结构粘接技术在轻量化前瞻车上的应用

范喜龙 于红 周宇飞 江梅130011) (中国第一汽车集团有限公司研发总院,长春

Automobile Technology & Material - - AT&M VISION - AT &M

1988—),作者简介:范喜龙( 男,工程师,本科,主要从事汽车用胶粘剂材料开发及应用研究。

摘要:介绍了结构粘接技术在轻量化前瞻车上碳纤维复合材料、铸铝等轻量化材料连接上的应用及优势,对影响结构粘接的各项因素,包括碳纤维复合材料粘接方向、粘接接头设计、粘接基材的表面处理、胶层厚度、使用温度、施工环境、固化压力等对结构粘接性能的影响进行了研究和讨论。关键词:轻量化 碳纤维复合材料 铸铝材料 结构粘接 影响因素U466 B Doi:10.19710/j.cnki.1003-8817.20180176中图分类号: 文献标识码: 1 前言

目前,节能、环保是汽车工业发展的一大趋10%,势,实验证明,若汽车整车重量降低 燃油效率

6%-8%; 100可提高 汽车整备质量每减少 公斤,百

0.3- 0.6 1%,公里油耗可降低 升;汽车重量降低 油

0.7%耗可降低 。由于环保和节能的需要,汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。铝合金、铸铝、碳纤维复合材料等轻质材料由于其在轻量化方面的显著优势,其在汽车上的应用已经越来

1],越多[ 碳纤维复合材料等轻量化材料在车身上的大量应用,不可避免的带来了碳纤维复合材料的同种材料间以及碳纤维复合材料与传统的金属材料间的连接问题,而传统的机械连接、焊接方式已经不能满足其连接需求,结构粘接技术为上述问题的解决提供了一种有效手段。结构粘接是采用结构胶粘剂实现的一种连接技术,它借助结构胶 粘剂将同种或异种材质的零件连接为不可拆卸的整体。轻量化前瞻车上碳纤维复合材料、铸铝等轻量化材料的连接大量采用了结构粘接技术,结合该应用实例,本文对结构粘接技术在汽车轻量化上的应用进行了讨论和总结。

2 结构粘接应用简介

轻量化前瞻车的乘员舱主要由碳纤维复合材料制备而成,采用模块化设计与装配,乘员舱整体装配组装前,首先将碳纤维复合材料车身零件采用结构粘接的方式分别组装成左侧围、右侧围、顶盖、包裹架、前围、后围、前地板、后地板等分总成

1 2零件,如图 、图 所示,然后再将上述分总成零件结构粘接装配在一起制作成碳纤维乘员舱;区别,于传统意义上金属车身的焊接连接 乘员舱各碳纤维零件的连接全部采用结构粘接的形式。乘员舱的各碳纤维零件及分总成零件结构粘接设计时,通过合理地设计各零件间结构粘接的尺寸及胶层厚度,使用结构粘接技术组装的碳纤维乘员舱的各碳纤维零件以及分总成零件间的粘接强度与焊

接组装的金属车身上金属零件间的焊接强度相当,有些位置粘接强度甚至还高于同位置金属零件间的焊接强度,结构粘接的连接强度完全可以满足车身零件的连接需求。

碳纤维复合材料乘员舱与铸铝车架两种不同轻量化材料间的连接,也是使用结构粘接的方式完成的,碳纤维复合材料乘员舱与铸铝车架间的结构胶粘剂不仅起到了连接固定的作用,结构胶粘剂良好的韧性也起到了辅助缓冲减振的作用,有助于提高汽车的乘坐舒适性。

3 结构胶粘剂的选择及工艺流程

考虑到碳纤维复合材料自身的特性,为了避免碳纤维复合材料零件的受热变形以及便于碳纤维复合材料零件的后续装配,碳纤维复合材料零件连接应采用二次胶接的方式,即将已经固化的碳纤维复合材料零件、金属零件使用结构胶粘剂粘接连接在一起,碳纤维复合材料零件的粘接适合采用室温固化的结构胶粘剂;另外由于金属材料与碳纤维复合材料的热膨胀系数并不相同,碳纤维材料与金属材料间起结构粘接作用的结构胶粘剂应具有良好韧性,聚氨酯型结构胶粘剂的优点就是韧性好、且固化后产品耐化学及耐水性良好;因此碳纤维复合材料、金属材料的结构粘接选 用了室温固化的双组份聚氨酯结构胶粘剂。

