搭接长度对钛合金?芳纶纤维复合材料单搭接接头胶接性能的影响

2020-03-13

0 前言

随着复合材料在航空器结构中的使用比例不断提高,其与钛合金、铝锂合金等金属材料连接应用日趋广泛。与机械连接相比,胶接连接成本低、质量轻,抗疲劳、密封、减振及绝缘性能好,无钻孔引起的应力集中,能使结构获得光滑气动外形,且异质材料连接无电偶腐蚀问题,金属‐复合材料混合设计已应用于航空、桥梁建筑、海洋船舶、能源、汽车等多个领域。由于复合材料与金属在材料表面、刚度与热膨胀系数等方面存在差异,且复合材料层间性能薄弱,易产生剥离破坏,此类结构胶接性能较低。为了解决这一问题,增加搭接长度成为提升结构承载能力的重要方式。已有研究表明,异质材料胶接结构拉伸极限载荷随搭接长度增加而提升,达到有效搭接长度后增幅减少,最后保持稳定。

目前,国内外对不同搭接长度异质材料胶接性能的研究主要集中在碳纤维增强复合材料与金属搭接结构领域,对芳纶纤维复合材料与钛合金的胶接性能研究较少,因两类复合材料比模量、层间性能互异,接头失效形式与破坏模式具有一定差别。本文研究了不同搭接长度钛合金‐芳纶纤维复合材料单搭接接头胶接性能变化规律,分析了胶接件搭接区域应变及失效机理,探究了不同搭接长度接头破坏模式变化规律。

1 实验部分

1. 1 主要原料

单搭接胶接接头由芳纶纤维复合材料、钛合金与胶黏剂等原材料制备而成,其中,芳纶纤维复合材料由F8H3/602 芳纶纤维织物/环氧树脂预浸料制备,钛合金为TC4Ti6Al4V)合金;胶黏剂为室温固化环氧胶黏剂,牌号为J168

单搭接胶接试验件类别如表1 所示,芳纶纤维复合材料与钛合金被胶接件几何尺寸相同,长为200 mm、宽为25 mm、厚度为2 mm,胶接件两端粘贴相同几何尺寸的加强片(50 mm×25 mm×2 mm),胶接件参数如图1 所示。

1. 2 主要设备及仪器

电子万能材料试验,Instron5982,美国Instron公司;应变测量设备,VIC3D 非接触全场应变测量系统,美国CSI 公司。

1. 3 性能测试与结构表征

在室温下对试样进行静载拉伸,参考ASTM D586801,设置拉伸速率为2 mm/min;下方夹持钛合金被胶接件,移动上方芳纶纤维复合材料实现静载拉伸;

采用DIC 对胶接件搭接区域应变场进行采集与分析,胶接件侧面喷涂白色底漆与黑色散斑,面积比约为11;图像采集频率为1 /s,试验设备如图2 所示。

2 结果与讨论

2. 1 搭接长度对芳纶纤维复合材料单搭接接头胶接性能的影响

不同搭接长度时胶接接头的典型拉伸载荷‐位移曲线如图3 所示。随着搭接长度的增加,单搭接接头极限载荷提升,接头失效时的位移增加。接头搭接长度为20 mm 时,极限载荷为4. 4 kN,失效时拉伸位移为3. 5 mm,胶接件在完全失效前载荷‐位移曲线始终保持线性。接头搭接长度为40 mm 时,极限载荷为4. 9 kN,失效时拉伸位移为5. 3 mm,随着拉伸位移的增加,载荷的增长速率放慢。接头搭接长度为60 mm 时,极限载荷为5. 6 kN,拉伸位移为5. 8 mm,此后载荷急剧下降,原因是结构出现渐进损伤,被胶接件部分脱黏,但仍具有一定的承载能力。接头搭接长度为80 mm 时,极限载荷为6. 1 kN,拉伸位移为4. 8 mm,此后其剩余强度未显著降低,剩余粘接区域继续承载,直到拉伸位移为10. 4 mm 时,胶接件完全失效。

不同搭接长度时胶接件的极限载荷均值、标准差、离散系数和胶接强度均值如表2 与图4 所示。随着搭接长度的增加,单搭接接头的极限载荷均值提升,但单位胶接面积的承载能力显著降低,胶接强度急剧减小。另一方面,随着搭接长度的增加,因胶接工艺造成的弱粘接、胶层孔隙等缺陷也随之增多,导致2060 mm 搭接长度的胶接件的极限载荷离散系数增加。

2. 2 DIC 分析

受不对称载荷偏心弯矩及被胶接件塑性变形的影响,搭接区域存在剪切应力与剥离应力,区域内应变复杂。本文采取DIC 对胶接结构侧面进行应变分析,并选取拉伸载荷为70 %胶接件极限载荷时的应变场进行对比。如图5 所示,芳纶纤维复合材料与钛合金被胶接件分别位于上下两端。

