胶焊接头中焊点大小对应力分布的影响

HEATS

胶焊技术是电阻点焊和胶粘剂连接技术相结合的一种新颖、高效的复合连接方法^［1］。胶焊结构由焊点和胶粘剂层共同承担外加载荷，其力学性能比单纯的电阻点焊结构或胶接结构优越得多。已有试验结果表明，胶焊结构不但强度(疲劳载荷和静载荷下)高，抗老化持久性能好，重量轻，而且具有优良的声学阻尼特性^［2～4］，已在航空、航天和汽车制造领域获得了比较广泛的应用。前苏联在运输机、直升机的制造中采用了胶焊工艺；美国的一种生产型直升机上采用了5%的胶焊框架结构，一种运输机的机身、口盖、油箱及一种新型低空支援战斗机的许多部分都采用了胶焊工艺；日本已生产出了全胶焊连接的小轿车。
　　胶焊结构的质量受到包括材料、工艺等诸多因素的影响，由于胶焊工艺出现较晚，迄今为止，关于各参数对胶焊接头性能的影响，所进行的研究还是初步的。胶焊接头的断裂机理、断裂准则还远远没有建立起来，因而大大限制了胶焊工艺在重大承载部件中的应用。已有的一些研究，用试验方法考察了胶焊接头的断裂类型及其与各参数的关系，但胶焊接头的数值分析工作还很少报道。为了准确、高效地分析材料性能、几何参数等因素对胶焊接头力学性能的影响，用数值分析方法分析这些因素对接头中应力分布的影响规律，对于合理选材和优化接头设计，以及接头断裂机理分析和接头断裂准则的建立，都有十分重要的意义。
　　胶焊结构中焊点的尺寸会被表面处理工艺、焊接电流和电压、电极压力等工艺参数所影响。胶焊过程中的网络电压波动、表面处理介质浓度的改变等都会使焊点大小发生变化。作为胶焊接头中的重要承载部分，焊点的大小对接头承载能力有重要影响。本文叙述的就是用弹塑性有限元分析方法，数值分析具有不同焊点大小的胶焊接头中的应力分布。

1　计算模型和材料性能

　　胶焊接头一般采用搭接形式，胶焊接头力学性能的评定通常也采用单搭试件。本文选取图1所示的胶焊单搭试件进行分析。试件两端承受均匀的拉伸剪切载荷。由于该试件为x轴对称，所以只对其上半部分进行分析。

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图1　胶焊搭接试件的形状和尺寸

Fig.1　Shape and dimension of weldbonded specimen

! H2 |2 p: ?! f3 z( |9 N7 L

　　试件的有限元网格划分情况如图2所示。采用三维八节点砖块单元，上、下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0.15 mm。