进行碳纤维复合材料等轻量化材料的结构粘接,应合理的设计粘接接头的承受载荷方向以及接头形式,选择合适强度及基材类型结构胶粘剂,结构粘接前需对粘接表面进行适当的表面处理来获得良好的表面活性,然后依据粘接区域的设计长度及厚度进行结构胶粘剂的涂胶,涂胶完成后将两个粘接零件装配闭合,清理溢出的多余结构胶粘剂,固定粘接零件并施加一定压力进行结构胶粘剂的固化,固化完成后拆除固定夹具,检查结构粘接的质量。

4 结构粘接的优势

与焊接、铆接等传统的机械连接方式相比,碳纤维纤维复合材料、铸铝材料使用结构粘接进行连接,具有应力分布均匀、疲劳性能好[2],耐老化、耐电化学腐蚀[3],连接效率高、外观质量好等优势。4.1 良好的疲劳性能

与焊接、铆接等传统的机械连接方式相比,结构粘接很好地避免了材料连接部位由于开孔、受热变形而引起的应力集中,结构粘接部位是连续的面接触,粘接应力分布均匀,疲劳性能更佳,结2×106构粘接的疲劳寿命可以达到 次,完全可以满足汽车车身的连接要求。4.2 良好的耐老化、耐电化学腐蚀性能

结构粘接可以保证粘接接头以及接合面完全密封,能阻隔潮气、腐蚀物质的进入,提高结构粘接部位的抗腐蚀能力;同时碳纤维复合材料、金属零件间使用结构胶粘剂进行粘接,避免碳纤维复合材料、金属零件直接接触以及搭接部位水气的进入,可以阻断碳纤维材料与金属材料间化学腐蚀发生路径,可以实现对粘接部位电化学腐蚀的防腐。固化后的结构胶粘剂主要组分为交联状的高分子材料,胶粘剂材料本身就具有一定程度的耐热性、耐寒性,这也保证了结构粘接部位的耐热

3 2性、耐寒性。图 展示了 种聚氨酯型结构胶粘剂耐老化、耐腐蚀试验后的剪切强度试验结果,经过一定时间的耐老化、耐腐蚀试验后,结构胶粘剂的

粘接强度并没有出现明显的下降。

4.3 连接效率高、外观质量好

使用结构粘接技术进行碳纤维复合材料零件、金属零件的连接,粘接操作工序简单,允许车身各总成零件进行离型制造与模块化的装配,可以有效提高装配效率。结构粘接的碳纤维复合材料零件与金属零件,成功避免了由于机械连接需要打孔引起的材料破坏、焊接引起的材料受热变形等问题,最大限度的保留了材料的本身性能和零件的外观完整性,这在车身外饰件的连接上优势更加明显。

5 结构粘接的注意事项

良好的结构粘接效果的取得,不仅需要选择合适强度的结构胶粘剂,还需要合理设计碳纤维复合材料粘接方向、粘接接头、粘接施工工艺以及良好的粘接施工环境等,每一因素的变化都会直接影响最终的结构粘接强度。5.1 碳纤维复合材料的粘接方向

碳纤维复合材料的性能具有各向异性,纤维复合材料的性能由纤维铺层方向决定,在不同方

, ,向上差别很大 沿纤维铺层方向强度最大 而垂直纤维方向强度最小[3],这就决定了碳纤维复合材料的粘接性能也具有各向异性。结构粘接部位的承载能力与碳纤维复合材料粘接方向息息相关,在进行碳纤维复合材料的结构粘接设计时,结构粘接部位的主承载方向应与碳纤维复合材料的主强度方向一致,不可与碳纤维复合材料的主强度方向垂直,以免因碳纤维复合材料过早产生层间破坏而使粘接失效。

