激光表面處理提高鋁合金膠接接頭強(qiáng)度的研究

趙媛媛 鄭松剛 張超 劉達(dá)工

摘 要：粘接作為重要的汽車(chē)輕量化連接技術(shù)之一，膠接接頭的強(qiáng)度和性能是我們關(guān)注的重點(diǎn)，膠接接頭的強(qiáng)度和性能完全取決于膠粘劑接觸的表面類型，因此在粘接之前對(duì)基材表面進(jìn)行一定處理是粘接工藝中最重要的環(huán)節(jié)之一。金屬的表面處理包括溶劑擦拭、機(jī)械打磨、化學(xué)清洗和酸蝕。激光表面處理是一種新型綠色環(huán)保的表面處理工藝，它可以高速有效的清潔材料表面附著物，并且改變材料表面微觀結(jié)構(gòu)及材料表面自由能及浸潤(rùn)性。從而提高粘接接頭十字拉伸強(qiáng)度、單搭接拉伸剪切強(qiáng)度和接頭耐水性能。通過(guò)激光處理，所有接頭的破壞形式由界面破壞轉(zhuǎn)為內(nèi)聚破壞。對(duì)鋁合金環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠2098G膠接接頭而言，十字拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和水浴剪切強(qiáng)度，激光處理后比溶劑擦拭分別提高了17.8%，133.8%，88.1%。對(duì)鋁合金聚氨酯結(jié)構(gòu)膠TS6015膠接接頭而言，十字拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和水浴剪切強(qiáng)度，激光處理后比溶劑擦拭分別提高了698%，225%，223%。激光表面處理有效的使鋁合金膠接接頭的強(qiáng)度達(dá)到膠的本體強(qiáng)度的94%～100%，是鋁合金粘接的有效表面處理方法。

關(guān)鍵詞：鋁合金;粘接;結(jié)構(gòu)膠;激光表面處理;材料浸潤(rùn)性

中圖分類號(hào)：TQ436+.2;TG495 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

汽車(chē)輕量化多材料連接技術(shù)是汽車(chē)輕量化的必經(jīng)之路，他包括機(jī)械連接，焊接，粘接3大類，粘接作為重要的連接技術(shù)之一受到重視。開(kāi)發(fā)適合汽車(chē)制造的高效鋁-鋁、鋼-鋁、鋁-非金屬、鋼-非金屬、非金屬-非金屬的連接技術(shù)成為汽車(chē)工業(yè)必須解決的技術(shù)難題[1]。

粘接技術(shù)在汽車(chē)輕量化多材料連接技術(shù)中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：可實(shí)現(xiàn)異種材料連接、連接結(jié)構(gòu)剛度大、連接區(qū)域應(yīng)力分布均勻、隔離異種材料防止發(fā)生電偶腐蝕、疲勞性能優(yōu)良、提升NVH性能、輕量化和低成本。

粘接接頭的強(qiáng)度和性能是我們關(guān)注的重點(diǎn)，膠接接頭的強(qiáng)度和性能完全取決于膠粘劑接觸的表面類型，因此在粘接之前對(duì)基材表面進(jìn)行一定處理是粘接工藝中最重要的環(huán)節(jié)之一。金屬的表面處理包括溶劑擦拭、機(jī)械打磨、化學(xué)清洗和酸蝕。激光表面處理是一種新型綠色環(huán)保的表面處理工藝，它可以高速有效的清潔材料表面附著物，并且改變材料表面微觀結(jié)構(gòu)及材料表面自由能及浸潤(rùn)性。它基于激光與材料相互作用效應(yīng)的一項(xiàng)新技術(shù)，與傳統(tǒng)的機(jī)械打磨、溶劑擦拭、噴丸處理、化學(xué)刻蝕、火焰處理、等離子處理有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。它不需要任何破壞臭氧層的有機(jī)溶劑，無(wú)污染、無(wú)噪聲，對(duì)人體和環(huán)境無(wú)害，是一種“綠色”表面處理技術(shù)[2-3]。激光表面處理是一種綠色環(huán)保的表面處理方法，不需使用任何化學(xué)藥劑，例如丙酮或異丙醇等常用的粘接表面處理溶劑?？梢暂p易解決化學(xué)清洗帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題。

