異種材料膠鉚混合接頭力學(xué)性能與耐蝕性研究

王鍇，魏楊，何宗鍇

(1.大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車系統(tǒng)集成國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，株洲 412001；2.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410082)

設(shè)備輕量化是交通行業(yè)關(guān)注重點(diǎn)[1]。隨著高強(qiáng)鋼、鋁合金、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(carbon fiber reinforced composite，CFRP)等輕質(zhì)高強(qiáng)材料在交通領(lǐng)域中應(yīng)用推廣，異種材料連接問題日益凸顯[2]。車身異種材料連接設(shè)計(jì)的成敗嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的完整性，事關(guān)基板材料性能的充分發(fā)揮。服役中的車輛面臨高溫、高濕、鹽霧等不利環(huán)境因素的影響，因此有必要開展對異種材料連接接頭在氯化鈉溶液濕熱環(huán)境下的力學(xué)性能的研究。

異種材料主要采用鉚接和膠接。鉚接工藝簡單，生產(chǎn)節(jié)奏快，在交通工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[3-4]。杜愛民等[5]基于鉚接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，綜合評述了接頭性能的評價(jià)參數(shù)。對于鉚釘數(shù)量及膠鉚混合對于接頭的增強(qiáng)作用，尚存在進(jìn)一步研究價(jià)值。膠粘連接應(yīng)力分布均勻，載荷區(qū)域大，滿足高承載和抗疲勞需求[6-8]。但是膠接易受環(huán)境因素影響[9]，且關(guān)于復(fù)材-金屬接頭在濕熱老化環(huán)境下的研究較少，有必要進(jìn)一步探究。

為克服鉚接和粘接的不足，混合連接工藝愈發(fā)受到重視。同時(shí)使用鉚接和膠接能夠形成優(yōu)勢互補(bǔ)，起到密封減震、增強(qiáng)接頭的抗剝離、抗剪切和耐腐蝕性的作用[10-11]。劉璟琳[12]研究了鉚接、膠接、以及膠鉚混合連接在靜強(qiáng)度和抗老化等方面的性能。王建強(qiáng)等[13]對結(jié)構(gòu)膠-自沖鉚混合接頭的剝離性能及膠鉚的相互影響關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)與仿真研究。

近年來，在膠接、鉚接和膠鉚混合連接方面均有相關(guān)研究正在開展[14]。但對于結(jié)構(gòu)膠-拉鉚接頭的交互增強(qiáng)作用，以及環(huán)氧樹脂膠黏劑對鉚接接頭的抗老化性能提升效果，尚缺乏系統(tǒng)性的研究。為此，提出對異種材料基板的結(jié)構(gòu)膠-拉鉚混合接頭在不同鉚釘排布方式下的力學(xué)性能和耐蝕性探究，通過開展膠接、鉚接和膠鉚接頭的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸破壞試驗(yàn)，分析其力學(xué)響應(yīng)并探究膠鉚接頭中的交互增強(qiáng)作用，對上述三類接頭進(jìn)行了氯化鈉浸泡，研究其抗?jié)駸崂匣阅?，以期揭示膠鉚混合接頭在特定惡劣環(huán)境下的力學(xué)機(jī)理，并為其在交通行業(yè)中的應(yīng)用提供一定的研究基礎(chǔ)與參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

以軌道車輛車體中常用的材料為基板材料，分別為304不銹鋼、Q355鋼、5083鋁合金和T3003K CFRP，鋪層方式為[(0°/90°)]8，其基本力學(xué)性能如表1所示。

表1 接頭試樣基板材料力學(xué)參數(shù)

