表面處理對(duì)車身用5182鋁合金接頭膠粘性能的影響?

陳碩琛，李光耀，2，崔俊佳，2

前言

鋁合金具有密度小、耐腐性強(qiáng)、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，用于汽車車身結(jié)構(gòu)件和覆蓋件中可大幅度提升車身剛度、減輕車身質(zhì)量、降低油耗。與傳統(tǒng)鋼材相比，在力學(xué)性能指標(biāo)相同的情況下，使用鋁合金代替鋼材可使汽車車身質(zhì)量減輕60%。因此，鋁合金的大量應(yīng)用是未來(lái)汽車發(fā)展的趨勢(shì)[1-2]。“以鋁代鋼”后必然涉及其間的連接工藝，但由于鋁合金的物理、化學(xué)性質(zhì)與鋼材存在較大差別，傳統(tǒng)的連接方式難以實(shí)現(xiàn)有效、可靠的鋁鋼連接。

膠接工藝具有連接效率高、連接性能好、對(duì)被連接件材料可容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合于鋁合金部件之間的連接。目前，在航空航天領(lǐng)域中，膠接工藝有著廣泛的應(yīng)用[3]。但在汽車領(lǐng)域中，主要用于車身密封和輔助點(diǎn)焊，在白車身結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用并不多見(jiàn)。膠接接頭的表面質(zhì)量是直接影響膠接性能的重要參數(shù)，建立膠接母材表面處理工藝、接頭參數(shù)與膠接性能之間的關(guān)系有利于膠接工藝的大規(guī)模應(yīng)用。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外的科研人員做了大量的研究工作。在表面處理工藝方面，劉曉靜等對(duì)比了4種不同的母材表面處理工藝對(duì)鋁合金板件接頭剪切強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)通過(guò)陽(yáng)極氧化處理的鋁合金板件接頭的強(qiáng)度最高[4]。C.Borsellino的研究發(fā)現(xiàn)砂紙打磨母材可改變鋁合金的表面自由能，從而改變接頭強(qiáng)度[5]。在搭接參數(shù)方面，鄭小玲等模擬了膠瘤對(duì)接頭強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)在搭接接頭中膠瘤可減小接頭端部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而提高接頭強(qiáng)度[6]。李龍等發(fā)現(xiàn)接頭的剛度不平衡會(huì)導(dǎo)致膠層應(yīng)力不平衡，從而增加膠層界面失效的風(fēng)險(xiǎn)[7]。蘭鳳崇等進(jìn)行了鋁鎂合金膠接接頭的應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)接頭長(zhǎng)度的增加會(huì)降低接頭內(nèi)部應(yīng)力峰值，提高接頭強(qiáng)度[8]。劉昌發(fā)等研究了接頭尺寸對(duì)鋁鋰合金接頭強(qiáng)度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)合理的膠層厚度為0.2～0.6mm，搭接長(zhǎng)度為12～16mm[9]。

目前國(guó)內(nèi)外的研究中，對(duì)于汽車用鋁合金板件的表面質(zhì)量參數(shù)與接頭力學(xué)性能之間的關(guān)系的相關(guān)研究較少，缺乏對(duì)板件表面性能與接頭強(qiáng)度之間關(guān)系的系統(tǒng)分析。本文中選用5182鋁合金板搭接接頭作為研究對(duì)象，使用不同目數(shù)的砂紙對(duì)鋁合金板表面進(jìn)行打磨，實(shí)際上是打毛以增加其表面粗糙度，從而提高其粘接強(qiáng)度。文中從微觀表面形貌、粗糙度兩個(gè)方面探究打磨程度對(duì)鋁合金接頭拉剪強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

5系鋁合金具有良好的成形性能，可用于汽車內(nèi)覆蓋件的制造。采用5182鋁合金板作為母材，材料參數(shù)如表1所示。膠粘劑選用西卡power 497結(jié)構(gòu)膠，材料參數(shù)如表2所示。單搭接接頭的搭接尺寸依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D1002[10]設(shè)計(jì)，具體參數(shù)如圖1所示，其中接頭長(zhǎng)度為 12.5mm，膠層厚度為0.2mm。

