CN108251876A - 一种用于改善铝合金结构件连接性能的胶接工艺 - Google Patents

一种用于改善铝合金结构件连接性能的胶接工艺 Download PDF

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陈挺
刘晓东
朱泳安
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胡沛源
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Abstract

本发明涉及一种用于改善铝合金结构件连接性能的胶接工艺，先利用石英砂对铝合金板进行喷砂表面处理，实现表面杂质以及疏松氧化层的去除以及表面粗糙度的提升，再将喷砂处理后的铝合金表面进行磷酸阳极氧化处理，提升表面致密氧化层厚度，最后再在改性处理后的铝合金板表面添加高分子胶粘剂进行铝合金板的粘接。与现有技术相比，本发明可改善胶接接头性能，且操作简单，流程短，可控性强，自动化程度高，能耗低，易实现工业化生产，环境污染小。

Description

一种用于改善铝合金结构件连接性能的胶接工艺
技术领域
本发明涉及一种材料连接技术领域，尤其是涉及一种用于改善铝合金结构件连接性能的胶接工艺。
背景技术
节能减排和绿色发展已经成为人们的共识，而汽车轻量化正是绿色可持续发展的重要途径，人们可以通过减轻汽车的整体重量，来提高汽车的动力性，实现减低能源消耗并减少污染排放的目标。目前，人们主要是通过优化设计以及材料减重的方式，其中，通过使用轻质材料替换传统材料的方式能够大幅度地减轻汽车重量。铝合金材料由于其拥有密度低(2.7×103kg/m3，大约是钢的三分之一)，比强度高，耐腐蚀性较强，易于加工，成本低廉等特点已经广泛应用于汽车轻量化。
相比于传统的焊接、铆接等连接方式，胶接拥有刚度良好、重量轻、抗振抗疲劳、没有腐蚀、受力均匀没有应力集中、成本低等优点，在某些铝合金部件连接中有着重要的应用。但胶接过程中，对被连接材料胶接面有着较高的要求，而原始的铝合金表面具有附着污染物、氧化层疏松等问题，影响胶接效果和性能。
中国专利CN105862100A公布了一种非封闭铬酸阳极化处理方法对铝合金表面进行表面处理，提高铝合金表面氧化膜的厚度，但该专利采用碱除油槽液除去表面污染物，效果一般，且不能增加表面粗糙度，对胶接质量的提升有限。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于改善铝合金结构件连接性能的胶接工艺。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于改善铝合金结构件连接性能的胶接工艺，包括以下步骤：
(1)：首先，对铝合金结构件表面进行喷砂处理，再接着进行磷酸阳极氧化表面处理；
(2)：最后，采用高分子胶粘剂对表面处理后的铝合金结构件进行粘接。
作为上述方案的优选，步骤(1)中：喷砂介质采用120～180目的石英砂。
作为上述方案的优选，步骤(1)的喷砂处理过程中：喷嘴距离待处理铝合金板表面距离为60～120mm，喷嘴中心线与待处理铝合金板表面法线成30～60°夹角。
作为上述方案的优选，步骤(1)的磷酸阳极氧化过程中：采用的为浓度10～40g/L的磷酸溶液，电压控制在80～120V，电流密度为1～3A/dm3，氧化时间为60～120min。
作为上述方案的优选，对铝合金板表面进行喷砂和阳极氧化处理的面积不小于被粘接面积的110％。
作为上述方案的优选，步骤(2)中：两个铝合金结构件在被粘接前均需先进行喷砂和磷酸阳极氧化表面处理，粘接时，在其中一个铝合金结构件的表面上均匀涂布所述高分子胶粘剂，接着，覆盖另一个铝合金结构件，即完成粘接。