鉚釘?shù)倪x擇對于連接件強(qiáng)度的影響至關(guān)重要，常用的鉚釘有壓鉚鉚釘、風(fēng)扇鉚釘、抽芯鉚釘?shù)?，其中BOM鉚釘是一種高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)型抽芯鉚釘，具有高承載能力和單面安裝的特點(diǎn)。安裝BOM鉚釘時(shí)，鉚槍拉伸釘桿的同時(shí)擠壓帽檐，使其產(chǎn)生塑性變形，從而產(chǎn)生特有的環(huán)槽鎖緊效果，如圖1所示。變形部位夾緊基材實(shí)現(xiàn)可靠的緊密連接，從根本上解決了普通緊固件在振動(dòng)情況下松動(dòng)的問題。因此，相較于其他鉚釘，BOM鉚釘具有更高的安裝精度、更高的生產(chǎn)效率、優(yōu)異的抗振性。綜合考慮輕量化、性能、安裝操作可行性等因素，選擇飛可斯?BULB-LOCK系列BOM釘作為本次試驗(yàn)的鉚釘，其直徑為6.4 mm，鉚殼材質(zhì)為SWCH8A鋼，釘芯材質(zhì)為SCM435鋼。

圖1 拉鉚工藝過程

常用的工業(yè)膠黏劑按照化學(xué)成分分為：環(huán)氧樹脂膠黏劑、丙烯酸膠黏劑、聚氨酯膠黏劑。其中雙組分環(huán)氧樹脂膠黏劑具有較高的強(qiáng)度剛度，對熱固型復(fù)合材料粘接性能極佳、抗疲勞及耐高溫的特性。依據(jù)剛度及斷裂伸長率，可將膠黏劑分為脆性膠黏劑與韌性膠黏劑。分別以脆性膠黏劑(3M?DP460)和韌性膠黏劑(3M?DP270)為代表，探究不同韌度類型的膠黏劑對接頭性能的影響[15]。

1.2 接頭形式及制備工藝

研究采用的接頭連接形式共有3種，分別為膠粘連接、鉚釘連接和膠鉚混合連接，具體連接形式和尺寸如圖2所示。對于鉚接接頭和膠鉚混合接頭，均采用了單顆鉚釘與三顆鉚釘?shù)倪B接方式，以探究鉚釘數(shù)量對接頭力學(xué)性能的影響。對于膠接接頭，由預(yù)試驗(yàn)和相關(guān)團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果[16-18]可以發(fā)現(xiàn)，膠層過厚會(huì)增大剪切過程中的偏距從而降低膠接強(qiáng)度，故選取膠層厚度為0.2 mm。為確保不同連接形式的接頭具有可比性，純膠接接頭的基板在鉚釘連接接頭中鉚釘對應(yīng)位置處也進(jìn)行了開孔處理。

圖2 接頭連接形式及關(guān)鍵尺寸

在進(jìn)行搭接前，對搭接區(qū)域進(jìn)行表面處理，以滿足有效連接所需的表面粗糙度要求。首先使用丙酮擦洗基板，去除表面污漬；然后使用180目砂紙打磨搭接區(qū)表面，打磨方向垂直于拉伸載荷方向，以增加基板表面粗糙度以及基板與膠黏劑的有效接觸面積；打磨完成后再次使用丙酮對打磨好的搭接區(qū)域進(jìn)行擦洗。經(jīng)過以上的表面處理后，開始進(jìn)行搭接：對于鉚接接頭，使用飛可斯?提供的配套鉚釘槍FFX-79EB，進(jìn)行拉鉚鉚接；對于膠接接頭，使用手持膠槍在搭接區(qū)進(jìn)行均勻涂膠，隨后將基板放入專用模具并放入熱壓機(jī)中，以60 ℃進(jìn)行高溫加速固化；對于膠鉚混合接頭，先進(jìn)行涂膠，然后在固化之前進(jìn)行鉚接，最后完成對膠層的加熱固化。