表1 鋁合金板件材料參數(shù)

表2 膠粘劑材料參數(shù)

圖1 膠接接頭搭接示意圖

1.2 粘接過(guò)程與表面處理方法

為探究不同表面形貌對(duì)膠接接頭強(qiáng)度的影響，將試驗(yàn)選用的鋁合金板件表面處理方式分為兩組:一組使用丙酮清洗；另一組采用不同目數(shù)的砂紙交錯(cuò)打磨，打磨完成之后再使用丙酮對(duì)板件進(jìn)行清洗。使用 5種不同目數(shù)的砂紙(P80，P240，P360，P600，P800)對(duì)樣件進(jìn)行打磨。打磨的紋路為縱橫交錯(cuò)打磨，每個(gè)樣件打磨100次。

將打磨后的鋁合金板件涂膠，隨后進(jìn)行裝配和固化處理，其中固化處理采用電阻爐加熱固化，固化溫度為180℃，固化時(shí)間為2h。

母材的微觀表面積和表面粗糙度作為兩個(gè)表面形貌的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)膠接的接頭質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。合適的表面粗糙度可有效提高接頭強(qiáng)度，而母材微觀表面積的增加為膠層與母材的接觸提供了更大空間，從而對(duì)接頭強(qiáng)度有積極影響。在打磨完成后的樣件上選取5個(gè)位置，如圖2所示，使用Olympus DSX510光學(xué)顯微鏡測(cè)量它們的面粗糙度和微觀表面積。其中面粗糙度表示為表面的算術(shù)平均高度:

式中:Sa為面粗糙度；A為微觀表面積；Z(x，y)為表面各點(diǎn)高度。

圖2 表面質(zhì)量觀測(cè)位置示意圖

固體的表面自由能γ(mJ/mm2)是物體表面分子間作用力的體現(xiàn)。在本場(chǎng)合，代表打磨過(guò)程中，為改變表面形態(tài)，增加單位微觀表面積須做的功，其值的變化會(huì)影響固體和液體的接觸效果，進(jìn)而影響膠接強(qiáng)度。因此，測(cè)量不同表面處理后母材的表面自由能，用于解釋微觀形貌和接頭性能的聯(lián)系。表面自由能γ由兩個(gè)主要部分組成:

式中:γD為色散作用成分；γP為偶極作用成分。根據(jù)Owens和Wendt的理論，當(dāng)液體在固體表面擴(kuò)散時(shí)，固體表面自由能和液體的表面張力存在如下關(guān)系[11]:

式中:γS為固體總表面能；γL為液體表面張力；θ為固體和液體的接觸角。由式(3)可知，只要知道兩種液體(一種極性，一種非極性)與固體的接觸角和液體的表面張力、色散分量和極性分量，即可算得固體的表面能。在試驗(yàn)中使用JC2000D2(RT-400)型接觸角測(cè)量?jī)x(圖3)對(duì)極性(蒸餾水)和非極性(二碘甲烷)液體(材料參數(shù)見(jiàn)表3)與不同表面質(zhì)量的鋁合金接觸角進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算得到母材表面自由能。

圖3 接觸角測(cè)量?jī)x

表3 不同試劑液體表面張力 mJ·mm-2

1.3 拉伸剪切性能測(cè)試

在車輛運(yùn)行中，車身單搭接膠接接頭的常見(jiàn)受力形式為拉伸剪切，因此選用接頭拉伸剪切強(qiáng)度用于評(píng)價(jià)膠接接頭性能。

使用英斯特朗5985萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，加載速率為2mm/min，拉伸剪切的強(qiáng)度計(jì)算公式為

式中:τ為接頭剪切強(qiáng)度；F為樣件破壞的最大載荷，N；B為搭接面寬度，mm；L為搭接面長(zhǎng)度，mm。對(duì)每個(gè)表面質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行3組重復(fù)試驗(yàn)，接頭強(qiáng)度取平均值，以減小誤差。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 微觀表面積和表面粗糙度