作为上述方案的优选，所述的高分子胶粘剂涂布厚度为0.18～0.22mm，胶粘剂涂布量应满足大于胶粘剂厚度与被粘接面积乘积的1.1倍。
作为上述方案的优选，高分子胶粘剂的厚度控制通过采用固定式厚度控制方法或自动厚度控制方法实现。
作为上述方案的优选，所述的固定式厚度控制方法为在铝合金结构件表面放置玻璃珠或钢珠，或预制凸点，所述玻璃珠、钢珠或凸点的高度与高分子胶粘剂厚度保持一致。
作为上述方案的优选，所述的自动厚度控制方法为采用伺服或步进电机位置控制、带位移传感器的自动定位装置、由气缸或油缸带动的带限位机构的自动压紧装置的胶层厚度控制。
作为上述方案的优选，所述的高分子胶粘剂为环氧胶粘剂。
本发明中对喷砂、阳极氧化处理、胶粘等过程中的工艺参数等都进行了限定，具体原因如下：
喷砂目数和喷砂距离和铝合金表面粗糙度有关，目数过高距离过远，铝合金表面不够粗糙，不利于和胶粘剂结合。目数过低距离过近，铝合金表面粗糙度过大，容易在和胶粘剂的界面处形成弱界层，导致结合强度下降。
阳极氧化处理时，电流电压过低会导致效率的下降，而电流电压过高，温升剧烈，会导致氧化铝疏松呈粉状或者砂粒状，严重时产生“烧焦”现象。对氧化膜质量十分不利。磷酸电解液浓度也影响着铝合金表面氧化膜的形成。磷酸电解液浓度过低，会导致无法产生孔隙度较高的氧化膜，导致铝合金表面和胶粘剂的结合能力下降，而磷酸电解液浓度过高，则导致表面氧化膜厚度下降，也不利于铝合金和胶粘剂的结合。
胶粘过程中，胶粘剂厚度过大，胶层强度低，胶粘剂厚度过小，会导致胶层缺陷的产生，从而也导致胶层强度下降。而涂布量过少也会导致胶层缺陷的产生，涂布量过多则带来不必要的成本浪费。
本发明通过喷砂阳极氧化混合处理的表面处理方式，首先通过喷砂处理实现表面杂质以及疏松氧化层的去除以及表面粗糙度的提升，表面润湿性和表面能增加并且能够提升胶层与铝合金板表面的机械结合，铝合金结构件强度不受影响，改善胶接接头性能。然后通过阳极氧化表面处理方式能够使铝合金板表面产生致密的氧化层，提升表面极性官能团含量，产生表面微观孔洞结构，提升铝合金板的表面润湿性和表面能，铝合金结构件强度不变，抗腐蚀性提升，同时改善胶接接头性能。总的来说，喷砂阳极氧化混合处理方式能够有效减低表面污染物含量，提升表面致密氧化层厚度，提升表面极性官能团含量，提升表面粗糙度，提升表面润湿性和表面能，实现铝合金结构件与胶粘剂之间的结合强度。通过胶粘剂均与涂布及胶粘剂厚度控制，经一定时间的胶粘剂固化后实现两个铝合金结构件的高强度粘接。
与现有技术相比，本发明通过喷砂的方法使铝合金结构件表面污染物含量下降，表面粗糙度增加，同时使用阳极氧化法，降低表面污染物，提升致密氧化层厚度以及表面极性官能团含量，使得铝合金结构件的耐腐蚀性能得到提升，表面润湿性和表面能增加，且铝合金结构件强度不受影响，改善胶接接头性能。同时，本发明工艺过程操作简单，可控性强，自动化程度高，流程时间短，能耗低，易实现工业化生产，环境污染小。
附图说明
图1为本发明经表面改性处理前/后的铝合金XPS官能团对比图；
图2为本发明经表面改性处理前/后的铝合金胶接试样拉剪试验数据对比图；
图3为本发明经表面改性处理前的铝合金胶接试样拉剪断口形貌照片
图4为本发明经表面改性处理后的铝合金胶接试样拉剪断口形貌照片；
图5为本发明经表面改性处理前/后的铝合金胶接试样的力-位移曲线图；
图6为本发明实施铝合金结构件胶接结构示意图；
图7为本发明实施例1中将试板切割成25mm宽的拉伸试样的示意图。
图中：1、铝合金板，2、被粘接面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
以下实施例中铝合金结构件为厚度为2.0mm的铝合金板。
如图6和图7所示，由两块铝合金板1通过采用环氧胶粘剂在被改性处理后的被粘接面2上胶接成一体。其具体制备过程可参见以下实施例。
实施例1
