汽车用单组分结构胶的低温楔形冲击剥离研究与探讨_张恒超.pdf

书书书智能设计检测?年?月第?卷第?期?学术论文Academic papers粘接研究报告专论2023 年 3 月第 50 卷第 3 期doi:10.3969 j.issn.1001-5922.2023.03.012Vol.50 No.03，Mar.2023收稿日期：2022-11-09；修回日期：2023-03-01作者简介：张恒超（1987-），男，硕士，高级工程师，主要从事汽车胶粘剂等材料开发与应用研究；E-mail：。引文格式：张恒超，丁万庆，孙凤海，等.汽车用单组分结构胶的低温楔形冲击剥离研究与探讨J.粘接，2023，50（3）：48-51.汽车用单组分结构胶的低温楔形冲击剥离研究与探讨张恒超，丁万庆，孙凤海，韩双福（保光（天津）汽车零部件有限公司，天津301700）摘要：由于结构胶具备替代焊点完成钢板结构粘接的使命，且单车使用量逐年增加，尤其在新能源汽车中更加明显。目前各大主机厂对于结构胶标准的制订日趋完善，但大部分均简单引用国标GB/T 368772018或者ISO 11343：2019。在实际应用中对测试结果存在理解偏差，特别是对冲击剥离的图形解析不明确，甚至误读错读图形，最终导致结论不正确。从楔形冲击剥离原理、实际操作、结果解读、标准对比等方面对结构胶的冲击剥离测试进行研究与探讨，并结合实际经验及相关文献，给出结构胶在低温冲击剥离测试结果的推荐判定方法。关键词：结构胶；楔形冲击剥离强度；低温冲击中图分类号：TQ436+.2文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）03-0048-04Research on low-temperature impact wedge-peelperformance of single component structuraladhesive for automobileZHANG Hengchao，DING Wanqing，SUN Fenghai，HAN Shuangfu（Bokwang（Tianjin）Automobile Parts Co.，Ltd.，Tianjin 301700，China）Abstract:Because structural adhesive has the mission of replacing welding spot to complete the bonding of steelplate structure，the usage of single cycle is increasing year by year，especially in new energy automobile.At present，the establishment of structural adhesive standards of major OEMs is gradually perfect，but most of them simply referto GB/T 368772018 or ISO 11343：2019.In the actual application，there is a misunderstanding of the test results，especially the unclear analysis of the impact wedge-peel graph，and even the misreading of the graph，which eventually leads to the incorrect conclusion.The impact wedge-peel test of structural adhesive is studied and discussedfrom the aspects ofimpact wedge-peel principle，practical operation，result interpretation，standard comparison andso on.Combined with the actual experience and related literature，the recommended judgment method of the impactwedge-peel test results of structural adhesive at low temperature is given.Keywords:structural adhesive；impact wedge-peel strength；low-temperature impact48学术论文粘接书书书智能设计检测?年?月第?卷第?期?Academic papers研究报告专论随着新能源汽车的飞速发展，主机厂对汽车轻量化有了更高的要求1-3。目前白车身工艺要求采用质轻、高韧性、高强度材料，其连接技术除了传统的焊接外，结构胶固化粘接由于表现出色，越来越得到各大主机厂的认可4-6。在白车身中某些不易焊接的部位，或者使用传统焊接难以达到要求的地方，会使用结构胶进行粘接。近年来，某些国产主流主机厂的新能源汽车在原来使用折边胶甚至点焊胶的部位大量使用结构胶，大大提高了白车身的刚度和强度，使其在碰撞安全性和耐久性验证中得到不同程度的提升7-15。国内某主流新能源汽车的高端车型中结构胶涂胶量已经达到120 m，某些国外高端车型的结构胶的涂胶长度甚至超过了150 m1。由于新车开发必须要进行“高原、高温、高寒”等环境适应性验证，而高寒环境适应性试验主要测试地点为黑龙江漠河、黑河或内蒙古牙克石，气温可达到（-25-40）16。故大部分汽车零部件的耐寒性实验都以-40 为低温测试温度。结构胶主要以双酚A环氧树脂，核壳改性环氧树脂，橡胶改性环氧树脂，增韧剂，固化剂，白炭黑，碳酸钙，环氧稀释剂等材料组成17-19。