打磨會(huì)改變母材的表面形貌，進(jìn)而影響到微觀表面積分布。圖4為不同表面處理后的鋁合金板微觀表面積分布情況。由圖可見(jiàn)，未經(jīng)處理的板件的微觀表面積最低，經(jīng)過(guò)砂紙打磨的樣件微觀表面積會(huì)隨著砂紙目數(shù)的增加而減小。圖5為不同打磨程度板件的表面粗糙度分布情況。其分布規(guī)律與微觀表面積分布規(guī)律類似。未經(jīng)處理的板件的粗糙度最低，經(jīng)過(guò)砂紙打磨的樣件的粗糙度會(huì)隨著砂紙目數(shù)的增加而減小。板件的表面輪廓可直觀地反映不同打磨程度下的表面質(zhì)量參數(shù)之間的差異，圖6為原始樣件和不同目數(shù)砂紙打磨樣件的微觀表面形貌輪廓線。由圖可見(jiàn)，未打磨樣件的表面波峰和波谷差值很小，其最大峰谷差為2.43μm，而砂紙打磨后的樣件表面存在高度差較大的波峰和波谷，當(dāng)砂紙目數(shù)從800減少到80目時(shí)，其最大峰谷差會(huì)從7.14增加到19.24μm。

圖4 打磨程度對(duì)微觀表面積的影響

2.2 表面自由能

圖5 打磨程度對(duì)表面粗糙度的影響

圖6 不同打磨程度母材截面輪廓線

打磨程度的差異性導(dǎo)致鋁合金的表面自由能有很大不同。圖7為不同打磨程度下樣件表面自由能分布情況。由圖可見(jiàn):未打磨樣件表面自由能最高，為93.2mJ/mm2；當(dāng)砂紙目數(shù)從80增加到600目時(shí)，鋁合金板的表面自由能從56.2增加到70.8mJ/mm2；當(dāng)砂紙目數(shù)從600增加到800目時(shí)，鋁合金表面自由能從70.8下降到62.5mJ/mm2，使用600目砂紙打磨的鋁合金樣件表面自由能最高。這一規(guī)律與文獻(xiàn)[12]描述相吻合。

圖7 打磨程度對(duì)表面自由能的影響

2.3 接頭強(qiáng)度與失效模式

砂紙的打磨可明顯提高鋁合金膠接接頭強(qiáng)度。圖8為鋁合金膠接件剪切強(qiáng)度與打磨程度的關(guān)系。由圖可見(jiàn):未經(jīng)打磨的樣件剪切強(qiáng)度最低，僅為13.7MPa，采用360目砂紙打磨的樣件剪切強(qiáng)度最高，達(dá)18.3MPa，比未打磨處理樣件的剪切強(qiáng)度提高了33.6%；當(dāng)砂紙目數(shù)從80增加到360目時(shí)，接頭的剪切強(qiáng)度從16.3增加到18.3MPa，當(dāng)砂紙目數(shù)從360增加到 800目時(shí)，接頭強(qiáng)度從 18.3下降到15.4MPa。

