焊接對(duì)單組分環(huán)氧樹脂膠粘劑粘接性能影響

劉佳欣，王 利，吳彥霖，楊 宇，徐 鑫，馮嘉雨

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司， 遼寧 遼陽111003)

膠粘是一種能夠保證高強(qiáng)度、剛度以及長(zhǎng)疲勞壽命、同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化的最適宜連接工藝[1]，因此在鋁合金車身中應(yīng)用較廣泛。但是，膠接接頭也具有受環(huán)境、溫度等因素影響較大的特點(diǎn)，并且鋁合金車身大量采用焊接工藝，焊接時(shí)較高的熱輸入對(duì)已固化的膠層性能會(huì)產(chǎn)生很大影響，甚至導(dǎo)致接頭失效。本文選取一種單組分環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠，在距離膠層不同距離位置施加MIG焊，并對(duì)受熱影響的粘接接頭測(cè)試剪切強(qiáng)度，通過強(qiáng)度變化和斷口形貌確定膠層邊緣與焊縫中心的安全距離，結(jié)果與模擬分析吻合，為膠接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及膠接應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為5083鋁合金，尺寸為180mm(長(zhǎng))×100mm(寬)×5mm(厚)；膠粘劑為單組分環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠，與鋁合金粘接后剪切強(qiáng)度可達(dá)25MPa；試驗(yàn)接頭形式為搭接，采用酒精對(duì)待粘接表面進(jìn)行清理后均勻施膠，搭接長(zhǎng)度12.5mm，并在180℃條件下保溫20min固化：之后在距離膠層邊緣不同距離位置進(jìn)行MIG焊接，焊接工藝參數(shù)為，母材5083合金，焊絲材料5356合金，焊接電流140A～160A，焊接電壓21.1V～21.9V，焊速540mm/min。

粘接并焊接7塊試板，第一塊試板膠接后不進(jìn)行焊接，第二塊至第七塊試板的膠層邊緣與焊縫中心距離依次為15mm、20mm、25mm、30mm、35mm和40mm；之后按照GB/T 7124-2008將每塊試板切割成5支標(biāo)準(zhǔn)剪切試樣[2]，如圖1所示，并使用電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行剪切試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 接頭破壞形式分析

圖2為未經(jīng)焊接的試樣剪切破壞形貌，所有試樣破壞形式均為內(nèi)聚破壞，滿足膠粘劑接頭破壞形式要求。

圖3(a)、圖3(b)分別為膠層邊緣與焊縫中心距離為15mm和20mm的試樣的破壞形貌，該兩組試樣在焊接后脫粘，接頭破壞形式為界面破壞。

圖4(a)為膠層邊緣與焊縫中心距離為25mm試樣剪切破壞形貌，其中焊接起弧點(diǎn)處試樣接頭破壞形式為內(nèi)聚加界面破壞，且內(nèi)聚破壞比例小于95%，其它樣件均為界面破壞；圖4(b)、圖4(c)、圖4(d)分別為膠接接頭邊緣與焊縫中心距離為30mm、35mm、40mm試樣剪切破壞形貌，接頭破壞形式均為內(nèi)聚破壞。

膠接接頭的破壞形式包括內(nèi)聚破壞、界面破壞和內(nèi)聚界面破壞并存3種形式，通常合格的膠接接頭內(nèi)聚破壞形式所占比例要求大于95%(所占比例測(cè)量時(shí)采用透明格子計(jì)算紙貼在破壞接頭表面，并根據(jù)界面破壞及內(nèi)聚破壞分別所占網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行比例估算)。試驗(yàn)中膠層邊緣與焊縫中心距離為15mm、20mm試樣焊接后在未受外力情況下脫粘，接頭破壞形式均為界面破壞，分析為該距離下所受溫度較高，導(dǎo)致粘接失效；距離為25mm試樣起弧點(diǎn)破壞形式為內(nèi)聚界面破壞并存，且內(nèi)聚破壞比例小于95%，其它樣件均為界面破壞，故不滿足使用要求；距離為30mm及大于30mm試樣接頭破壞形式均為內(nèi)聚破壞，內(nèi)聚破壞形式所占比例大于95%，滿足使用要求。