激光表面處理的原理是通過(guò)高能量的激光脈沖作用，使材料表面在吸收能量后發(fā)生融化或氣化，進(jìn)而達(dá)到去除材料表面污染的效果。此外，材料在氣化的同時(shí)會(huì)形成高壓的等離子體，造成部分熔融材料噴射出來(lái)覆蓋在材料表面，從而改變被處理材料的表面形貌。同時(shí)部分金屬材料還會(huì)產(chǎn)生氧化，生成一層新的致密氧化膜，同時(shí)激光表面處理可以增加粘接件的耐腐蝕性能[4]。

激光表面處理提供了一些獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。已經(jīng)有大量的研究致力于將激光表面處理作為清潔表面、產(chǎn)生極性和反應(yīng)性物質(zhì)以及產(chǎn)生形貌以改善與涂層和粘合劑的結(jié)合的手段[5，6]。激光表面處理可以增加或減少表面自由能，這取決于殘留的化學(xué)物質(zhì)和最終的形貌。例如，Lawrence和他的同事發(fā)表了一系列關(guān)于激光表面處理不銹鋼和鋁來(lái)改變潤(rùn)濕性的論文[7-9]。在文章中，我們討論了激光微加工技術(shù)在金屬粘接領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

異丙醇，工業(yè)級(jí)，天津天泰化學(xué)品有限公司;6061鋁合金，西南鋁業(yè)有限公司;環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠陶氏2098G，杜邦集團(tuán);聚氨酯結(jié)構(gòu)膠TS6015，蘇州眾晶復(fù)合材料有限公司。0.5mm及1.0mm玻璃微珠，市售。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

激光器為YDFLP-100-M7-M-R型，深圳杰普特光電股份有限公司;50kN型電子萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南美特斯有限公司;水浴箱，市售。

1.3 試驗(yàn)制備

測(cè)試基材為6061鋁合金，其中十字拉伸試驗(yàn)樣片規(guī)格為75mm×25mm×3mm，單搭接拉伸剪切樣片規(guī)格為100mm×25mm×3mm，水浴剪切樣件規(guī)格為100mm×25mm×3mm。十字拉伸示意圖為圖1 ，單搭接剪切示意圖為圖2。采用激光器對(duì)粘接料片Al-6061粘接區(qū)域進(jìn)行掃描，掃描參數(shù)為：掃描速度2500mm/s，功率60W，脈沖寬度500ns，頻率40kHz，掃描線間距0.09mm。

采用膠水為環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠DOW2098G，該膠最大的特點(diǎn)是雙組份常溫固化。適用于機(jī)械連接+膠的連接方式，也適用于鋁板與結(jié)構(gòu)膠的自粘。采用摻鐿脈沖光纖激光器，激光波長(zhǎng)為1064nm，對(duì)鋁-6061進(jìn)行異丙醇擦拭和激光表面處理，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，測(cè)試鋁-6061+DOW2098G+鋁-6061試件的常溫十字拉伸強(qiáng)度，剪切強(qiáng)度，以及40℃水浴240h后的剪切強(qiáng)度，膠層厚度控制在0.5mm。

對(duì)鋁-6061進(jìn)行異丙醇擦拭和激光表面處理，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)試鋁-6061+TS6015+鋁-6061試件的常溫十字拉伸強(qiáng)度、常溫單搭接剪切強(qiáng)度以及40℃水浴240h后的剪切強(qiáng)度，膠層厚度控制在1.0mm。

1.4 測(cè)定或表征

（1）十字拉伸強(qiáng)度。按照 GB/T 1040.1-2006標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，其中夾具的移動(dòng)速度為10mm/min，試樣的搭接長(zhǎng)度為（25±0.5）mm，搭接寬度為（25±0.5）mm。膠粘劑的粘接厚度為0.5mm或1mm，固化條件為常溫固化7d。

（2）單搭接拉伸剪切強(qiáng)度。按照 GB/T 7124-2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，其中夾具的移動(dòng)速度為10mm/min，試樣的搭接寬度為（12.5±0.5）mm，搭接長(zhǎng)度為（25±0.5）mm。膠粘劑的粘接厚度為0.5mm或1mm，固化條件為常溫固化7d。

