膠焊連接力學性能的影響因素研究

閆雪燕，楊文葉，李振興，劉敬，李文中

吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江寧波 315336

0 引言

電阻點焊因其易操作、有益于自動化、效率高和成本低廉等特點，在當今車身連接工藝中得到普遍應用。但是電阻點焊本身存在一些缺陷，例如連接接頭容易出現腐蝕問題，易出現應力集中而導致疲勞耐久性差[1]，在點焊接頭中添加結構膠可有效隔絕腐蝕介質，使點焊的腐蝕問題得到妥善解決。結構膠連接的應力分布均勻，因此可有效改善點焊的應力集中問題，顯著提升接頭的疲勞強度[2]。結構膠連接在改善點焊接頭性能的同時，其本身可以顯著提升車身的剛度、碰撞等性能[3-4]。但是結構膠也有其天然的缺陷，剝離強度差、環境耐久性[5]及脆性等問題，膠層一旦出現裂紋，接頭會迅速破壞，對于尺寸公差較差的位置，易出現膠寬不足，而焊點可以有效彌補黏接接頭的這些固有缺陷。綜上可以看出，將點焊和膠接相結合的膠焊連接，在發揮點焊和膠接各自優勢的同時，也彌補了彼此缺陷，因此對膠焊的研究有著重大的意義。

本文研究了膠層和母材強度對膠焊連接的影響，并對接頭性能的影響因素進行了分析，對膠接接頭的應用有一定指導的意義。

1 試驗材料與方法

膠焊母材選用鋼板DP600和DC04，其厚度分別為1.4 mm和1.2 mm，結構膠選用環氧樹脂基結構膠，母材的搭接面積均為50 mm×20 mm。設計的材料組合有：DP600+DP600、DP600+DC04和DC04+DC04，分別用這3種材料組合制備3種連接接頭：點焊連接、黏接、膠焊連接。試驗接頭類型見表1。

表1 試驗接頭類型

固化工藝：黏接接頭和膠焊接頭都在180 ℃恒溫箱中固化20 min。

剪切力測試：采用電子萬能試驗機，在室溫條件下測試接頭的剪切力，測試速度為10 mm/min，每種接頭類型測試5組數據。為減小拉伸過程中的附加彎矩，在兩端的夾持位置，分別夾持與試件相同的料厚且面積為50 mm×20 mm的鋼板。

2 試驗結果與分析

2.1 膠層對膠焊接頭力學性能的影響

本文通過比較點焊和膠焊的焊核直徑來分析膠層對膠焊力學性能的影響，此試驗選用母材組合DP600+DP600，焊接工藝信息為：中頻伺服點焊機φ6 mm，預壓時間200 ms，其他參數見表2。點焊與膠焊在不同焊接參數下的焊核直徑對比見表3。

表2 焊接工藝參數

表3 點焊與膠焊在不同焊接參數下的焊核直徑對比 單位:mm

由表3可知，1#下膠焊焊核直徑小于點焊，很大程度上是由于焊接質量導致；2#～4#下，膠焊焊核直徑都大于點焊。總體來看，膠層在一定程度上可以加大焊核直徑。

膠層的存在對焊接工藝窗口有一定影響，在較小的電流作用下，膠焊更容易形成較大的焊核；在較大電流作用下，膠焊更容易發生飛濺[6]。理論上得到同一直徑大小的焊核，膠焊所需的電流更小，故膠焊較點焊能耗更小。但是膠焊普遍存在內飛濺，這是因為膠層使得兩板間的電阻不可控，再加上車間電流的不穩定，使內飛濺較易發生。因此在焊接時需要適當增加電極力，使膠盡可能排開，降低膠層的影響，從而使焊接過程更穩定，減少飛濺。

2.2 母材強度對膠焊接頭的影響

采用萬能試驗機得到不同母材強度組合下點焊、黏接和膠焊的載荷-位移曲線，如圖1至圖3所示。

圖1 DP600+DP600載荷位移曲線

圖2 DP600+DC04載荷位移曲線

圖3 DC04+DC04載荷位移曲線

2.2.1 母材強度對膠焊接頭中結構膠性能的影響

圖1中膠焊和黏接的峰值載荷很接近，膠焊中的焊點，雖然破壞了部分膠層，但是對接頭強度影響不大，在圖2和圖3中也可得到相同的結論。膠焊的載荷-位移曲線呈兩個峰值，當載荷增長至膠層受力極限產生斷裂時，呈現為第一個峰值，因為膠層呈脆性，曲線體現為陡降，膠層斷裂后，僅由焊點承擔載荷，此時呈現為第二個峰值，第二個峰值是焊點性能的表現，因而同點焊的載荷位移曲線形態類似。

