焊点间距对胶焊接头应力应变分布和强度的影响

胶焊是将电阻点焊（或凸焊）技术与胶接相结合的复合连接技术［1］ ，在航空、航天和汽车工业中得到了广泛应用。如一种运输机的机身、口盖、油箱及一种低空支援战斗机的许多部分都采用了胶焊工艺 ［2］ ；我国在这方面的研究和开发工作也已取得进展 ［3］ 。

　　 对胶焊结构力学行为的研究，已得到了国内外学者的广泛关注。已有不少关于单焊点胶焊搭接接头的试验及数值分析工作 ［4,5］，而对多焊点结构中焊点间距对结构力学行为影响，尚很少有研究的报道。焊点间距是胶焊结构设计和制造中一个重要的几何参数，合理的焊点间距的选取，可使焊接结构同时满足对生产经济性和使用可靠性的要求。为此，本文拟采用有限元数值分析方法和试验研究方法，对单列多焊点胶焊接头进行研究，考察采用两种不同弹性模量的胶粘剂时，焊点间距对接头中应力应变场和断裂强度的影响规律。

1　接头的形状尺寸与有限元网格划分

1.1　接头的形状尺寸

　　单列多焊点胶焊搭接接头的外形尺寸如图1所示。试件两端承受均匀拉伸剪切载荷。母材为08Al汽车用深冲钢板，宽40mm，厚1mm。为同时考察胶粘剂弹性模量对接头中应力应变分布的影响，采用了高弹性模量的环氧树脂基胶粘剂和低弹性模量的丙烯酸酯胶粘剂，胶层厚度为0.4mm。接头搭接区长度为 40mm，直径5mm的焊点沿Y向等距离排列。本研究选取焊点间距a为10mm, 20mm, 30mm, 40mm和50mm五种，研究两种胶焊接头中的应力应变分布。

图1　单列多焊点胶焊试件的形状和尺寸(mm)
Fig.1　Shape and size of weldbonded
specimen with single row multi-spot

1.2　接头的有限元网格划分

　　对图1所示的多焊点胶焊接头，当试件Y向很长时，在均匀的拉伸剪切作用下，接头中各焊点受力情况相同，同时由于某一焊点关于X方向的直线对称，所以只需考虑其中的一半即可。图2给出了焊点间距a=40mm时试件的有限元网格划分情况，此时网格Y向总宽度为20mm。采用三维八节点块单元，上、下板及胶层均分作两层，焊点和搭接区边缘处网格细分，网格中最小尺寸为0.15mm。分析中对胶焊接头试件作了适当简化，认为结构连接完好，胶层与母材结合界面上不存在缺陷，也没有计入电极压痕的影响。计算模型中考虑了焊点区的力学性能不均匀性，认为熔核与母材具有不同的力学性能，由于热影响区范围较小，计算中假定其具有与熔核相同的力学性能。计算模型中各材料的力学性能参数列于表1。采用双线性应力应变曲线描述材料的弹塑性性能。采用ALGOR非线性有限元结构分析程序，计算了在135MPa名义应力作用下各接头中的应力应变场。

图2　试件的有限元网格划分（a）整体有限元网格；（b）搭接区有限元网格
Fig.2 Finite element meshes of global specimen(a) and finite element meshes of lap zone(b)

表1　有限元分析中所用材料的力学性能
Table1　Mechanical properties of materials used for finite element

材料	弹性模量 E /MPa	泊松比 V	屈服强度 σ y /MPa	硬化模量 E t /MPa	剪切模量 G /GPa
母材	190000	0.25	160	2000	76
熔核	200000	0.20	600	1800	83.34
环氧树脂胶	2875	0.42	90	500	1.06
丙烯酸酯胶	50	0.45	40	40	1.72 E-2

2　胶焊接头的应力应变分布

2.1　环氧树脂基胶粘剂的胶焊接头

　　 计算结果表明，五种焊点间距下胶焊接头中的应力应变相近，为清楚起见，仅给出a=10mm，30mm和50mm三种情况的应力应变分布。图3为采用高弹性模量的环氧树脂胶粘剂时，三种接头中钢板与胶层结合面附近，胶层中应力应变在X方向上的分布。

