陳碩琛，李光耀，2，崔俊佳，2

前言

鋁合金具有密度小、耐腐性強、力學性能好等優(yōu)點，用于汽車車身結(jié)構(gòu)件和覆蓋件中可大幅度提升車身剛度、減輕車身質(zhì)量、降低油耗。與傳統(tǒng)鋼材相比，在力學性能指標相同的情況下，使用鋁合金代替鋼材可使汽車車身質(zhì)量減輕60%。因此，鋁合金的大量應(yīng)用是未來汽車發(fā)展的趨勢[1-2]?！耙凿X代鋼”后必然涉及其間的連接工藝，但由于鋁合金的物理、化學性質(zhì)與鋼材存在較大差別，傳統(tǒng)的連接方式難以實現(xiàn)有效、可靠的鋁鋼連接。

膠接工藝具有連接效率高、連接性能好、對被連接件材料可容性強等優(yōu)點，適合于鋁合金部件之間的連接。目前，在航空航天領(lǐng)域中，膠接工藝有著廣泛的應(yīng)用[3]。但在汽車領(lǐng)域中，主要用于車身密封和輔助點焊，在白車身結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用并不多見。膠接接頭的表面質(zhì)量是直接影響膠接性能的重要參數(shù)，建立膠接母材表面處理工藝、接頭參數(shù)與膠接性能之間的關(guān)系有利于膠接工藝的大規(guī)模應(yīng)用。對此，國內(nèi)外的科研人員做了大量的研究工作。在表面處理工藝方面，劉曉靜等對比了4種不同的母材表面處理工藝對鋁合金板件接頭剪切強度的影響，發(fā)現(xiàn)通過陽極氧化處理的鋁合金板件接頭的強度最高[4]。C.Borsellino的研究發(fā)現(xiàn)砂紙打磨母材可改變鋁合金的表面自由能，從而改變接頭強度[5]。在搭接參數(shù)方面，鄭小玲等模擬了膠瘤對接頭強度的影響，發(fā)現(xiàn)在搭接接頭中膠瘤可減小接頭端部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而提高接頭強度[6]。李龍等發(fā)現(xiàn)接頭的剛度不平衡會導致膠層應(yīng)力不平衡，從而增加膠層界面失效的風險[7]。蘭鳳崇等進行了鋁鎂合金膠接接頭的應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)接頭長度的增加會降低接頭內(nèi)部應(yīng)力峰值，提高接頭強度[8]。劉昌發(fā)等研究了接頭尺寸對鋁鋰合金接頭強度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)合理的膠層厚度為0.2～0.6mm，搭接長度為12～16mm[9]。

目前國內(nèi)外的研究中，對于汽車用鋁合金板件的表面質(zhì)量參數(shù)與接頭力學性能之間的關(guān)系的相關(guān)研究較少，缺乏對板件表面性能與接頭強度之間關(guān)系的系統(tǒng)分析。本文中選用5182鋁合金板搭接接頭作為研究對象，使用不同目數(shù)的砂紙對鋁合金板表面進行打磨，實際上是打毛以增加其表面粗糙度，從而提高其粘接強度。文中從微觀表面形貌、粗糙度兩個方面探究打磨程度對鋁合金接頭拉剪強度的影響規(guī)律。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

5系鋁合金具有良好的成形性能，可用于汽車內(nèi)覆蓋件的制造。采用5182鋁合金板作為母材，材料參數(shù)如表1所示。膠粘劑選用西卡power 497結(jié)構(gòu)膠，材料參數(shù)如表2所示。單搭接接頭的搭接尺寸依據(jù)標準ASTM D1002[10]設(shè)計，具體參數(shù)如圖1所示，其中接頭長度為 12.5mm，膠層厚度為0.2mm。

表1 鋁合金板件材料參數(shù)

表2 膠粘劑材料參數(shù)

圖1 膠接接頭搭接示意圖

1.2 粘接過程與表面處理方法

為探究不同表面形貌對膠接接頭強度的影響，將試驗選用的鋁合金板件表面處理方式分為兩組:一組使用丙酮清洗；另一組采用不同目數(shù)的砂紙交錯打磨，打磨完成之后再使用丙酮對板件進行清洗。使用 5種不同目數(shù)的砂紙(P80，P240，P360，P600，P800)對樣件進行打磨。打磨的紋路為縱橫交錯打磨，每個樣件打磨100次。