起结构粘接作用的环氧树脂等高分子材料玻璃化转变温度较高，体现低温脆性，不利于低温冲击剥离，在极端低温情况下可能产生安全隐患。在结构胶的测试评价中，拉伸剪切强度，T型剥离强度，落锤抗冲击剥离强度（楔形物法）是3个重要指标20-21。其中剪切强度能够体现结构胶刚性，而T 型剥离和落锤冲击剥离能 够 体 现 结 构 胶 韧性，-40 落锤冲击剥离强度更是区分普通结构胶和高韧性耐冲击结构胶的最重要指标21；普通结构胶在2380 冲击剥离强度都较高，但是低温冲击效果较差，普通结构胶在-5 甚至0 的冲击剥离强度为0；而增韧型结构胶在-40 的低温冲击剥离强度需达到20 N/mm以上。1冲击剥离基础概念与样件制作1.1基础概念（1）冲击剥离原理：以力或者能量的形式，表征粘接件在高速运动的楔形物冲击下，抵抗冲击剥离的能力；（2）冲击剥离：在外力的作用下，楔形物冲击粘接件的粘接处，导致粘接件的2个被粘物以剥离的方式分离；（3）冲击剥离力：取力-时间曲线25%90%部分剥离力的平均值；如果粘接试样产生的剥离力曲线极不规则，则弃用；（4）冲击剥离强度：单位宽度上冲击剥离所需的力，kN/m或N/mm；（5）能量：对力-时间曲线25%90%部位进行积分，计算出冲击产生的能量，焦（J）；（6）目前现行的标准：ISO 11343：2019 胶粘剂：冲击楔形条件下高强度粘结剂抗劈裂性的测定楔形冲击法。GB/T 368772018结构胶粘剂冲击剥离强度的测定楔形物法。1.2仪器与设备CEAST 9350落锤冲击实验设备，美国英斯特朗（Instron）公司，自配液氮钢罐。1.3样件制备购买标准冲击样条（20 mm90 mm1.6 mm），每种结构胶样品5个平行样条。涂胶尺寸：20 mm30 mm，厚度0.2 mm（使用0.2 mm玻璃微珠控制厚度）；固化温度：180 20 min；室温放置24 h后进行测试，样条如图1所示。（1）涂胶后固化前，尽量将样条周围多余的胶粘剂用小刀刮掉去除；（2）固化后，可用锉刀去稍微修整样条底部和两侧多余的胶粘剂；但是“V”型接口处的胶粘剂不允许修整，否则可能会成为实验中的裂纹来源，造成误差。234123XX30402068R10.1140.140.0584618 1-粘接试样；2-楔形物；3-垫片；4-螺栓孔图1待冲击试样示意图及实际样件Fig.1Schematic diagram of the sample to be impactedand the actual sample2冲击性能测试一般钢质基材冲击速度为2 m/s；冲击能量不低于50 J（落锤质量45 kg，高度2 m）。在设备的环境箱可设置不同温度，目前常用的为23、80和-40。如在测试-40 时，先将样件装配至楔形物夹具中，调整环境箱至-40，当环境箱稳定在-40 后，计时30 min（有文献22建议最少15 min，也有建议1 h）。进行冲击剥离后，取出被冲击样件，关闭环境箱稳定10 min，再次打开环境箱进行第2次放置样件，待环境箱稳定至-40 后，再次计时30 min进行测试，取出被冲击样件，关闭环境箱稳定10 min后继续第3个样品操作。2.1测试结果对于-40 冲击剥离的测试结果，一般会有2种49书书书智能设计检测?年?月第?卷第?期?学术论文Academic papers粘接研究报告专论情况：一是裂纹的稳态扩展；二是裂纹的非稳态扩展23。测试结果如图2、图3所示。2 5002 0001 5001 0005000力/N时间/ms024681012141690%25%开始结束图2裂纹的稳态扩展Fig.2Stable crack growth裂纹的稳态扩展。当结构胶的韧性较好，在低温-40 冲击剥离时，随着楔形物开始冲击“V”型胶接部位，会有1个或者2个初始力的峰值，随后出现一个“平台”区域，初始峰值一般维持14 ms，平台区域一般维持310 ms，裂纹速度与测试速度2 m/s为同一速度（有文献22指出使用高速摄影，进行追踪裂纹速度表明，裂纹速度与测试速率相等）。当测试接近结束时，从裂纹尖端接近末端时，样件的刚性增强，柔性降低，导致记录的力减小。在整个冲击过程中，平台的时间越长，结构胶吸收的能量也就越大。时间/ms2 5002 0001 5001 0005000力/N0246810121416开始25%90%结束图3裂纹的非稳态扩展Fig.3Unstable crack growth裂纹的非稳态扩展。当结构胶韧性不足，在低温环境，楔形物开始冲击“V”型胶接处时，裂纹启动，然后可能停止并再次启动，会产生12个初始力的峰值；但裂纹没有像稳态扩展时那样出现一个稳定的平台区域，裂纹在样件中传播非常迅速。一般不稳定扩展的裂纹传播速度非常快，大约12 ms。原因可能是在更脆的结构胶中，楔形物冲击造成的裂纹非常尖锐，在裂纹开始扩展后，能量释放速率远大于稳定裂纹所需的能量释放速率，因此，裂纹扩展的非常快，最终，导致了不稳定的裂纹扩展。而在不稳定的裂纹扩展过程中，样件在不稳定冲击破坏过程中吸收的能量非常少。2.2测试结果分析取4种不同厂家的结构胶A、B、C、D进行-40 低温冲击剥离测试，测试的力和时间曲线图如图4所示；测试结果如表1所示。ABCD图4不同厂家结构胶在-40 下冲击的结果（A，B，C，D）Fig.4Impactresultsofstructuraladhesivesfromdifferentmanufacturers at-40 （A，B，C，D）表1不同厂家结构胶的测试数据Tab.1Test data of structural adhesivesfrom different manufacturers项目冲击剥离强度/（N mm-1）失效时间/ms平台A49.4911有B27.5510有C41.683有D29.261无（1）如 果 按 照 大 部 分 主 机 目 前 的 标 准 要求，-40 的冲击剥离强度大于等于20 N/mm；则A、B、C、D 4种结构胶均合格，为韧性结构胶。但实际中C和D结构胶不能称为增韧结