将铝合金板加工成两个尺寸为100mm×180mm的试板。在大气压、室温和开放的环境条件下，选取喷砂介质为120-150目的石英砂，喷嘴距离试板表面距离为100mm，喷嘴中心线与试板表面法线成60°夹角，对铝合金板进行喷砂处理。清洗后，使用浓度为40g/L的磷酸，电压控制在100V，电流密度控制在1A/dm3，对铝合金板进行阳极氧化处理，氧化时间为90min。使用电动涂布装置，将其中一个已经喷砂和阳极氧化改性处理的铝合金板表面均匀涂布环氧胶粘剂，通过带位移传感器的自动定位装置控制胶粘剂厚度为0.2mm，涂布量大于胶粘剂厚度与被粘接面面积乘积的1.1倍，然后将另一个经喷砂和阳极氧化改性处理的铝合金板覆盖在已经涂布环氧胶粘剂的铝合金板上，经一定时间的胶粘剂固化后实现两个铝合金板的可靠粘接。
对喷砂阳极氧化表面改性处理后的区域进行测试，应用SEM进行表面形貌观察、接触角测量以及表面能计算、XPS表面成分分析以及表面极性官能团含量和致密氧化铝层厚度来衡量改性处理效果。
表面能是评价材料表面活性的指标，是影响高分子胶粘剂与铝合金板结合的重要因素，一般认为表面的活性能越大，则铝合金板与高分子胶粘剂的结合强度越高。表面能不能直接精确测量，通常采用浸润角测试精确测量或者用表面能墨水近似测量；本实例通过OWRK法使用水和甘油两种测量液体对铝合金表面接触角进行测量，最终计算铝合金的固体表面能。每个样品表面取5个点分别对本发明改性处理的铝合金表面测表面能及水浸润角，结果取平均值，结果如表1所示，经表面改性处理后铝合金表面能极性分量大幅度提升，总表面能也有大幅度提升。
铝合金表面的污染层厚度以及氧化铝层厚度对铝合金的粘接性能有着较大影响，一般认为污染层含量越低氧化铝钝化层厚度越高，铝合金粘接接头力学性能越好。而铝合金表面官能团是评价材料表面具有高活性粒子的指标，高活性粒子所占份额越多，表面的活性能越大，则与高分子胶粘剂的结合强度越高。采用X射线光电子能谱仪(AXISUltraDLD)对本发明改性处理的铝合金进行XPS分析，经表面改性处理前/后的表面成分含量对比分析结果如表2所示，经过表面改性处理后铝合金表面C含量大幅度下降，O和Al含量大幅度上升，说明经过表面改性处理后铝合金表面含C污染层含量下降，而氧化铝钝化层厚度提升。经表面改性处理前/后的XPS的C 1s峰对比分析结果如图1所示，经过表面改性处理后O-C＝O极性键所占C元素比例明显增多。极性键含量的增多，有利于与极性的胶粘剂产生更强的相互作用力，有利于提升铝合金表面和极性胶粘剂的界面结合能力。铝合金表面能以及XPS表面成分和表面官能团的指标可以看出，处理后的铝合金表面的粘接性能大幅度增加。
如图7所示，经固化后，将100mm×180mm的铝合金板参照ASTM标准,，将试板切割成25mm宽的拉伸试样，在万能拉伸试验机上对试样进行拉剪性能测试。经表面改性处理前/后的胶接试样拉剪试验数据对比如图2所示，未经表面改性处理的胶接试样拉剪断口形貌如图3所示，经表面改性处理后的胶接试样拉剪断口形貌如图4所示，经表面改性处理前/后的胶接试样的力-位移曲线如图5所示。可以看出：通过本发明所用的表面改性处理后，胶接接头拉剪强度为7.51MPa；铝合金板发生了塑性变形，最终发生胶层和界面混合断裂。通过本发明的表面改性处理，胶接接头强度得到明显上升。相比不处理的胶接接头，拉剪强度上升达80％以上。
表1
表2
C/％ O/％ Al/％
处理前 65.66 25.15 9.18
处理后 56.91 31.83 11.25
实施例2
