膠接技術在鋁合金運動訓練器材接頭中的應用及性能研究

洪秀巖

摘要：為了提升運動訓練器材用鋁合金膠接接頭的承載能力，研究了膠層厚度和搭接長度對5052+Er鋁合金膠接接頭膠接性能的影響，并對破壞機理進行了探討。結果表明，膠層厚度從0.2 mm 增至1.0 mm，不同搭接長度的膠接接頭最大剪切載荷都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。在相同膠層厚度條件下，搭接長度越小則對應的最大剪切載荷也較小。在膠層厚度為0.2、0.3和0.5 mm 時的臨界搭接長度為30 mm；膠層厚度為1 mm 時的臨界搭接長度為40 mm。搭接長度低于臨界搭接長度時，膠接接頭的破壞模式主要為剪切破壞；當搭接長度在臨界附近或超過臨界長度時，膠接接頭會先發(fā)生接頭剝離直至破壞。隨著搭接長度的增加，膠層厚度（t）分別為0.2、1 mm時，膠接接頭參數(shù) C 呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，參數(shù)δ呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

關鍵詞：膠接接頭；膠層厚度；搭接長度；膠接性能

中圖分類號：TG146.21；TQ436+.2文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）05-0012-05

Research on the application of bonding technology andthe bonding properties of aluminum alloy adhesive joints for sports training equipment

HONG Xiuyan

（Xi'an Eurasia University，Xi'an 710065，China）

Abstract： In order to improve the bearing capacity of aluminum alloy adhesive joints for sports training equipment， the influence of the thickness of the adhesive layer and the lap length on the bonding performance of 5052+Er alu- minum alloy adhesive joints was studied，and the failure mechanism was discussed. The results show that as thethickness of the adhesive layer increases from 0.2 mm to 1.0 mm，the maximum shear load of 5052+Er aluminum al- loy adhesive joints with different lap lengths shows a decreasing trend. With the same bondline thicknesses，thesmaller the lap length of the +Er aluminum alloy glued joint，the smaller the corresponding maximum shear load. The critical lap length is 30mm at bondline thicknesses of 0.2，0.3 and 0.5 mm，and 40 mm at bondline thickness of 1.0 mm. When the lap length is lower than the critical lap length，the failure mode of the 5052+Er aluminum alloyadhesive joint is mainly shear failure；when the lap length is near or exceeds the critical lap length，the 5052+Eraluminum Alloy adhesive joints will first experience joint peeling until failure. With the increase of the lap length， the parameter C of the 5052+Er aluminum alloy adhesive joint ，when the thickness t of the adhesive layer is0.2 mm and 1.0 mm，shows a gradually increasing trend，and the parameter δ shows a gradually decreasing trend. Keywords： adhesive joint；adhesive layer thickness；lap length；bonding performance

作為Al-Mg合金中的典型代表，5052鋁合金由于具有密度輕、比強度高、耐腐蝕性能優(yōu)良等特性而被廣泛應用于運動器械、交通運輸和船舶等領域，近年來通過在5052鋁合金中添加Er微合金化的方法使得5052+Er鋁合金在強度、抗疲勞等性能上都有明顯提高[1]。在實際使用過程中，使用鋁合金等輕質材料替代密度大的鋼材已經成為實現(xiàn)輕量化的重要手段；而傳統(tǒng)的焊接、自沖鉚接等方法在完成輕量化材料的連接時存在許多障礙和局限性[2]。如何解決鋁合金等輕質材料的連接問題是亟待解決的關鍵問題。膠接技術作為一種可以彌補傳統(tǒng)連接工藝不足的新型連接工藝[3]。在保證輕量化的同時可以實現(xiàn)鋁合金等輕質材料的有效連接，目前，膠接工藝在碳纖維等材料上的應用較多；而在鋁合金連接上的應用相對較少，具體工藝參數(shù)對鋁合金膠接接頭的膠接性能的影響也不清楚[4-6]。本文以運動訓練器材用5052+Er鋁合金為研究對象，考察膠接工藝參數(shù)對運動訓練器材用5052+Er鋁合金膠接接頭膠接性能的影響，結果有助于新型膠接工藝在輕量化鋁合金連接上的推廣應用。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原料

試驗基材為運動訓練器材用5052+Er鋁合金板材，主要元素化學成分為質量分數(shù)2.62%Mg、0.14% Si、0.05%Zn、0.01%Mn、0.12%Cr、0.12%Fe、0.15%Er，余量為 Al；鋁合金的密度為2650 kg/m3、楊氏模量68 GPa、泊松比0.33、屈服強度142 MPa。膠粘劑選用西卡995結構膠，密度為1290 kg/m3、楊氏模量2.2 GPa、泊松比0.36、固化溫度178℃。

