膠焊是將電阻點(diǎn)焊（或凸焊）技術(shù)與膠接相結(jié)合的復(fù)合連接技術(shù)［1］ ，在航空、航天和汽車工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。如一種運(yùn)輸機(jī)的機(jī)身、口蓋、油箱及一種低空支援戰(zhàn)斗機(jī)的許多部分都采用了膠焊工藝 ［2］ ；我國(guó)在這方面的研究和開發(fā)工作也已取得進(jìn)展 ［3］ 。

　　 對(duì)膠焊結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的研究，已得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。已有不少關(guān)于單焊點(diǎn)膠焊搭接接頭的試驗(yàn)及數(shù)值分析工作 ［4,5］，而對(duì)多焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)中焊點(diǎn)間距對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為影響，尚很少有研究的報(bào)道。焊點(diǎn)間距是膠焊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造中一個(gè)重要的幾何參數(shù)，合理的焊點(diǎn)間距的選取，可使焊接結(jié)構(gòu)同時(shí)滿足對(duì)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性和使用可靠性的要求。為此，本文擬采用有限元數(shù)值分析方法和試驗(yàn)研究方法，對(duì)單列多焊點(diǎn)膠焊接頭進(jìn)行研究，考察采用兩種不同彈性模量的膠粘劑時(shí)，焊點(diǎn)間距對(duì)接頭中應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和斷裂強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1　接頭的形狀尺寸與有限元網(wǎng)格劃分

1.1　接頭的形狀尺寸

　　單列多焊點(diǎn)膠焊搭接接頭的外形尺寸如圖1所示。試件兩端承受均勻拉伸剪切載荷。母材為08Al汽車用深沖鋼板，寬40mm，厚1mm。為同時(shí)考察膠粘劑彈性模量對(duì)接頭中應(yīng)力應(yīng)變分布的影響，采用了高彈性模量的環(huán)氧樹脂基膠粘劑和低彈性模量的丙烯酸酯膠粘劑，膠層厚度為0.4mm。接頭搭接區(qū)長(zhǎng)度為 40mm，直徑5mm的焊點(diǎn)沿Y向等距離排列。本研究選取焊點(diǎn)間距a為10mm, 20mm, 30mm, 40mm和50mm五種，研究?jī)煞N膠焊接頭中的應(yīng)力應(yīng)變分布。

圖1　單列多焊點(diǎn)膠焊試件的形狀和尺寸(mm)
Fig.1　Shape and size of weldbonded
specimen with single row multi-spot

1.2　接頭的有限元網(wǎng)格劃分

　　對(duì)圖1所示的多焊點(diǎn)膠焊接頭，當(dāng)試件Y向很長(zhǎng)時(shí)，在均勻的拉伸剪切作用下，接頭中各焊點(diǎn)受力情況相同，同時(shí)由于某一焊點(diǎn)關(guān)于X方向的直線對(duì)稱，所以只需考慮其中的一半即可。圖2給出了焊點(diǎn)間距a=40mm時(shí)試件的有限元網(wǎng)格劃分情況，此時(shí)網(wǎng)格Y向總寬度為20mm。采用三維八節(jié)點(diǎn)塊單元，上、下板及膠層均分作兩層，焊點(diǎn)和搭接區(qū)邊緣處網(wǎng)格細(xì)分，網(wǎng)格中最小尺寸為0.15mm。分析中對(duì)膠焊接頭試件作了適當(dāng)簡(jiǎn)化，認(rèn)為結(jié)構(gòu)連接完好，膠層與母材結(jié)合界面上不存在缺陷，也沒有計(jì)入電極壓痕的影響。計(jì)算模型中考慮了焊點(diǎn)區(qū)的力學(xué)性能不均勻性，認(rèn)為熔核與母材具有不同的力學(xué)性能，由于熱影響區(qū)范圍較小，計(jì)算中假定其具有與熔核相同的力學(xué)性能。計(jì)算模型中各材料的力學(xué)性能參數(shù)列于表1。采用雙線性應(yīng)力應(yīng)變曲線描述材料的彈塑性性能。采用ALGOR非線性有限元結(jié)構(gòu)分析程序，計(jì)算了在135MPa名義應(yīng)力作用下各接頭中的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)。