（3）耐水性剪切強(qiáng)度。按照 GB/T 7124-2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，其中夾具的移動(dòng)速度為10mm/min，試樣的搭接寬度為（12.5±0.5）mm，搭接長(zhǎng)度為（25±0.5）mm。膠粘劑的粘接厚度為0.5mm或1mm，固化條件為常溫固化7d。水浴條件為樣件在40℃浸泡240h。

2 結(jié)果與討論

2.1 基本性能

鋁合金由于具有質(zhì)輕、耐腐蝕、吸能性好、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)，成為汽車(chē)、輪船、航空航天等制造業(yè)的主要材料。作為粘接基材，鋁合金-6061的化學(xué)成分如表1所示， 表2為鋁合金-6061的主要力學(xué)性能。

環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠DOWBETAMATE2098G是一種雙組份環(huán)氧基膠粘劑，A∶B=2∶1，可顯著提高整車(chē)的剛性和耐沖擊性，膠粘劑和粘接的接頭具有強(qiáng)的耐久性，因膠粘劑的密封性能卓越，從而為鋼板和焊點(diǎn)獲得良好的耐腐蝕保護(hù)，兼容其他車(chē)身連接工藝，如機(jī)械連接和熱融連接。環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑的膠層厚度控制在0.5mm，聚氨酯結(jié)構(gòu)膠TotalSeal6015是帶點(diǎn)柔軟且能用于結(jié)構(gòu)粘接的粘合劑，適用于粘接多種基材。產(chǎn)品特性為粘接基材范圍廣，斷裂伸長(zhǎng)率高，無(wú)溶劑等。聚氨酯膠粘劑的膠層厚度控制在1.0mm。表3為環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠DOWBETAMATE2098G和聚氨酯結(jié)構(gòu)膠TOTALSEAL6015性能。

2.2 激光表面處理鋁合金SEM照片分析

圖3示出異丙醇擦拭和激光表面處理后鋁板的微觀表面形貌對(duì)比圖，其中圖3中a圖為異丙醇擦拭后鋁板的微觀表面形貌，圖3中b圖為激光表面處理后鋁板的微觀表面形貌。從圖3中微觀形貌可以明顯看出異丙醇擦拭后的鋁板表面比較光滑，激光處理后的鋁板微觀表面粗糙度明顯上升，表面比較粗糙，這有利于膠粘劑和鋁板更好的機(jī)械鎖合，從物理方面提升了粘接接頭的強(qiáng)度。

激光表面處理鋁合金的機(jī)理是光化學(xué)、光物理和光熱過(guò)程，可以單獨(dú)發(fā)生，也可以組合發(fā)生，從而導(dǎo)致燒蝕。光化學(xué)燒蝕是由于吸收光子而導(dǎo)致的化學(xué)鍵解離，對(duì)于有機(jī)材料，這通常需要800～1000mJ/cm2的能量密度。金屬和陶瓷需要比有機(jī)材料高達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)的較高能量密度才能引起光燒蝕[10]。紫外范圍（100～400nm）的光子被表面一微米內(nèi)的大多數(shù)材料吸收，并具有足夠的能量分離共價(jià)鍵。此外，脈沖持續(xù)時(shí)間短（～10皮秒或更短）的激光可以具有足夠的峰值功率來(lái)實(shí)現(xiàn)多光子吸收和光燒蝕。足夠功率的激光脈沖可以分解大量的聚合物和金屬的表面改性鍵，產(chǎn)生一個(gè)低密度、高壓的等離子體，可以爆炸性剝離和噴射表層物質(zhì)。如果這些機(jī)制的時(shí)間尺度很短（幾十納秒或更短），這個(gè)過(guò)程仍然主要是光燒蝕，而不是光熱。光燒蝕過(guò)程通常導(dǎo)致表面加熱較少，因此熱影響區(qū)較小，熔化較少，碎片較少。

光熱消融（熱消融）發(fā)生在激光輻射被吸收并導(dǎo)致材料快速加熱到沸點(diǎn)以上從而形成蒸汽的時(shí)候。可見(jiàn)光至紅外光譜范圍（400nm～1mm）的激光的光子能量小于3ev，不太可能導(dǎo)致鍵離解，但會(huì)導(dǎo)致加熱。此外，脈沖持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)（納秒及更長(zhǎng)）的激光主要會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱。熱消融的時(shí)間尺度對(duì)于減少消融部位（即熱影響區(qū)）附近材料的熱降解也很重要。作為熱燒蝕的一部分發(fā)生的快速熔化、沸騰和固化可導(dǎo)致高度紋理化的表面。