圖8 打磨程度對(duì)接頭強(qiáng)度的影響

接頭的失效模式能從側(cè)面反映接頭的強(qiáng)度。對(duì)于板件膠接接頭，存在3種典型的膠接接頭失效模式:界面失效、膠層失效和混合失效[13]。圖9為不同打磨程度樣件的失效斷口相片。由圖9(a)可見(jiàn)，每塊失效后的板件的接頭處被分成了兩段，一段存在大量殘膠，被定義為膠層富集區(qū)，另一段殘膠較少，被定義為膠層稀少區(qū)。未經(jīng)打磨的樣件(圖9(e))，其斷口的膠層稀少區(qū)完全沒(méi)有殘膠分布，根據(jù)3種膠接接頭的失效模式的定義，樣件失效模式為界面失效。在砂紙打磨的樣件中，膠層稀少區(qū)會(huì)存在部分殘膠，因此經(jīng)過(guò)打磨的樣件失效模式都為混合失效。同時(shí)砂紙目數(shù)的不同會(huì)導(dǎo)致接頭殘膠分布情況的差異。對(duì)于80目砂紙打磨的樣件(圖9(b))，其膠層稀少區(qū)被虛線分成兩部分，一部分存在較薄的膠層，另一部分沒(méi)有膠層存在，兩部分各占面積的一半左右，說(shuō)明在混合失效的模式中膠層失效與界面失效模式各占約50%。當(dāng)使用360目砂紙打磨樣件時(shí)(圖9(c))，其膠層稀少區(qū)幾乎都存在一層較薄的膠層，說(shuō)明在混合失效模式中膠層失效占主要成分；當(dāng)使用800目砂紙打磨時(shí)(圖9(d))，其膠層內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)氣孔缺陷，無(wú)論是膠層富集區(qū)還是膠層稀少區(qū)都存在沒(méi)有膠層存在的部分，說(shuō)明界面失效是混合失效的主要模式。

圖9 不同打磨程度樣件斷口形貌

3 分析與討論

3.1 打磨程度與潤(rùn)濕效果

打磨會(huì)改變板件的表面粗糙度，進(jìn)而影響表面自由能，而增加的表面自由能將提升膠粘劑在母材上的潤(rùn)濕效果。

圖10為極性(蒸餾水)與非極性(二碘甲烷)液體在不同粗糙度的鋁合金板件表面的潤(rùn)濕情況。由圖可見(jiàn):無(wú)論是極性還是非極性，液體都可在固體表面形成良好潤(rùn)濕，且母材粗糙度對(duì)兩種液體的浸潤(rùn)效果影響規(guī)律一致；當(dāng)粗糙度從2.5降低到0.8μm時(shí)，液體的接觸角會(huì)降低，浸潤(rùn)效果會(huì)提高；當(dāng)粗糙度從0.8降低到0.3μm時(shí)，液體的接觸角會(huì)有一個(gè)明顯的回升，浸潤(rùn)效果下降；最小的接觸角出現(xiàn)在粗糙度為0.18μm的未打磨樣件中，此時(shí)浸潤(rùn)效果最好。結(jié)合圖5、圖7和圖10可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)砂紙目數(shù)從80增加到600目時(shí)，由于表面粗糙度的降低，板件的表面自由能會(huì)不斷提高，浸潤(rùn)效果也會(huì)明顯提高；但當(dāng)砂紙的目數(shù)從600增加到800目時(shí)，表面自由能有一個(gè)明顯的下降，樣件浸潤(rùn)效果變差；當(dāng)使用800目砂紙打磨時(shí)，鋁合金表面粗糙度Ra＝0.3μm，對(duì)樣件進(jìn)行表面輪廓分析可以發(fā)現(xiàn)，表面峰谷的高度差H＝7.54μm。研究表明，當(dāng)固體表面的凸起高度達(dá)到5～9μm時(shí)，其凸起的部位在固體表面會(huì)形成類似于荷葉的表面的微米級(jí)結(jié)構(gòu)[14-15]，這些微米級(jí)結(jié)構(gòu)具有疏水性。因此，當(dāng)砂紙目數(shù)從600增加到800目時(shí)，雖然鋁合金的表面粗糙度降低了，表面變得光滑，但由于表面生成具有疏水性的微觀結(jié)構(gòu)，表面自由能會(huì)下降，板件浸潤(rùn)性變差。

圖10 表面粗糙度對(duì)浸潤(rùn)效果的影響

對(duì)于未經(jīng)打磨的原始樣件，由于軋制的鋁合金板表面光滑程度較高，表面粗糙度為0.18μm，峰谷差小于3μm，因此具有最高的表面自由能和最佳的浸潤(rùn)性。

3.2 打磨程度對(duì)力學(xué)性能的影響

膠接界面形貌是影響接頭強(qiáng)度的重要因素，表面粗糙度的增加可增強(qiáng)母材與膠層的接觸面積，加大兩者之間的機(jī)械咬合程度，從而提高接頭強(qiáng)度。

