HC420LA鋼板膠粘接頭拉伸應(yīng)力分析及工藝優(yōu)化

孟慶剛 海超

（本鋼板材股份有限公司產(chǎn)品研究院，本溪117000）

1 前言

膠粘是1種常用的金屬連接工藝。與焊接和鉚接等連接工藝相比，膠粘工藝具備5大優(yōu)勢(shì)：首先，膠粘工藝成本低廉且操作簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜設(shè)備；第二，膠粘工藝不改變鋼板的幾何形狀，因此能夠有效避免應(yīng)力集中對(duì)鋼板強(qiáng)度和疲勞性能的不良影響；第三，膠接工藝不僅適用于金屬之間的連接，而且同樣適用于金屬與非金屬之間的連接；第四，膠接工藝能夠賦予接頭良好的防水性能；第五，由于結(jié)構(gòu)膠的阻尼特性，使得膠粘接頭能夠有效阻礙噪聲和振動(dòng)傳播。由于具備以上優(yōu)點(diǎn)，膠粘工藝現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)門(mén)、行李箱蓋和發(fā)動(dòng)機(jī)蓋等部位。

目前，最常用的膠粘接頭強(qiáng)度測(cè)試方法是單搭接接頭的靜態(tài)拉伸試驗(yàn)?，F(xiàn)有的研究接頭強(qiáng)度的方法主要有2種：試驗(yàn)法和數(shù)值模擬法。采用試驗(yàn)法不僅需要大量的試驗(yàn)原料和漫長(zhǎng)的試驗(yàn)周期，而且只能測(cè)得接頭斷裂瞬間的強(qiáng)度，無(wú)法研究接頭內(nèi)部的應(yīng)力分布規(guī)律，所以現(xiàn)有的研究均大量地使用了數(shù)值模擬方法[1-5]。

HC420LA鋼是1種低合金高強(qiáng)鋼，本溪鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)的HC420LA鋼廣泛應(yīng)用于汽車(chē)零部件的制造，其連接強(qiáng)度直接決定著車(chē)身整體的剛度和強(qiáng)度，所以，研究HC420LA鋼的膠粘工藝具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 試驗(yàn)及模擬方法

2.1 試驗(yàn)方法

膠粘劑采用漢高環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠TEROSON EP 4520-34。制作試驗(yàn)樣品時(shí)，首先分別使用酒精和丙酮擦拭鋼板表面，以除去殘存油污；然后將結(jié)構(gòu)膠覆蓋到鋼板的粘合區(qū)域，并將試樣加熱至180℃，保溫30 min；最后參照ASTM D1002-10

（2019）Standard Test Method for Apparent Shear Strength of Single-Lap-Joint Adhesively Bonded Met?al Specimens by Tension Loading(Metal-to-Metal)[6]，使用拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。試驗(yàn)樣品的幾何形狀如圖1所示。

圖1 單搭接接頭試驗(yàn)樣品

2.2 有限元模型

膠粘試樣的拉伸數(shù)值模擬采用隱式有限元算法，網(wǎng)格劃分選用四節(jié)點(diǎn)平面實(shí)體單元PLANE182，采用位移模式的全積分算法。為了提高求解速度，有限元模型將三維的單搭接接頭試樣簡(jiǎn)化為二維平面應(yīng)變問(wèn)題。為了能夠在不影響精度的前提下，縮短計(jì)算時(shí)間，有限元模型采用了2種網(wǎng)格尺寸，結(jié)構(gòu)膠和與之相接觸的鋼板采用邊長(zhǎng)0.02 mm的細(xì)小網(wǎng)格，鋼板夾持部分和傳力部分變形量較小，所以采用邊長(zhǎng)0.25 mm的大網(wǎng)格。有限元模型的網(wǎng)格設(shè)置如圖2所示。

圖2 有限元網(wǎng)格示意

在有限元模型中，鋼板采用彈塑性材料模型，結(jié)構(gòu)膠采用彈性模型。鋼板和結(jié)構(gòu)膠的彈性力學(xué)參數(shù)如表1所示。HC420LA鋼的塑性變形真應(yīng)力真應(yīng)變曲線(xiàn)如圖3所示。