将铝合金板加工成两个尺寸为100mm×180mm的试板。在大气压、室温和开放的环境条件下，选取喷砂介质为150-180目的石英砂，喷嘴距离试板表面距离为60mm，喷嘴中心线与试板表面法线成30°夹角，对铝合金板进行喷砂处理。清洗后，使用浓度为10g/L的磷酸，电压控制在80V，电流密度控制在3A/dm3，对铝合金板进行阳极氧化处理，氧化时间为60min。使用电动涂布装置，将其中一个已经喷砂阳极氧化改性处理的铝合金板表面均匀涂布环氧胶粘剂，通过带位移传感器的自动定位装置控制胶粘剂厚度为0.22mm，涂布量大于胶粘剂厚度与被粘接面面积乘积的1.1倍，然后将另一个经喷砂阳极氧化改性处理的铝合金板覆盖在已经涂布环氧胶粘剂的铝合金板上，经一定时间的胶粘剂固化后实现两个铝合金板的可靠粘接。
实施例3
将铝合金板加工成两个尺寸为100mm×180mm的试板。在大气压、室温和开放的环境条件下，选取喷砂介质为150-180目的石英砂，喷嘴距离试板表面距离为120mm，喷嘴中心线与试板表面法线成45°夹角，对铝合金板进行喷砂处理。清洗后，使用浓度为25g/L的磷酸，电压控制在120V，电流密度控制在2A/dm3，对铝合金板进行阳极氧化处理，氧化时间为120min。使用电动涂布装置，将其中一个已经喷砂阳极氧化改性处理的铝合金板表面均匀涂布环氧胶粘剂，通过带位移传感器的自动定位装置控制胶粘剂厚度为0.18mm，涂布量大于胶粘剂厚度与被粘接面面积乘积的1.1倍，然后将另一个经喷砂阳极氧化改性处理的铝合金板覆盖在已经涂布环氧胶粘剂的铝合金板上，经一定时间的胶粘剂固化后实现两个铝合金板的可靠粘接。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于改善铝合金结构件连接性能的胶接工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)：首先，对铝合金结构件表面进行喷砂处理，再接着进行磷酸阳极氧化表面处理；
(2)：最后，采用高分子胶粘剂对表面处理后的铝合金结构件进行粘接。
2.根据权利要求1所述的一种用于改善铝合金结构件连接性能的胶接工艺，其特征在于，步骤(1)中：喷砂介质采用120～180目的石英砂。
3.根据权利要求1所述的一种用于改善铝合金结构件连接性能的胶接工艺，其特征在于，步骤(1)的喷砂处理过程中：
喷嘴与待处理铝合金结构件表面的距离为60～120mm，喷嘴中心线与待处理铝合金结构件表面法线成30～60°夹角。
4.根据权利要求1所述的一种用于改善铝合金结构件连接性能的胶接工艺，其特征在于，步骤(1)的磷酸阳极氧化过程中：
采用的为浓度10～40g/L的磷酸溶液，电压控制在80～120V，电流密度为1～3A/dm3，氧化时间为60～120min。
5.根据权利要求1所述的一种用于改善铝合金结构件连接性能的胶接工艺，其特征在于，对铝合金结构件表面进行喷砂和磷酸阳极氧化处理的表面处理面积不小于被粘接面积的110％。
6.根据权利要求1所述的一种用于改善铝合金结构件连接性能的胶接工艺，其特征在于，步骤(2)中：两个铝合金结构件在被粘接前均需先进行喷砂和磷酸阳极氧化表面处理，粘接时，在其中一个铝合金结构件的表面上均匀涂布所述高分子胶粘剂，接着，覆盖另一个铝合金结构件，即完成粘接。
7.根据权利要求6所述的一种用于改善铝合金结构件连接性能的胶接工艺，其特征在于，所述的高分子胶粘剂涂布厚度为0.18～0.22mm，高分子胶粘剂的涂布量应满足大于其涂布厚度与被粘接面积乘积的1.1倍。
8.根据权利要求6所述的一种用于改善铝合金结构件连接性能的胶接工艺，其特征在于，高分子胶粘剂的厚度控制通过采用固定式厚度控制方法或自动厚度控制方法实现。
9.根据权利要求8所述的一种用于改善铝合金结构件连接性能的胶接工艺，其特征在于，固定式厚度控制方法为在铝合金结构件表面放置玻璃珠或钢珠，或预制凸点，所述玻璃珠、钢珠或凸点的高度与高分子胶粘剂厚度保持一致。
10.根据权利要求1所述的一种用于改善铝合金结构件连接性能的胶接工艺，其特征在于，所述的高分子胶粘剂为环氧胶粘剂。
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