图3　不同焊点间距的环氧树脂基胶粘剂胶焊接头搭接区中的应力应变分布
（a） 正应力；（b）剪应力；（c）正应变；（d）剪应变
Fig.3　Stress-strain distribution in the region of weldbonded
joint with different spot pitch and epoxy resin adhesive
(a)normal stresses; (b)shear stresses;(c)normal strains; (d)shear strains

　由图3a中搭接区正应力σ x 在X方向的分布可知，三种焊点间距的接头中，正应力的分布趋势基本相同。焊点区应力远高于胶层中的正应力，焊点边缘没有正应力集中焊点中心正应力最高；胶层中应力基本均匀分布，在搭接区左右两边缘处略有上升。随着焊点间距的增加，焊点内部的正应力略有减小，胶层中的正应力值基本不变化。

　　 图3b剪应力τ zx 在X方向的分布表明，各接头中焊点边缘存在剪应力集中，右边缘为拉伸剪应力峰，左边缘为压缩剪应力峰；搭接区胶层的剪应力呈边缘大、中部小的分布趋势，搭接区左右两边缘附近区域，剪应力值最大。焊点边缘上的拉伸和压缩剪应力峰值都随焊点间距的增大而有所减小；搭接区边缘附近的最高剪应力随焊点间距的增大基本不变。

　　 正应变ε x 的分布如图3c所示。从中可以看到，整个搭接区中正应变都很小。胶层中正应变大于焊点区，搭接区右侧胶层的正应变高于左侧。在靠近焊点边缘和搭接区边缘的胶层处，正应变值都比较高，搭接区右边缘附近的正应变值最高。搭接区边缘处的最大正应变随焊点间距的增加而略有增大。

　　 图3d为剪应变ε zx 的分布。可见剪应变值明显高于正应变值。搭接区中剪应变呈中部小、边缘大的分布趋势，表明剪应变主要分布在胶层区域，焊点区剪应变很小，焊点边缘没有剪应变集中，焊点内部剪应变均匀分布。焊点间距a从10mm增加到50mm，搭接区剪应变分布趋势不发生改变，搭接区边缘胶层的剪应变值略有增大。

　　 这一分析表明，采用高弹性模量胶粘剂时，在10～50mm内增大焊点间距，焊点区应力有所减小而搭接区边缘胶层中的应力应变仅略有升高，并不会明显减小接头的承载能力。此时采用较大的焊点间距减少焊点数量，对于节电和提高生产率具有积极的意义。

2.2　丙烯酸酯胶粘剂胶焊接头

　　 图4为采用低弹性模量胶粘剂，焊点间距为10mm, 30mm和50mm的三种接头中钢板与胶层结合面附近，胶层中应力应变在X方向上的分布。

图4　不同焊点间距的丙烯酸酯胶粘剂胶焊接头搭接区中的应力应变分布
(a)正应力；(b)剪应力；(c)正应变；（d）剪应变
Fig.4　Stress-strain distribution in the lap region
of weldbonded joint with different spot pitch and acrylic resin adhesive
(a)normal stresses; (b)shear stresses; (c)normal strains; (d)shear strains

　　 由图4a的正应力σ x 的分布可以看出，与高弹性模量胶粘剂胶焊接头类似，焊点处存在高正应力，胶层中正应力很小；不同的是，此时焊点边缘处存在正应力集中，右边缘为拉伸正应力峰，左边缘为压缩正应力峰。焊点边缘应力峰值随焊点间距的增大而增大，胶层中正应力基本不随焊点间距的改变而改变。

　　 搭接区中剪应力τ zx 的分布如图4b所示。剪应力也主要分布于焊点区域，胶层中剪应力接近于零。焊点两边缘处剪应力集中，两剪应力峰值接近。焊点内部和焊点边缘的剪应力都随焊点间距的增加而增大，胶层中的剪应力基本不随焊点间距的改变而改变。