1.2 試驗儀器

MTS-810型液壓伺服電子萬能拉伸試驗機，美國 MTS 公司；華為 P30手機，中國華為公司；Mat- chID-3D型非接觸式全場應變測試系統(tǒng)，比利時Mat- chID公司。

1.3 試驗制備

鋁合金母材預先經過360目砂紙打磨、清水沖洗后酒精超聲清洗、吹干。5052+Er鋁合金膠接接頭示意圖如圖1所示。其中，膠層厚度（t）為0.2～1.0 mm、搭接接頭長度為10～50 mm、搭接寬度為25 mm，具體搭接參數(shù)如表1所示。

1.4 測試與表征

根據(jù)GB/T 6329—1996《膠粘劑對接接頭拉伸強度的測》標準，固化后的5052+Er鋁合金膠接接頭在 MTS-810型液壓伺服電子萬能拉伸試驗機上進行，拉伸速率為2 mm/min，最終結果取3組試樣的平均值。在測試過程中運用非接觸式全場應變測試系統(tǒng)記錄膠接接頭不同部位的應變變化[7-9]；采用華為P30手機對膠接接頭斷口進行宏觀形貌觀察。

2 結果與討論

圖2為膠層厚度對5052+Er鋁合金膠接接頭最大剪切載荷的影響，搭接長度分別為10、20、30、40和50 mm。

從圖2可以看出，隨著膠層厚度從0.2 mm增至1 mm，不同搭接長度的5052+Er鋁合金膠接接頭最大剪切載荷都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。在相同膠層厚度條件下，5052+Er鋁合金膠接接頭的搭接長度越小則對應的最大剪切載荷也較小。

表2為當膠層厚度從0.2 mm增至1mm時5052+Er 鋁合金膠接接頭的最大剪切載荷下降統(tǒng)計結果。

由表2可知，當膠層厚度從0.2 mm增至1mm，搭接長度為10 mm時，膠接接頭的峰值應力下降值為1082 N，峰值應力下降幅度為23.5%；搭接長度為50 mm時，膠接接頭的峰值應力下降值為384 N，峰值應力下降幅度為5.0%。對比分析可知，當膠層厚度從0.2 mm增至1mm，搭接長度從10 mm增至50 mm，膠接接頭的峰值應力下降值從1082 N減小至384 N，對應的峰值應力下降幅度從23.5%下降至5.0%。

圖3為搭接長度對5052+Er鋁合金膠接接頭最大剪切載荷的影響。

從圖3可以看出，當膠層厚度分別為0.2、0.3、0.5和1 mm時，隨著5052+Er鋁合金膠接接頭搭接長度從10 mm增至50 mm，膠接接頭最大剪切載荷呈先增加后趨于穩(wěn)定的特征，且在相同搭接長度下，膠層厚度越大則對應的最大剪切載荷越小。此外，在膠層厚度分別為0.2、0.3和0.5 mm時，搭接長度在30 mm（臨界搭接長度）以下時的最大剪切載荷會隨著搭接長度增加而迅速增大；而膠層厚度為1mm、搭接長度在40 mm（臨界搭接長度）以下時，最大剪切載荷都會隨著搭接長度增加而迅速增大。

圖4為不同搭接長度的5052+Er鋁合金膠接接頭的母材應變變化曲線，分別列出了膠接接頭中未粘結處母材、接頭端部母材和接頭中部母材在開始加載至接頭破壞過程中的應變變化情況，膠層厚度為0.5 mm。

從圖4可以看出，當搭接長度為10 mm時，未粘接處母材、接頭端部母材和接頭中部母材在加載開始直至接頭破壞過程中的應變呈現(xiàn)波浪形變形趨勢，未見明顯差異；當搭接長度增加至30 mm時，從加載開始至接頭破壞，接頭中部母材應變一直未發(fā)生明顯變化，而未粘接處母材變化較為明顯，接頭端部母材應變變化居中；當搭接長度增至50 mm時，未粘接處母材、接頭端部母材和接頭中部母材在加載開始直至接頭破壞過程中的應變都呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，但未粘接處母材應變變化最為明顯，其次為接頭端部母材，且未接結處母材出現(xiàn)峰值應變的時間早于接頭端部母材。結合前述的搭接長度對5052+Er鋁合金膠接接頭最大剪切載荷的影響曲線可知，當搭接長度低于臨界搭接長度時，加載過程中的母材處于彈性階段，其破壞模式主要為剪切破壞[10]；當搭接長度在臨界搭接長度附近時，加載至破壞過程中的接頭端部母材應變逐漸增大，有塑性變形現(xiàn)象發(fā)生，此時膠接接頭會發(fā)生一定程度彎曲而先發(fā)生接頭剝離直至破壞[11]；當搭接長度超過臨界搭接長度時，膠接接頭的破壞模式與接近臨界膠接長度時相似，只是塑性變形和彎曲現(xiàn)象會愈發(fā)嚴重[12-13]，膠接接頭剝離會持續(xù)較長時間。