5a)为不同长度搭接接头拉伸过程中x 方向产生的应变。通过对比色卡发现,图5a)中A B 两区域均发生横向应变。其中,A 区域产生的x 方向应变更加显著,原因是芳纶纤维复合材料较钛合金弯曲刚度低,复合材料胶接端头易偏移,产生较大剥离应力[如图6a)所示]。观察B 区域应变云图可知,2080 mm 搭接长度接头的B 区域均发生横向偏移,随着搭接长度的增加,x 方向应变减少,说明增加搭接长度能降低不对称载荷引起的偏心弯矩,降低其对接头偏移的影响。80mm 搭接长度下,接头x 方向的偏移极小,复合材料端头剥离应变小,接头具备较高失效载荷。

5b)为不同长度搭接接头拉伸过程中y 方向产生的应变。如图5bA 区域应变场所示,搭接区域上部端头发生显著纵向变形,原因是芳纶纤维复合材料较钛合金拉伸刚度低,复合材料塑性变形引起搭接区域上端产生y 方向应变,产生较大剪切应力,易率先失效,是结构的薄弱部位[如图6b)所示]。通过对比2080 mm 搭接长度接头的y 方向应变场可知,搭接长度的增加降低了复合材料被胶接件变形对搭接区域纵向应变的影响,纵向应变区面积占搭接区域比例逐渐减少,增加了接头的承载能力。80 mm 搭接长度下,复合材料端头出现失效后对剩余粘接区域影响较小,接头仍能保持充足剩余强度,这使80 mm 搭接长度接头的载荷‐位移曲线较平缓。

2. 3 搭接长度对单搭接接头破坏模式的影响

不同搭接长度时单搭接接头的典型破坏模式如图7 所示。接头搭接长度为20 mm 时,胶接结构的破坏模式主要为钛合金与胶层间的胶接界面破坏。搭接区域上端,胶层在端头处与复合材料发生部分分离,但仍黏于复合材料表面,分离产生间隙。搭接区域下端,出现小面积复合材料层间破坏,靠近胶接接头侧面处,剥离出较多芳纶纤维丝束。

接头搭接长度为40 mm 时,破坏模式以钛合金‐胶层界面破坏为主。钛合金与胶黏剂脱黏处表面光滑,无胶层与树脂黏附。搭接区域下端,复合材料基体与纤维呈不连续状粘于钛合金表面,由上至下逐渐增多。

接头搭接长度为60 mm 时,复合材料层间破坏面积进一步增多,近似于胶接界面破坏面积。搭接区域上半部分,出现薄层纤维撕裂破坏,复合材料树脂基体依靠胶黏剂附于钛合金表面,少量芳纶纤维丝束黏于上方。搭接区域下半部分,钛合金发生脱黏,表面光滑且无任何胶黏剂黏附,复合材料表面胶黏剂承受剥离力呈现片状。

接头搭接长度为80 mm 时,以复合材料层间破坏为主,无胶接界面破坏,这是其胶接性能提高的主要原因。复合材料在胶接端头处发生层间剥离,且沿载荷方向剥离层数逐渐增多,黏附于钛合金表面的复合材料厚度逐渐增加。在距复合材料胶接端头1030 mm处,因不同层数织物断裂,表面纤维交叠,断面形貌具有非对称分布特征。

3 结论

1)随着搭接长度的增加,接头极限载荷提升,胶接强度降低,接头出现渐进失效;当搭接长度由20 mm增至80 mm 时,单搭接接头极限载荷均值从4. 47 kN提升至6. 27 kN,胶接强度均值从8. 94 MPa 降低至3. 13 MPa;达到极限载荷后,20 mm 40mm 搭接长度接头立即失效,60 mm 80 mm 搭接长度接头并未完全失效,出现渐进损伤,80 mm 搭接长度接头仍保持充足剩余强度;

2)随着搭接长度的增加,钛合金‐芳纶纤维复合材料胶接件因不对称载荷引起的接头偏移减少,搭接部位纵向应变区域面积占比降低,这是接头承载能力提升的主要原因;不同搭接长度复合材料端头均出现明显剥离应变,且受复合材料塑性变形影响,剪切应力集中,是异质材料胶接结构的薄弱部位;

3)不同搭接长度单搭接接头破坏模式主要为钛合金‐胶层界面破坏与芳纶纤维复合材料层间破坏;随着搭接长度的增加,复合材料层间破坏增多,剥离层数增加;本实验条件下,极少出现复合材料‐胶层界面破坏与胶层内聚破坏,这是因为该型胶黏剂与复合材料粘接较牢,与钛合金粘接力弱。

最新评论

暂无评论。

登录后可以发表评论


意见反馈
返回顶部
调查问卷