粘接剂对压印连接强度影响及数理统计分析(1)(1).doc

修改稿
粘接剂对压印连接强度影响及数理统计分析基金项目：国家自然科学基金项目（50965009）
作者简介：邢保英（1986-），女，河南新乡人，昆明理工大学博士研究生，研究方向为薄板连接新技术
E-mail: xbb0808@ Tel: [phone]

邢保英, 何晓聪, 冯模盛，严柯科，张玉涛
（昆明理工大学，机电工程学院，昆明 650093）
摘要：作为替代连接技术，压印和粘接表现出独特的优势。以压印和压印-粘接复合接头为对象，采用数理统计分析检验试验数据合理性，进而对比不同材料组合及连接方式来分析粘接剂对压印连接接头强度的影响。试验表明，压印连接的剪切强度比剥离强度高，异种材料组合、压印-粘接复合能获得更有效的连接结构；胶层厚度为0.1mm时获得较好效果。
关键词：粘接剂；单搭压印连接接头；T型压印连接接头；拉伸剪切实验；数理统计
中图分类号：TG376 文献标识码：A
Analysis on Influence of Adhesive on Strength of Clinched Joints with Mathematical Statistics
Xing Baoying, He Xiaocong, Feng Mosheng,Yan Keke, Zhang Yutao
（School of Mechanical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming,650093）
[Abstract]:Alternative joining techniques,clinching and adhesive techniques show uniquely superiorities. Clinched and clinch-adhesion bonded joint as object,employing mathematics statistics analysing and validating the rationality of experiment datas,compared by different material combinations and connecting types studies the influence of adhesive on strength of clinched joints.Experiments show that the shear strength of clinched joints is higher than the tensile strength, heterogeneous materials combinations and clinch-adhesion bonded joints acquire more effective connection structure; Clinched joints integrating 0.1mm thickness adhesive can achieve favourable carrying capacity.
Key words:adhesive;single lap-jointed clinched joints;T-jointed clinched joints;tensile shear experiments;mathematics statistics
名词
1. Prospect
2. Outlook
3. Foreground
4. Future prospects
0 前言
近年来，轻量化设计和轻型材料的重要性日益增加。开发了一些替代连接技术来连接难以或者不能够实现点焊的轻量化材料 [[1] Xiaocong He. Torsional Free Vibration Characteristics of Hybrid Clinched Joints[J] . International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation, 2010,48:607-612
]。特别是对于不同材料组合、多层、复合、不等厚度和带有夹层的板材连接，压印连接与点焊相比具有如下优势：连接点处高的动态疲劳强度；连接点质量无损伤检测；连接多层或有夹层的板料；不需辅材、低能耗、低成本；良好的工作环境[[2] Zhang Wenbin(张文斌) et al.Harmonic response analysis of the single lap-jointed clinched joints(单搭压印连接接头的谐响应分析)[J]．MACHINERY(机械制造),2010, (11)：19-21
[3] Xiaocong He. A review of finite element analysis of adhesively bonded joints [J]. International Journal of Adhesion&Adhesives 31, 2011:248-264
[4] Xiaocong He.Recent development in finite element analysis of clinched joints[J].Int J Adv Manuf Technol,2010,48:607-612
[5] M.Carboni,S.Beretta.Fatigue behaviour of tensile-shear loaded clinched joints[J].Engineering Fracture Mechanics 73(2006) :178-190
[6] M.Oudjene,L.Ben-Ayed.Shape optimization of clinching tools using the response surface methodology with Moving Least-Square approximation[J].Journal of Materials Processing Technology(2009):289-296
[7] Recep Gunes,M,Kemal Apalak.Free vibration analysis of adhesively bonded single lap joints with wide and narrow functionally graded plates[J].Composite structure:92(2010)1-17
[8] Zheng Xiaoling(郑小玲) et al.Numerical analysis for effect of adhesive thickness on the stress distribution in butt joint(胶层厚度对拉伸试样应力分布影响的数值分析)[J].ZHANJIE(粘接),2004,25(1):30-32
[9] Yang Xiaoning(杨小宁)et al.A NEW PUNCH BONDING TECHNOLOGY FOR ALUMINOUS SHEETS(铝板冲压连接技术的实验研究)[J].Journal of inner Mongolia University of Technology(内蒙古工业大学报),2006,(2),107-111