光物理燒蝕是由激光脈沖在材料表面附近產(chǎn)生的沖擊波引起的材料噴射。沖擊波通常是由基底的快速熱膨脹引起的。如果激光脈沖的持續(xù)時(shí)間明顯短于材料的熱弛豫時(shí)間，就會(huì)產(chǎn)生熱彈性應(yīng)力，并從輻射點(diǎn)以波的形式傳播出去。應(yīng)力波會(huì)導(dǎo)致材料表面破裂并噴出顆粒[11]。物理消融比其他激光消融機(jī)制明顯更節(jié)能，因?yàn)榫哂袛?shù)千個(gè)原子的粒子可以被噴射，而不需要分離或蒸發(fā)粒子內(nèi)的原子[12]。

激光表面處理圖案化的多功能性已經(jīng)導(dǎo)致廣泛使用這種技術(shù)來(lái)改變表面形貌和化學(xué)性質(zhì)。對(duì)各種材料進(jìn)行了激光參數(shù)研究，如脈沖持續(xù)時(shí)間、波長(zhǎng)、激光能量密度和脈沖重復(fù)率等因素。較短的脈沖持續(xù)時(shí)間（τ<10 ps）導(dǎo)致等離子體形成和光燒蝕，從而在不干擾周?chē)r底的情況下去除材料[13，14]。應(yīng)力約束條件下超快激光器的原子模型預(yù)測(cè)了臨界能量密度下熔融層或熔滴的機(jī)械散裂。能量密度的進(jìn)一步增加會(huì)導(dǎo)致以燒蝕羽流中的霧化蒸汽為特征的相爆炸[15]。對(duì)于τ>50 ps，熱燒蝕占主導(dǎo)地位，因此除了通過(guò)蒸發(fā)去除材料之外，基底的熔化和重新固化還會(huì)產(chǎn)生新形貌。本文中的激光表面處理以熱燒蝕為主，基材熔化并重新固化后產(chǎn)生新的形貌如圖3（b）所示。

2.3 激光表面處理前后材料潤(rùn)濕特性

經(jīng)過(guò)對(duì)粘接材料激光表面處理后，粘接材料表面能發(fā)生顯著變化，圖4為異丙醇擦拭和激光表面處理后材料與達(dá)因液浸潤(rùn)示意圖，其中圖4a為達(dá)因值55的達(dá)因筆在異丙醇擦拭后鋁合金板上劃線示意圖，達(dá)因液為凝珠現(xiàn)象，表明鋁板與達(dá)因液的浸潤(rùn)性不太好，接觸角<90°;圖4b為達(dá)因值55的達(dá)因筆在鋁合金板上劃線示意圖，激光表面處理后材料與達(dá)因液浸潤(rùn)，達(dá)因液在鋁板表面完全擴(kuò)散開(kāi)，接觸角變?yōu)?°。從圖4中可以看出，激光表面處理后，達(dá)因液在鋁板表面完全擴(kuò)散開(kāi)，結(jié)構(gòu)膠和材料的表面浸潤(rùn)性大大增強(qiáng)，有利于粘接接頭強(qiáng)度提升。

圖4提供了潤(rùn)濕現(xiàn)象。下面我們將強(qiáng)調(diào)宏觀潤(rùn)濕理論的發(fā)展，同時(shí)注意預(yù)測(cè)潤(rùn)濕行為的微觀模型。描述固體/液體/蒸汽界面相互作用的基本理論是由1805年的楊氏方程給出的：

其中：θ為接觸角，γSL為固液界面自由能，γSV為固汽界面自由能，γLV為液汽界面自由能。接觸角是一個(gè)宏觀的熱力學(xué)量，因?yàn)樗?dú)立于分子間力，分子間力的作用距離比潤(rùn)濕界面的尺寸小得多。表觀活化能可通過(guò)多種技術(shù)觀察到[16]，是計(jì)算表面自由能的幾種模型的基礎(chǔ)[17-19]。固體通常有一個(gè)較高的γSL通常表現(xiàn)出較低的接觸角（< 90°），而低的γSL界面自由能顯示出高接觸角 （> 90°）?？刂乒腆w表面自由能，進(jìn)而控制潤(rùn)濕性能是材料研究者的目標(biāo)。

