6c、d为异丙醇擦拭和激光表面处理后常温单搭接样件拉伸剪切的力-时间曲线图，从图6c可以看出，拉伸最大力均比较小，而且离散型很大，意味着数据不稳定。从图6d可以看出，激光处理后拉伸最大力均是异丙醇擦拭的2倍，而且数据离散型很小，意味着数据比较稳定。

2.4.2 铝合金与聚氨酯结构胶的粘接

表5为TS6015结构胶异丙醇擦拭和激光表面处理后铝合金粘接接头的常温十字拉伸强度、单搭接剪切强度及水浴剪切强度的对比数据，从数据可以看出溶剂擦拭后粘接接头的十字拉伸强度的平均值为0.77MPa，激光处理后粘接接头的十字拉伸强度的平均值为6.15MPa，激光处理后比溶剂擦拭提高了698%。从数据可以看出溶剂擦拭后粘接接头的剪切强度的平均值为5.15MPa，激光处理后粘接接头的剪切强度的平均值为16.78MPa，激光处理后比溶剂擦拭提高了225%。从数据可以看出异丙醇擦拭后单搭接接头水浴的剪切强度的平均值为4.68MPa，激光处理后单搭接接头水浴的剪切强度的平均值为15.13MPa，激光处理后比溶剂擦拭提高了223%。

图7为不同处理方式对铝合金聚氨酯TS6015粘接接头强度的柱状对比图。可见激光处理比常规的溶剂擦拭对粘接接头的十字拉伸性能、剪切性能以及水浴后剪切性能都有显著提升。

图8a、b为异丙醇擦拭和激光表面处理后TS6015结构胶常温单搭接样件拉伸剪切后胶接接头破坏形式示意图，图8a显示了异丙醇擦拭后常温单搭接样件拉伸剪切后胶接接头示意图，很显然剪切接头破坏方式为粘附破坏;图8b显示了激光表面处理后常温单搭接样件拉伸剪切后胶接接头示意图，很显然剪切接头破坏方式为内聚破坏;破坏方式由粘附破坏向内聚破坏的转变证明了激光表面处理对接头强度提升的决定性影响。图8c、d为异丙醇擦拭和激光表面处理后常温单搭接样件拉伸剪切的力-时间曲线图，从图8c可以看出，拉伸最大力均比较小，而且离散型很大，意味着数据不稳定。从图8d可以看出，激光处理后拉伸最大力均是异丙醇擦拭的3倍，而且数据离散型很小，意味着数据比较稳定。

3 结论

（1）经过激光处理的铝合金表面的接触角由<90°变为0°，cosθApp由<1增大为1，则γSL固液界面自由能减小，液体浸润性更好，胶粘剂和铝合金粘合力增大;经过激光处理的铝合金表面的粗糙度增大，r增大，故γSL固液界面自由能減小，液体浸润性更好，同样可以使胶粘剂和铝合金粘合力增大。

（2）通过激光处理，所有接头的破坏形式由粘附破坏转为内聚破坏。

（3）对铝合金环氧结构胶2098G胶接接头而言，十字拉伸强度、剪切强度和水浴剪切强度，激光处理后比溶剂擦拭分别提高了17.8%，133.8%，88.1%。

（4）对铝合金聚氨酯结构胶TS6015胶接接头而言，十字拉伸强度、剪切强度和水浴剪切强度，激光处理后比溶剂擦拭分别提高了698%，225%，223%。

（5）激光处理后，粘接接头拉伸强度和剪切强度的数据稳定性比溶剂擦拭更好。

总之，激光表面处理可显著提升铝合金胶接接头的性能，激光表面处理高速有效的清洁材料表面附着物，改变材料表面微观结构使材料表面粗糙度提升，改变材料表面自由能使基材与胶的浸润性大大提高。从而提高粘接接头十字拉伸强度、单搭接拉伸剪切强度和接头耐水性能。对工业应用有很大的实践意义。

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