! ]* d4 P8 J, _/ r$ W0 Y" ~: V! Z

(a)试件的整体有限元网格

) R: Z8 y7 z Y* r: q4 t6 ~

9 e: R7 Y9 g/ M n

(b)焊点部分的有限元网格

图2　试件的有限元网格划分

Fig.2　Finite element mesh division of the specimen

& N, a( z! W/ p

. o" O' D; u$ R3 \! h8 [; G8 V2 X" A# F: X3 A0 o4 ]8 Z) Y/ c6 c

分析中不考虑电极压痕的影响；假定结构连接完好，结合面上不存在缺陷；由于热影响区范围小，且性能和焊核区接近，故假设接头中焊核、热影响区具有相同的力学性能。计算中所用材料的力学性能列于表1。母材为08A1钢板，考察了两种不同弹性模量的胶粘剂，即高弹性模量的酚醛树脂胶粘剂和低弹性模量的丙烯酸酯胶粘剂的胶焊接头。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。利用Algor弹塑性有限元分析程序，计算了外载P=5.4 kN下接头中的应力分布。假定接头处于小变形状态，分析中考虑了材料非线性，不考虑几何非线性。在IBM Pentium 166计算机上完成计算。 * n) T: J2 C! h 表1　有限元分析中所用材料的力学性能 : X3 z" l* G- N" c: u, v; M( u8 e! z! s+ I& M( q5 w; r7 b! Q9 u( ?+ d1 o8 N6 L2 B6 L3 g' L: Z5 i7 _! l1 f0 o2 h8 J) |( \1 h+ a4 m0 ]( L6 W7 v6 p- w8 D& ^; ?9 O, }( q- ^. |. ~& `' q2 t) U8 j2 U1 x/ L u5 X" k! S; C6 f x8 q/ z$ `' m8 P4 n7 R9 ]( N/ s% e( d: @* O# r( C5 G: K; X! t, A1 ~7 r0 J2 c- ~$ }* l4 f8 {! [: P \5 X: y# S+ E' H. O' ]. n7 l& T7 A) T+ L7 p) M& [# U- J0 u$ o4 k* b! e8 E4 J0 W6 ~/ k0 c* ]* R8 J9 I5 x: I: ^$ Q/ ~8 J2 ]. @& a2 O9 s8 p! Z) |) U _5 R: P* Y; n# o) k 材　　料 弹性模量 E/MPa 泊松比 υ 屈服强度 σY/MPa 硬化模量 Et/MPa 剪切模量 G/GPa 母　　材 190 000 　 0.25 160 2 000 　76.00 焊　　点 200 000 0.20 450 1 800 83.34 酚醛树脂胶 2 875 0.42 90 500 1.06 丙烯酸酯胶 50 0.45 40 600 1.72E-2 ! x+ } e3 w o2 s+ `5 c! G 2　计算结果和讨论 - U, B" S2 W' P2 S 　　Von_Mises屈服准则认为，当空间某点的有效应力达到材料的屈服强度时，该点便开始进入塑性状态。有效应力σeff定义为 σeff2=［（σx－σy）2＋（σy－σz）2＋（σz－σx）2＋6（τxy2＋τyz2＋τzx2）］/2 1 O: E0 g% o) T: m6 D 式中：σx，σy，σz分别为某点在x，y和z方向上的正应力；τxy，τyz，τzx为某点的3个独立的剪应力分量。有效应力是研究金属材料塑性变形和断裂机理的主要力学参量之一，常用有效应力来描述结构的应力状态，并作为结构的失效判定参量。本文主要给出了焊点直径对有效应力σeff分布的影响规律。 ( E8 [' y# Z2 d6 s- i" r 2.1　酚醛树脂胶粘剂胶焊接头的应力分布 3 X0 ?; ] z& P+ \4 W1 n! o) N) A5 Q 　　图3，4给出了酚醛树脂胶粘剂胶焊单搭接头中的应力，焊点直径D=5,6,7,8,9和10 mm。图3为上方板(图1中)与胶粘剂结合界面x方向的中心线上(用横坐标表示)，应力在搭接长度方向上的分布；图4为上述界面上焊点右边缘和搭接区右边缘上应力随焊点直径变化的曲线。

- f; w4 b: }& V+ N6 Z6 S4 q# i" U n

3 U0 m. ?6 t N5 t# N/ c5 ]

图3　酚醛树脂胶焊接头搭接区内应力
沿板长度方向的分布

1 u. g" R) y) e) [) r' F

Fig.3　Stress distribution of phenolic resin weldbonded
joints along the plate length direction in overlap region

图4　酚醛树脂胶焊接头焊点和
搭接区边缘应力与焊点直径的关系

Fig.4　Dependence of the stresses at edges of the
weld spot and the overlap region of phenolic resin
weldbonded joints on the weld spot diameter

$ h% n! O2 d' W) y/ X3 L

　　由图3可知，所考察的6个焊点直径的胶焊接头搭接区中应力分布趋势基本相同。在各接头中焊点的右边缘(x=2.5～5 mm)和搭接区左右两边缘存在峰应力，搭接区右边缘应力高于其左边缘的应力；焊点内部应力高于胶层内部的应力，焊点内部应力分布均匀。6种焊点直径不同的胶焊接头，搭接区边缘峰应力都高于焊点边缘峰应力，可知搭接区边缘附近区域为高应力区域。随着焊点直径的增加，胶层和焊点内部的应力基本没有变化。焊点边缘的应力随焊点直径的增大而增大，搭接区边缘的峰应力基本不随焊点直径的改变而改变。从图4可以更清楚地看出这一点，当焊点直径D从5 mm增大到10 mm时，搭接区边缘的应力基本不变，焊点右边缘的应力逐渐增大，变化范围约为25 MPa。
　　已有的有限元分析结果表明，酚醛树脂胶粘剂胶焊接头的搭接区边缘上有效应力在整个板宽内均匀分布。从以上计算结果可知，随着焊点直径增加，搭接区边缘上的有效应力基本不变。对所研究的6种焊点直径的胶焊接头，搭接区边缘处的应力都高于板中部焊点边缘处的应力。试验证实，对采用酚醛树脂结构胶粘剂的胶焊单搭接头，接头断裂多以板撕裂(adherend_tearing)形式^［5］出现，即断裂从搭接区边缘处的板内缘开始发生，继续加载时，裂纹垂直于外载方向在板内扩展。这是胶焊接头断裂的基本形式之一。本计算所得结果可合理解释上述现象。随着焊点直径的增加，尽管焊点边缘应力有所增加，但搭接区边缘应力基本不变，且搭接区边缘应力仍然高于焊点边缘应力，所以，增大焊点的直径，对胶焊接头疲劳强度及断裂形式不会产生明显影响。

