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为进行能源管理并强化车体结构所采用的结构粘合剂

时间: 2011-06-26 21:17 来源: 作者: 点击:
本文所讨论的粘合剂适用于汽车行业的“车身车间”。该粘合剂须使用方便,具有可焊性,且对清洗剂和预处理液有良好的抗冲洗性。粘接的金属表面通常会有冲压油,因此该粘合剂还须在不清洁的金属表面形成具有持续耐腐蚀性的粘合层。当采用电泳进行固化处理时(炉温为160℃~205℃,固化时间为20~100分钟),该粘合剂的强度可达到最大值。目前,由于烘烤温度要求持续降低,降低该结构粘合剂的固化温度也在进一步研究。

1. 简介

在汽车制造过程中,作为一种金属连接的方式,结构粘合剂的应用正处于迅猛发展阶段1~3)。结构粘合剂可增强粘接结构的刚性、耐久性和抗冲撞性。此外,由于该粘合剂使用,使得相容性差的金属之间的粘接变容易,从成本和车体重量方面加大了车体结构优化设计的可能性。

该结构粘合剂的采用有助于提高点焊设计性能,或在提高结构性能的同时,通过减少点焊数而降低成本4-9)。该结构粘合剂的采用使我们可对难以焊接的结构,如高强度钢材、铝材或点焊设备无法进驻的区域,进行组装。

结构粘合剂可利用环氧树脂、、丙烯酸酯和聚氨酯这些材料配制。

然而,由于环氧树脂优异的机械性能以及目前汽车制造的工艺要求,因此选用环氧树脂来开发车体结构粘合剂。

性能要求----工艺和机械性能

为提高车体结构的抗冲撞性,所设计的结构粘合剂在动态条件下表现出良好的韧性。然而,该粘合剂也必须满足用户工艺窗口内所涉及的应用要求,如机械强度和耐久性方面的严格要求。

为确保钢材的粘接接头具有长期稳定性,因此采用标准加速老化试验对其粘接强度进行评估。测试粘合剂在老化试验前和老化试验后,在不同基材上的抗剥离强度和搭接剪切强度。此外,还须通过疲劳试验来模拟粘接接头的性能,从而评估粘合剂在不同负荷下的长期稳定性。

在试验室中,可采用冲击剥离试验(ISO 11343)11)测量动态条件下粘合剂和钢材之间的粘接接头的粘接强度。采用结构粘合剂将两块具有特定形状的钢板试件粘接起来。然后,将一个固定在框架中的楔块放在试件间未被粘合的空隙处(位于粘合区的出口位置)。然后施加重力到框架上,使楔块挤出并从试件间穿过。

当楔块被推着穿过试件时,两钢片会沿相反方向分离,从而导致粘接层内产生裂纹(见图1)。


图1经过粘接、用于冲击剥离试验的试件(a);试验之前,安装楔块(带框架)和用于冲击剥离试验的试件(b);试验之前,将楔块(带框架)和用于冲击剥离试验的试件固定在试验设备上(c);试验结束后的楔块(带框架)和用于冲击剥离试验的试件(d)。钢试件变形表明其吸收了能量。

按照粘接层内裂纹扩展的速度,测试的试件(如钢材)将吸收能量。若裂纹扩展的速度减慢,试件能量吸收量将增加;当维持粘合线时,能量被转移至钢材,并通过钢材变形而被吸收。通过评估应力应变曲线上的平坦区域,可计算能量吸收量。图2阐述了从应力应变曲线上观察到的、不同峰值的能量来源,并给出了采用高韧性结构粘合剂所测定的平坦区域。


图2 通过冲击剥离试验(ISO 11343),评定经过粘接的钢质试件所吸收的能量。采用高韧性粘合剂进行试验,从而可在应力应变曲线上观察到各个响应峰值及平坦区域。

箱梁动态试验(接近于真实实验)

除在试验室进行试验之外,箱梁也广泛用于证明模型结构的刚性和抗冲击性12)。

为按本文所述内容进行试验,将箱梁用各种连接方式进行组装,如只经过点焊的方式、粘接加焊结的方式、以及只有粘接的方式。对这些箱梁进行扭转刚度试验和在动态条件下进行轴向冲压试验。