對(duì)于未經(jīng)打磨的原始樣件，表面自由能最高，膠接時(shí)膠層與鋁合金表面結(jié)合最為緊密。然而，由于未經(jīng)打磨的樣件其表面過(guò)于光滑，難以與膠層形成大面積機(jī)械咬合，因此，其斷口形貌如圖9(e)所示，接頭失效模式為界面失效，其接頭強(qiáng)度較低。

對(duì)于經(jīng)過(guò)表面處理的樣件，不同的打磨程度引起的表面自由能變化對(duì)接頭的影響也不同。當(dāng)使用80目的砂紙打磨時(shí)，鋁合金板的表面自由能較低。由于浸潤(rùn)效果差，斷裂面中膠層稀少區(qū)存在大面積的無(wú)膠區(qū)，這一現(xiàn)象意味著在膠接過(guò)程中，膠不能完全滲入鋁合金板表面的縫隙中，難以形成大面積的機(jī)械咬合，此時(shí)板件的微觀表面積不能代表實(shí)際膠粘界面面積，斷口形貌如圖9(b)所示。當(dāng)使用360目(600目)砂紙打磨時(shí)，板件有著較高的表面自由能。斷口形貌如圖9(c)所示，斷裂面中膠層稀少區(qū)幾部完全覆蓋著一層薄膠層，表明膠層能完全浸入板件表面的縫隙，此時(shí)板件的微觀表面積可近似代表實(shí)際的膠粘界面面積。當(dāng)使用800目砂紙打磨時(shí)，由于母材表面微米級(jí)結(jié)構(gòu)的存在，表面自由能較低，導(dǎo)致液體難以實(shí)現(xiàn)良好的浸潤(rùn)效果。因此，接頭的斷口中，膠層的富集區(qū)存在著大量的氣泡輪廓，如圖9(d)所示。

綜上所述，當(dāng)砂紙目數(shù)從80增加到360目時(shí)，雖然板件的微觀表面積會(huì)下降，但由于表面自由能的提高，膠接浸潤(rùn)效果改善，實(shí)際的膠接界面面積會(huì)增加，因此接頭強(qiáng)度也不斷提高。當(dāng)砂紙目數(shù)從360目增加到600目時(shí)，板件微觀表面積下降，在此過(guò)程中表面自由能已經(jīng)處于一個(gè)較高的水平，膠接過(guò)程浸潤(rùn)效果較好，因此降低的板件微觀表面積會(huì)導(dǎo)致接頭強(qiáng)度的下降。當(dāng)砂紙目數(shù)為800目時(shí)，由于表面疏水結(jié)構(gòu)的存在，導(dǎo)致了膠層缺陷——?dú)馀莸漠a(chǎn)生，接頭強(qiáng)度比其他打磨程度有明顯的降低。

4 結(jié)論

本文中研究了5182鋁合金的打磨程度和表面形貌對(duì)膠接接頭剪切強(qiáng)度的影響，得到如下結(jié)論:

(1)與未打磨的樣件相比，使用砂紙打磨可改變鋁合金板件表面形貌，增加其表面粗糙度，增加膠層與板件的機(jī)械咬合，提高接頭強(qiáng)度；

(2)適當(dāng)?shù)卦黾颖砻娲植诙瓤稍黾幽z層與板件的接觸面積，達(dá)到提高接頭強(qiáng)度的效果，而過(guò)大的板件表面粗糙度會(huì)導(dǎo)致膠層與板件的浸潤(rùn)效果變差，膠層無(wú)法完全滲入板件的微觀結(jié)構(gòu)中，對(duì)接頭強(qiáng)度的提升較?。?/p>

(3)與未打磨的樣件相比，砂紙打磨會(huì)使接頭的失效模式從界面失效變?yōu)榛旌鲜В瑢?duì)于不同打磨程度的樣件，母材表面自由能越高，其混合失效模式中膠層失效所占比例越大。