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，用于汽車車身結構件和覆蓋件中可大幅度提升車身剛度、減輕車身質量、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量減輕60%。因此，鋁合金的大量應用是未來汽車發(fā)展的趨勢[1-2]。“以鋁代鋼”后必然涉及其間的連接工藝，但由于鋁合金的物理、化學性質與鋼材存在較大差別，傳統(tǒng)的連接方式難以實現有效、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，在航空航天領域中，膠接工藝有著廣泛的應用[3]。但在汽車領域中，主要用于車身密封和輔助點焊，在白車身結構上的應用并不多見。膠接接頭的表面質量是直接影響膠接性能的重要參數，建立膠接母材表面處理工藝、接頭參數與膠接性能之間的關系有利于膠接工藝的大規(guī)模應用。對此，國內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]。在搭接參數方面，鄭小玲等模擬了膠瘤對接頭強度的影響，發(fā)現在搭接接頭中膠瘤可減小接頭端部的應力集中現象，從而提高接頭強度[6]。李龍等發(fā)現接頭的剛度不平衡會導致膠層應力不平衡，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力分析，發(fā)現接頭長度的增加會降低接頭內部應力峰值，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)現合理的膠層厚度為0.2～0.6mm，搭接長度為12～16mm[9]。

目前國內外的研究中，對于汽車用鋁合金板件的表面質量參數與接頭力學性能之間的關系的相關研究較少，缺乏對板件表面性能與接頭強度之間關系的系統(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，可用于汽車內覆蓋件的制造。采用5182鋁合金板作為母材，材料參數如表1所示。膠粘劑選用西卡power 497結構膠，材料參數如表2所示。單搭接接頭的搭接尺寸依據標準ASTM D1002[10]設計，具體參數如圖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

表2 膠粘劑材料參數

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鍵參數，對膠接的接頭質量起著關鍵作用。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。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(材料參數見表3)與不同表面質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。對每個表面質量參數進行3組重復試驗，接頭強度取平均值，以減小誤差。

2 試驗結果

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，未經處理的板件的微觀表面積最低，經過砂紙打磨的樣件微觀表面積會隨著砂紙目數的增加而減小。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。未經處理的板件的粗糙度最低，經過砂紙打磨的樣件的粗糙度會隨著砂紙目數的增加而減小。板件的表面輪廓可直觀地反映不同打磨程度下的表面質量參數之間的差異，圖6為原始樣件和不同目數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系。由圖可見:未經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，因此經過打磨的樣件失效模式都為混合失效。同時砂紙目數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))，其膠層內部會出現氣孔缺陷，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；最小的接觸角出現在粗糙度為0.18μm的未打磨樣件中，此時浸潤效果最好。結合圖5、圖7和圖10可以發(fā)現:當砂紙目數從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，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構[14-15]，這些微米級結構具有疏水性。因此，當砂紙目數從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構，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合最為緊密。然而，由于未經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構的存在，表面自由能較低，導致液體難以實現良好的浸潤效果。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。當砂紙目數為800目時，由于表面疏水結構的存在，導致了膠層缺陷——氣泡的產生，接頭強度比其他打磨程度有明顯的降低。

4 結論

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)適當地增加表面粗糙度可增加膠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構中，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В瑢τ诓煌蚰コ潭鹊臉蛹?，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。