MartinHORNUNG,TakahisaDOBA,RajatAGARWAL,Mark BUTLERand Olaflammerschop

（1.漢高亞太地區(qū)技術中心，日本 橫濱；2.漢高有限公司，美國 底特律；3.漢高股份有限公司，德國 塞爾多夫）

為進行能源管理并強化車體結(jié)構(gòu)所采用的結(jié)構(gòu)膠黏劑

MartinHORNUNG1,TakahisaDOBA1,RajatAGARWAL2,Mark BUTLER2and Olaflammerschop3

（1.漢高亞太地區(qū)技術中心，日本 橫濱；2.漢高有限公司，美國 底特律；3.漢高股份有限公司，德國 塞爾多夫）

結(jié)構(gòu)膠黏劑是汽車制造過程中一種日趨重要的金屬連接方式。介紹了漢高公司開發(fā)的一種汽車用結(jié)構(gòu)膠黏劑的性能特點及應用工藝要求。通過實驗證明結(jié)構(gòu)膠黏劑對于提高車體結(jié)構(gòu)性能、減輕車體質(zhì)量、簡化生產(chǎn)過程和優(yōu)化生產(chǎn)成本來說，是一種十分有用的材料。

結(jié)構(gòu)膠黏劑；金屬連接；車體結(jié)構(gòu)；能源管理

簡 介

在汽車制造過程中，作為一種金屬連接的方式，結(jié)構(gòu)膠黏劑的應用正處于迅猛發(fā)展階段[1～3]。結(jié)構(gòu)膠黏劑可增強粘接結(jié)構(gòu)的剛性、耐久性和抗沖撞性。此外，由于該膠黏劑的使用，使得相容性差的金屬之間的粘接變?nèi)菀?，從成本和車體重量方面加大了車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的可能性。

該結(jié)構(gòu)膠黏劑的采用有助于提高點焊設計性能，或在提高結(jié)構(gòu)性能的同時，通過減少點焊數(shù)而降低成本[4-9]。該結(jié)構(gòu)膠黏劑的采用使我們可對難以焊接的結(jié)構(gòu)，如高強度鋼材、鋁材或點焊設備無法進駐的區(qū)域進行組裝。

結(jié)構(gòu)膠黏劑可利用環(huán)氧樹脂、橡膠、丙烯酸酯和聚氨酯這些材料配制。

然而，由于環(huán)氧樹脂優(yōu)異的機械性能以及目前汽車制造的工藝要求，因此選用環(huán)氧樹脂來開發(fā)車體結(jié)構(gòu)膠黏劑。

性能要求-工藝和機械性能：

為提高車體結(jié)構(gòu)的抗沖撞性，所設計的結(jié)構(gòu)膠黏劑在動態(tài)條件下表現(xiàn)出良好的韌性。然而，該膠黏劑也必須滿足用戶工藝窗口內(nèi)所涉及的應用要求，如機械強度和耐久性方面的嚴格要求。

本文所討論的膠黏劑適用于汽車行業(yè)的“車身車間”。該膠黏劑需使用方便，具有可焊性，且對清洗劑和預處理液有良好的抗沖洗性。粘接的金屬表面通常會有沖壓油，因此該膠黏劑還需在不清潔的金屬表面形成具有持續(xù)耐腐蝕性的黏合層。當采用電泳進行固化處理時（爐溫為160～205℃，固化時間為20～100min），該膠黏劑的強度可達到最大值。目前，由于烘烤溫度要求持續(xù)降低，降低該結(jié)構(gòu)膠黏劑的固化溫度也在進一步研究。

為確保鋼材的粘接接頭具有長期穩(wěn)定性，采用標準加速老化試驗對其粘接強度進行評估。測試膠黏劑在老化試驗前和老化試驗后，在不同基材上的抗剝離強度和搭接剪切強度。此外，還須通過疲勞試驗來模擬粘接接頭的性能，從而評估膠黏劑在不同負荷下的長期穩(wěn)定性。

在試驗室中，可采用沖擊剝離試驗（ISO11343）[11]測量動態(tài)條件下膠黏劑和鋼材之間的粘接接頭的粘接強度。采用結(jié)構(gòu)膠黏劑將兩塊具有特定形狀的鋼板試件粘接起來。然后，將一個固定在框架中的楔塊放在試件間未被黏合的空隙處（位于黏合區(qū)的出口位置）。然后施加重力到框架上，使楔塊擠出并從試件間穿過。

