車身鋼鋁連接結(jié)構(gòu)膠選型分析

摘 要：文章通過對車身鋼鋁連接結(jié)構(gòu)中鋼和鋁的熱膨脹性能的差異進(jìn)行理論分析，得出鋼鋁連接結(jié)構(gòu)膠烘烤后可能出現(xiàn)的失效模式，分析了結(jié)構(gòu)膠性能參數(shù)中各個參數(shù)代表的意義及對車輛生產(chǎn)和性能的影響，得出鋼鋁連接結(jié)構(gòu)膠選型時關(guān)鍵的兩個參數(shù)為結(jié)構(gòu)膠的強(qiáng)度和斷裂伸長率，同時，通過CAE模擬確定影響鋼鋁連接膠接性能的影響因素有膠層的厚度，基材的料厚和邊界限制條件等，為鋼鋁連接結(jié)構(gòu)膠的選型提供了理論參考的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鋼鋁連接 結(jié)構(gòu)膠 選型

1 緒論

根據(jù)國家政策導(dǎo)向及新能源汽車發(fā)展路線規(guī)劃，新材料、新工藝的應(yīng)用刻不容緩[1]，隨著對車身輕量化要求的日益增高，輕質(zhì)鋁材在車身上的應(yīng)用比例越來越大，車身鋼鋁混合連接的部位也越來越多。而針對鋼鋁連接工藝，由于其物理及化學(xué)特性的差異，導(dǎo)致傳統(tǒng)連接工藝無法實(shí)現(xiàn)，目前普遍采用的結(jié)構(gòu)膠加鉚接的連接方式，不但能很好地解決異種金屬間化合物的生成及電化學(xué)腐蝕等問題，而且同時能提高車身輕量化水平，提升連接部位的連接強(qiáng)度，改善車身的剛度和模態(tài)等，因此，結(jié)構(gòu)膠對鋼鋁車身乃至整車屬性起到了至關(guān)重要的作用。但是，由于鋼板和鋁板在熱膨脹特性上的差異，又對鋼鋁連接結(jié)構(gòu)膠提出了新的更高的要求。

2 理論分析

對于鋼鋁混合車身，結(jié)構(gòu)膠通常和SPR或FDS同時使用對搭接區(qū)域進(jìn)行連接。當(dāng)車身進(jìn)入涂裝進(jìn)行烘烤后，結(jié)構(gòu)膠會隨著溫度的升高逐漸固化。但由于鋼板和鋁板有著不同的熱膨脹系數(shù)，且均隨著溫度的升高而增大，鋁的熱膨脹系數(shù)較鋼增加的更快，其膨脹系數(shù)約為鋼的2倍，溫度變化越大，兩者之前膨脹變形量差異越大，如圖1所示。

通常，涂裝車間烘房的溫度可高達(dá)190-200℃。由圖2-1可知，當(dāng)溫度達(dá)到200℃時，鋼板和鋁板之間熱膨脹導(dǎo)致的變形量差異最大。物理學(xué)上對材料的熱膨脹系數(shù)定義為：對應(yīng)于每單位的溫度變化，標(biāo)準(zhǔn)試件在長度或體積上的變化量[2]。假設(shè)在標(biāo)準(zhǔn)溫度T0下，標(biāo)準(zhǔn)試件的長度為L0，材料的瞬時熱膨脹系數(shù)αT為：

當(dāng)溫度從T1上升到T2，標(biāo)準(zhǔn)試件的長度從L1變到L2，對公式2-1求積分并通過泰勒級數(shù)展開：

（公式2-2）

由于αT相對較小，省略二次項(xiàng)得到：

（公式2-3）

通過公式2-3變形，材料再[T1，T2]溫度區(qū)間的平均熱膨脹系數(shù)[3]為：

（公式2-4）

材料在不同溫度下的熱膨脹變形量差值為：

（公式2-5）

所以，可以計(jì)算出同一長度L的鋼和鋁，在同一溫度變化區(qū)間ΔT下沿長度方向的熱膨脹變形量差異為：

（公式2-6）

由于鋼和鋁在熱膨脹物理性能上的各向同性，其膨脹變形量在長、寬、高各個方向上均有體現(xiàn)。對于一個長100mm，寬16mm，厚1mm的鋼板和鋁板，以ΔT為175℃（最高可達(dá)溫度200℃-室溫25℃）計(jì)算，其熱膨脹變形量差異為：

由此可見，這個長度方向0.233mm的變形差異量，對于斷裂伸長率只有3%左右的普通結(jié)構(gòu)膠而言，可能帶來很大的失效風(fēng)險(xiǎn)，從而影響搭接接頭甚至整個車身性能。