2. 试验

2.1 准备箱梁

备好长度为400mm的箱梁。图3和图4为箱梁截面尺寸。


图4 用于冲击试验的箱梁的截面尺寸(本图未按比例绘制)

凸缘宽度为15mm,金属厚度为0.8mm。可采用热镀锌钢板(HDG,拉伸强度为180MPa)和冷轧钢板(CRS,拉伸强度为180MPa)。

箱梁可用下面的连接方式:

(i) 只采用焊接方式

(ii) 粘接+点焊(焊点距为50mm)

(iii) 粘接+点焊(焊点距为100mm)

粘接的边缘表面须先用丙酮清洗,然后用Quaker MAL 61上油(用量为3g/m2)。采用机械手涂胶,胶条的直径为3mm。使粘合剂少量且均匀地挤出,使整个边缘面充分粘接,粘合剂用量约为15g/m。

先将箱梁连接好,然后用配有40R焊芯(表面长度为6mm)的稳态单相电焊机进行焊接。在采用“粘接+点焊”的组合方式时,点焊结束后须在177℃(钢板温度)下烘烤30分钟,使粘合剂固化。

2.2 冲击增韧型Terokal粘合剂在箱梁中的典型性能

所采用的粘合剂品牌为Terokal。它是一种由汉高公司出品的、具有高韧性和抗冲击性的单组分热固化环氧树脂胶粘剂。该粘合剂具有如下性能:

搭接剪切强度 (0.8mm CRS)>20MPa (10mm/分钟)

T型剥离强度(0.8mm CRS)>200N/25mm (200mm/分钟)

耐冲击性(ISO 11343,0.8mm CRS)>30N/mm(2m/秒)

采用Instron 5584型拉伸试验机(Instron)测量搭接剪切强度和T型剥离强度。采用Dynatup 9250HV(Instron)测量耐冲击性。

2.3扭转刚度试验

扭转刚度在位于美国密歇根Ann Arbor的Axel Test实验室进行测量。

箱梁变形仅限于发生线性变形的区域内。所有箱梁的扭矩/转角均可测量。

2.4 箱梁冲击试验

箱梁冲击试验在法国瓦伦西那的Valutec进行。

用400kg载荷以6.7m/s或24km/h的速度对箱梁进行冲击试验,并测量了所有箱梁的载荷变形曲线。

3. 结果与讨论

3.1 箱梁的扭转刚度


图5 对以CRS制成的箱梁进行测量,并记录其扭矩转速曲线(n=3)

当弯曲角度为1度时,对箱梁的扭转刚度进行了定量分析。分析结果表明,在焊接加粘结的连接中,由于结构粘合剂的使用,扭转刚度明显提高。图5以CRS制成的箱梁为例,给出了只采用焊接的结构和粘焊结构时所得到的结果。

图6所示结果表明,由HDG和CRS两种钢材制成的箱梁,采用粘焊结构时,其抗扭刚度提高了16%~18%(粘接+点焊(焊点间距为100mm)。


图6 当弯角度数为1度时,分别测量了以CRS(n=3)和GA(n=3)为基材、并经焊接和粘焊制成的箱梁所具有的扭转刚度(Nm/deg)

3.2 对箱梁进行冲压试验的结果

冲压试验分析与结果

首先,测量并绘制各种箱梁的应力应形曲线。从这些曲线中,分析和绘制出每个箱梁的应力应变的趋势线。然后再通过对这些数据的计算来得到每个箱梁的抗冲压时的平均压力。

对焊接后的箱梁进行分析:

图7以冷轧钢为例,显示了应力变形曲线。大多数情况下,箱梁被压溃后,其边缘表面焊点之间呈现出不规则的变形,从该曲线中可观察出这种情况。


图7 对以冷轧钢为基材、只经过焊接制成的且焊点间距为50mm的箱梁进行冲压试验而得到的数据(n=3)

由只经过焊接的冷轧钢制成的箱梁,其平均变形力为22kN。由只经过焊接的热镀锌材料制成的箱梁,其平均变形力为20kN。

图8以CRS为基材、并经粘焊制成的箱梁为例,显示了箱梁的应力变形曲线。其因受压变形后的形状变得更为规则。


图8 对以冷轧钢为基材、经过粘焊制成的且焊点间距为100mm的箱梁进行冲压试验而得到的数据(n=3)

