CFRP板厚與鉚釘長度對CFRP-鋁膠鉚接頭力學(xué)性能的影響

段心材，許莎，卞海玲，嚴(yán)穎清

CFRP板厚與鉚釘長度對CFRP-鋁膠鉚接頭力學(xué)性能的影響

段心材，許莎*，卞海玲，嚴(yán)穎清

（上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620）

板材厚度和鉚釘長度影響著碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）板和鋁板的膠鉚接頭力學(xué)性能。文章以6061-T6鋁合金和CFRP板為研究對象制備膠鉚接頭，通過剖面直觀測量和拉伸-剪切試驗(yàn)來分析CFRP板厚和鉚釘長度對接頭力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：在CFRP板鋪層方式相同的情況下，使用5.5 mm和6 mm的鉚釘進(jìn)行膠鉚連接試驗(yàn)時(shí)，合適的CFRP板厚分別為1.35～1.62 mm和1.62～1.89 mm；當(dāng)板厚相同時(shí)，較長的鉚釘能獲得更高強(qiáng)度的膠鉚試樣。

CFRP；鉚釘長度；膠鉚連接；力學(xué)性能

引言

汽車輕量化是降低汽車能耗、提高汽車性能的有效方法之一。復(fù)合材料和鋁合金具有強(qiáng)度高、密度小等優(yōu)點(diǎn)，目前被愈來愈多地應(yīng)用到汽車車身的連接中，從而達(dá)到降低汽車整體質(zhì)量的目的。汽車的車身連接通常包括焊接、膠接、螺栓連接、鉚接以及混合連接等。近年來，學(xué)者們對復(fù)合材料與鋁合金薄板的自沖鉚接展開了研究，Kroll等人[1]探索了CFRP-鋁合金板之間的半空心自沖鉚接，通過建立自沖鉚接模型分析鉚接孔周圍的應(yīng)力分布。Franco等人[2-3]研究了鉚釘間距對CFRP-鋁合金板自沖鉚接接頭力學(xué)性能的影響。Amandine等人[4]討論了圓頭鉚釘和平頭鉚釘對復(fù)合材料與鋁合金板連接接頭動(dòng)態(tài)疲勞載荷的影響。昆明理工大學(xué)何曉聰團(tuán)隊(duì)[5-6]分析了復(fù)合材料與鋁合金板連接接頭的成形機(jī)理、失效形式、接頭質(zhì)量等。然而，研究發(fā)現(xiàn)鉚接接頭的鉚釘孔周圍經(jīng)常會(huì)有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，并且板件間連接的密封性較差。因此，有學(xué)者開始將膠接與鉚接兩種技術(shù)結(jié)合起來用于復(fù)合材料與金屬的連接，以提高接頭的力學(xué)性能和密封性能。

Sadowski等人[7]研究了鉚釘布局對膠鉚接頭的變形和應(yīng)力的影響，得到了優(yōu)化的鉚釘布局方案。Franco等人[8]通過拉伸試驗(yàn)對復(fù)合材料與AA2024-T6鋁板的膠接、鉚接以及膠鉚連接的力學(xué)性能進(jìn)行對比。Marannano等人[9]分析了采用不同材質(zhì)鉚釘時(shí)復(fù)合材料與AW6082-T6鋁合金搭接接頭的失效模式及疲勞性能。Yang Liu等人[10]制備了不同鋪層角度的CFRP與AL5754板的膠鉚接頭，研究了各組接頭的力學(xué)性能，觀察鉚釘孔周圍板材的破壞形態(tài)，分析了接頭的失效機(jī)理。國內(nèi)學(xué)者在連接方式、膠粘劑種類、鉚釘尺寸等方面對膠鉚連接強(qiáng)度進(jìn)行研究。楊琨等人[11]探討了CFRP與高強(qiáng)度鋼膠鉚連接的工藝和性能。劉曉東等人[12]針對不同的膠粘劑及鉚釘尺寸對膠鉚接頭的失效形式進(jìn)行了總結(jié)。盧嘉偉等人[13]將CFRP與AL5052薄板分別進(jìn)行自沖鉚接、膠接和膠鉚連接，采用剖面直觀檢測方法對接頭成形質(zhì)量進(jìn)行了評價(jià)。