圖2　試件的有限元網(wǎng)格劃分（a）整體有限元網(wǎng)格；（b）搭接區(qū)有限元網(wǎng)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學(xué)性能
Table1　Mechanical properties of materials used for finite element

材料	彈性模量 E /MPa	泊松比 V	屈服強(qiáng)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
環(huán)氧樹脂膠	2875	0.42	90	500	1.06
丙烯酸酯膠	50	0.45	40	40	1.72 E-2

2　膠焊接頭的應(yīng)力應(yīng)變分布

2.1　環(huán)氧樹脂基膠粘劑的膠焊接頭

　　 計(jì)算結(jié)果表明，五種焊點(diǎn)間距下膠焊接頭中的應(yīng)力應(yīng)變相近，為清楚起見，僅給出a=10mm，30mm和50mm三種情況的應(yīng)力應(yīng)變分布。圖3為采用高彈性模量的環(huán)氧樹脂膠粘劑時(shí)，三種接頭中鋼板與膠層結(jié)合面附近，膠層中應(yīng)力應(yīng)變?cè)赬方向上的分布。

圖3　不同焊點(diǎn)間距的環(huán)氧樹脂基膠粘劑膠焊接頭搭接區(qū)中的應(yīng)力應(yīng)變分布
（a） 正應(yīng)力；（b）剪應(yīng)力；（c）正應(yīng)變；（d）剪應(yīng)變
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

　由圖3a中搭接區(qū)正應(yīng)力σ x 在X方向的分布可知，三種焊點(diǎn)間距的接頭中，正應(yīng)力的分布趨勢(shì)基本相同。焊點(diǎn)區(qū)應(yīng)力遠(yuǎn)高于膠層中的正應(yīng)力，焊點(diǎn)邊緣沒有正應(yīng)力集中焊點(diǎn)中心正應(yīng)力最高；膠層中應(yīng)力基本均勻分布，在搭接區(qū)左右兩邊緣處略有上升。隨著焊點(diǎn)間距的增加，焊點(diǎn)內(nèi)部的正應(yīng)力略有減小，膠層中的正應(yīng)力值基本不變化。

　　 圖3b剪應(yīng)力τ zx 在X方向的分布表明，各接頭中焊點(diǎn)邊緣存在剪應(yīng)力集中，右邊緣為拉伸剪應(yīng)力峰，左邊緣為壓縮剪應(yīng)力峰；搭接區(qū)膠層的剪應(yīng)力呈邊緣大、中部小的分布趨勢(shì)，搭接區(qū)左右兩邊緣附近區(qū)域，剪應(yīng)力值最大。焊點(diǎn)邊緣上的拉伸和壓縮剪應(yīng)力峰值都隨焊點(diǎn)間距的增大而有所減小；搭接區(qū)邊緣附近的最高剪應(yīng)力隨焊點(diǎn)間距的增大基本不變。

　　 正應(yīng)變?chǔ)?x 的分布如圖3c所示。從中可以看到，整個(gè)搭接區(qū)中正應(yīng)變都很小。膠層中正應(yīng)變大于焊點(diǎn)區(qū)，搭接區(qū)右側(cè)膠層的正應(yīng)變高于左側(cè)。在靠近焊點(diǎn)邊緣和搭接區(qū)邊緣的膠層處，正應(yīng)變值都比較高，搭接區(qū)右邊緣附近的正應(yīng)變值最高。搭接區(qū)邊緣處的最大正應(yīng)變隨焊點(diǎn)間距的增加而略有增大。

　　 圖3d為剪應(yīng)變?chǔ)?zx 的分布。可見剪應(yīng)變值明顯高于正應(yīng)變值。搭接區(qū)中剪應(yīng)變呈中部小、邊緣大的分布趨勢(shì)，表明剪應(yīng)變主要分布在膠層區(qū)域，焊點(diǎn)區(qū)剪應(yīng)變很小，焊點(diǎn)邊緣沒有剪應(yīng)變集中，焊點(diǎn)內(nèi)部剪應(yīng)變均勻分布。焊點(diǎn)間距a從10mm增加到50mm，搭接區(qū)剪應(yīng)變分布趨勢(shì)不發(fā)生改變，搭接區(qū)邊緣膠層的剪應(yīng)變值略有增大。