1.3 濕熱老化方法

腐蝕是材料或其性能在環(huán)境的作用下引起的破壞或變質(zhì)。氯化鈉溶液腐蝕是一種常見和有破壞性的腐蝕。氯化鈉對金屬材料表面的腐蝕是由于氯離子穿透金屬表面的氧化層和防護(hù)層，與內(nèi)部金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)引起的。同時(shí)，氯離子含有一定的水合能，易被吸附在金屬表面的孔隙、裂縫中，排擠并取代氧化層中的氧。這種效應(yīng)使不溶性的氧化物變成可溶性的氯化物，使鈍化態(tài)表面變成活潑表面，對產(chǎn)品造成不良影響[19]。當(dāng)發(fā)生氯化鈉溶液腐蝕時(shí)具體表現(xiàn)如下。

(1)陽極。金屬失去電子而變成金屬陽離子，并以水化離子的形式進(jìn)入溶液，同時(shí)把相當(dāng)?shù)碾娮恿粼诮饘僦校瘜W(xué)反應(yīng)式為

(1)

(2)陰極。留在陰極金屬中的剩余電子，被氧去極化，還原并吸收電子，成為氫氧根離子，化學(xué)反應(yīng)式為

(2)

(3)電解液。氯化鈉離解而生成鈉離子和氯離子，部分氯離子、金屬離子和氫氧根離子反應(yīng)成金屬腐蝕物，化學(xué)反應(yīng)式為

(3)

參考《船舶漆耐鹽水性的測定 鹽水和熱鹽水浸泡法》(GB/T 10834—2008)，設(shè)計(jì)氯化鈉溶液浸泡老化試驗(yàn)，探究3種接頭的濕熱老化性能。為了加速接頭的濕熱老化過程，使用溫控水浴箱進(jìn)行人工加速老化模擬。試驗(yàn)前，將試件直立放置在水浴箱內(nèi)懸空的開孔槽架上，放置形式如圖3所示，每組試樣均配備了未老化的對照試驗(yàn)組。主要測試參數(shù)為：水浴箱溫度為60 ℃，氯化鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，浸泡周期為10 d。隨后取出所有試件，擦去表面的殘留溶液，在陰涼透風(fēng)處自然晾干1 d后進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)。

圖3 在水浴箱內(nèi)直立放置接頭

1.4 試驗(yàn)方案

共包含兩類工況：工況一為經(jīng)過60 ℃、5%氯化鈉溶液濃度、10 d周期浸泡的老化組；工況二為未老化的靜態(tài)對照組。每組工況下所需進(jìn)行的試驗(yàn)相同，其具體試樣配置如表2所示，共采用鉚接、膠接和膠鉚混合連接3種連接工藝。分別將各連接工藝下的不同基板組合與連接方案進(jìn)行搭配，得到8組鉚接試驗(yàn)、4組膠接試驗(yàn)和4組膠鉚混合連接試驗(yàn)，共計(jì)16組。

表2 異種材料連接接頭濕熱老化性能試驗(yàn)矩陣

對試件進(jìn)行編號分組，編號規(guī)則按表3所示。例如，A1-S1-HY1-10D即表示厚度為4 mm的5083鋁合金基板與厚度為3 mm的304不銹鋼基板通過DP460膠黏劑進(jìn)行膠鉚混合連接，并且經(jīng)氯化鈉溶液老化10 d的接頭試件。

表3 接頭試件編號規(guī)則

如圖4所示，接頭準(zhǔn)靜態(tài)拉伸破壞試驗(yàn)使用Instron 8801萬能試驗(yàn)機(jī)于常溫下進(jìn)行，其最大量程為100 kN。采用位移控制模式，橫梁的位移速度設(shè)定為2 mm/min。

圖4 接頭的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)

2 結(jié)果與分析

2.1 接頭拉伸力學(xué)性能分析

圖5為所有未老化鉚接接頭的失效載荷位移曲線。對于同種材料的基板，3顆鉚釘鉚接接頭的峰值載荷相對于單顆鉚釘接頭而言，具有非常大的提升，具體數(shù)值如表4所示。雖然接頭的失效部位并不位于鉚釘本身，但是多顆鉚釘?shù)囊胩岣吡舜罱訁^(qū)的接觸面積，一定程度上減輕了應(yīng)力集中現(xiàn)象，有效提高了接頭的承載能力。

