环境对汽车零件修复用胶接接头性能的影响

时红宇

(安徽汽车职业技术学院 汽车工程系，合肥 230601)

分子链中含有—NHCOO—基团或—NCO—基团的胶粘剂称为聚氨酯胶粘剂，这种胶粘剂由于具备良好的抗剪切强度和抗冲击特性等而在汽车零件修复中有着广泛应用[1]。随着汽车零部件使用环境改变和对汽车零件要求的提高，胶接接头需要长期承受高温、高湿和载荷耦合作用，这就对胶粘剂及其胶接接头提出了更高的要求[2-3]。然而，实际应用过程中影响胶接接头力学性能的影响因素较多，如高温、湿度和静载荷等[4-6]，这些参数对聚氨酯胶粘剂胶接接头的力学性能影响规律及其具体作用机理仍然不清楚[7]。本文考察了高温、高温高湿和高温高湿载荷耦合条件下胶接接头的力学性能变化，并拟合了失效强度与老化时间的关系式，结果有助于汽车零件修复用胶接接头性能老化机理的研究及预测胶接接头的服役寿命等。

1.1 试验原料

本文选取的汽车零件基材为西南铝业股份有限公司提供的6082铝合金(密度2 730 kg/m3、泊松比0.33、杨氏模量71 000 MPa)，胶粘剂选用山东华诚高科胶粘剂有限公司提供的M-52C型单组分聚氨酯胶粘剂(表干时间45 min、泊松比0.45、密度1 200 kg/m3)。

1.2 试验仪器与设备

HE-WS-150C8系列高低温湿热环境气候箱，东莞市豪恩检测仪器有限公司；
CMT5105型微机控制电子万能试验机，济南美特斯测试技术有限公司；
华为P40手机，华为技术有限公司。

1.3 试件制备

根据GB/T 7124—2008《胶粘剂拉伸剪切强度测定方法》制备单搭胶接接头试样，其尺寸如图1所示。对铝合金试样进行黏接前，采用120#砂纸将表面打磨干净，然后清水冲洗干净后吹干备用，采用M-52C型单组分聚氨酯胶粘剂胶接后进行5 MPa压力条件下固化24 h，卸载后继续固化36 h，并保持室温和60%相对湿度。在高低温湿热环境气候箱中对胶接接头试样进行不同时间和环境的老化处理[8]，老化时间为0～30 d，高温高湿载荷耦合试验中静载荷为200 N。

(a)正面

1.4 测试与表征

采用CMT5105型微机控制电子万能试验机对胶接接头试样进行室温拉伸性能测试，拉伸速率为2 mm/min，结果为5组试样测试结果平均值；
采用华为P40手机对胶接接头断面进行形貌拍摄。

2.1 高温老化

图2为老化时间对胶接接头失效载荷的影响，此时温度为80 ℃。可见，随着老化时间从0 d增加至30 d，汽车零件修复用胶接接头的失效载荷呈现逐渐降低的趋势；
在老化时间为0 d时，胶接接头的失效载荷为5 625 N，而当老化时间为30 d时，胶接接头的失效载荷为5 316 N，相较于老化时间为0 d时约下降了5.49%，对汽车零件修复用胶接接头进行30 d高温老化并不会对胶接接头的失效载荷产生明显影响。

图2 老化时间对胶接接头失效载荷的影响

图3为老化时间对胶接接头失效强度的影响，此时温度为80 ℃，名义失效强度为失效载荷与黏结面积的比值。可见，随着老化时间从0 d增加至30 d，汽车零件修复用胶接接头的失效强度呈现逐渐降低的趋势，但是对汽车零件修复用胶接接头进行30 d高温老化并不会对胶接接头的失效强度产生明显影响。分别对不同老化时间下胶接接头的失效强度进行二次多项式函数拟合、三次多项式函数拟合和指数函数拟合，可以得到胶接接头失效强度与老化时间的拟合关系式，分别为：y=9.01-0.038x+6.35×10-4x2、y=9.04-0.053x+1.93×10-1x2-2.96×10-5x3和y=8.33-0.71e-0.07x，拟合扰度值分别为0.998，0.987，0.984，表明拟合度较高[9]。

图3 老化时间对胶接接头失效强度的影响

2.2 高温高湿

图4为高温老化和高温高湿老化条件下老化时间对胶接接头失效载荷的影响，此时温度为80 ℃、相对湿度为95%。随着老化时间从0 d增加至30 d，汽车零件修复用胶接接头的失效载荷呈现逐渐降低的趋势；
在老化时间为0 d时，胶接接头的失效载荷为5 625 N，而当老化时间为30 d时，高温高湿胶接接头的失效载荷为3 260 N，相较于老化时间为0 d时下降了42.04%。可见，高温高湿条件下汽车零件修复用胶接接头进行30 d老化后胶接接头的失效载荷明显降低。此外，在相同老化时间下，高温老化胶接接头的失效载荷要明显高于高温高湿老化接头。在高温高湿老化条件下，初期老化6 d时间内，胶接接头的失效载荷下降较为明显，这主要是因为高温高湿老化条件下初期胶接接头会发生水分挥发与扩散现象，从而造成胶粘剂与水产生塑化(水分子与极性基形成氢键所致)，且水分挥发会造成胶粘剂分子主链发生断裂，两方面共同作用下胶接接头的强度减小；
但是随着老化时间的延长，水分挥发作用减小，水解作用减弱，胶接接头的失效载荷下降速率有所减缓。