圖5為不同搭接長度的5052+Er鋁合金膠接接頭的斷口宏觀形貌，膠層厚度分別為0.2、1mm。

從圖5可以看出，當膠層厚度為0.2 mm 時，在5052+Er鋁合金膠接接頭的搭接長度分別為10、20和30 mm時，母材兩側的殘膠含量基本相當，分布較為均勻；而當搭接長度分別為40、50 mm時，母材兩側的殘膠含量存在明顯一端多而另一端少的特征，分布不均勻。當膠層厚度為1 mm 時，不同搭接長度的5052+Er鋁合金膠接接頭的殘膠含量都分布不均，且膠接長度越大則不均勻現(xiàn)象愈發(fā)嚴重。

圖6為搭接長度對5052+Er鋁合金膠接接頭參數(shù)C和參數(shù)δ的影響，其中參數(shù)C指殘膠富集區(qū)長度；δ為與C和膠接長度l有關的常數(shù)，可用下式表示[14-17]：

參數(shù) C 與5052+Er鋁合金膠接接頭搭接長度的關系曲線如圖6（a）所示。隨著搭接長度的增加，膠層厚度t 分別為0.2、1.0 mm時的5052+Er鋁合金膠接接頭參數(shù)C呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，在搭接長度為30 mm 以下時，膠層厚度分別為0.2、1.0 mm時的參數(shù)C基本相同，直至膠接接頭長度大于30 mm時，膠層厚度1.0 mm的參數(shù) C 大于膠層厚度為0.2 mm的試樣。參數(shù)δ與5052+Er鋁合金膠接接頭搭接長度的關系曲線如圖6（b）所示。

隨著搭接長度的增加，膠層厚度D 分別為0.2、1.0 mm時的5052+Er鋁合金膠接接頭參數(shù)δ呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，在搭接長度為30 mm以下時，膠層厚度分別為0.2、1.0 mm時的參數(shù)δ基本相同，直至膠接接頭長度大于30 mm時，膠層厚度1.0 mm 的參數(shù)δ大于膠層厚度為0.2 mm的試樣。實際膠粘過程中，可以通過參數(shù)δ來判定是否需要增加膠接長度來提升5052+Er鋁合金膠接接頭的承載能力；如果參數(shù)δ為1，則可以適當增加，如果參數(shù)δ小于1時，繼續(xù)增加膠接長度不會對5052+Er鋁合金膠接接頭產生明顯有利影響[18-20]。

3 結語

（1）隨著膠層厚度從0.2 mm增至1 mm，不同搭接長度的運動訓練器材用5052+Er 鋁合金膠接接頭最大剪切載荷都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢；在相同膠層厚度條件下，運動訓練器材用5052+Er鋁合金膠接接頭的搭接長度越小則對應的最大剪切載荷也較??；

（2）隨著運動訓練器材用5052+Er鋁合金膠接接頭搭接長度從10 mm增至50 mm，膠接接頭最大剪切載荷呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定的特征，且在相同搭接長度下，膠層厚度越大則對應的最大剪切載荷越小。在膠層厚度分別為0.2、0.3和0.5 mm，臨界搭接長度為30 mm；膠層厚度為1mm時，臨界搭接長度為40 mm；

（3）搭接長度低于臨界搭接長度時，運動訓練器材用5052+Er鋁合金膠接接頭的破壞模式主要為剪切破壞。當搭接長度在臨界搭接長度附近或者超過臨界搭接長度時，運動訓練器材用5052+Er鋁合金膠接接頭會先發(fā)生接頭剝離直至破壞。隨著搭接長度的增加，膠層厚度D 分別為0.2、1.0 mm時的運動訓練器材用5052+Er鋁合金膠接接頭參數(shù) C 呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，參數(shù)δ呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

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