將打磨后的鋁合金板件涂膠，隨后進行裝配和固化處理，其中固化處理采用電阻爐加熱固化，固化溫度為180℃，固化時間為2h。

母材的微觀表面積和表面粗糙度作為兩個表面形貌的關(guān)鍵參數(shù)，對膠接的接頭質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。合適的表面粗糙度可有效提高接頭強度，而母材微觀表面積的增加為膠層與母材的接觸提供了更大空間，從而對接頭強度有積極影響。在打磨完成后的樣件上選取5個位置，如圖2所示，使用Olympus DSX510光學顯微鏡測量它們的面粗糙度和微觀表面積。其中面粗糙度表示為表面的算術(shù)平均高度:

式中:Sa為面粗糙度；A為微觀表面積；Z(x，y)為表面各點高度。

圖2 表面質(zhì)量觀測位置示意圖

固體的表面自由能γ(mJ/mm2)是物體表面分子間作用力的體現(xiàn)。在本場合，代表打磨過程中，為改變表面形態(tài)，增加單位微觀表面積須做的功，其值的變化會影響固體和液體的接觸效果，進而影響膠接強度。因此，測量不同表面處理后母材的表面自由能，用于解釋微觀形貌和接頭性能的聯(lián)系。表面自由能γ由兩個主要部分組成:

式中:γD為色散作用成分；γP為偶極作用成分。根據(jù)Owens和Wendt的理論，當液體在固體表面擴散時，固體表面自由能和液體的表面張力存在如下關(guān)系[11]:

式中:γS為固體總表面能；γL為液體表面張力；θ為固體和液體的接觸角。由式(3)可知，只要知道兩種液體(一種極性，一種非極性)與固體的接觸角和液體的表面張力、色散分量和極性分量，即可算得固體的表面能。在試驗中使用JC2000D2(RT-400)型接觸角測量儀(圖3)對極性(蒸餾水)和非極性(二碘甲烷)液體(材料參數(shù)見表3)與不同表面質(zhì)量的鋁合金接觸角進行測量，計算得到母材表面自由能。

圖3 接觸角測量儀

表3 不同試劑液體表面張力 mJ·mm-2

1.3 拉伸剪切性能測試

在車輛運行中，車身單搭接膠接接頭的常見受力形式為拉伸剪切，因此選用接頭拉伸剪切強度用于評價膠接接頭性能。

使用英斯特朗5985萬能拉伸試驗機對試件進行力學性能測試，加載速率為2mm/min，拉伸剪切的強度計算公式為

式中:τ為接頭剪切強度；F為樣件破壞的最大載荷，N；B為搭接面寬度，mm；L為搭接面長度，mm。對每個表面質(zhì)量參數(shù)進行3組重復(fù)試驗，接頭強度取平均值，以減小誤差。

2 試驗結(jié)果

2.1 微觀表面積和表面粗糙度

打磨會改變母材的表面形貌，進而影響到微觀表面積分布。圖4為不同表面處理后的鋁合金板微觀表面積分布情況。由圖可見，未經(jīng)處理的板件的微觀表面積最低，經(jīng)過砂紙打磨的樣件微觀表面積會隨著砂紙目數(shù)的增加而減小。圖5為不同打磨程度板件的表面粗糙度分布情況。其分布規(guī)律與微觀表面積分布規(guī)律類似。未經(jīng)處理的板件的粗糙度最低，經(jīng)過砂紙打磨的樣件的粗糙度會隨著砂紙目數(shù)的增加而減小。板件的表面輪廓可直觀地反映不同打磨程度下的表面質(zhì)量參數(shù)之間的差異，圖6為原始樣件和不同目數(shù)砂紙打磨樣件的微觀表面形貌輪廓線。由圖可見，未打磨樣件的表面波峰和波谷差值很小，其最大峰谷差為2.43μm，而砂紙打磨后的樣件表面存在高度差較大的波峰和波谷，當砂紙目數(shù)從800減少到80目時，其最大峰谷差會從7.14增加到19.24μm。