Wenzel觀察并發(fā)表了一篇關(guān)于理解表面微觀形貌對(duì)接觸角影響的重要論文[20]。他1936年的論文描述了表面粗糙度如何增強(qiáng)疏水表面的疏水性和親水性表面的親水性。他對(duì)楊氏方程的修正為：

其中：θApp為粗糙表面接觸角，r是粗糙度系數(shù)，定義為實(shí)際表面積與平坦表面積之比，θ 0為理想表面的固有接觸角，它代替了楊氏接觸角，理想的表面是光滑的、均勻的、堅(jiān)硬的、不溶的和不與接觸液體反應(yīng)的。因?yàn)閞總是大于1，增加粗糙度只會(huì)增加方程（Wenzel）的分子，從而使表觀接觸角遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于90°[20]，Wenzel模型成功地預(yù)測(cè)了粗糙、光滑表面的表觀接觸角。從以上理論模型可以很好的解釋文章中圖3現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)聯(lián)，經(jīng)過(guò)激光處理的鋁合金表面的接觸角由<90°變?yōu)橥耆珨U(kuò)散為0°，cosθApp由<1增大為1，則γSL固液界面自由能減小，液體浸潤(rùn)性更好，膠粘劑和鋁合金粘合力增大。經(jīng)過(guò)激光處理的鋁合金表面的粗糙度增大，r增大，故γSL固液界面自由能減小，液體浸潤(rùn)性越好，同樣可以使膠粘劑和鋁合金粘合力增大。

2.4 粘接接頭性能表征

2.4.1 鋁合金與環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠的粘接

表4為2098G膠水異丙醇擦拭和激光表面處理后鋁合金粘接接頭的常溫十字拉伸強(qiáng)度、常溫單搭接剪切強(qiáng)度和水浴后單搭接剪切強(qiáng)度。從數(shù)據(jù)可以看出異丙醇擦拭后粘接接頭的十字拉伸強(qiáng)度的平均值為5.40MPa，激光處理后粘接接頭的十字拉伸強(qiáng)度的平均值為6.36MPa，激光處理后比溶劑擦拭提高了17.8%。異丙醇擦拭后粘接接頭的常溫單搭接剪切強(qiáng)度的平均值為9.21MPa，激光處理后粘接接頭的常溫單搭接剪切強(qiáng)度的平均值為21.54MPa，激光處理后比溶劑擦拭提高了133.8%。對(duì)單搭接粘接樣件進(jìn)行40℃下240h的水浴處理，進(jìn)行粘接接頭的耐水性能測(cè)試。從數(shù)據(jù)可以看出異丙醇擦拭后單搭接接頭水浴的剪切強(qiáng)度的平均值為9.70MPa，激光處理后單搭接接頭水浴的剪切強(qiáng)度的平均值為18.25MPa，激光處理后比溶劑擦拭提高了88.1%。

圖5所示為不同處理方式對(duì)鋁合金粘接接頭強(qiáng)度的柱狀對(duì)比圖?？梢?jiàn)激光處理比常規(guī)的溶劑擦拭對(duì)粘接接頭的拉伸性能、剪切性能以及水浴后剪切性能都有顯著提升。

圖6a、b為異丙醇擦拭和激光表面處理后2098G結(jié)構(gòu)膠常溫單搭接樣件拉伸剪切后膠接接頭破壞形式示意圖，圖6a顯示了異丙醇擦拭后常溫單搭接樣件拉伸剪切后膠接接頭示意圖，很顯然剪切接頭破壞方式為粘附破壞;圖6b顯示了激光表面處理后常溫單搭接樣件拉伸剪切后膠接接頭示意圖，很顯然剪切接頭破壞方式為內(nèi)聚破壞;破壞方式的轉(zhuǎn)變證明了激光表面處理對(duì)接頭強(qiáng)度提升的決定性影響。圖6c、d為異丙醇擦拭和激光表面處理后常溫單搭接樣件拉伸剪切的力-時(shí)間曲線圖，從圖6c可以看出，拉伸最大力均比較小，而且離散型很大，意味著數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。從圖6d可以看出，激光處理后拉伸最大力均是異丙醇擦拭的2倍，而且數(shù)據(jù)離散型很小，意味著數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定。