針對復(fù)合材料與金屬的膠鉚連接，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)從CFRP鋪層方式、膠粘劑種類、鉚釘材質(zhì)等方面開展了研究，但是影響復(fù)合材料與金屬膠鉚接頭力學(xué)性能的因素較多，板材厚度和鉚釘長度會(huì)對膠鉚接頭的力學(xué)性能產(chǎn)生很大的影響，而目前對于這兩種因素的研究較少。因此，本文以CFRP與6061-T6鋁合金薄板作為研究對象，通過試驗(yàn)研究不同類型膠鉚接頭力學(xué)性能的變化規(guī)律，從而得到最優(yōu)的膠鉚連接參數(shù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

圖1 膠鉚連接示意圖（單位：mm）

試驗(yàn)中使用的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）板的型號為T300，鋁合金板為1.5 mm厚的6061-T6鋁合金。膠粘劑的牌號為ET5429，是由環(huán)氧樹脂和多胺硬化劑混合而成，適合用于絕大多數(shù)復(fù)合材料和金屬的連接。自沖鉚釘為半空心鉚釘，材質(zhì)為45號鋼。CFRP和鋁合金板的尺寸為150 mm×40 mm，采用搭接方式，搭接長度為30 mm，如圖1所示。代表CFRP板的厚度。

1.2 試驗(yàn)方法

在制備膠鉚試樣時(shí)，首先使用酒精擦拭鋁板表面去除油污。同時(shí)使用400目砂紙打磨CFRP板的表面，在不破壞纖維的前提下去除板材表面的保護(hù)層，打磨結(jié)束后用酒精擦拭材料表面殘留的碎屑，并在室溫下進(jìn)行風(fēng)干。表1所示是本文CFRP與鋁板膠鉚連接試驗(yàn)的方案。表1中，字母S和L代表鉚釘?shù)拈L度。S代表短鉚釘，L代表長鉚釘。字母S或L后的數(shù)字為CFRP層合板的層數(shù)，橫杠“-”后的數(shù)字為鉚釘?shù)拈L度。如“S12-5.5”代表CFRP板的層數(shù)為12，鉚釘長度為5.5 mm的膠鉚試樣。

表1 不同CFRP板厚與鉚釘長度的膠鉚試樣

試樣類型CFRP鋪層方式CFRP厚度/mm試樣個(gè)數(shù) S8-5.5[0/90]2S1.085 S10-5.5[0/90/0/90/0]S1.355 S12-5.5[0/90]3S1.625 L12-6[0/90]3S1.625 L14-6[0/90/0/90/0/90/0]S1.895 L16-6[0/90]4S2.165

1.3 接頭剖面制備

膠鉚連接接頭的質(zhì)量，通常采用剖面直觀測量來評價(jià)，在連接試驗(yàn)完成后需要進(jìn)行接頭剖面的制備。采用圖2(a)所示的SQ-100型切割機(jī)沿著鉚釘頭部的子午線進(jìn)行切割。切割完成后，采用圖2(b)所示的金相磨拋機(jī)對剖面進(jìn)行反復(fù)研磨直到剖面清晰。然后利用圖2(c)所示的體視顯微鏡觀察研磨后的剖面，測量并記錄接頭質(zhì)量主要評價(jià)參數(shù)如內(nèi)鎖長度、鉚釘頭部高度和剩余厚度等。根據(jù)剖面直觀測量質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[14]，當(dāng)鉚釘頭部高度的絕對值在0～0.3 mm之間，剩余厚度不小于0.14 mm時(shí)，鉚接接頭的質(zhì)量較好。

圖2 接頭剖面制備試驗(yàn)設(shè)備

1.4 拉伸-剪切試驗(yàn)

本文采用MJD-200B型微機(jī)控制萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)對CRFP-鋁板膠鉚接頭進(jìn)行拉伸-剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中的拉伸速度為5 mm/min，最大拉伸力為200 kN。試驗(yàn)時(shí)采用夾具將膠鉚接頭兩端夾緊，記錄并保存拉伸的載荷-位移數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果及討論