表4 不同鉚釘數(shù)量的鉚接接頭峰值載荷對比

圖5 鉚接接頭失效載荷位移曲線

觀察曲線發(fā)現(xiàn)，A1-S1-R3接頭與A1-S2-R3接頭的峰值載荷非常接近，類似的現(xiàn)象也發(fā)生在A1-S1-R1與A1-S2-R1之間。這是由于鋼板的強(qiáng)度高于鋁板，因此接頭失效發(fā)生在鋁板一側(cè)，如圖6(a)、圖6(b)所示。單顆鉚釘連接時(shí)，發(fā)生鋁合金基板的鉚釘孔擠壓失效；三顆鉚釘連接時(shí)，發(fā)生鋁合金基板的拉伸失效，并且兩個(gè)基板均發(fā)生較大的彎曲塑性變形?？偨Y(jié)得到，接頭的失效與否一般取決于性能較弱的一側(cè)基板，因此在連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)注意兩側(cè)被連接件的力學(xué)性能匹配。當(dāng)兩側(cè)基板的材料性能差異過大時(shí)，會(huì)造成性能的浪費(fèi)，不利于輕量化與成本控制。

以CFRP為基板的四組試樣中均發(fā)生碳纖維基板的失效，其中單顆鉚釘接頭發(fā)生碳板鉚釘孔的擠壓失效，而三顆鉚釘接頭在碳板的鉚釘孔位置處發(fā)生拉伸斷裂失效，如圖6(c)、圖6(d)所示。

圖6 鉚接接頭失效模式

圖7為膠接接頭失效載荷位移曲線的匯總。可以觀察到，DP460膠黏劑的力學(xué)性能明顯優(yōu)于DP270膠黏劑，使膠接接頭的承載能力大幅提升。對于使用同樣型號膠黏劑的兩種接頭而言，由于鋁合金-不銹鋼(A1-S1)基板的剛度高于碳纖維-鋁合金(C-A2)基板，抵抗彎折變形的能力更大，因此在加載過程中，搭接區(qū)域因偏心力而發(fā)生的彎曲形變較小，膠層受到的剝離應(yīng)力減小[8]，從而承載能力提高。

圖7 膠接接頭載荷位移曲線

圖8為膠接接頭的失效模式匯總。DP460膠黏劑與基板的界面結(jié)合力較強(qiáng)，在A1-S1接頭發(fā)生混合型粘接界面失效，如圖 8(a)所示；在C-A2接頭損傷起始時(shí)發(fā)生CFRP的分層失效，隨著損傷不斷擴(kuò)展，后轉(zhuǎn)變?yōu)槟z黏劑與鋁基板的界面失效，如圖8(c)所示。而DP270與基板界面的結(jié)合力較弱，在兩種類型的接頭中均發(fā)生單一界面失效，造成承載能力較低，如圖8(b)、圖8(d)所示。

圖8 膠接接頭失效模式

2.2 接頭老化后的拉伸性能退化分析

為了分析氯化鈉溶液浸泡對膠接接頭的性能退化影響，繪制老化前后DP460膠接接頭的失效載荷位移曲線進(jìn)行對比，如圖9所示。觀察發(fā)現(xiàn)，氯化鈉溶液浸泡老化對膠接接頭的峰值載荷與失效位移均產(chǎn)生了一定程度的負(fù)面影響，使接頭的承載能力下降。對比兩種基板組合發(fā)現(xiàn)，鋁合金-鋼(A1-S1)的耐蝕性弱于碳纖維-鋁合金(C-A2)，峰值力與失效載荷的降幅均要大于后者。由失效模式分析結(jié)果推斷，由于膠黏劑與金屬基板之間的界面結(jié)合力要弱于CFRP，因此更容易受到氯化鈉腐蝕造成的影響，從而界面黏接力迅速下降，并更早地發(fā)生斷裂失效。