2.4.2 鋁合金與聚氨酯結(jié)構(gòu)膠的粘接

表5為T(mén)S6015結(jié)構(gòu)膠異丙醇擦拭和激光表面處理后鋁合金粘接接頭的常溫十字拉伸強(qiáng)度、單搭接剪切強(qiáng)度及水浴剪切強(qiáng)度的對(duì)比數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)可以看出溶劑擦拭后粘接接頭的十字拉伸強(qiáng)度的平均值為0.77MPa，激光處理后粘接接頭的十字拉伸強(qiáng)度的平均值為6.15MPa，激光處理后比溶劑擦拭提高了698%。從數(shù)據(jù)可以看出溶劑擦拭后粘接接頭的剪切強(qiáng)度的平均值為5.15MPa，激光處理后粘接接頭的剪切強(qiáng)度的平均值為16.78MPa，激光處理后比溶劑擦拭提高了225%。從數(shù)據(jù)可以看出異丙醇擦拭后單搭接接頭水浴的剪切強(qiáng)度的平均值為4.68MPa，激光處理后單搭接接頭水浴的剪切強(qiáng)度的平均值為15.13MPa，激光處理后比溶劑擦拭提高了223%。

圖7為不同處理方式對(duì)鋁合金聚氨酯TS6015粘接接頭強(qiáng)度的柱狀對(duì)比圖。可見(jiàn)激光處理比常規(guī)的溶劑擦拭對(duì)粘接接頭的十字拉伸性能、剪切性能以及水浴后剪切性能都有顯著提升。

圖8a、b為異丙醇擦拭和激光表面處理后TS6015結(jié)構(gòu)膠常溫單搭接樣件拉伸剪切后膠接接頭破壞形式示意圖，圖8a顯示了異丙醇擦拭后常溫單搭接樣件拉伸剪切后膠接接頭示意圖，很顯然剪切接頭破壞方式為粘附破壞;圖8b顯示了激光表面處理后常溫單搭接樣件拉伸剪切后膠接接頭示意圖，很顯然剪切接頭破壞方式為內(nèi)聚破壞;破壞方式由粘附破壞向內(nèi)聚破壞的轉(zhuǎn)變證明了激光表面處理對(duì)接頭強(qiáng)度提升的決定性影響。圖8c、d為異丙醇擦拭和激光表面處理后常溫單搭接樣件拉伸剪切的力-時(shí)間曲線圖，從圖8c可以看出，拉伸最大力均比較小，而且離散型很大，意味著數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。從圖8d可以看出，激光處理后拉伸最大力均是異丙醇擦拭的3倍，而且數(shù)據(jù)離散型很小，意味著數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)過(guò)激光處理的鋁合金表面的接觸角由<90°變?yōu)?°，cosθApp由<1增大為1，則γSL固液界面自由能減小，液體浸潤(rùn)性更好，膠粘劑和鋁合金粘合力增大;經(jīng)過(guò)激光處理的鋁合金表面的粗糙度增大，r增大，故γSL固液界面自由能減小，液體浸潤(rùn)性更好，同樣可以使膠粘劑和鋁合金粘合力增大。

（2）通過(guò)激光處理，所有接頭的破壞形式由粘附破壞轉(zhuǎn)為內(nèi)聚破壞。

（3）對(duì)鋁合金環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠2098G膠接接頭而言，十字拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和水浴剪切強(qiáng)度，激光處理后比溶劑擦拭分別提高了17.8%，133.8%，88.1%。

（4）對(duì)鋁合金聚氨酯結(jié)構(gòu)膠TS6015膠接接頭而言，十字拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和水浴剪切強(qiáng)度，激光處理后比溶劑擦拭分別提高了698%，225%，223%。

（5）激光處理后，粘接接頭拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性比溶劑擦拭更好。

總之，激光表面處理可顯著提升鋁合金膠接接頭的性能，激光表面處理高速有效的清潔材料表面附著物，改變材料表面微觀結(jié)構(gòu)使材料表面粗糙度提升，改變材料表面自由能使基材與膠的浸潤(rùn)性大大提高。從而提高粘接接頭十字拉伸強(qiáng)度、單搭接拉伸剪切強(qiáng)度和接頭耐水性能。對(duì)工業(yè)應(yīng)用有很大的實(shí)踐意義。

參考文獻(xiàn)

[1]李波，袁挺，方基永.車(chē)用鋁合金結(jié)構(gòu)膠應(yīng)用研究[J].中國(guó)膠粘劑，2020（11）：52-55.

