基于不同焊接方法的焊縫到膠層安全距離研究

馮嘉雨，徐伍剛，王 利，康 銘，楊 宇

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

輕量化是目前汽車行業(yè)的主要發(fā)展方向之一，膠接作為一種重要的鋁合金連接技術(shù)正在得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。固化完成的結(jié)構(gòu)膠為網(wǎng)狀或體型的大分子結(jié)構(gòu)，在溫度高于其玻璃轉(zhuǎn)化溫度條件下發(fā)生結(jié)構(gòu)松弛，導(dǎo)致粘接強度有所下降，這種強度的損失是暫時的，會隨著溫度的下降逐漸恢復(fù)；但若溫度過高，則會對膠層造成不可逆破壞，導(dǎo)致粘接強度的永久性損失[2]。在白車身或電池盒等鋁制部件的制造生產(chǎn)過程中，難免遇到將粘接完成的分總成部件進行焊接拼裝的情況，如若焊縫與膠層的距離過近，焊接產(chǎn)生的瞬時高溫完全有可能對固化完成的結(jié)構(gòu)膠造成破壞，甚至直接導(dǎo)致膠接接頭失效。

本文通過測試和比較MIG電弧焊和激光填絲焊焊縫到丙烯酸酯(MMA)結(jié)構(gòu)膠層的安全距離，為相關(guān)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 試驗材料及方法

被粘物為150mm×120mm×2mm的6061鋁合金板，抗拉強度約320MPa；膠粘劑為雙組份丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠，剪切強度約為15MPa；膠接接頭結(jié)構(gòu)如圖1所示，搭接長度為30mm，膠層厚度約為0.2mm。整板粘接完成后在距膠層邊緣一定位置上分別進行MIG電弧焊和激光填絲焊單道堆焊，使用焊絲均為直徑1.2mm的ESAB5356焊絲，焊接參數(shù)及焊縫位置詳見表1。以四步焊接法焊接完成后，舍棄起弧端和收弧端邊緣各15mm，鋸切成寬30mm單片試樣4個，分別進行常溫下的拉伸剪切測試，加載速率為9MPa/min[3]。通過失效載荷是否顯著減小判定安全距離。

表1 不同焊接方法的焊接參數(shù)及焊縫位置

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 MIG電弧焊安全距離

圖2和圖3分別為焊縫中心至膠層邊緣距離10mm和5mm試件的測試后圖片，圖中箭頭為焊接方向；試件的失效載荷見表2。

表2 兩組試樣的失效載荷(單位：N)

兩組剪切測試試樣中，僅有5mm組的一個近起弧端試樣(圖3中4號試樣)是膠接接頭被拉脫，這是因為鋁合金以四步焊接法進行焊接時，電弧需在起弧段作適當停留[4]，導(dǎo)致起弧階段的熱輸入量比中段焊縫高出許多，膠層溫度更高。仔細觀察不難發(fā)現(xiàn)，此接頭靠近焊縫側(cè)(紅圈標記處)屬界面破壞，膠層顏色加深，說明瞬間高溫足以產(chǎn)生很大的應(yīng)力并影響結(jié)構(gòu)膠，進而導(dǎo)致一定面積的粘接失效。

其它7個試樣，均發(fā)生板材斷裂，圖中膠層是在測試之后被撬開，這是因為6xxx系板材經(jīng)過電弧焊后有強度損失，依照表2中數(shù)據(jù)計算約為200MPa～230MPa，此時板材的斷裂載荷低于膠接接頭失效載荷水平(以參考強度15MPa乘以粘接面積900mm2計，約為13500N)，因為剪切方向上膠接接頭的承載能力仍大于母材，所以可以認定10 mm是保證膠層不失效的安全距離。

2.2 激光填絲焊安全距離

圖4為焊縫中心至膠層邊緣距離分別為10mm、5mm、3mm和2mm試件的測試后圖片。表3為該4組試樣的失效載荷測試結(jié)果。

表3 各組試樣的失效載荷

圖4中，僅有2mm組2號試樣出現(xiàn)膠層局部失效(紅圈標記處)。由表3不難看出，焊縫中心到膠層邊緣距離為2mm時，失效載荷明顯減小，而距離不小于3mm時焊接熱輸入對失效載荷沒有影響，因此可以認為3mm是保證不損失承載能力的安全距離。

3 結(jié)論

(1)受起弧影響，MIG電弧焊保證膠接接頭不失效的安全距離為10mm；

(2)激光填絲焊保證不減小失效載荷的安全距離為3mm；

(3)相比于MIG電弧焊，激光填絲焊對膠層和母材的影響更小，是更加理想的膠接分總成工件焊接方法。