圖9 老化前后DP460膠接接頭載荷位移曲線

對圖9所涉及的4組試樣的失效模式進(jìn)行對比分析，如圖10所示。鋁合金-鋼(A1-S1)膠接接頭受老化影響較大，脫粘界面的膠層發(fā)生一定的腐蝕，從而承載能力大幅下降；而CFRP-鋁合金(C-A2)的界面結(jié)合力較好，因此受腐蝕程度低，從而減輕了性能的退化程度，峰值載荷的下降幅度也較低。

圖10 老化前后DP460膠接接頭失效模式

通過觀察圖11(a)搭接失效區(qū)域的腐蝕狀況可以發(fā)現(xiàn)，純鉚接接頭密封性差，氯化鈉溶液能夠輕易滲透進(jìn)搭接區(qū)?；甯g嚴(yán)重，尤其是Q355鋼板，產(chǎn)生了較多的銹蝕。而對于膠接接頭及膠鉚混合接頭，由于膠黏劑起到了密封的作用，因此搭接區(qū)表面并未產(chǎn)生腐蝕，完整度較高。圖11(b)對比展示了5083鋁合金-304不銹鋼(A1-S1)膠鉚混合接頭與鉚接接頭的腐蝕情況，左側(cè)膠鉚接頭幾乎未產(chǎn)生腐蝕，基板狀態(tài)明顯好于右側(cè)鉚接接頭，證明了膠黏劑對于接頭的密封作用。

圖11 老化試件的搭接區(qū)腐蝕狀況

如圖12(a)所示，BOM鉚釘?shù)耐獗硗瑯影l(fā)生了銹蝕，但是由于老化時(shí)長較短，因此腐蝕僅停留在表層，尚未滲透入深層。觀察圖12(b)鉚釘側(cè)面與基板接觸處發(fā)現(xiàn)，該部位未發(fā)生銹蝕，因此鉚釘?shù)牧W(xué)性能未發(fā)生變化。

圖12 BOM鉚釘腐蝕狀態(tài)

2.3 膠黏劑的增強(qiáng)作用分析

為了探究膠黏劑對于鉚接接頭的增強(qiáng)作用，對老化前后的鉚接接頭、膠鉚混合接頭進(jìn)行對比分析。以鉚接接頭的峰值載荷為分界線，將強(qiáng)度高于其數(shù)值的膠黏劑定義為強(qiáng)膠，而低于其數(shù)值的定義為弱膠。

基于載荷位移曲線和接頭失效模式，對膠鉚混合接頭的增強(qiáng)作用和抗老化性能進(jìn)行分析。圖13(a)為A1-S1基板的3種連接接頭的失效載荷位移曲線，圖13(b)為C-A2基板的3種連接接頭的失效載荷位移曲線。觀察曲線發(fā)現(xiàn)，對于膠鉚混合連接，初始階段主要由膠層承力，因此其曲線初段與鉚接接頭的曲線較為接近；當(dāng)膠層失效后，載荷曲線二次上升，此時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)殂T釘承力。圖14為DP270搭配相同材料基板的失效載荷位移曲線。對比圖13與圖14可知，強(qiáng)膠的增強(qiáng)作用要明顯優(yōu)于弱膠。對于使用強(qiáng)膠的膠鉚接頭，其在膠層失效后，鉚釘依然可以繼續(xù)承載，延緩了膠鉚接頭完全破壞的時(shí)間；而采用弱膠的混合接頭，其膠層的承載比重較小，對接頭總體承載能力的貢獻(xiàn)小，增強(qiáng)作用相對而言不明顯。