[2]Junying Min，Hailang Wan，Blair E.Carlson，et al.Application of laser ablation in adhesive bonding of metallic materials： A review[J].Optics and Laser Technology， 2020，128.

[3]朱傳敏，呂珊珊，梅雨，等.激光燒蝕鋁合金表面對(duì)其膠接接頭耐腐蝕性能的影響[J].中國(guó)機(jī)械工程，2017，28（23）：2893-2897.

[4]H.L.Wan，J.Y.Min，J.Zhang，et al.Effect of adherend deflection on lap-shear tensile strength of laser-treated adhesive-bonded joints[J].International Journal of Adhesion and Adhesives，2019.

[5] K.L. Mittal and T. Bahners （Eds.）， Laser Surface Modification and Adhesion， Wiley-Scrivener， Beverly， MA （2015）.

[6] K.L. Mittal （Ed.）， Polymer Surface Modification： Relevance to Adhesion， CRC Press， Boca Raton， FL （1997）.

[7] L.L. J. Lawrence， Wettabiltity characteristics of carbon steel modified with CO2 Nd：YAG， excimer and high power diode lasers. Appl. Surf. Sci. 154-155， 664-669 （2000）.

[8]J.Lawrence，L. Li，J.T.Spencer.The effects of high-power diode laser radiation on the wettability， adhesion and bonding characteristics of an alumina/silica-based oxide and vitreous enamel[J].Surface and Coatings Technology， 1999，115（2）： 273-281.

[9]L.Hao，J.Lawrence，L.Li.The wettability modification of bio-grade stain-less steel in contact with simulated physiological liquids by the means of laser irradiation[J].Applied Surface Science， 2005，247（1）：453-457.

[10]Erol C.Harvey，Phil T. Rumsby，Malcolm C. Gower.Microstructuring by excimer laser[C].Photonics West-Micro and Nano Fabricated Electromechanical and Optical Components，1995，2639：266-277.

[11]Paltauf Günther，Dyer Peter E.Photomechanical processes and effects in ablation[J]. Chemical reviews， 2003，103（2）：487-518.

[12] B. Steverding， Thermomechanical damage by pulsed lasers. J. Phys. D 4， 787-792 （1971）.

[13] B.C. Stuart， M.D. Feit， S. Herman， A.M. Rubenchik， B.W. Shore and M.D.Perry， Optical ablation by high-power short-pulse lasers. J. Opt. Soc. Am. B 13， 459-468 （1996）.

[14]B. N. Chichkov，C. Momma，S. Nolte，et al. Femtosecond， picosecond， and nanosecond laser ablation of solids[J].Applied Physics A，1996，63（2）：109-115.

[15] L.V. Zhigilei， Z. Lin and D.S. Ivanov， Atomistic modeling of short pulse laser ablation of metal： Connections between melting， spallation， and phase explosion. J. Phys. Chem. C 113， 11892-11906 （2009）.

[16] Y. Yuan and T.R. Lee， Contact angle and wetting properties， in： Surface Science Techniques， G. Bracco and B. Holst （Eds.）， pp. 3-34， Springer-Verlag， Berlin （2013）.

[17] F.M. Etzler， Characterization of surface free energies and surface chemistry of solids， in： Contact Angle， Wettability， and Adhesion， Vol. 3， K. L. Mittal （Ed.）， pp. 219-264， CRC Press， Boca Raton， FL （2003）.

[18] F.M. Etzler， Surface free energy of solids： A comparison of models， in： Contact Angle， Wettability and Adhesion， K.L. Mittal （Ed.）， Volume 4， pp.215-236， CRC Press， Boca Raton， FL （2006）.

[19] F.M. Etzler， Determination of the surface free energy of solids： A criticalreview. Rev. Adhesion Adhesives 1， 3-45 （2013）.

[20]R.N. Wenzel.Resistance of solid surfaces to wetting by water[J].American Chemical Society，1936，28：988-994.