基于結(jié)構(gòu)膠在車身的應(yīng)用場景為夾在兩鈑金件之間，寬度通常為16mm以內(nèi)，厚度通常為0.1-0.2mm，所以由上述計(jì)算可知，其在寬度和厚度方向的變形差異較小，所以工程中我們通常會只考慮長度方向的變形差異量。針對該差異量分析單側(cè)固定形式下，鋼鋁結(jié)構(gòu)膠膠接接頭的失效模式如圖2a，b，c所示三種。

而結(jié)構(gòu)膠在鋼鋁連接界面實(shí)際使用工況為，搭接界面涂一定厚度的結(jié)構(gòu)膠后，每間隔一段距離（通常＜100mm）增加一個SPR或FDS固定，那么在烘烤過程中，隨著溫度的升高，結(jié)構(gòu)膠同鋼板和鋁板一起膨脹，由于兩端受SPR的限制，不同的膨脹變形量體現(xiàn)在基材的彎曲或翹曲的變形上，達(dá)到固化條件后結(jié)構(gòu)膠固化，后隨著溫度的冷卻，此時鋼板和鋁板有收縮至原有尺寸的趨勢，但由于膠和SPR釘?shù)墓潭ㄗ饔?，會阻止鋼板和鋁板的收縮，在各種力的綜合作用下，同時受板材厚度、膠層長度、固化后膠的線膨脹系數(shù)等因素影響，會導(dǎo)致連接后的樣件出現(xiàn)：膠層脫開、板材翹曲、長度不一致等情況。其膠接界面會出現(xiàn)圖3所示失效模式：

判斷一款結(jié)構(gòu)膠是否在高溫時，由于鋼鋁熱膨脹變形量差異而失效，主要從兩方面考慮，一是膠的斷裂延伸率是否能消化該變形差異量，二是膠的拉伸及剪切強(qiáng)度是否大于烘烤后膠層內(nèi)殘余應(yīng)力。因此，結(jié)構(gòu)膠本身的強(qiáng)度以及延伸率是鋼鋁連接結(jié)構(gòu)膠選型時考慮的關(guān)鍵因素。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

對于不同膠粘劑對膠接接頭的影響，意大利馬爾凱理工大學(xué)的Marchione. F和Munafo. P利用膠接的雙搭接接頭進(jìn)行了大量剪切試驗(yàn)，通過選用兩種不同膠粘接，驗(yàn)證他們之間的相容性，得到了獲取雙搭接膠接接頭最佳剛度和強(qiáng)度性能的最佳粘接劑配置[4]；土耳其梅爾辛大學(xué)的Bayramoglu S和Akpinar S等人通過標(biāo)準(zhǔn)的單搭接膠接接頭數(shù)值仿真，研究了不同膠粘劑種類之間的差異，得出了不同膠粘劑的破壞載荷和位移量的不同值[5]。由此可見，不同的膠粘接對膠接接頭有著不同的影響。

在不同材質(zhì)基材粘接接頭的研究方面，T.Sadowski等通過試驗(yàn)研究得出膠鉚接頭強(qiáng)度主要取決于基材類型和膠粘劑種類，為膠粘劑的選型提供了一定的參考，但僅限于定性的分析，無具體的參數(shù)量化數(shù)值，且未專門針對鋼鋁熱膨脹對膠的性能影響進(jìn)行研究[6]。T.Balawende等通過試驗(yàn)研究了不同基材連接對膠結(jié)強(qiáng)度、接頭吸能特性的影響規(guī)律和影響因素，給出了在不同連接工況下膠粘劑種類的選用指導(dǎo)，但并未考慮到膠的不同失效模式產(chǎn)生的影響[7]。

近年來，隨著新能源企業(yè)在中國的快速崛起，國內(nèi)學(xué)者開始逐步對膠接工藝展開了深入研究。胡平[7]等通過試驗(yàn)及仿真方法研究了涂裝工藝下，高溫高濕環(huán)境對異種材料膠接接頭的熱影響，對比了不同的材料連接組合（鋼/鋁，鋼/CFRP）和膠粘劑種類對膠接接頭強(qiáng)度和失效形式的影響。國內(nèi)的閆雪艷通過仿真研究了膠粘劑參數(shù)及板件幾何尺寸對膠接結(jié)構(gòu)的熱影響規(guī)律，但只研究了膠層厚度和彈性模量，但并未對其他關(guān)鍵影響因素進(jìn)行研究[8]。

4 影響選型的結(jié)構(gòu)膠參數(shù)