表1 鋼板和結(jié)構(gòu)膠的彈性力學(xué)性能彈性力學(xué)性能彈性模量/MPa泊松比鋼板2.1×105 0.30結(jié)構(gòu)膠2 200 0.33

圖3 HC420LA鋼的塑性變形真應(yīng)力與真應(yīng)變

為了與實(shí)際加載條件相符，鋼板與結(jié)構(gòu)膠之間采用綁定接觸，有限元模型的左側(cè)25 mm內(nèi)的全部節(jié)點(diǎn)均施加X(jué)和Y 2個(gè)方向的位移約束，右側(cè)25 mm內(nèi)的鋼板表面單元加載向右的水平力。

有限元計(jì)算過(guò)程采用了0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm、1.5 mm、1.8 mm和2.0 mm 6種厚度規(guī)格的HC420LA鋼板；結(jié)構(gòu)膠與鋼板的接觸長(zhǎng)度固定，均為12.5 mm；結(jié)構(gòu)膠設(shè)置6種厚度，分別為0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm、0.25 mm、0.30 mm、0.35 mm和0.40 mm；加載力采用4種，分別為350 N、400 N、450 N和500 N。

3 模擬結(jié)果分析與討論

3.1 試樣拉伸結(jié)果的幾何形狀

與常規(guī)拉伸試樣不同，單搭接拉伸試樣兩端拉力不在1條直線(xiàn)上，所以，拉力會(huì)產(chǎn)生力矩，促使接頭發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使試樣整體呈字母“S”的形狀。接頭的最終旋轉(zhuǎn)角度取決于鋼板和結(jié)構(gòu)膠的力學(xué)性能、拉伸載荷、鋼板厚度和膠層厚度。

膠層厚度為0.2 mm，鋼板厚度為1.0 mm，載荷為5 kN的試驗(yàn)條件，其拉伸計(jì)算結(jié)果放大3倍后的形狀如圖4a所示。同等條件下的拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖4b所示。圖4a中的發(fā)生塑性應(yīng)變位置與圖4b中發(fā)生彎曲的位置完全一致。

圖4 模擬與試驗(yàn)結(jié)果的形狀對(duì)照

對(duì)于鋼板厚度和膠層厚度的任意一種搭配，單搭接接頭的旋轉(zhuǎn)角度均隨著拉伸載荷的增大而增大，如圖5所示。

圖5 接頭旋轉(zhuǎn)角度與載荷之間的關(guān)系

由圖5曲線(xiàn)中還可知，當(dāng)膠層厚度和拉伸載荷不變時(shí)，單搭接接頭的旋轉(zhuǎn)角度隨著鋼板厚度的增加而減小，這是由于鋼板抵抗彎曲變形的能力隨著厚度的增大而增強(qiáng)的緣故。但是，當(dāng)拉伸載荷增大至約4.3 kN后，0.8 mm的薄鋼板整體發(fā)生屈服，塑性變形降低了鋼板的彎曲程度，使得曲線(xiàn)的增加趨勢(shì)發(fā)生驟減。膠層厚度對(duì)單搭接接頭旋轉(zhuǎn)角度的影響如圖6所示，兩者呈明顯的線(xiàn)性正相關(guān)關(guān)系。

圖6 接頭旋轉(zhuǎn)角度與膠層厚度之間的關(guān)系

3.2 鋼板應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

試樣的接頭處發(fā)生旋轉(zhuǎn)后，鋼板在膠層末端處的彎曲程度最大，在各種試驗(yàn)條件下，均出現(xiàn)了塑性應(yīng)變。等效應(yīng)變最大值出現(xiàn)在鋼板表面與膠層末端連接處，且該最大值隨著接頭旋轉(zhuǎn)角度而增大。在鋼板內(nèi)部，最大值點(diǎn)周?chē)牡刃?yīng)變值隨著距離的增加而逐漸減小。對(duì)于膠層厚度為0.2 mm，鋼板厚度為1.0 mm的試樣，該處的塑性等效應(yīng)變場(chǎng)如圖4a所示。