圖13 DP460膠黏劑對膠鉚混合接頭的增強(qiáng)作用

圖14 DP270膠黏劑對膠鉚混合接頭的增強(qiáng)作用

對于使用DP460膠黏劑的A1-S1混合接頭，雖然失效位移獲得了大幅提升，接頭的后段承載能力較強(qiáng)，但是未發(fā)現(xiàn)膠黏劑對于接頭峰值載荷的提升。相反地，峰值載荷發(fā)生了小幅度的下降。推測發(fā)生該現(xiàn)象的原因是鉚接過程使膠層的厚度發(fā)生改變，在鉚釘孔周圍的膠層厚度可能未達(dá)到0.2 mm，因此膠黏劑的承載能力被削弱。

圖15為DP460膠鉚接頭的失效模式圖，其中膠黏劑均發(fā)生粘接界面失效。值得關(guān)注的是，對于CFRP-鋁合金(C-A2)接頭，其在鉚接連接時(shí)，發(fā)生CFRP[圖6(d)]在鉚釘孔處的拉伸失效；而在膠鉚連接時(shí)，卻發(fā)生鋁合金基板在鉚釘孔處的拉伸失效。纖維增強(qiáng)材料內(nèi)部的纖維絲束受打孔的影響，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。而膠層的引入減緩了鉚釘孔周圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使CFRP基板搭接區(qū)域的承載能力提升。與此同時(shí)，膠黏劑與CFRP界面的結(jié)合力更強(qiáng)，從而使得失效部位轉(zhuǎn)移到鋁合金基板之上。

圖15 DP460膠鉚混合接頭失效模式

以C-A2-HY1接頭為例，圖16給出C-A2接頭在未老化狀態(tài)下的鉚接、膠鉚混合，及老化后的膠鉚混合失效載荷位移曲線。經(jīng)氯化鈉溶液加溫浸泡后，雖然膠黏劑的力學(xué)性能發(fā)生退化，進(jìn)而使得膠鉚混合接頭的力學(xué)性能退化，但是相較于鉚接接頭，膠黏劑的增強(qiáng)作用依舊存在。

圖16 經(jīng)氯化鈉老化后DP460膠黏劑對于C-A2鉚接接頭的增強(qiáng)作用

3 結(jié)論

對比研究了碳纖維/鋁合金/鋼為基板的單搭接接頭的性能，對3種不同連接方式(膠接、鉚接和膠鉚混合連接)接頭腐蝕前后的靜態(tài)拉伸力學(xué)性能開展了試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論。

(1)鉚接接頭的鉚釘數(shù)量影響其失效模式。在一定范圍內(nèi)，其承載能力隨著鉚釘數(shù)量的增多而增大。鉚接接頭的失效與否一般取決于性能較弱的一側(cè)基板，因此在連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)注意被連接件的力學(xué)性能應(yīng)匹配。兩基板過大的材料性能差異會(huì)造成性能浪費(fèi)，不利于輕量化與成本控制。

(2)膠接接頭的強(qiáng)度受到膠黏劑、界面強(qiáng)度與基板剛度的影響。剛度高的基板擁有更大的抵抗彎折變形能力，因此在加載過程中，搭接區(qū)域因偏心力而發(fā)生的形變較小，繼而膠層受到的剝離應(yīng)力減小，承載能力增大。

(3)膠黏劑對于鉚接接頭的力學(xué)性能具有增強(qiáng)作用，能有效提升峰值載荷或失效位移?；旌辖宇^受力初期主要由膠層承載，鉚釘起到加強(qiáng)作用；隨著載荷增大，膠層發(fā)生失效，變?yōu)殂T釘單獨(dú)承載，直至接頭完全失效。

(4)氯化鈉溶液浸泡老化對膠接接頭和膠鉚接頭的峰值載荷、失效位移均產(chǎn)生一定程度的負(fù)面影響，使接頭的承載能力下降。粘接界面結(jié)合力弱的接頭退化程度更高，峰值載荷下降的幅值更大。鉚接接頭密封性差，在搭接區(qū)內(nèi)部表面產(chǎn)生了較多的腐蝕痕跡，而膠黏劑的密封作用能夠保護(hù)基板免受腐蝕，延緩混合接頭的力學(xué)性能衰退，起到一定程度的抗老化作用。