汽车钢板胶焊接头的计算模型及其应力场特征.docx
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汽车钢板胶焊接头的计算模型及其应力场特征
汽车钢板胶焊接头的计算模型及其应力场特征
基于对胶焊接头局部结构和硬度分布的分析，建立了胶焊接头的计算模型。
同时，对胶焊搭接接头拉伸剪切试验的载荷—位移曲线作了讨论。
采用所建立的模型进行有限元计算，获得了两种弹性模量胶粘剂胶焊接头和单纯点焊接头的应力场，所得结果证实了计算模型模拟胶焊接头的有效性。
0 前言
胶焊技术是将胶接与电阻点焊（或凸焊）技术相结合的新型复合连接方法。
胶焊结构结合了电阻点焊和胶接结构的优越性，弥补了它们的不足，使胶焊结构同时具有优良的静强度、疲劳强度和持久性能。
同时，胶焊技术在异质材料的连接上具有相当大的潜力，有可能实现用现有连接方法不能实现的某些材料的连接。
因此，胶焊技术在航空、航天和汽车工业中获得了广泛应用。
由于胶焊技术出现较晚，胶焊工艺中还存在很多问题，胶焊接头的失效机理还不清楚，失效准则还没有建立。
目前，美、日、英、德等国材料界和工程界学者都积极开展了对胶焊技术的研究。
胶焊接头中同时存在焊点和胶接层，对其力学行为的研究涉及到不同介质的界面力学、高分子合成物的破坏机理、高分子化学、固体力学等多个学科领域，胶焊接头的接合区很薄，很难进行试验应力分析。
目前主要采用试验研究的手段，研究胶焊接头的强度特性，对胶焊接头进行的数值计算工作，还很少见到有关报道，已进行的少量数值计算工作也是初步的，不够深入和系统。
数值计算方法具有准确、高效和节省试验材料等优越性，对胶焊接头进行数学模拟和计算工作对于胶焊接头的合理设计、胶粘剂材料的正确选择以及接头断裂机理和断裂准则的研究都具有重要意义。
本文拟对胶焊接头的局部结构进行分析，在此基础上，建立适合于胶焊接头的有限元分析模型；比较研究单纯点焊接头和采用高、低弹性模量胶粘剂的两种胶焊接头的应力场，研究胶焊单搭接头中的应力场特征。
1 胶焊接头的结构和硬度分布
拉达伊认为，点焊接头由母材、热影响区和熔核三部分组成。
各组成区域具有不同的力学性能。
热影响区范围内，焊点周围的自由裂缝面形成环形粘合面。
胶焊中由于采用了胶粘剂，因此接头中还存在胶层。
已有试验表明，熔核边缘附近约1mm的范围内，胶粘剂由于受点焊过程中的短时高温作用而发生炭化裂解，使这一区域的胶粘剂失效，不再具有承载能力。
该失效区域在搭接区域中相当于一个内部环状裂纹，在垂直平板的外载荷条件下，相当于Ⅰ型裂纹，在外载作用下能够产生应力集中使裂纹扩展，对接头承载性能不利，分析胶焊接头结构时，不应忽略这一胶层损坏区。
综合上述因素，胶焊接头的局部结构如图1a所示，其中de为电极压痕区域直径，dn为焊点熔核直径，dh为熔核周围热影响区的直径，da为环形粘合面直径，δ为胶层厚度。
不同材料的胶焊接头，接头区力学性能的变化趋势不同。
本文考察了采用08Al汽车钢板和SHA—2858Ⅱ环氧树脂基胶粘剂制备的胶焊接头的硬度变化规律。
图1b为所研究胶焊搭接接头中的硬度分布。
从中可看出接头区力学性能存在明显变化。
图1 胶焊接头组织结构和硬度分布
2 计算模型和材料性能
迄今为止，对胶焊接头进行弹塑性有限元分析的工作尚不多见，李春植等［6］对胶焊帽状结构的有限元分析中，有限元网格划分比较粗，忽略了胶焊接头结构组成的影响。
由于胶焊接头与电阻点焊接头结构的相似性，对胶焊接头的有限元计算，可参照已有的对电阻点焊接头的研究结果。
已有的针对电阻点焊接头进行的有限元分析工作相对较多，但所建立模型作了过多简化和假设，不能很好地模拟实际结构。
如在Radaj和Hahn所建立的点焊接头计算模型中，都没有考虑实际接头中存在焊核到母材的成分和力学性能不均匀性；Satoh等所建立的有限元模型虽然考虑了接头力学性能的不均匀性，却忽略了两板间的分离和电极压痕，使模型刚度比实际接头刚度增大，实际点焊单搭接头中的弯曲现象，说明计算中不考虑两板间的分离是不合理的。
本文拟对08Al汽车用钢的点焊接头及环氧树脂和丙烯酸酯两种胶粘剂的胶焊接头进行数值分析。
试件形状和几何尺寸如图2所示，两端承受拉伸剪切载荷。
图2 胶焊搭接试件的形状和尺寸（单位：
mm）
基于上述对胶焊接头的组成和硬度分析，建立图3a所示的计算模型。