3.3 結(jié)構(gòu)膠應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

膠層內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)和最大等效應(yīng)力值直接影響著試樣斷裂時(shí)的強(qiáng)度。圖7a和圖7b分別是膠層內(nèi)部第1主應(yīng)力和第2主應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果，圖7c為膠層內(nèi)部的等效應(yīng)力場(chǎng)。由此可知，在膠層與鋼板接觸的2個(gè)直角處，不僅承受著最大的等效應(yīng)力、而且該處的第1主應(yīng)力和第2主應(yīng)力也均為膠層內(nèi)部的正數(shù)最大值，為兩向拉應(yīng)力狀態(tài)。

圖7 膠接接頭的應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果

當(dāng)載荷為5 kN時(shí)，等效應(yīng)力的最大值，與膠層厚度和鋼板厚度之間的關(guān)系如圖8所示。該圖表明，膠層內(nèi)的等效應(yīng)力最大值隨著鋼板和膠層厚度的增大而逐漸減小。因此，當(dāng)膠接接頭的鋼板和膠層厚度越大，接頭強(qiáng)度就越高。

圖8 等效應(yīng)力最大值與鋼板厚度和膠層厚度之間的關(guān)系

3.4 模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

選取1.0 mm、1.2 mm、1.5 mm和2.0 mm 4種厚度的HC420LA鋼板，0.2 mm、0.3 mm和0.4 mm 3種膠層厚度進(jìn)行了單搭接接頭的拉伸試驗(yàn)，最終試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。等效應(yīng)力最大值計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖9 接頭強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

圖10 等效應(yīng)力最大值計(jì)算結(jié)果

圖10 與圖9的對(duì)比結(jié)果表明，接頭的實(shí)際強(qiáng)度與等效應(yīng)力最大值之間呈負(fù)相關(guān)，即等效應(yīng)力的最大值越小，接頭強(qiáng)度就越大。這是因?yàn)?，等效?yīng)力對(duì)膠層起著破環(huán)作用，等效應(yīng)力越大，其破壞作用也越大。對(duì)應(yīng)地，接頭就越容易遭到破環(huán)，從而降低接頭的強(qiáng)度。

4 膠粘工藝優(yōu)化方案

由前述的模擬和試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)于任意的鋼板厚度，膠層厚度的增加均能夠有效減小結(jié)構(gòu)膠受到的等效應(yīng)力和2個(gè)主應(yīng)力，從而提高膠層的破壞載荷，提高單搭接接頭的拉伸強(qiáng)度。

在膠層的兩側(cè)，分別添加1個(gè)等腰直角三角形膠瘤結(jié)構(gòu)。對(duì)于鋼板厚度為1.0 mm，膠層厚度為0.2 mm的試樣，添加膠瘤結(jié)構(gòu)后的等效應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

圖11 帶有膠瘤結(jié)構(gòu)的膠層等效應(yīng)力場(chǎng)

圖11 中的等效應(yīng)力場(chǎng)最大值僅有117.786 MPa，遠(yuǎn)小于圖7c中的257 MPa，因此該膠瘤結(jié)構(gòu)能夠有效降低結(jié)構(gòu)膠受到的最大應(yīng)力，有助于保持膠層結(jié)構(gòu)的完整，最終提升接頭的強(qiáng)度。

5 結(jié)論

a.單搭接接頭經(jīng)拉伸后呈S形狀，膠層旋轉(zhuǎn)角度隨著載荷的增大而增大，隨鋼板厚度的增大而減小，與膠層厚度呈正相關(guān)關(guān)系；

b.鋼板的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在與膠層直角的接觸處，且該處發(fā)生了明顯的塑性變形；

c.膠層與鋼板表面接觸的直角受兩向拉應(yīng)力，且該處的等效應(yīng)力值為膠層內(nèi)的最大值，膠層長(zhǎng)度方向的中部受到一向拉應(yīng)力和一向壓應(yīng)力，且等效應(yīng)力值較小；

d.膠層內(nèi)部的等效應(yīng)力最大值與接頭強(qiáng)度之間呈負(fù)相關(guān)，等效應(yīng)力是破壞膠層的主要因素；

e.適當(dāng)增加膠層厚度或者在膠層兩側(cè)添加膠瘤結(jié)構(gòu)，能夠有效提高HC420LA鋼單搭接接頭的拉伸強(qiáng)度。