　　 正应变ε x 的分布如图4c所示。焊点边缘处存在正应变集中，右边缘为拉伸正应变，左边缘为压缩正应变。焊点边缘处拉伸和压缩正应变峰值都随焊点间距的增加而增大。搭接区右边缘胶层中的正应变比搭接区中部胶层中的略高，应变值随焊点间距的增大基本不变。

　　 图4d中剪应变ε zx 在X方向上的分布表明，搭接区剪应变主要分布在胶层中，焊点处剪应变值远小于胶层中剪应变，剪应变在焊点内部基本均匀分布。胶层内的剪应变从焊点边缘到搭接区边缘逐渐增大，在搭接区边缘处达到最大。整个搭接区胶层中的剪应变都随焊点间距的增大而增大。

　　从上述分析可见，采用低弹性模量的丙烯酸酯胶粘剂时，正应力、剪应力都在焊点处集中，应力集中程度随焊点间距的增加而增大；搭接区边缘胶层中的剪应变值也随焊点间距的增加而增大。丙烯酸酯胶粘剂胶焊接头中主要有焊点承担载荷，焊点间距增大，对应相同板宽下焊点数的减小，必然会增加焊点处的应力值；同时胶焊接头的刚度也随焊点的减少而减小，接头抗变形能力减小，剪应变增大。对于接头的强度有不利影响。

3　单列多焊点胶焊接头的试验研究

　　为考察焊点间距对单列多焊点胶焊接头力学性的影响，同时考察数值分析的有效性，采用CSS-1110型电子万能试验机进行了静拉伸剪切试验，试验在室温下进行，加载速率为5mm/min。焊点间距a分别为20mm, 30mm和40mm。各试件均含3个焊点，对应试件Y向长度分别为60mm, 90mm和120mm。

　　 试验获得的各接头对应胶层断裂的第一载荷峰值示于图5a。显然，由于焊点间距大的接头宽度大，所以断裂载荷高。为忽略板宽因素的影响，图5b给出了接头断裂时的名义应力σ n 与焊点间距的关系，其中名义应力σ n 定义为：

　(1)

式中P f 为断裂载荷，I为板宽，t为板厚。从图5b中可以看到，接头断裂时的名义应力随焊点间距的增加而略有减小。Hills ［6］也研究了多种焊点间距和不同焊点数时胶焊件的断裂行为，对相同宽度不同焊点数的试件进行试验。结果表明，采用高弹性模量胶粘剂时，接头胶层部分的断裂载荷随焊点数的增加而增大，即胶层发生断裂时的名义应力随焊点间距减小而增大，在采用低弹性模量胶粘剂时，这一效应更为明显。这一结论与我们所得的试验结果一致，同时与我们从数值计算结果所得的预测也一致，说明了计算结果的正确性。可见，有限元数值分析方法对于研究几何参数对接头力学行为的影响是一种有效的方法。

图5　不同焊点间距下的胶层时的断裂载荷和名义应力
（a）断裂载荷与焊点间距的关系；
（b）断裂名义应力与焊点间距的关系
Fig.5　Fracture load and nominal stresses of adhesive layer
for different spot pitch　(a) fracture load vs spot pitch;
(b)nominal fracture vs spot pitch

4　结论

　　（1） 采用高弹性模量胶粘剂时，在10～50mm内增大焊点间距，焊点区应力有所减小而搭接区边缘胶层中的应力应变略有升高，增大焊点间距，将减小接头的承载能力，但幅度不大。

　　 （2）采用低弹性模量的丙烯酸酯胶粘剂时，焊点处存在应力集中，应力集中程度随焊点间距的增加而增大；搭接区边缘胶层中的剪应变值也随焊点间距的增加而增大。焊点间距增加使承载焊点数减少、接头刚度减小，对接头强度有不利影响，这一效应比采用高弹性模量胶粘剂时更为显著。

　　 （3） 采用环氧树脂基胶粘剂的单列多焊点接头中，胶层最先断裂。焊点间距大的胶焊试件，由于试件宽度大，其断裂载荷高，但接头断裂时的名义应力随焊点间距的增加而略有减小。

　　 （4） 试验所得焊点间距对接头强度的影响规律与数值分析基础上所预测的规律一致，证明了采用数值计算方法进行接头力学行为预测的有效性。