圖4 打磨程度對微觀表面積的影響

2.2 表面自由能

圖5 打磨程度對表面粗糙度的影響

圖6 不同打磨程度母材截面輪廓線

打磨程度的差異性導致鋁合金的表面自由能有很大不同。圖7為不同打磨程度下樣件表面自由能分布情況。由圖可見:未打磨樣件表面自由能最高，為93.2mJ/mm2；當砂紙目數(shù)從80增加到600目時，鋁合金板的表面自由能從56.2增加到70.8mJ/mm2；當砂紙目數(shù)從600增加到800目時，鋁合金表面自由能從70.8下降到62.5mJ/mm2，使用600目砂紙打磨的鋁合金樣件表面自由能最高。這一規(guī)律與文獻[12]描述相吻合。

圖7 打磨程度對表面自由能的影響

2.3 接頭強度與失效模式

砂紙的打磨可明顯提高鋁合金膠接接頭強度。圖8為鋁合金膠接件剪切強度與打磨程度的關(guān)系。由圖可見:未經(jīng)打磨的樣件剪切強度最低，僅為13.7MPa，采用360目砂紙打磨的樣件剪切強度最高，達18.3MPa，比未打磨處理樣件的剪切強度提高了33.6%；當砂紙目數(shù)從80增加到360目時，接頭的剪切強度從16.3增加到18.3MPa，當砂紙目數(shù)從360增加到 800目時，接頭強度從 18.3下降到15.4MPa。

圖8 打磨程度對接頭強度的影響

接頭的失效模式能從側(cè)面反映接頭的強度。對于板件膠接接頭，存在3種典型的膠接接頭失效模式:界面失效、膠層失效和混合失效[13]。圖9為不同打磨程度樣件的失效斷口相片。由圖9(a)可見，每塊失效后的板件的接頭處被分成了兩段，一段存在大量殘膠，被定義為膠層富集區(qū)，另一段殘膠較少，被定義為膠層稀少區(qū)。未經(jīng)打磨的樣件(圖9(e))，其斷口的膠層稀少區(qū)完全沒有殘膠分布，根據(jù)3種膠接接頭的失效模式的定義，樣件失效模式為界面失效。在砂紙打磨的樣件中，膠層稀少區(qū)會存在部分殘膠，因此經(jīng)過打磨的樣件失效模式都為混合失效。同時砂紙目數(shù)的不同會導致接頭殘膠分布情況的差異。對于80目砂紙打磨的樣件(圖9(b))，其膠層稀少區(qū)被虛線分成兩部分，一部分存在較薄的膠層，另一部分沒有膠層存在，兩部分各占面積的一半左右，說明在混合失效的模式中膠層失效與界面失效模式各占約50%。當使用360目砂紙打磨樣件時(圖9(c))，其膠層稀少區(qū)幾乎都存在一層較薄的膠層，說明在混合失效模式中膠層失效占主要成分；當使用800目砂紙打磨時(圖9(d))，其膠層內(nèi)部會出現(xiàn)氣孔缺陷，無論是膠層富集區(qū)還是膠層稀少區(qū)都存在沒有膠層存在的部分，說明界面失效是混合失效的主要模式。

圖9 不同打磨程度樣件斷口形貌

3 分析與討論

3.1 打磨程度與潤濕效果

打磨會改變板件的表面粗糙度，進而影響表面自由能，而增加的表面自由能將提升膠粘劑在母材上的潤濕效果。

圖10為極性(蒸餾水)與非極性(二碘甲烷)液體在不同粗糙度的鋁合金板件表面的潤濕情況。由圖可見:無論是極性還是非極性，液體都可在固體表面形成良好潤濕，且母材粗糙度對兩種液體的浸潤效果影響規(guī)律一致；當粗糙度從2.5降低到0.8μm時，液體的接觸角會降低，浸潤效果會提高；當粗糙度從0.8降低到0.3μm時，液體的接觸角會有一個明顯的回升，浸潤效果下降；最小的接觸角出現(xiàn)在粗糙度為0.18μm的未打磨樣件中，此時浸潤效果最好。結(jié)合圖5、圖7和圖10可以發(fā)現(xiàn):當砂紙目數(shù)從80增加到600目時，由于表面粗糙度的降低，板件的表面自由能會不斷提高，浸潤效果也會明顯提高；但當砂紙的目數(shù)從600增加到800目時，表面自由能有一個明顯的下降，樣件浸潤效果變差；當使用800目砂紙打磨時，鋁合金表面粗糙度Ra＝0.3μm，對樣件進行表面輪廓分析可以發(fā)現(xiàn)，表面峰谷的高度差H＝7.54μm。研究表明，當固體表面的凸起高度達到5～9μm時，其凸起的部位在固體表面會形成類似于荷葉的表面的微米級結(jié)構(gòu)[14-15]，這些微米級結(jié)構(gòu)具有疏水性。因此，當砂紙目數(shù)從600增加到800目時，雖然鋁合金的表面粗糙度降低了，表面變得光滑，但由于表面生成具有疏水性的微觀結(jié)構(gòu)，表面自由能會下降，板件浸潤性變差。