2.2 力學(xué)性能

因膠接接頭邊緣與焊縫中心距離為15mm、20mm試樣焊接后脫粘，故未進(jìn)行剪切試驗(yàn)，其它樣件檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，膠接后未焊接試樣拉伸剪切強(qiáng)度均值為28.9MPa，滿足該結(jié)構(gòu)膠使用性能要求；與焊縫中心距離為25mm試樣剪切強(qiáng)度均值為7.3MPa，未達(dá)到使用要求；與焊縫中心距離為30mm、35mm及40mm試樣拉伸剪切強(qiáng)度均值分別為28.8MPa、28.8MPa和28.9MPa，滿足使用要求。

2.3 焊接溫度場(chǎng)模擬

根據(jù)所用焊接參數(shù)及材料對(duì)試板進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬分析，選取的溫度分析點(diǎn)為距起弧點(diǎn)30mm、90mm和150mm且膠層邊緣與焊縫中心距離分別為20mm、25mm和30mm，共計(jì)9個(gè)分析點(diǎn)，如圖5所示；圖6中未標(biāo)注數(shù)值的曲線為膠層邊緣與焊縫中心距離小于20mm和大于30mm部分，不在文中具體分析。

表1 各組試樣拉伸剪切性能

從溫度隨時(shí)間變化曲線可看出，膠層邊緣與焊縫中心距離為20mm時(shí)所受溫度可維持在230℃以上；距離為25mm時(shí)所受溫度維持在200℃左右，接近此膠粘劑耐受溫度上限；隨著距離增大，所受溫度不斷降低，在距離為30mm時(shí)膠接接頭所受溫度持續(xù)在150℃左右。由于試驗(yàn)選用的膠粘劑在未固化之前為含有至少兩個(gè)環(huán)氧基團(tuán)的低分子量預(yù)聚物[3]，在180℃保溫條件下環(huán)氧樹脂開環(huán)相互聚合，形成網(wǎng)狀或體形大分子的剛性狀態(tài)結(jié)構(gòu)，因此固化前后分子結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致耐受溫度也有所差異。在膠接接頭邊緣與焊縫中心距離為15mm、20mm時(shí)，隨著焊接過程的持續(xù)膠層溫度在230℃以上，固化后的膠層在該溫度下失效，導(dǎo)致脫粘，接頭破壞形式為界面破壞；在膠接接頭與焊縫中心距離為25mm時(shí)，膠接接頭所承受溫度為200℃，此溫度接近耐受溫度上限，但是起弧點(diǎn)所承受溫度持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，該距離下起弧點(diǎn)試樣未完全失效，接頭為內(nèi)聚加界面破壞，但粘接性能明顯下降，該組其它試樣因承受溫度時(shí)間較長(zhǎng)，持續(xù)高溫導(dǎo)致接頭完全失效，接頭破壞形式為界面破壞；隨膠層與焊縫中心距離不斷增加，接頭所承受熱量逐漸降低，在距離為30mm時(shí)，接頭所承受溫度為150℃，在該溫度下，接頭破壞形式為內(nèi)聚破壞，力學(xué)性能無明顯降低；距離為35mm、40mm試樣接頭破壞形式均為內(nèi)聚破壞，拉伸剪切性能與未進(jìn)行焊接試樣相比無明顯變化。

3 結(jié)論

尺寸為180mm×100mm×5mm的5083鋁合金采用單組分環(huán)氧樹脂膠粘并在膠層附近焊接，當(dāng)膠層邊緣距離焊縫中心30mm時(shí)剪切性能穩(wěn)定，膠層破壞形式主要為內(nèi)聚破壞，且與模擬分析結(jié)果吻合。因此，建議產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)膠層邊緣距焊縫中心距離至少30mm。