為進行能源管理并強化車體結構所采取的結構

为进行能源管理并强化车体结构所采用的结构粘合剂

1. 简介

在汽车制造进程中，作为一种金属连接的方式，结构粘合剂的运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、耐久性和抗冲撞性另外，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，从本钱和车体重量方面加大了车体结构优化设计的可能性

该结构粘合剂的采取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）该结构粘合剂的采取使我们可对难以焊接的结构，如高强度钢材、铝材或点焊设备没法进驻的区域，进行组装

结构粘合剂可利用环氧树脂、橡胶、丙烯酸酯和聚氨酯这些材料配制

但是，由于环氧树脂优良的机械性能和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但是，该粘合剂也必须满足用户工艺窗口内所触及的运用要求，如机械强度和耐久性方面的严格要求

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构成具有延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），该粘合剂的强度可到达最大值目前，由于烘烤温度要求延续下降，下降该结构粘合剂的固化温度也在进一步研究

为确保钢材的粘接接头具有长时间稳定性，因此采取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另外，还须通过疲劳实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时间稳定性

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取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）

依照粘接层内裂纹扩大的速度，测试的试件（如钢材）将吸收能量若裂纹扩大的速度减慢，试件能量吸收量将增加；当保持粘合线时，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论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1经过粘接、用于冲击剥离实验的试件（a）；实验之前，安装楔块（带框架）和用于冲击剥离实验的试件（b）；实验之前，将楔块（带框架）和用于冲击剥离实验的试件固定在实验设备上（c）；实验结束后的楔块（带框架）和用于冲击剥离实验的试件（d）钢试件变形表明其吸收了能量

图2 通过冲击剥离实验（ISO 11343），评定经过粘接的钢质试件所吸收的能量采取高韧性粘合剂进行实验，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

箱梁动态实验（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实验，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、和只有粘接的方式对这些箱梁进行改变刚度实验和在动态条件下进行轴向冲压实验

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3 箱梁压溃实验方法

图4 用于冲击实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）只采取焊接方式

（ii）粘接 点焊（焊点距为50mm）

（iii）粘接 点焊（焊点距为100mm）

粘接的边沿表面须先用丙酮清洗，然后用Quaker MAL 61润滑油上油（用量为3g/m2）采取机械手涂胶，胶条的直径为3mm使粘合剂少量且均匀地挤出，使全部边缘面充分粘接，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取粘接 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）

采取Instron 5584型拉伸实验机（Instron）丈量搭接剪切强度和T型剥离强度采取Dynatup 9250HV（Instron）丈量耐冲击性

2.3改变刚度试验

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

箱梁变形仅限于产生线性变形的区域内所有箱梁的扭矩/转角都可测量

2.4 箱梁冲击实验

箱梁冲击实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实验，并丈量了所有箱梁的载荷变形曲线

3. 结果与讨论

3.1 箱梁的改变刚度

当曲折角度为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，改变刚度明显提高

图5以CRS制成的箱梁为例，给出了只采取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）

3.2 对箱梁进行冲压试验的结果

冲压实验分析与结果

首先，丈量并绘制各种箱梁的应力应形曲线从这些曲线中，分析和绘制出每一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一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出现出不规则的变形，从该曲线中可视察出这种情况

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加规则

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，可清晰地看到受压构成的有规则折叠的样子在动态冲压实验进程中，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取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%若紧缩距离越长，则两种箱梁的抗压力差值就越大

图11中显示了只采取焊接、采取粘焊和只采用粘接的箱梁所出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%，且点焊数唯一后者的一半（图10）而采用粘焊的HDG箱梁，其抗变形力几近提高了20%，虽然点焊数减少了50%，但这丝毫不影响其抗变形力

4. 总结与结论

将结构粘合剂与点焊工艺一同使用时，可使箱梁的抗改变刚度提高16%~18%而其在轴向受冲压时所吸收的能量增加了20~27%目前还没有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实验中

，其性能改良效果相同在轴向受压时时，即便点焊数减少50%，亦不会对箱梁的抗改变刚度和其所吸收的能量造成任何不利影响

这些实验结果均明显表明，在性能方面，采取该结构粘合剂可改良理想金属结构所具有的抗扭刚度和轴向抗压性能

对汽车工业来说，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）指明新方向另外，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讲，结构粘合剂是一种十分有用的材料

致谢

作者在此向为试验组装箱梁试件的David Rosso和制备粘合剂的Sara Beauchamp表示感谢另外，还要感谢安排箱梁试件抗冲击试验的Rainer Kohlstrung最后，作者还要向支持并为此项研究提供资金的汉高有限公司致谢

参考资料

1）Y. Oguri，《结构粘接的基础及运用》，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，《结构粘接的基础及运用》，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）

（文章来源：汽车）

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