　　 這一分析表明，采用高彈性模量膠粘劑時(shí)，在10～50mm內(nèi)增大焊點(diǎn)間距，焊點(diǎn)區(qū)應(yīng)力有所減小而搭接區(qū)邊緣膠層中的應(yīng)力應(yīng)變僅略有升高，并不會(huì)明顯減小接頭的承載能力。此時(shí)采用較大的焊點(diǎn)間距減少焊點(diǎn)數(shù)量，對(duì)于節(jié)電和提高生產(chǎn)率具有積極的意義。

2.2　丙烯酸酯膠粘劑膠焊接頭

　　 圖4為采用低彈性模量膠粘劑，焊點(diǎn)間距為10mm, 30mm和50mm的三種接頭中鋼板與膠層結(jié)合面附近，膠層中應(yīng)力應(yīng)變?cè)赬方向上的分布。

圖4　不同焊點(diǎn)間距的丙烯酸酯膠粘劑膠焊接頭搭接區(qū)中的應(yīng)力應(yīng)變分布
(a)正應(yīng)力；(b)剪應(yīng)力；(c)正應(yīng)變；（d）剪應(yīng)變
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

　　 由圖4a的正應(yīng)力σ x 的分布可以看出，與高彈性模量膠粘劑膠焊接頭類似，焊點(diǎn)處存在高正應(yīng)力，膠層中正應(yīng)力很小；不同的是，此時(shí)焊點(diǎn)邊緣處存在正應(yīng)力集中，右邊緣為拉伸正應(yīng)力峰，左邊緣為壓縮正應(yīng)力峰。焊點(diǎn)邊緣應(yīng)力峰值隨焊點(diǎn)間距的增大而增大，膠層中正應(yīng)力基本不隨焊點(diǎn)間距的改變而改變。

　　 搭接區(qū)中剪應(yīng)力τ zx 的分布如圖4b所示。剪應(yīng)力也主要分布于焊點(diǎn)區(qū)域，膠層中剪應(yīng)力接近于零。焊點(diǎn)兩邊緣處剪應(yīng)力集中，兩剪應(yīng)力峰值接近。焊點(diǎn)內(nèi)部和焊點(diǎn)邊緣的剪應(yīng)力都隨焊點(diǎn)間距的增加而增大，膠層中的剪應(yīng)力基本不隨焊點(diǎn)間距的改變而改變。

　　 正應(yīng)變?chǔ)?x 的分布如圖4c所示。焊點(diǎn)邊緣處存在正應(yīng)變集中，右邊緣為拉伸正應(yīng)變，左邊緣為壓縮正應(yīng)變。焊點(diǎn)邊緣處拉伸和壓縮正應(yīng)變峰值都隨焊點(diǎn)間距的增加而增大。搭接區(qū)右邊緣膠層中的正應(yīng)變比搭接區(qū)中部膠層中的略高，應(yīng)變值隨焊點(diǎn)間距的增大基本不變。

　　 圖4d中剪應(yīng)變?chǔ)?zx 在X方向上的分布表明，搭接區(qū)剪應(yīng)變主要分布在膠層中，焊點(diǎn)處剪應(yīng)變值遠(yuǎn)小于膠層中剪應(yīng)變，剪應(yīng)變?cè)诤更c(diǎn)內(nèi)部基本均勻分布。膠層內(nèi)的剪應(yīng)變從焊點(diǎn)邊緣到搭接區(qū)邊緣逐漸增大，在搭接區(qū)邊緣處達(dá)到最大。整個(gè)搭接區(qū)膠層中的剪應(yīng)變都隨焊點(diǎn)間距的增大而增大。

　　從上述分析可見，采用低彈性模量的丙烯酸酯膠粘劑時(shí)，正應(yīng)力、剪應(yīng)力都在焊點(diǎn)處集中，應(yīng)力集中程度隨焊點(diǎn)間距的增加而增大；搭接區(qū)邊緣膠層中的剪應(yīng)變值也隨焊點(diǎn)間距的增加而增大。丙烯酸酯膠粘劑膠焊接頭中主要有焊點(diǎn)承擔(dān)載荷，焊點(diǎn)間距增大，對(duì)應(yīng)相同板寬下焊點(diǎn)數(shù)的減小，必然會(huì)增加焊點(diǎn)處的應(yīng)力值；同時(shí)膠焊接頭的剛度也隨焊點(diǎn)的減少而減小，接頭抗變形能力減小，剪應(yīng)變?cè)龃蟆?duì)于接頭的強(qiáng)度有不利影響。