模型包括母材、热影响区、熔核和胶层四个部分。
粘合区位于焊点熔核外的热影响区中。
热影响区细分为五个区域，各区材料的屈服强度由熔核中心向外逐渐减小。
焊点熔核外1mm范围内，由于胶层基本失效，故认为该处不存在胶层。
为了对比研究单纯点焊和胶焊接头的应力场，本文同时建立电阻点焊计算模型，与胶焊接头的计算模型相比，其区别仅在于没有胶接层部分。
图3 计算模型中的接头区结构和有限元网格
由于所分析试件的几何形状和外载荷关于x轴对称，只需对其一半进行分析。
有限元网格划分如图5所示。
采用三维八节点砖块单元，上下两板和胶粘剂各分为两层，搭接区边缘和焊点边缘附近区域网格细分，最小尺寸0.15mm。
计算中采用双线性应力应变曲线描述材料的弹—塑性性能，给出了材料的硬化模量Et。
母材化学成分、模型中各材料的力学性能分别示于表1和表2中。
计算模型中同时考虑了电极压痕、接头材料力学性能不均匀性和点焊接头中两板的分离；假定接头结合完好，结合面上不存在缺陷。
利用Algor弹塑性有限元分析程序，计算了外载4.8kN、名义应力为120MPa时接头中的应力分布。
计算假定接头处于小变形状态，没有考虑几何非线性效应。
所有计算工作在IBMPentium166个人计算机上完成。
图5 三种接头的应力场（单位：
MPa）
表1 08Al钢板的化学成分
质量分数w/%
C
Si
Mn
P
S
Al
Cu
0.060
0.010
0.230
0.0040
0.0160
0.040
0.050
表2 有限元分析中材料的力学性能
材料
弹性模量
E/GPa
泊松比
ν
屈服强度
σ0.2/MPa
应变硬化模量
Es/MPa
切变模量
G/GPa
母材
190
0.25
160
2000
76.00
焊点熔核
200
0.20
600
1800
83.34
热影响区1
200
0.30
500
1800
76.92
热影响区2
200
0.30
450
1800
76.92
热影响区3
200
0.30
300
1800
76.92
热影响区4
200
0.30
250
1800
76.92
热影响区5
200
0.30
200
1800
76.92
粘合区
200
0.30
100
1000
76.92
环氧树脂胶
2.87
0.42
90
500
1.06
丙烯酸酯胶
0.05
0.45
40
40
0.02
3 胶焊接头应力场
3.1 胶焊接头的拉伸剪切曲线
为明确应力分析的重点，同时了解胶焊接头的断裂特征，对08Al钢板和环氧树脂胶粘剂的胶焊单搭接头进行了拉伸剪切试验。
试件形状和尺寸与图2所示相同。
拉剪试验在CSS-1110型电子万能试验机上进行，加载速率3mm/min。
图4为拉剪试验所给出的载荷—位移曲线。
由图可知：
在加载过程的开始阶段，曲线呈较好的线性关系，载荷持续增加，直到胶层断裂，在胶层断裂点，载荷陡降，由于焊点尚能承载，载荷并不降低为零。
此后载荷继续随应变的增大而逐渐增大，达到一最大值后又逐渐降低。
试验观察发现，到最后阶段时，试件中焊点外缘处已破裂，在逐渐减小的外载荷作用下，逐渐被撕开，直到最终断裂。
胶焊接头的典型载荷—位移曲线呈双峰值形式，第一峰值对应于胶层的断裂，第二峰值对应于胶层断裂后单一焊点所承担的最大载荷。
外载作用下，胶焊接头中不对称的应力条件使接头发生转动，拉伸应力分量在接头搭接区边缘集中，导致胶层部分先于熔核部分断裂。
胶层断裂导致卸载现象和接头中应力的重新分布，载荷降到单一焊点所能承担的外载荷为止。
胶焊接头的拉伸剪切强度通常取载荷—位移曲线上两峰值载荷中的高载荷值，不管该峰值对应于胶层断裂还是熔核断裂。
胶焊接头拉伸曲线上两载荷峰值的相对大小决定于接头的几何尺寸和所用胶粘剂的类型［10］。
4 胶焊拉剪试件的载荷—位移曲线
由此可见，拉伸剪切载荷下，搭接部位受到拉力、剪切力及剥离力的作用，是胶焊接头中的薄弱环节。
胶焊接头中的应力分布与接头几何尺寸和胶粘剂类型有关。
3.2 点焊和两种胶焊接头搭接区的应力场
为考察所建立计算模型模拟实际胶焊接头的有效性，分析胶焊接头与点焊接头应力场的不同特征，探讨胶粘剂弹性模量对胶焊接头应力场的影响，利用所建立的计算模型，采用三维弹塑性有限元方法，数值分析了单纯电阻点焊接头和分别采用环氧树脂和丙烯酸酯胶粘剂的胶焊接头。