當楔塊被推著穿過試件時，兩鋼片會沿相反方向分離，從而導致粘接層內(nèi)產(chǎn)生裂紋（見圖1）。

按照粘接層內(nèi)裂紋擴展的速度，測試的試件（如鋼材）將吸收能量。若裂紋擴展的速度減慢，試件能量吸收量將增加；當維持膠層時，能量被轉(zhuǎn)移至鋼材，并通過鋼材變形而被吸收。通過評估應力應變曲線上的平坦區(qū)域，可計算能量吸收量。圖2闡述了從應力應變曲線上觀察到的、不同峰值的能量來源，并給出了采用高韌性結(jié)構(gòu)膠黏劑所測定的平坦區(qū)域。

圖1 經(jīng)過粘接、用于沖擊剝離試驗的試件（a）；試驗之前，安裝楔塊（帶框架）和用于沖擊剝離試驗的試件（b）；試驗之前，將楔塊（帶框架）和用于沖擊剝離試驗的試件固定在試驗設備上（c）；試驗結(jié)束后的楔塊（帶框架）和用于沖擊剝離試驗的試件（d）。鋼試件變形表明其吸收了能量Fig.1 Bonded impact peel test specimen(a),setup of wedge(with frame)and impact peel test specimen before test(b),wedge(with frame)and impact peel test specimen fixed in the test equipment before test(c),wedge(with frame)and impact peel test specimen after test(d).Deformation of the steel specimen indicates energy absorption.

圖2 通過沖擊剝離試驗（ISO 11343），評定經(jīng)過粘接的鋼質(zhì)試件所吸收的能量。采用高韌性膠黏劑進行試驗，從而可在應力應變曲線上觀察到各個響應峰值及平坦區(qū)域。Fig.2 Impact peel test(ISO11343)to evaluate energy absorption of bonded steel test specimen.Response peaks and plateau area observed in the stress strain curve obtained testing a toughened adhesive.

箱梁動態(tài)試驗（接近于真實實驗）除在試驗室進行試驗之外，箱梁也廣泛用于證明模型結(jié)構(gòu)的剛性和抗沖擊性[12]。

為按本文所述內(nèi)容進行試驗，將箱梁用各種連接方式進行組裝，如只經(jīng)過點焊的方式、粘接加焊接的方式、以及只有粘接的方式。對這些箱梁進行扭轉(zhuǎn)剛度試驗和在動態(tài)條件下進行軸向沖壓試驗。

1 試驗

1.1 準備箱梁

備好長度為400mm的箱梁。圖3和圖4為箱梁截面尺寸。

圖3 箱梁壓潰試驗方法Fig.3 Method of box beams used for crush testing

圖4 用于沖擊試驗的箱梁的截面尺寸（本圖未按比例繪制）Fig.4 Cross section dimensions of box beams used for crush testing(not to scale)

凸緣寬度為15mm，金屬厚度為0.8mm?？刹捎脽徨冧\鋼板（HDG，拉伸強度為180MPa）和冷軋鋼板（CRS，拉伸強度為 180MPa）。

箱梁可用下面的連接方式：

（i）只采用焊接方式

（ii）粘接+點焊（焊點距為50mm）

（iii）粘接+點焊（焊點距為100mm）

粘接的邊緣表面須先用丙酮清洗，然后用Quaker MAL61潤滑油上油（用量為3g/m2）。采用機械手涂膠，膠條的直徑為3mm。使膠黏劑少量且均勻地擠出，使整個邊緣面充分粘接，膠黏劑用量約為15g/m2。

先將箱梁連接好，然后用配有40R焊芯（表面長度為6mm）的穩(wěn)態(tài)單相電焊機進行焊接。在采用“粘接+點焊”的組合方式時，點焊結(jié)束后須在177℃（鋼板溫度）下烘烤30min，使膠黏劑固化。

1.2 沖擊增韌型TerokalR膠黏劑在箱梁中的典型性能

所采用的膠黏劑品牌為TerokalR。它是一種由漢高公司出品的、具有高韌性和抗沖擊性的單組分熱固化環(huán)氧樹脂膠黏劑。該膠黏劑具有如下性能：

搭接剪切強度（0.8mmCRS）＞20MPa（10mm/min）

T型剝離強度（0.8mmCRS）＞200N/25mm（200mm/min）

耐沖擊性 （ISO 11343，0.8mm CRS）＞30N/mm（2m/s）

采用Instron 5584型拉伸試驗機（Instron）測量搭接剪切強度和T型剝離強度。采用Dynatup 9250HV（Instron）測量耐沖擊性。

1.3 扭轉(zhuǎn)剛度試驗

扭轉(zhuǎn)剛度在位于美國密歇根Ann Arbor的Axel Test實驗室進行測量。

箱梁變形僅限于發(fā)生線性變形的區(qū)域內(nèi)。所有箱梁的扭矩/轉(zhuǎn)角均可測量。

1.4 箱梁沖擊試驗

箱梁沖擊試驗在法國瓦倫西那的Valutec進行。

用400kg載荷以6.7m/s或24km/h的速度對箱梁進行沖擊試驗，并測量了所有箱梁的載荷變形曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 箱梁的扭轉(zhuǎn)剛度