2.1 剖面直觀測量

圖3為六種類型膠鉚接頭的剖面直觀圖。從圖3可以看出，六種類型膠鉚接頭的鉚釘頭部高度絕對值都低于0.3 mm，表明接頭具備一定的密封性。六種類型膠鉚接頭的剩余厚度都大于0.14 mm，說明鋁合金板在鉚接過程中沒有出現(xiàn)裂紋，能夠較好地成形。內(nèi)鎖長度是用來評價(jià)膠鉚接頭強(qiáng)度的重要指標(biāo)，從圖3中可以看出，同樣的鉚釘長度下，接頭的內(nèi)鎖長度隨著CFRP板鋪層數(shù)的增加而逐漸下降。圖3(f)中，當(dāng)CFRP板的厚度為2.16 mm且鋪層數(shù)為16層時(shí)，內(nèi)鎖長度只有0.131 mm，遠(yuǎn)小于其他幾種膠鉚接頭的內(nèi)鎖長度，說明該接頭在承受外界載荷時(shí)容易發(fā)生斷裂。從圖3還可看出，在同一鉚釘長度下，隨著CFRP板厚度的增加，鉚釘腿部空心處的CFRP材料也增多，這樣就會(huì)造成鉚釘腿部不能與下板充分接觸從而產(chǎn)生互鎖，接頭質(zhì)量較差。

圖3 不同類型的膠鉚接頭剖面圖

2.2 載荷-位移曲線

圖4所示為六種不同類型膠鉚接頭拉伸試驗(yàn)的載荷-位移曲線。從圖4可以看出，除了S8-5.5這組接頭外，其他五種類型的膠鉚接頭都經(jīng)歷了彈性、塑性、膠層失效和鉚釘失效這四個(gè)階段。S8-5.5接頭試樣在膠層失效階段發(fā)生斷裂，沒有經(jīng)歷鉚釘失效的階段，如圖4中虛線方框所示。S8-5.5接頭試樣的CFRP板的厚度為1.08 mm，鋪層數(shù)為8。當(dāng)膠層失效后，CFRP板鉚釘孔周圍的材料將受到鉚釘?shù)臄D壓，由于CFRP板的厚度較薄，不足以提供鉚釘頭部足夠的支撐，從而導(dǎo)致接頭發(fā)生突然斷裂，接頭的極限失效載荷較低。從L16-6接頭試樣的載荷-位移曲線可看出，膠鉚接頭在鉚釘失效階段的位移僅為0.492 mm，與其他五種接頭的鉚釘失效位移相比較短。這是由于L16-6的內(nèi)鎖長度為0.131 mm，鉚釘與鋁板不能形成良好的互鎖結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致接頭在鉚釘失效階段發(fā)生斷裂。

圖4 六種膠鉚接頭試樣的載荷-位移曲線

圖5 極限失效載荷平均值及能量吸收值

圖5所示為六種膠鉚接頭的極限失效載荷平均值和能量吸收值。從圖5可以看出，當(dāng)鉚釘長度為5.5 mm時(shí)，S8-5.5接頭的極限失效載荷和能量吸收值最小。S10-5.5和S12-5.5接頭的極限失效載荷和能量吸收值差別不大，但與S8-5.5接頭相比兩者分別提升了16%和70%左右。當(dāng)鉚釘長度為6 mm時(shí)，L12-6和L14-6接頭的力學(xué)性能相比L16-6接頭來說表現(xiàn)更優(yōu)，尤其是能量吸收值提高了大約30%。當(dāng)CFRP板的鋪層數(shù)和厚度相同的情況下，比如S12-5.5與L12-6接頭，使用長度為6 mm的鉚釘所獲得的膠鉚接頭的強(qiáng)度更高。因此，CFRP板與鋁合金板膠鉚接頭的力學(xué)性能受板材厚度和鉚釘長度的共同影響，為了獲得優(yōu)良的膠鉚接頭力學(xué)性能必須綜合考慮這兩個(gè)因素。

2.3 失效模式

圖6所示為六種類型膠鉚接頭的失效模式。圖6(a)所示為S8-5.5膠鉚接頭的失效模式。從虛線框的失效位移可以看到CFRP板與鋁板上下分離，膠粘劑失去黏結(jié)力，但CFRP板與鋁板仍然由鉚釘連接在一起。這是因?yàn)樵诶旒羟辛Φ淖饔孟?，鉚釘頭部一側(cè)將CFRP板分層，導(dǎo)致CFRP板被鉚釘頭部固定住而未發(fā)生脫離。圖6(b)為S10-5.5膠鉚接頭失效模式，被刺穿的CFRP板在拉伸過程中受到鉚釘頭部的擠壓發(fā)生分層撕裂，使得鉚釘孔變大而無法繼續(xù)夠承受更多的外載荷，同時(shí)由于鉚釘腿部與鋁板的內(nèi)鎖長度較大，互鎖性能較好，所以鉚釘沒有脫離下層鋁板。鋁板有少量的膠粘劑存在，膠粘劑的破壞為混合破壞模式。