5.2 粘接接头设计

众所周知,结构胶粘剂的高强度只是体现在其较高的抗拉伸剪切强度上,其剥离强度以及抗冲击强度一般比较低,因此在进行结构粘接的粘接接头设计时应遵循以下基本原则: a.粘接接头连接形式应采用平板搭接或斜接,使粘接接头承受或大部分承受剪切应力,避免承受剥离力和扯离力的作用; b.尽可能增大粘接面积,提高接头承载能力,如采用V形斜接、台阶对接和嵌接形式; c.若粘接基材为层压材料时,应尽可能避免层压材料的层间剥离; d.若难以避免粘接接头承受剥离力,可以选择局部加铆等粘接与机械连接混合接头。5.3 粘接基材的表面处理

结构粘接强度的形成过程分为结构胶粘剂对被粘表面的充分浸润、结构胶粘剂与被粘材料形成足够的粘接强度两个步骤,粘接基材表面状态的好坏直接影响结构胶粘剂对被粘表面的浸润情况。碳纤维复合材料由于生产、运输、机械加工等过程的影响,材料的表面不可避免的会带有碎屑、水、油污、冷却液以及复合材料成型时表面残留的

1脱模剂等杂质,表 给出了一种结构胶粘剂在不同表面下对碳纤维复合材料上的粘接强度,碳纤维材料表面的水、油污、脱模剂等杂质对其的结构粘接强度影响很大。对碳纤维复合材料表面进行适当的表面处理,除去材料表面的杂质,可以明显地改善结构胶粘剂对碳纤维材料表面的浸润性,进而获得理想的结构粘接强度,常用的碳纤维复合材料表面处理方式主要有机械打磨、化学清洗、涂底涂剂等方式。 在碳纤维零件的结构粘接设计及装配过程中,由于装配工艺流程的问题,不可避免的会遇到

已经完成表面油漆涂装的碳纤维零件的结构粘接问题,由于油漆涂层与碳纤维复合材料间的附着力远小于结构胶粘剂的粘接强度,在进行结构粘接施工前,应将碳纤维复合材料上粘接表面的油

2漆涂层打磨掉再进行结构粘接。表 中给出了结构胶粘剂在带有油漆涂层的碳纤维复合材料上的粘接强度,其粘接强度远小于结构胶粘剂在碳纤维复合材料上的理论粘接强度,这是由于其结构粘接部位发生了粘接基材破坏,即由于油漆涂层从碳纤维复合材料上脱离,致使结构粘接强度发生大幅下降。

在进行碳纤维复合材料与铸铝材料间的结构粘接时由于双组份聚氨酯型结构胶粘剂液体的表面张力与铸铝材料的表面能相差不大,致使双组份聚氨酯型结构胶粘剂在铸造铝合金上的浸润性比较差,双组份聚氨酯型结构胶粘剂在铸铝材料上的

4结构粘接强度比较低。图 给出了不同表面处理状态下对铸铝材料的粘接强度,虽然通过机械打磨、涂底胶等方式可以在一定程度上改善铸铝材料的表面活性,但是聚氨酯型结构胶粘剂在铸铝材料上的浸润性仍然比较差。进过阴极电泳涂装后的铸铝材料表面可以显著改善与聚氨酯型结构胶粘剂间的浸润性,粘接强度会有明显的提高。

总之,对碳纤维复合材料以及铸铝材料进行表面处理就是要改变粘接面的表面状态,获得清洁、干燥、粗糙、活性的表面,以实现牢固的结构粘接。

5.4 胶层厚度

结构粘接的质量与结构胶粘剂的用量、厚度有直接的关系,对结构粘接胶层厚度的设计要求为胶层厚度要均匀,避免因不均匀的厚度使得胶层较薄一端的应力增大而降低整体结构粘接强度;对涂胶施工操作的要求是涂胶要均匀,避免带来气泡、产生空隙而引起局部粘接缺陷。一般情况下结构胶粘剂的粘接强度会随着胶层厚度的增

5加而下降,如图 所示。而其抗剥离性以及韧性会随着胶层厚度的增加而上升,胶层厚度的增加也会增加结构胶粘剂的用量进而增加成本,另外较厚的胶层在受热后热膨胀在粘接界面区所造成的热应力比较大,也容易引起粘接接头破坏。因此在进行胶层厚度的设计时要考量结构粘接部位的使用需求、粘接面的装配要求、制品的结构、成本等综合因素,根据实际需求来调整和确定。