3　單列多焊點(diǎn)膠焊接頭的試驗(yàn)研究

　　為考察焊點(diǎn)間距對(duì)單列多焊點(diǎn)膠焊接頭力學(xué)性的影響，同時(shí)考察數(shù)值分析的有效性，采用CSS-1110型電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了靜拉伸剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，加載速率為5mm/min。焊點(diǎn)間距a分別為20mm, 30mm和40mm。各試件均含3個(gè)焊點(diǎn)，對(duì)應(yīng)試件Y向長(zhǎng)度分別為60mm, 90mm和120mm。

　　 試驗(yàn)獲得的各接頭對(duì)應(yīng)膠層斷裂的第一載荷峰值示于圖5a。顯然，由于焊點(diǎn)間距大的接頭寬度大，所以斷裂載荷高。為忽略板寬因素的影響，圖5b給出了接頭斷裂時(shí)的名義應(yīng)力σ n 與焊點(diǎn)間距的關(guān)系，其中名義應(yīng)力σ n 定義為：

　(1)

式中P f 為斷裂載荷，I為板寬，t為板厚。從圖5b中可以看到，接頭斷裂時(shí)的名義應(yīng)力隨焊點(diǎn)間距的增加而略有減小。Hills ［6］也研究了多種焊點(diǎn)間距和不同焊點(diǎn)數(shù)時(shí)膠焊件的斷裂行為，對(duì)相同寬度不同焊點(diǎn)數(shù)的試件進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明，采用高彈性模量膠粘劑時(shí)，接頭膠層部分的斷裂載荷隨焊點(diǎn)數(shù)的增加而增大，即膠層發(fā)生斷裂時(shí)的名義應(yīng)力隨焊點(diǎn)間距減小而增大，在采用低彈性模量膠粘劑時(shí)，這一效應(yīng)更為明顯。這一結(jié)論與我們所得的試驗(yàn)結(jié)果一致，同時(shí)與我們從數(shù)值計(jì)算結(jié)果所得的預(yù)測(cè)也一致，說明了計(jì)算結(jié)果的正確性。可見，有限元數(shù)值分析方法對(duì)于研究幾何參數(shù)對(duì)接頭力學(xué)行為的影響是一種有效的方法。

圖5　不同焊點(diǎn)間距下的膠層時(shí)的斷裂載荷和名義應(yīng)力
（a）斷裂載荷與焊點(diǎn)間距的關(guān)系；
（b）斷裂名義應(yīng)力與焊點(diǎn)間距的關(guān)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　結(jié)論

　　（1） 采用高彈性模量膠粘劑時(shí)，在10～50mm內(nèi)增大焊點(diǎn)間距，焊點(diǎn)區(qū)應(yīng)力有所減小而搭接區(qū)邊緣膠層中的應(yīng)力應(yīng)變略有升高，增大焊點(diǎn)間距，將減小接頭的承載能力，但幅度不大。

　　 （2）采用低彈性模量的丙烯酸酯膠粘劑時(shí)，焊點(diǎn)處存在應(yīng)力集中，應(yīng)力集中程度隨焊點(diǎn)間距的增加而增大；搭接區(qū)邊緣膠層中的剪應(yīng)變值也隨焊點(diǎn)間距的增加而增大。焊點(diǎn)間距增加使承載焊點(diǎn)數(shù)減少、接頭剛度減小，對(duì)接頭強(qiáng)度有不利影響，這一效應(yīng)比采用高彈性模量膠粘劑時(shí)更為顯著。

　　 （3） 采用環(huán)氧樹脂基膠粘劑的單列多焊點(diǎn)接頭中，膠層最先斷裂。焊點(diǎn)間距大的膠焊試件，由于試件寬度大，其斷裂載荷高，但接頭斷裂時(shí)的名義應(yīng)力隨焊點(diǎn)間距的增加而略有減小。

　　 （4） 試驗(yàn)所得焊點(diǎn)間距對(duì)接頭強(qiáng)度的影響規(guī)律與數(shù)值分析基礎(chǔ)上所預(yù)測(cè)的規(guī)律一致，證明了采用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行接頭力學(xué)行為預(yù)測(cè)的有效性。