圖6 不同類型膠鉚試樣失效模式

圖6(c)到圖6(f)所示的四種膠鉚接頭的失效模式都是鋁板脫離鉚釘和CFRP板，鉚釘位于CFRP板并有脫離的趨勢，同時(shí)鉚釘頭部擠壓CFRP板導(dǎo)致鉚釘孔周圍出現(xiàn)纖維撕裂破壞的情況。膠層的失效模式為混合破壞。圖6(c)和圖6(d)所示的鋁板上附著有膠粘劑和CFRP板基體材料。圖6(f)所示的L16-6膠鉚接頭鋁板端部附著有0°鋪層的纖維，而CFRP板上90°鋪層的纖維裸露在外，說明膠鉚接頭端部膠粘劑與板材的黏結(jié)力大于復(fù)合材料基體與增強(qiáng)體之間的黏結(jié)力。圖6中不規(guī)則圖形注明的區(qū)域代表黏結(jié)空隙，這些粘接空隙的產(chǎn)生主要是因?yàn)槟z粘劑未能與板材充分接觸。

3 結(jié)論

本文針對CFRP板與鋁板的膠鉚連接問題，分別使用不同厚度的CFRP板和不同長度的鉚釘進(jìn)行膠鉚連接試驗(yàn)，并對不同接頭試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和失效模式分析，得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)鉚釘長度不變時(shí)，隨著CFRP板厚度的增加，膠鉚接頭的內(nèi)鎖長度降低。

（2）在CFRP板鋪層方式不變的前提下，為了獲得較好的接頭質(zhì)量，當(dāng)鉚釘長度為5.5 mm時(shí)，適合的CFRP板厚為1.35～1.62 mm；當(dāng)鉚釘長度為6 mm時(shí)，適合的CFRP板厚為1.62～1.89 mm。當(dāng)CFRP板厚相同時(shí)，使用5.5 mm長的鉚釘獲得的接頭強(qiáng)度比使用6 mm長鉚釘?shù)牡?。因此，為了獲得良好的膠鉚接頭力學(xué)性能必須綜合考慮這兩個(gè)因素。

（3）CFRP與鋁板膠鉚連接接頭的主要失效模式為鋁板脫離CFRP板和鉚釘，以及膠層的混合失效。由于S8-5.5和S10-5.5的膠鉚接頭的上層CFRP板比較薄，這兩種接頭的失效模式與其余四種接頭有所不同。S8-5.5接頭失效后CFRP板、鋁板和鉚釘仍然連接在一起，而S10-5.5接頭的CFRP板脫離鋁板和鉚釘。

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Effect of CFRP Plate Thickness and Rivet Length on Mechanical Properties of CFRP- Aluminum Bond-riveted Joints

DUAN Xincai, XU Sha*, BIAN Hailing, YAN Yingqing

( School of Mechanical and Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620 )

The thickness of Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP) plate and the length of rivet affect the mechanical properties of bond-riveted joints between CFRP and aluminum plate. In this paper, 6061-T6 aluminum alloy and CFRP plate were used as research objects to prepare bond-riveted joints. The effects of CFRP plate thickness and rivet length on the mechanical properties of joints were analyzed by means of section measurement and tensile shear test. The results show that the suitable thickness of CFRP plate is 1.35～1.62mm and 1.62～1.89mm respectively when 5.5 mm and 6 mm rivets are used for bond-riveted test under the same stacking mode of CFRP plate; when the thickness of plate is the same, longer rivets can obtain higher strength riv-bonding samples.

CFRP; Length of rivet; Bond-riveted joint; Mechanical property

U465;U466

A

1671-7988(2021)23-128-05

U465；U466

A

1671-7988(2021)23-128-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.036

段心材，就讀于上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院。

許莎，博士，講師，就職于上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院。