图9是一张以CRS为基材、并经粘焊制成的箱梁在被冲压后的照片。在这张照片中,可清晰地看到受压形成的有规则折叠的样子。在动态冲压试验过程中,由于粘合剂保持缝隙的完整性,因此产生了大量褶皱。只有当粘合剂与钢材体系所承受的动态极限相吻合时,才会出现这种情况(例如韧性、模量、伸长率和机动性等)。


图9 一张以冷轧钢为基材、并经粘焊制成的箱梁在被冲压后的照片(焊点间距100mm)

图10以冷轧钢为基材但只经过焊接制成的箱梁(焊点间距为50mm)和以冷轧钢为基材且经过粘焊制成的箱梁(焊点间距为100mm)为例,对其在冲压试验中得到的数据进行了比较。虽然采用粘焊的箱梁的焊点间距为采用焊接的钢制箱梁的两倍,但结构粘合剂的使用却使其在出现变形时的平均抗压力增大了27%。若压缩距离越长,则两种箱梁的抗压力差值就越大。


图10 对以冷轧钢为基材但只经过焊接制成的箱梁(n=3,焊点间距为50mm)和以冷轧钢为基材且经过粘焊制成的箱梁(n=3,焊点间距为100mm),对其在抗压试验中得到的数据进行了比较。

图11中显示了只采用焊接、采用粘焊和只采用粘接的箱梁所呈现的平均变形力曲线。图中结果明确表明,将结构粘合剂与点焊工艺一同使用可产生良好附加价值。采用粘焊的冷轧钢箱梁,其抗变形力比只经过焊接的冷轧钢箱梁提高27%,且点焊数仅有后者的一半(图10)。而采用粘焊的HDG箱梁,其抗变形力几乎提高了20%,虽然点焊数减少了50%,但这丝毫不影响其抗变形力。


图11 采用抗冲击性结构粘合剂对增强箱梁抗压强度的作用

4. 总结与结论

将结构粘合剂与点焊工艺一同使用时,可使箱梁的抗扭转刚度提高16%~18%。而其在轴向受冲压时所吸收的能量增加了20~27%。目前尚未发现基材类型对冲压试验造成影响。在分别对以CRS和GA为基材制成的箱梁所进行的冲压试验中,其性能改善效果相同。在轴向受压时时,即使点焊数减少50%,亦不会对箱梁的抗扭转刚度和其所吸收的能量造成任何不利影响。

这些试验结果均明显表明,在性能方面,采用该结构粘合剂可改善理想金属结构所具有的抗扭刚度和轴向抗压性能。

对汽车工业来讲,该结构粘合剂的应用,对当代车体设计和制造业(如减小钢材厚度,同时保持车体性能,从而使车体重量更轻、设计成本更低)指明新方向。此外,通过保持优良的耐久性、韧性和抗冲击性等性能,可减少点焊数并缩短生产周期。因此,对于提高车体结构性能、减轻车体重量、简化生产过程和优化生产成本来说,结构粘合剂是一种十分有用的材料。



参考资料

1)Y. Oguri,《结构粘接的基础及应用》,cmcbooks,333(2006)
2)M. Miyamoto,《日本粘接学会杂志》,35, 280(1999)
3)Y. Nakata,《日本粘接学会杂志》,39, 455(2003)
4)A. Asano,R. Sato和J. Niisawa,JSAE第43期第154页(1990)
5)A. Asano,R. Sato和J. Niisawa,JSAE 22(2),第108页(1991)
6)T. Satoh,H. Abe,K. Adachi,M. Terashita和H. Ejiri,JSAE 23(4),第139页(1992)
7)Y. Kishimoto,A. Murata,M. Nishino和M. Yoneno,JSAE 24(2),第118页(1993)
8)M. Nishino,M. Yoneno,Y. Kishimoto和A. Murata, JSAE评论13(4),第64页(1992)
9)T. Okabe,T. Akasaki,S. Niwa, K. Tobita,Y. Iizuka和K. Imai,JSAE 24(3),第82页(1993)
10)T. Koike,《结构粘接的基础及应用》,cmcbooks,47(2006)
11)M. Ono,《结构粘接的基础及应用》,cmcbooks,170(2006)
12)P. A. Fay 等人,《世界粘接和粘合剂杂志》,10,128(1990)(end)

相关资料

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