所得各接头搭接区域的应力等值线示于图5中。
从图5a高弹性模量环氧树脂胶粘剂胶焊接头的应力等值线可以看出：
搭接区内，应力主要集中在焊点左侧的胶层中，右侧的胶层中应力很小，焊点处应力值介于两者之间。
这是由于高弹性模量胶粘剂的胶焊接头中，胶层不易变形，限制了应力在搭接长度方向的分布，使应力在搭接区边缘集中，且板边缘应力沿板宽方向均匀分布。
搭接区左边缘处的应力等值线，是一族基本平行的直线，和单纯胶接件的应力场分布相似。
同时，高弹性模量的胶层对焊点形成了较强的隔离作用，焊点部分承载较小，此时焊点内部应力较小，应力分布基本均匀，焊点边缘不存在应力集中。
在加载的最初阶段，胶层断裂之前，主要由左侧胶层承担外载荷，焊点部分对接头的承载贡献较小。
搭接区中的焊点使等值线不再是一族平行线，它限制了应力在焊点右侧胶层中的分布，使该区域应力值较低。
由图5b可知，当采用低弹性模量的丙烯酸酯胶粘剂时，由于胶粘剂变形容易，应力能在搭接区大范围的胶层内分布，胶层对焊点的隔离作用小，使焊点区承担了大部分载荷。
与高弹性模量胶粘剂的胶焊接头的应力图相比，此时焊点左侧应力等值线不再是一族平行线，应力在板宽方向上的分布明显不均匀，应力流向搭接区中部的焊点处集中，板中部应力高于板边缘。
胶层中的高应力区明显增大，焊点周围区域及其左侧区域都存在较高的应力。
搭接区中的最高应力位于焊点边缘附近，焊点边缘到内部应力值逐渐减小。
搭接区胶层内，应力从左向右逐渐减小，这一趋势和高弹性模量胶粘剂胶焊接头相同，但在对应位置上，低弹性模量胶粘剂的应力比高弹性模量胶粘剂胶焊接头的应力高。
焊点阻止了应力在整个搭接平面上的均匀化，限制了焊点右侧胶层的承载，使应力主要分布在搭接区左半部分，由于焊点右侧板端部自由，没有外加约束，所以该区应力值比较低。
图5c为单纯电阻点焊搭接接头的应力分布，很明显，由于此时仅由焊点承担外载，应力主要分布在焊点附近区域。
焊点边缘应力最高，存在应力集中现象。
焊点边缘到焊点内部应力逐渐减小。
在搭接区左边缘的板宽方向上，应力分布存在很大的不均匀性，中间部分的应力比两侧应力高得多，截然不同于高模量胶粘剂胶焊接头中，边缘应力沿板宽方向的均匀分布。
点焊接头中应力沿板宽方向分布的不均匀性明显高于低弹性模量胶粘剂的胶焊接头。
可见胶粘剂的采用，对于接头中应力分布的均匀化十分有利，而且胶粘剂的弹性模量越大，胶焊接头中的应力分布越均匀。
从单纯电阻点焊接头的应力等值线中还能看到：
所绘最高应力408.95MPa的等值线所包括的小区域，位于焊点侧面边缘处。
该区域是电阻点焊搭接区中的最高应力所在部位。
已有的试验发现［3］：
焊点直径较小的电阻点焊接头，承受高周疲劳强度范围的拉伸剪切载荷时，接头常发生接合面开裂，剪切裂纹在焊点侧面边缘上萌生且在整个接合面上扩展。
可见，所得应力分布图对这一试验现象给出了合理解释，是焊点侧面处最高有效应力导致接合面上裂纹萌生并扩展。
可见，点焊接头焊点边缘处存在应力集中，是点焊接头疲劳强度低的主要原因，高弹性模量胶粘剂胶焊接头的应力分布均匀，低弹性模量胶粘剂胶焊接头的应力分布的均匀程度介于两者之间。
胶粘剂的应用，有效降低了点焊接头的应力集中现象，能够大大提高接头的疲劳强度。
4 结论
（1）建立了包括母材、热影响区、熔核和胶粘剂层四个部分的胶焊接头计算模型，模型中同时考虑了电极压痕、接头区力学性能的不均匀性、环形粘合面和点焊过程中短时高温对胶层的破坏。
用该模型进行有限元分析，所得计算结果与试验结果具有相同的规律，该模型能够准确模拟胶焊接头。
（2）胶焊接头拉伸剪切试验的载荷—位移曲线呈双峰形态，两载荷峰值分别对应于胶层失效载荷和胶层失效后焊点所能承担的最大载荷。
两载荷峰与接头几何尺寸和胶粘剂类型有关。
（3）点焊搭接接头中，焊点边缘应力集中严重，采用胶粘剂的胶焊接头，有效降低了接头的应力集中。
胶粘剂弹性模量对胶焊接头的应力分布有很大影响。
（4）胶粘剂弹性模量高时，应力主要在胶层中分布，胶层内应力沿板宽分布均匀，焊点内应力基本不变且应力值不大；胶粘剂弹性模量低时，允许应力在搭接区的更大范围内分布，焊点承担了搭接区中最高的应力，但远低于单纯电阻点焊接头。
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