5.5 使用温度

在进行碳纤维复合材料以及铸铝材料结构粘接设计时,要充分考虑粘接部位的使用温度,这也是选用结构胶粘剂进行结构粘接的一项基本原则[4]。结构粘接是通过结构胶粘剂将两个物体通过外力发生紧密接触,通过胶粘剂分子间范德华力以及化学键的作用形成界面力而将两个物体粘接在一起的[5]。结构粘接强度不仅和粘接表面的力学性质以及基体材料属性有关,还和结构胶粘剂本身的属性有关,对于基本组分为高分子材料的有机结构胶粘剂而言,随着使用温度的升高,胶粘剂分子内部间的范德华力遭到破坏而使结构胶粘剂的粘

6接强度降低,如图 所示。因此在进行结构粘接设计时要充分考虑结构粘接部位的使用温度,绝不能

超出结构胶粘剂使用温度上限使用。虽然在某些情况下,经过一定时间的热老化时间后,结构胶粘剂的粘接强度稍微会有升高,这是由于粘接部位的胶层在固化过程中并没有完全固化,经历一定时间的热老化时间后那些未固化完全的部分得到充分固化,结构胶粘剂的粘接强度会得到部分提升,但其提升幅度也是有限的。

5.6 施工环境

结构胶粘剂的固化是一个化学反应过程,施工环境的温湿度变化对室温固化的结构胶粘剂的

7影响很大。图 给出了结构胶粘剂的操作时间随温度变化曲线,随着施工温度的上升,结构胶粘剂的固化速度加快,其施工操作时间会相应变短。

8 2图给出了结构胶粘剂(种胶层厚度)在几种施工温度下的结构粘接强度,施工温度过低时,虽然结构胶粘剂操作时间会相应变长,便于进行大型复杂零件的结构粘接,但是其粘接强度也会有一定程度的下降。这是由于温度过低时,结构胶粘剂固化过程中的分子运动变慢、固化剂出现结晶等原因致使结构胶粘剂固化不完全而影响结构粘接强度。一般情况下结构粘接理想的施工环境温17 ℃-25 ℃度 。

5.7 固化压力

压力是结构胶粘剂固化工艺的重要参数,固化压力的变化对结构粘接强度有直接影响,固化时施加一定的压力,对结构胶粘剂的粘接强度的形成和保障结构粘接质量都是必要的。对于真空浇注工艺生产的碳纤维复合材料,其非模具面由于生产工艺的限制零件表面粗糙度比较大,粘接时对粘接对偶面施加一定的压力有助于结构胶粘剂的扩散渗透,使其更容易充满粘接面上的缝隙,与粘接面紧密接触,还可以排出粘接部位的气体、避免产生气泡、空隙等粘接缺陷。另外,在结构粘接的初期,结构胶粘剂还未达到其初始粘接强度,对结构粘接部件施加一定的压力不仅对粘接部件起到固定作用,避免因被粘接部件的移动而引起粘接缺陷,还有利于保障粘接部位的胶层厚度均匀。

6 结论

采用结构粘接技术进行碳纤维复合材料、铸铝等金属材料间连接具有应力分布均匀、疲劳性能好,耐老化、耐电化学腐蚀、连接效率高、外观质量好等优势。在进行结构粘接设计时应合理的设计碳纤维复合材料的粘接方向、粘接接头承受载荷的方向,依据实际情况合理的调整及选用胶层厚度,并且考虑碳纤维零部件结构粘接部位的使用工况温度,避免高温致使粘接失效。进行结构粘接装配前对碳纤维复合材料、铸铝材料进行适当表面处理,获得理想的粘接表面状态;进行结构粘接装配时选择合适的施工环境,避免粘接装配时的施工温度影响结构粘接强度;同时结构胶粘剂固化时对结构粘接部位施加一定的压力,保障

结构粘接取得理想的粘接效果。结构粘接技术完美地解决了碳纤维复合材料、铝合金等轻量化材料在车身上应用遇到的连接问题,为碳纤维复合材料、铝合金等轻量化材料在汽车上的大量使用提供了连接技术保障,也为汽车轻量化连接设计提供了一种新型技术方案。

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