]。作为传统的连接方法，粘接已经应用了好几个世纪。然而，仅在过去70年里粘接原理和技术才真正有了重大进步[3]。因为它具有较高的强度重量比、减震、绝缘、隔热、连接表面光滑等优点，是一种很有潜力的连接技术。
目前的研究主要针对单纯的压印连接和粘接，压印连接为连接过程、接头参数、工艺参数及其静、动力学性能进行模拟和试验[4-6]。粘接为粘接剂参数、不同粘接形式及其静、动力学性能分析[3，7，8]。本文以压印和压印-粘接复合接头为对象，采用数理统计分析检验试验数据合理性，进而对比不同材料组合及连接方式来分析粘接剂对压印连接强度的影响，为动力学研究提供基础，并且为连接技术组合提供思路。
1 压印连接原理及过程
采用专用铆接模具在外力的作用下，迫使被连接材料组合在连接点处产生材料流动，形成相互镶嵌自锁的结构，使上板和下板紧紧的连在一起。工艺过程是凸模下行接触材料使其受压弯曲并局部发生塑性变形, 当凸模继续下行时, 底部材料受压变薄, 而此时凹模的环形凹槽对下部板料的圆角处无约束, 材料在冲压力的作用下向凹槽处流动, 填充凹模的环形凹槽。这时上部板料圆角处的材料向周边流动[9]。工作过程如图1所示。

图1 压印连接原理
Fig.1 principle of clinching
2 试验准备
2.1 试件尺寸
采用厚2mm的Y2工业纯铝板和厚1.5mm的45钢板，分为单搭接和T型连接，每组8个试件；粘接剂为环氧树脂和聚酰胺树脂1:1混合粘剂。单搭接接头采用铝板，分为2组；T型连接接头采用铝板和钢板组合，分为2组；两组参考件，R1为单搭纯粘接试件，R2为单搭异种材料组合，前4个为钢-铝组合，后4个为铝-钢组合，尺寸参数见表1。
表1 试件结构尺寸
Tab.1 configurating of speciman
试件
序号
试件尺寸
（mm）
连接
方式
有无
胶层
搭接长度
（mm）
胶层尺寸
（mm）
R1
110× 20× 2
单搭粘接（铝-铝）
有
20
20× 20
R2
110× 20×1.5 /2
单搭压印（钢-铝/铝-钢）
-
20
-
a
110× 20× 2
单搭压印（铝-铝）
-
20
-
b
110× 20× 2
单搭压印（铝-铝）
有
20
20× 20
c
20× 20× 2
T型压印（铝-铝）
有
20
20× 20
d
20× 20× 2/1.5
T型压印（铝-钢）
有
20
20× 20
2.2 试件压印连接
采用ATTEXOR公司生产的RIVCLINCH模块化型P50S压印连接设备。试件a、b和c采用上模直径为5.0mm圆形冲头，试件d和参考件R2采用上模直径为5.2mm圆形冲头，都采用深1.4mm三瓣分体式下模。先采用截面观察法，确定适当的互锁值和颈厚值；其次确定压力大小，连接试件见图2。测量接头底厚数据见表2；参考件R2按标准底厚1.4mm进行连接。

试件a 试件b 试件c 试件d
图2 压印连接试件
Fig.2 clinched speciman
表2 压印连接接头底厚
Tab.2 bottom of clinched joints
试件
序号
接头底厚(mm)
工件1
工件2
工件3
工件4
工件5
工件6
工件7
工件8
a
1.37
1.40
1.32
1.37
1.40
1.37
1.35
1.40
b
1.36
1.36
1.38
1.42
1.38
1.37
1.43
1.30
c
1.41
1.34
1.37
1.40
1.35
1.39
1.44
1.42
d
1.57
1.25
1.72
1.28
1.36
1.34
1.75
1.36
3 拉伸剪切试验
3.1 试验设备
采用日本岛津制作所生产的AG-IS力学实验机。单搭接压印试件，试件两端分别夹入垫片，防止产生扭转；T型压印试件，尽可能多装夹试件，通过调整预夹紧力可使载荷轴线和试件轴线重合，不必使用垫片，如图3所示。

图3 试验装夹图
Fig.3 clamping figure of test
3.2 试验结果及分析
参考件R1、R2、试件a和b拉伸速度为5mm/min，试件c和d拉伸速度为1mm/min。进行试验得到数据，对其进行筛选；各试件胶层厚度见表3，参考件R1和R2结果如图4所示，试件a、b、c和d的力-位移曲线和失效形式分别如图5和7所示。
表3 试件胶层厚度
Tab.3 bondline thickness of clinched joints
试件
序号
胶层厚度(mm)
工件1
工件2
工件3
工件4
工件5
工件6
工件7
R1
0.08
-
0.16
0.12
0.10
-
0.2
b
0.10
0.10
0.10
0.20
0.12
0.14
0.10
c
0.40
0.28
0.20
0.20
0.20
0.10
0.14
d
0.20
0.10
0.10
0.15
0.10
0.10
0.15