圖10 表面粗糙度對浸潤效果的影響

對于未經(jīng)打磨的原始樣件，由于軋制的鋁合金板表面光滑程度較高，表面粗糙度為0.18μm，峰谷差小于3μm，因此具有最高的表面自由能和最佳的浸潤性。

3.2 打磨程度對力學性能的影響

膠接界面形貌是影響接頭強度的重要因素，表面粗糙度的增加可增強母材與膠層的接觸面積，加大兩者之間的機械咬合程度，從而提高接頭強度。

對于未經(jīng)打磨的原始樣件，表面自由能最高，膠接時膠層與鋁合金表面結(jié)合最為緊密。然而，由于未經(jīng)打磨的樣件其表面過于光滑，難以與膠層形成大面積機械咬合，因此，其斷口形貌如圖9(e)所示，接頭失效模式為界面失效，其接頭強度較低。

對于經(jīng)過表面處理的樣件，不同的打磨程度引起的表面自由能變化對接頭的影響也不同。當使用80目的砂紙打磨時，鋁合金板的表面自由能較低。由于浸潤效果差，斷裂面中膠層稀少區(qū)存在大面積的無膠區(qū)，這一現(xiàn)象意味著在膠接過程中，膠不能完全滲入鋁合金板表面的縫隙中，難以形成大面積的機械咬合，此時板件的微觀表面積不能代表實際膠粘界面面積，斷口形貌如圖9(b)所示。當使用360目(600目)砂紙打磨時，板件有著較高的表面自由能。斷口形貌如圖9(c)所示，斷裂面中膠層稀少區(qū)幾部完全覆蓋著一層薄膠層，表明膠層能完全浸入板件表面的縫隙，此時板件的微觀表面積可近似代表實際的膠粘界面面積。當使用800目砂紙打磨時，由于母材表面微米級結(jié)構(gòu)的存在，表面自由能較低，導致液體難以實現(xiàn)良好的浸潤效果。因此，接頭的斷口中，膠層的富集區(qū)存在著大量的氣泡輪廓，如圖9(d)所示。

綜上所述，當砂紙目數(shù)從80增加到360目時，雖然板件的微觀表面積會下降，但由于表面自由能的提高，膠接浸潤效果改善，實際的膠接界面面積會增加，因此接頭強度也不斷提高。當砂紙目數(shù)從360目增加到600目時，板件微觀表面積下降，在此過程中表面自由能已經(jīng)處于一個較高的水平，膠接過程浸潤效果較好，因此降低的板件微觀表面積會導致接頭強度的下降。當砂紙目數(shù)為800目時，由于表面疏水結(jié)構(gòu)的存在，導致了膠層缺陷——氣泡的產(chǎn)生，接頭強度比其他打磨程度有明顯的降低。

4 結(jié)論

本文中研究了5182鋁合金的打磨程度和表面形貌對膠接接頭剪切強度的影響，得到如下結(jié)論:

(1)與未打磨的樣件相比，使用砂紙打磨可改變鋁合金板件表面形貌，增加其表面粗糙度，增加膠層與板件的機械咬合，提高接頭強度；

(2)適當?shù)卦黾颖砻娲植诙瓤稍黾幽z層與板件的接觸面積，達到提高接頭強度的效果，而過大的板件表面粗糙度會導致膠層與板件的浸潤效果變差，膠層無法完全滲入板件的微觀結(jié)構(gòu)中，對接頭強度的提升較??；

(3)與未打磨的樣件相比，砂紙打磨會使接頭的失效模式從界面失效變?yōu)榛旌鲜?，對于不同打磨程度的樣件，母材表面自由能越高，其混合失效模式中膠層失效所占比例越大。