當彎曲角度為1°時，對箱梁的扭轉(zhuǎn)剛度進行了定量分析。分析結(jié)果表明，在焊接加粘結(jié)的連接中，由于結(jié)構(gòu)膠黏劑的使用，扭轉(zhuǎn)剛度明顯提高。圖5以CRS制成的箱梁為例，給出了只采用焊接的結(jié)構(gòu)和粘焊結(jié)構(gòu)時所得到的結(jié)果。

圖5 對以CRS制成的箱梁進行測量，并記錄其扭矩轉(zhuǎn)速曲線（n=3）Fig.5 Torque versus rotation curves measured for welded and weld bonded box beams made of CRS(n=3)

圖6所示結(jié)果表明，由HDG和CRS兩種鋼材制成的箱梁，采用粘焊結(jié)構(gòu)時，其抗扭剛度提高了16%～18%（粘接+點焊（焊點間距為100mm）。

圖6 當彎角度數(shù)為1°時，分別測量了以CRS（n=3）和GA（n=3）為基材、并經(jīng)焊接和粘焊制成的箱梁所具有的扭轉(zhuǎn)剛度（Nm/deg）Fig.6 Torsional stiffness(Nm/deg)for welded and weld bonded box beams made of CRS(n=3)and GA(n=3),respectively,measured at a bending angle of one degree

2.2 對箱梁進行沖壓試驗的結(jié)果

沖壓試驗分析與結(jié)果 首先，測量并繪制各種箱梁的應力應形曲線。從這些曲線中，分析和繪制出每個箱梁的應力應變的趨勢線。然后再通過對這些數(shù)據(jù)的計算來得到每個箱梁的抗沖壓時的平均壓力。

對焊接后的箱梁進行分析 圖7以冷軋鋼為例，顯示了應力變形曲線。大多數(shù)情況下，箱梁被壓潰后，其邊緣表面焊點之間呈現(xiàn)出不規(guī)則的變形，從該曲線中可觀察出這種情況。

圖7 對以冷軋鋼為基材、只經(jīng)過焊接制成的且焊點間距為50mm的箱梁進行沖壓試驗而得到的數(shù)據(jù)（n=3）Fig.7 Box beam crush data on a welded only cold rolled steel beam,50mm weld pitch(n=3)

由只經(jīng)過焊接的冷軋鋼制成的箱梁，其平均變形力為22kN。由只經(jīng)過焊接的熱鍍鋅材料制成的箱梁，其平均變形力為20kN。

對粘焊后的箱梁進行分析：

圖8以CRS為基材、并經(jīng)粘焊制成的箱梁為例，顯示了箱梁的應力變形曲線。其因受壓變形后的形狀變得更為規(guī)則。

圖8 對以冷軋鋼為基材、經(jīng)過粘焊制成的且焊點間距為100mm的箱梁進行沖壓試驗而得到的數(shù)據(jù)（n=3）Fig.8 Box beam crush data on a weld bonded cold rolled steel beam,100mm weld pitch(n=3)

圖9是一張以CRS為基材、并經(jīng)粘焊制成的箱梁在被沖壓后的照片。在這張照片中，可清晰地看到受壓形成的有規(guī)則折疊的樣子。在動態(tài)沖壓試驗過程中，由于膠黏劑保持縫隙的完整性，因此產(chǎn)生了大量褶皺。只有當膠黏劑與鋼材體系所承受的動態(tài)極限相吻合時，才會出現(xiàn)這種情況（例如韌性、模量、伸長率和機動性等）。

圖9 一張以冷軋鋼為基材、并經(jīng)粘焊制成的箱梁在被沖壓后的照片（焊點間距100mm）Fig.9 Picture showing crushed beam,cold rolled steel,weld bonded,100mm pitch