图4 高温老化和高温高湿老化条件下老化时间对胶接接头失效载荷的影响

图5为高温老化和高温高湿老化条件下老化时间对胶接接头失效强度的影响，此时温度为80 ℃、相对湿度为95%，名义失效强度为失效载荷与黏结面积的比值。可见，随着老化时间从0 d增加至30 d，汽车零件修复用胶接接头的失效强度呈现逐渐降低的趋势，且对汽车零件修复用胶接接头进行30 d高温高湿老化会对胶接接头的失效强度产生明显影响。分别对不同老化时间下胶接接头的失效强度进行二次多项式函数拟合、三次多项式函数拟合和指数函数拟合，可以得到胶接接头失效强度与老化时间的拟合关系式，分别为：y=8.70-0.28x+5.63×10-3x2、y=8.95-0.47x+2.29×10-2x2-3.85×10-4x3和y=5.31+3.68e-0.15x，拟合扰度值分别为0.934，0.979，0.980，拟合扰度值都较高，表明3种拟合关系式都可以较好地反映高温高湿条件下胶接接头失效强度与老化时间的关系。

图5 高温老化和高温高湿老化条件下老化时间对胶接接头失效强度的影响

2.3 高温高湿载荷耦合

图6为高温高湿载荷耦合条件下老化时间对胶接接头失效载荷的影响，此时温度为80 ℃、相对湿度为95%。随着老化时间从0 d增加至30 d，汽车零件修复用胶接接头的失效载荷呈现逐渐降低的趋势；
在老化时间为0 d时，胶接接头的失效载荷为5 625 N，而当老化时间为30 d时，胶接接头的失效载荷为3 236 N，相较于老化时间为0 d时约下降了42.47%。可见，高温高湿载荷耦合条件下汽车零件修复用胶接接头进行30 d老化后胶接接头的失效载荷明显降低。此外，在相同老化时间下，高温高湿老化胶接接头的失效载荷要略高于高温高湿载荷耦合老化接头，二者的失效载荷随老化时间的变化趋势基本相同。总体来讲，在高温高湿条件下进一步耦合静载荷，相同老化时间下胶接接头的失效载荷会进一步降低，这主要是因为静载荷是施加会使得胶接接头中的胶结剂发生一定程度的蠕变，且胶层中的水分扩散会由于静载荷的存在而加速扩散[10]，引起胶粘剂胶接接头老化现象更加严重。

图6 高温高湿载荷耦合条件下老化时间对胶接接头失效载荷的影响

图7为高温高湿载荷耦合条件下老化时间对胶接接头失效强度的影响，此时温度为80 ℃、相对湿度为95%，名义失效强度为失效载荷与黏结面积的比值。可见，随着老化时间从0 d增加至30 d，汽车零件修复用胶接接头的失效强度呈现逐渐降低的趋势，且对汽车零件修复用胶接接头进行30 d高湿载荷耦合老化会对胶接接头的失效强度产生明显影响。分别对不同老化时间下胶接接头的失效强度进行二次多项式函数拟合、三次多项式函数拟合和指数函数拟合，可以得到胶接接头失效强度与老化时间的拟合关系式，分别为：y=8.85-0.41x+1.31×10-2x2、y=9.01-0.69x+6.18×10-2x2-2.03×10-3x3和y=5.42+3.56e-0.17x，拟合扰度值分别为0.958，0.991，0.978，拟合扰度值都较高，表明3种拟合关系式都可以较好地反映高温高湿载荷耦合条件下胶接接头失效强度与老化时间的关系。

图7 高温高湿载荷耦合条件下老化时间对胶接接头失效强度的影响

图8为不同老化条件下胶接接头断面形貌，分别列出了老化时间为0 d、高温老化16 d、高温高湿老化16 d和高温高湿载荷耦合老化16 d后胶接接头断面形貌。对比分析可见，相较于老化时间为0 d的试样，高温老化16 d后断面出现了较多的褶皱；
在高温老化条件下耦合高湿条件，胶接接头断面褶皱更加严重、粗糙度增大，这主要与此时胶粘剂发生水解等有关[11]；
继续在高温高湿条件下耦合载荷，胶接接头断面更加粗糙、起伏更大，这主要是因为载荷耦合会促使胶粘剂发生蠕变并加速水解而造成老化现象愈发突出[12]。整体而言，高温条件下耦合高湿会显著降低胶接接头的失效载荷和失效强度，且继续耦合静载荷会进一步降低胶接接头的失效载荷和失效强度。

(a)0 d

1)随着老化时间延长，汽车零件修复用胶接接头的失效载荷呈现逐渐降低的趋势，对汽车零件修复用胶接接头进行30 d高温老化并不会对胶接接头的失效载荷产生明显影响。

2)随着老化时间从0 d增加至30 d，高温高湿条件下汽车零件修复用胶接接头的失效载荷呈现逐渐降低的趋势，高温高湿条件下汽车零件修复用胶接接头进行30 d老化后胶接接头的失效载荷明显降低，且在相同老化时间下，高温老化胶接接头的失效载荷要明显高于高温高湿老化接头。

3)高温高湿载荷耦合条件下汽车零件修复用胶接接头进行30 d老化后胶接接头的失效载荷明显降低；
在相同老化时间下，高温高湿老化胶接接头的失效载荷要略高于高温高湿载荷耦合老化接头，二者的失效载荷随老化时间的变化趋势基本相同。