(1) 参考件R1结果 (2) 参考件R2结果
图4 参考试件试验结果
Fig.4 test results of referenced speciman

试件a 试件b 试件c 试件d
图5 力-位移曲线
Fig.5 force-displace curve
使用Matlab7.0拟合优度测试命令检验试件a、b、c和d数据是否服从正态分布，和命令[M,S,MC,SC]=normfit(X)以95%的置信度估计样本置信区间,检验试验数据的合理性。对于试件a、b和c最大载荷数据服从正态分布，其均值和标准差分别为860.80N和36.64、967.32N和32.33、453.26N和13.04；其样本置信区间分别为[795.0-938.6N] 、[903.9-1031.0N] 、[427.7-478.9N]，试验数据全部在该区域内。对于试件d，结果表明该数据不服从正态分布且置信区间为[415.2-740.6N]，发现数据410.625N为异常数据，可能是由于在连接过程中粘接工艺和材料原因所致。剔除该试件数据，进行拟合优度测试，此时数据服从正态分布，其均值和标准差为611.38和14.70，图6为最大载荷正态曲线直方图。

试件a 试件b 试件c 试件d
图6 最大载荷正态曲线直方图
Fig.6 normal histogram of maximum load
对比图4和图5中试件a和R1，试件a平均承载能力为860.80N；粘接工艺对粘接效果有很大影响，剔除试件2和6的数据，虽然参考件R1平均承载能力达到797.43N,但随机性太大，不易控制和判别连接质量。对比试件a和R2，单搭铝-钢压印连接平均承载能力为1014.74，单搭钢-铝压印连接平均承载能力为3060.20N，且其载荷位移曲线最长，说明具有较好的吸震、缓冲作用。
对比图5中试件a和b，试件b被拉开的时间比试件a持续时间较长，并且前者承载能力明显高于后者，平均承载能力上升12.37%。试件a曲线较为均匀，但峰值长度和平缓程度不完全一致，因为连接过程中，空气压缩机压力不足以致接头底厚不同，数据见表2；从表2和图5可以看出当底厚为1.4mm时，承载能力最大。试件b在峰值区存在明显的波浪曲线，因为胶层存在所致，数据见表3；现粘接研究其厚度通常取0.2mm，但试验表明，胶层厚0.1mm且覆于接头单面时获得最大承载能力。对比二者载荷位移曲线，表明试件a比试件b吸震、缓冲作用更有效，其原因可能是胶层与金属板的分离增大了力矩，加剧了连接失效；或是粘接剂质量的影响。
对比图5中试件c和d，试件d相比试件c平均承载能力提升34.88%，并且前者载荷位移曲线明显较长，较后者平均增加3倍，具有更好的吸震、缓冲效果；这是因为铝质较软容易塑性变形，钢质较硬不容易发生塑性变形，在连接中将钢置于下板，有利于形成有效的自锁结构。当试件c底厚为1.39mm，试件d底厚为1.36mm，胶层厚0.1mm时，获得最大承载能力。
对比试件a和c,试件b和c,试件b和d,压印连接的剪切强度比剥离强度更高，因为在压印连接中结构自锁仍是接头薄弱环节，接头互锁值和颈厚值对强度有直接影响。试件d载荷位移曲线最长，吸震、缓冲效果更好，是因为受剥离状态，接头整体受力较为均匀。
由以上分析可得：①异种材料组合压印连接承载能力大、接头更可靠；其剪切强度比剥离强度高；拉伸受力状态下吸震、缓冲效果更好②剪切受力状态下，异种材料组合且高硬度材料置于上板连接结构更有效、可靠；胶层厚0.1mm且标准接头底厚时压印-粘接复合连接可提高承载能力 ③拉伸受力状态下，胶层厚0.1mm且标准接头底厚时异种材料组合且高硬度材料置于下板连接效果更好。

a b c d
图7 失效形式
Fig.6 form of fault
压印连接失效有剥离、剪切失效和二者混合失效。图4中单搭钢-铝压印连接为剥离失效，单搭铝-钢压印连接为剪切失效，图7中，试件a、b和c都为剪切失效，试件d有剪切和剥离失效。分析表2和表3中试件d数据，发现接头底厚偏大或偏小、胶层厚度较大时，为剥离失效；剪切失效均出现在载荷最大的试件中，可见接头剪切强度比剥离强度高。铝-铝压印连接，材料变形充分，而“颈部”成为最薄弱环节，在载荷作用下出现断裂，即剪切失效；铝-钢压印连接，钢的塑性变形较小，形成自锁结构不是很充分，同时胶层厚度较大时对自锁结构产生负面影响，连接面处成为最薄弱环节，在载荷作用下出现分离，即剥离失效。
4 结论
试验表明，异种材料组合压印-粘接复合技术，通过选择适当工艺参数可以获得性能良好的连接结构。为此类问题动力学研究提供基础，以便将二者技术组合优化，获得理想的连接效果促进该技术在实践中的应用。
参考文献