圖10以冷軋鋼為基材但只經(jīng)過焊接制成的箱梁（焊點間距為50mm）和以冷軋鋼為基材且經(jīng)過粘焊制成的箱梁（焊點間距為100mm）為例，對其在沖壓試驗中得到的數(shù)據(jù)進行了比較。雖然采用粘焊的箱梁的焊點間距為采用焊接的鋼制箱梁的2倍，但結(jié)構(gòu)膠黏劑的使用卻使其在出現(xiàn)變形時的平均抗壓力增大了27%。若壓縮距離越長，則兩種箱梁的抗壓力差值就越大。

圖10 對以冷軋鋼為基材但只經(jīng)過焊接制成的箱梁（n=3，焊點間距為50mm）和以冷軋鋼為基材且經(jīng)過粘焊制成的箱梁（n=3，焊點間距為100mm），對其在抗壓試驗中得到的數(shù)據(jù)進行了比較。Fig.10 Smoothed crush data on welded only cold rolled steel beams(n=3),50mm weld pitch compared to smoothed crush data on weld bonded cold rolled steel beams(n=3),100mm weld pitch

圖11中顯示了只采用焊接、采用粘焊和只采用粘接的箱梁所呈現(xiàn)的平均變形力曲線。圖中結(jié)果明確表明，將結(jié)構(gòu)膠黏劑與點焊工藝一同使用可產(chǎn)生良好附加價值。采用粘焊的冷軋鋼箱梁，其抗變形力比只經(jīng)過焊接的冷軋鋼箱梁提高27%，且點焊數(shù)僅有后者的一半（圖10）。而采用粘焊的HDG箱梁，其抗變形力幾乎提高了20%，雖然點焊數(shù)減少了50%，但這絲毫不影響其抗變形力。

圖11 采用抗沖擊性結(jié)構(gòu)膠黏劑對增強箱梁抗壓強度的作用Fig.11 Increase in crush strength of box beams with addition of impact resistance structural adhesive

3 總結(jié)與結(jié)論

將結(jié)構(gòu)膠黏劑與點焊工藝一同使用時，可使箱梁的抗扭轉(zhuǎn)剛度提高16%～18%。而其在軸向受沖壓時所吸收的能量增加了20%～27%。目前尚未發(fā)現(xiàn)基材類型對沖壓試驗造成影響。在分別對以CRS和GA為基材制成的箱梁所進行的沖壓試驗中，其性能改善效果相同。在軸向受壓時，即使點焊數(shù)減少50%，亦不會對箱梁的抗扭轉(zhuǎn)剛度和其所吸收的能量造成任何不利影響。

這些試驗結(jié)果均明顯表明，在性能方面，采用該結(jié)構(gòu)膠黏劑可改善理想金屬結(jié)構(gòu)所具有的抗扭剛度和軸向抗壓性能。

對汽車工業(yè)來講，該結(jié)構(gòu)膠黏劑的應用，對當代車體設計和制造業(yè)（如減小鋼材厚度，同時保持車體性能，從而使車體重量更輕、設計成本更低）指明新方向。此外，通過保持優(yōu)良的耐久性、韌性和抗沖擊性等性能，可減少點焊數(shù)并縮短生產(chǎn)周期。因此，對于提高車體結(jié)構(gòu)性能、減輕車體重量、簡化生產(chǎn)過程和優(yōu)化生產(chǎn)成本來說，結(jié)構(gòu)膠黏劑是一種十分有用的材料。

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Structural Adhesives for Energy Management and Reinforcement of Body Structures

Martin HORNUNG1,Takahisa DOBA1,Rajat AGARWAL2,Mark BUTLER2and Olaf LAMMERSCHOP3
(1.Henkel Technology Center Asia Pacific,Isogo,Yokohama,Japan;2.Henkel Corporation,Madison Height,Detroit,USA;3.Henkel KGaA,Duesseldorf,Germany)

Structural adhesives are becoming increasingly important as a mean for joining metals in car body construction.This paper briefs the main features and process requirements of a structure adhesive developed by Henkel.Experiments show that structural adhesives are a valuable tool to increase performance of car body structures,to reduce weight and simplify as well as optimize manufacturing cost.

Structure adhesive;joining metal;car body structure;energy management

TQ 436.2

A

1001-0017（2010）01-0005-05

2009-09-03

Martin Hornung,于1998年獲得工學博士學位,2001年至今在漢高公司擔任產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)理，主要從事汽車結(jié)構(gòu)膠黏劑的研發(fā)。

致謝 作者在此向為試驗組裝箱梁試件的David Rosso和制備膠黏劑的Sara Beauchamp表示感謝。另外，還要感謝安排箱梁試件抗沖擊試驗的Rainer Kohlstrung。最后，作者還要向支持并為此項研究提供資金的漢高有限公司致謝。