/ g3 Y1 z- j4 C9 z8 e H' N) k

2.2　丙烯酸酯胶粘剂胶焊接头的应力分布

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　　图5，6给出了丙烯酸酯胶粘剂胶焊单搭接头中的应力，焊点直径D=5,6,7,8,9和10 mm。图5为上方板(图1中)与胶粘剂结合界面x方向的中心线上(用横坐标表示)，应力在搭接长度方向上的分布；图6为界面上焊点右边缘和搭接区右边缘上应力随焊点直径变化的曲线。

图5　丙烯酸酯胶焊接头搭接区内
应力沿板长度方向的分布

Fig.5　Stress distribution of acrylic adhesive weldbonded
joints along the plate length direction in overlap region

图6　丙烯酸酯胶焊接头焊点和搭接区边缘
应力与焊点直径的关系

Fig.6　Dependence of the stresses at edges of the
weld spot and the overlap region of acrylic adhesive
weldbonded joints on the weld spot diameter

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　　由图5可见，6种焊点直径的胶焊搭接接头搭接区中的应力分布趋势基本相同。焊点内部的应力明显高于胶层内部应力。焊点边缘附近区域存在明显的高应力值，胶层内部的应力基本均匀，在搭接区右边缘附近的胶层内，应力呈上升趋势。搭接区右边缘处的应力为胶层中的最高应力，但远远低于焊点边缘处的应力。故这时焊点边缘附近区域为搭接区内的最高应力区。随着焊点直径的增大，焊点右边缘处的应力减小，搭接区右边缘处的应力值基本不变。从图6可以清楚地看出，当焊点直径D从5 mm增大到10 mm时，搭接区边缘的应力基本不变，焊点右边缘的应力减小约25 MPa。这在一定程度上缓解了焊点边缘的应力集中。
　　有限元分析表明，与酚醛树脂胶粘剂的胶焊接头不同，在丙烯酸酯胶粘剂胶焊接头中，搭接区边缘的有效应力呈中间高、边缘低的分布趋势。此时板边缘处的应力值低于板中部，可见，丙烯酸酯胶粘剂胶焊接头主要由焊点承担载荷。在外载荷作用下，接头先从焊点边缘处起裂，为焊点撕裂型(nugget through)断裂方式^［5］。在相同的外载荷条件下，焊点边缘处的应力随焊点尺寸的增加而减小，搭接区边缘的应力基本不变。可见，随着焊点直径的增大，搭接区中应力分布的不均匀程度有所减小，因此，增加焊点直径可以提高接头的承载能力。所研究的6种焊点直径的丙烯酸酯胶粘剂接头，焊点边缘应力总大于搭接区边缘应力，故焊点直径的改变不会改变接头的断裂方式。

3　结论

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　　用三维弹塑性有限元方法，研究了酚醛树脂和丙烯酸酯胶粘剂胶焊单搭接头中焊点直径对接头中应力分布的影响，得到如下的初步结论：
　　(1)酚醛树脂胶粘剂胶焊接头搭接区边缘应力值高于焊点边缘应力值。在拉剪载荷作用下，接头从搭接区边缘起裂。
　　(2)焊点直径增大时，酚醛树脂胶粘剂胶焊接头中焊点边缘处的峰应力增大，而搭接区边缘的峰应力基本不变。增加焊点直径对接头的强度和断裂形式没有影响。
　　(3)丙烯酸酯胶粘剂胶焊接头搭接区内应力主要分布在焊点区域。焊点边缘应力远高于搭接区边缘应力。在拉剪载荷作用下，接头从焊点边缘起裂。
　　(4)焊点直径增大时，丙烯酸酯胶粘剂胶焊单搭接头中焊点边缘峰应力减小，搭接区边缘应力基本不变。搭接区中应力分布的不均匀性减小，对提高接头强度有利，但接头的断裂形式不会发生改变。