對于鋼鋁結(jié)構(gòu)膠的選型，目前行業(yè)內(nèi)并未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)以Sika 480LV結(jié)構(gòu)膠為例，詳細(xì)說明各個參數(shù)代表的意義以及具體影響哪些性能指標(biāo)，如表1所示。

結(jié)構(gòu)膠主要性能參數(shù)包括黏度，彈性模量、剪切強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度，T剝離強(qiáng)度，沖擊強(qiáng)度以及斷裂延伸率等。黏度直接影響膠的施工性能，剪切強(qiáng)度反映的是結(jié)構(gòu)膠與基材表面的切向的粘結(jié)強(qiáng)度，T剝離強(qiáng)度反映的是結(jié)構(gòu)膠與基材表面的法向的粘結(jié)強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度則反映的是結(jié)構(gòu)膠自身的內(nèi)聚強(qiáng)度，沖擊強(qiáng)度反映的是結(jié)構(gòu)膠動態(tài)的強(qiáng)度，而斷裂延伸率反映的結(jié)構(gòu)膠抵抗變形的能力。在鋼鋁連接結(jié)構(gòu)膠的選型中，斷裂延伸率是個關(guān)鍵考慮參數(shù)，通常依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們一般要求斷裂延伸率在8%以上。所以，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)膠實(shí)際的施工環(huán)境，在車身上的應(yīng)用部位、應(yīng)用模式、基材的表面處理情況以及車身強(qiáng)度、剛度、模態(tài)等屬性要求選擇符合要求的結(jié)構(gòu)膠，避免過設(shè)計(jì)造成不必要的成本浪費(fèi)。

收集整理了國內(nèi)較具代表性的幾個主機(jī)廠對鋼鋁連接結(jié)構(gòu)膠選型情況，僅供參考，詳見表2。

如表2所示，再一次說明影響鋼鋁結(jié)構(gòu)膠選型的關(guān)鍵因素是結(jié)構(gòu)膠本身的強(qiáng)度和斷裂延伸率，從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，傳統(tǒng)鋼-鋼等同種金屬間使用的結(jié)構(gòu)膠，其斷裂伸長率在3%以內(nèi)，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足鋼-鋁異種金屬間的使用，大部分主機(jī)廠都將斷裂伸長率指標(biāo)提升到8%以上，甚至20%，以此有效保證鋼鋁膠接接頭的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

除此此外，每種結(jié)構(gòu)膠都有著不一樣的固化溫度和固化時間，應(yīng)根據(jù)不同的涂裝生產(chǎn)線烘烤溫度和時間來選擇不同固化條件的結(jié)構(gòu)膠，防止實(shí)際溫度過低無法滿足結(jié)構(gòu)膠固化條件或者溫度過高致使結(jié)構(gòu)膠碳化而失效。再者，根據(jù)不同溫度下，結(jié)構(gòu)膠的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以大致評估該結(jié)構(gòu)膠在多大的殘余應(yīng)力下會失效，從而為初步選型提供依據(jù)。

以上我們了解了結(jié)構(gòu)膠如此多的參數(shù)，以及每個參數(shù)會影響到哪些不同的性能，但尚不足以支持我們對鋼鋁連接結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行最優(yōu)的選型。除此之外，還應(yīng)該了解結(jié)構(gòu)膠所處的實(shí)際工況，以及每種工況對鋼鋁膠接性能的影響。因此，以下先采用CAE仿真分析的方法，對實(shí)際工況中的重要因素進(jìn)行分析，得出影響膠結(jié)性能的各個因素，為后續(xù)物理測試試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。

5 CAE仿真分析

影響鋼鋁連接結(jié)構(gòu)膠性能的因素通常有邊界條件，膠層的施工厚度，基材的料厚，尺寸等，以下為通過CAE仿真得出的相關(guān)結(jié)論。

5.1 不同邊界限制條件

以一個長100mm，寬16mm的鋼板建模，如圖4所示，限制單側(cè)，ΔT=200時，變形模式為幾何尺寸的增大，料厚為1mm和4mm的鋼板長度方向變形量均約為0.2mm。

同樣以一個長100mm，寬16mm的鋼板建模，如圖5所示，限制雙側(cè)，ΔT=200時，變形模式為板材翹曲，料厚為1mm的鋼板翹曲高度變形量約為4.5mm，而料厚為4mm的鋼板翹曲高度變形量約為0.5mm。