比較圖1至圖3中膠焊的峰值載荷，當搭接母材強度增強時，峰值載荷也在提升，通過增強母材的強度可以提升膠焊接頭的強度。母材強度越高，可以使結構膠的高剪切強度得到越好的體現。由高強度母材組合圖1中膠焊的載荷-位移曲線可以看出，在第一個峰值出現前主要呈現的是板材的彈性階段，因此，膠層的斷裂主要因膠層受力達到最大值，其斷裂受板件變形影響不大，由圖1至圖3的膠焊載荷位移曲線顯示，在第一個峰值出現前，即膠層斷裂前，板件已經進入了屈服階段，膠層的斷裂更多的是因為板件屈服變形引起的膠層撕裂，此時結構膠的剪切強度并沒有實現最大，其高剪切強度性能沒有得到充分發揮，這也解釋了高強度母材組合的膠焊載荷峰值高于低強度母材組合的原因，因此結構膠應用到板件強度較高的位置更能發揮其性能優勢。

2.2.2 母材強度對膠焊中焊點載荷的影響

比較圖1至圖3中點焊曲線峰值和膠焊曲線的第二個峰值，圖1為DP600+DP600板件組合，圖中膠焊曲線的第二個峰值同點焊載荷峰值相近，因為膠焊曲線的第二個峰值為膠焊中焊點能經受的最大載荷，因此在此板件組合下膠焊中焊點的強度同點焊相近。理論上，同一板件組合和焊接參數下膠焊中焊點強度要大于純點焊強度，通過第2.1節中驗證，膠焊中焊點直徑要大于單純點焊，但是受焊接質量的影響，可能會使膠焊中焊點的強度下降，因此在圖1中，膠焊中焊點的強度并沒有比點焊大，而是同點焊基本一致。

圖2和圖3中，膠焊曲線的第二個峰值遠高于點焊曲線的峰值，在DP600+DC04和DC04+DC04這兩個板件組合下，膠焊中焊點的承載能力相比點焊大幅提高，一方面如第2.1節中的描述，同點焊相比，膠焊中焊點的直徑變大；另一方面膠層可降低焊點附近的應力集中，使應力分布更為均勻[2]。分別比較圖1至圖3中點焊曲線的峰值載荷和膠焊曲線的第二個峰值載荷，在低強度板件組合下，膠焊曲線中第二個載荷峰值要遠高于同一板件組合下點焊曲線的峰值載荷，因而母材強度越低，膠焊中焊點剪切強度提高得越顯著。

2.2.3 母材強度對接頭承載能力的影響

比較圖1至圖3中3種母材強度組合的膠焊曲線，最大位移由大到小排序為圖3、圖2、圖1，其中圖2和圖3的最大位移相近，并約為圖1的3倍，即當母材的強度下降時，最大位移值在變大。極限載荷值由大到小排序為圖1、圖2、圖3，即當母材的強度下降時，膠焊的極限載荷值也在下降。

母材強度大的膠焊連接，其能承載的載荷越大，然而接頭的失效速率卻快于母材強度小的膠焊連接。因此在某些碰撞位置，受到的瞬時峰值力很大，同時需要零件在受到碰撞沖擊后，能在一段時間內繼續承受載荷，此時，板件強度大的膠焊連接雖然能承受更大的載荷，但是其有快速失效的缺點，就不適應用于此位置。對連接接頭承受載荷需求較高的位置，可適當提高連接板件的強度。因此，對于膠焊連接，要針對不同位置的受力特點合理設計板件組合。

3 結論

(1)膠焊中的膠層在一定程度上可以增加焊核直徑，理論上形成相同直徑的焊核，膠焊所需的電流更小，因此膠焊相對于點焊能耗更低。膠層使兩板間的電阻不可控，使膠焊易發生內飛濺，從而影響接頭強度，因此在焊接過程中要適當增加電極力，使膠盡可能排開，降低膠層的影響。

(2)母材強度越高，膠焊接頭強度越高，膠層的斷裂受母材影響越小，結構膠的高剪切強度得到越好的體現，使其剪切強度實現最大化，因此結構膠應用到板件強度較高的位置更能發揮其性能優勢。

(3)膠焊中焊點的強度相對于單純點焊有增強，并且母材強度越小，膠焊中焊點強度的增強越顯著。

(4)母材強度越大，膠焊接頭強度越大，但失效速率越快；母材強度越小，接頭強度越小，但失效速率越慢。因此要根據不同位置的受力特點和接頭強度需求合理安排母材的強度組合。