由此得出結(jié)論，不同的邊界限制條件，會產(chǎn)生不同的變形模式，而基材料厚的變化對雙側(cè)固定工況影響較大。

5.2 不同膠層厚度

如圖6所示，通過仿真的方法，得出了結(jié)構(gòu)膠膠層厚度從0.1mm-1.0mm剪切強(qiáng)度的具體數(shù)值。

分析得出不同的膠層厚度對剪切強(qiáng)度的影響較大，隨著膠層厚度的增加，剪切強(qiáng)度減小。同時，膠層厚度的增加也會增加膠粘劑的使用量及車身重量，對連接處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響也較大。超過0.3mm的膠層無法直接通過工藝保證，而在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上就應(yīng)該考慮，并預(yù)留相應(yīng)的涂膠間隙。然而，膠層厚度也并非越小越好，太小的膠層厚度，會導(dǎo)致其在烘烤時由于鋼鋁間較大的膨脹變形差異下失效。因此通常建議膠層厚度在0.2mm左右最佳，且不需要額外預(yù)留設(shè)計(jì)間隙，但若鋼鋁搭接兩側(cè)基材料厚差距較大，且一側(cè)料厚低于1mm，則考慮選用斷裂延伸率較大的結(jié)構(gòu)膠（10%以上），且預(yù)留0.8mm涂膠間隙，如圖7所示。

5.3 基材的不同料厚

分別以一個長100mm，寬16mm的鋼板和鋁板建模，鋁板料厚為3mm（一體壓鑄鋁一般料厚），鋼板料厚依次為0.7mm、1.0mm、1.2mm、1.4mm、1.8mm、2.0mm，限制雙側(cè)，ΔT=200時，變形量如圖8所示。

由此得出結(jié)論，基材的不同料厚會引起不同的變形量，料厚越大，變形量越小。

6 總結(jié)

通過前文分析，我們可以得出結(jié)論如下：

（1）鋼鋁膠接接頭由于熱影響的存在，對結(jié)構(gòu)膠的選型提出了新的要求。

（2）鋼鋁膠接接頭失效模式除了具有傳統(tǒng)接頭失效的形式外，還具有自身的特點(diǎn)，并根據(jù)接頭邊界限制條件的不同，有著不同的失效形式，單邊固定的膠接接頭失效形式為沿著膠接界面切線方向的拉伸失效，而兩端固定的膠接接頭失效形式為基材的拱起變形，沿著膠接界面的法向的拉伸失效，且越靠近中間位置失效風(fēng)險(xiǎn)越大。

（3）影響鋼鋁膠接接頭力學(xué)性能的影響因素有結(jié)構(gòu)膠自身參數(shù)：強(qiáng)度和斷裂伸長率，這是我們進(jìn)行鋼鋁結(jié)構(gòu)膠選型時重點(diǎn)考慮的兩個因素，另外基材的料厚、膠接接頭的長度、基材的寬度、基材的表面處理方式、結(jié)構(gòu)膠的膠層厚度也會對接頭性能產(chǎn)生影響。

本文的不足之處在于未能對上述分析進(jìn)行合理的物理試驗(yàn)驗(yàn)證，且只有定性分析沒有定量分析，后續(xù)會進(jìn)行更加深入的研究，設(shè)計(jì)合理的驗(yàn)證試驗(yàn)并進(jìn)行大量的試驗(yàn)，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，修正現(xiàn)有仿真模型，精細(xì)化設(shè)計(jì)，在保證鋼鋁膠接接頭性能的同時，平衡重量和成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]張東升，李彥云，李超.車身零部件成形工藝發(fā)展趨勢研究[J].鍛造與沖壓，2022，2.

[2]操龍飛.金屬材料的熱膨脹特性研究[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2013.

[3]王楠.車身鋼鋁膠鉚連接結(jié)構(gòu)熱影響研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2020.

[4]MARCHIONE F， MUNAFO P. Experimental investigation on timber-glass double-lap adhesive joints[J]. International Journal of Adhesion and Adhesives， 2021，106（102818）.

[5]BAYRAMOGLU S， AKPINAR S， ?AL?K A. Numerical analysis of elasto-plastic adhesively single step lap joints with cohesive zone models and its experimental verification[J]. Journal of Mechanical Science and Technology， 2021，35（2）： 641-649.

[6]T.Sadowski， Knec M， Golewski P. Experimental investigations and numerical modelling of steel adhesive joints reinforced by rivets [J]. International Journal of Adhesion&Adhesives，2010，30（5）：338-346.

[7]T.Balawende. Technological Problem and Experimental Investigation of Hybrid：Cliched-Adhesively Bonded Join[J]. Archives of Metallurgy and Materials， 2011，56（2）：439-446

[8]閆雪燕.基于熱影響的鋼鋁異種材料零件連接研究[D].長春：吉林大學(xué)，2016.