激光表面处理对铝合金6061胶接接头的强度影响研究.pdf

摘要

随着现代科学技术的发展，铝合金不断地被应用于航空、航天、汽车等领域，为了尽可能

地满足铝合金结构质量，同时实现结构轻量化，对其结构连接提出了新要求，采用传统的结构

连接不可避免地会对铝合金造成损伤，进而影响结构件的使用寿命。胶接作为一种新型的结构

连接方式，不仅具有良好的连接性能，还具有密封、减振和良好的耐腐蚀性能。但由于未经处

理的铝合金表面存在着大量污染物，使得界面结合强度不足而导致接头在服役过程中过早失

效。激光表面处理技术作为近年来发展起来的新兴技术，具有加工精度高、热影响区域小和应

用范围广等优势，并且可以通过激光表面处理形成表面微纳结构，增大胶接面积，促进胶粘剂

与微纳结构形成机械互锁，从而提高接头强度。因此将激光表面处理技术应用于胶接前接头的

表面预处理逐渐成为新的研究热点。

本文以轻质材料铝合金6061粘接板作为研究对象，对激光表面处理后的接头强度进行研

究，主要研究内容及成果如下：

（1）激光表面处理参数对铝合金接头表面形貌及强度的影响。其主要参数为激光输出功

率、扫描速率和扫描间距。选择不同的激光参数处理时，作用在铝合金表面能量也有所不同，

使得铝合金表面材料被去除形成深浅不一的沟槽结构，这些沟槽结构增大了胶接面积，促进了

胶粘剂与之形成机械互锁。与未处理的相比，当激光输出功率百分比η为70%时，接头剪切

强度为17.65MPa，接头强度提高了275.5%；扫描速率为200mm/s时，剪切强度为17.61MPa，

剪强度提高了274.6%；扫描间距为0.1mm时，接头剪切强度17.93MPa，剪切强度提高了281.5%。

（2）基于内聚力有限元分析方法对接头进行仿真分析。在接头拉伸失效过程中，通过对

胶层剥离应力、剪切应力S13、S23和Mises应力对比分析得知，接头的两端区域承受着主要

载荷，在剥离应力和剪切应力S13的共同作用下使得胶层边缘内聚力单元软化，导致接头边

缘胶层失效产生裂纹并不断向接头中心扩展，致使接头发生失效。同时铝合金表面沟槽结构会

阻碍应力的传播，在沟槽外产生应力集中，且沟槽深度越深、宽度越大，接头强度越高。

（3）基于响应面法对激光表面处理参数进行优化分析，以接头强度和接头伸长量为响应

目标进行实验设计，通过对实验数据进行方差分析，拟合得到二次多项式回归方程为公式，同

时验证了所建模型的有效性，随后研究了激光各参数之间的交互作用，并通过优化分析得到了

所选参数范围内的最优组合。

关键词：激光表面处理，胶接接头，强度分析，内聚力模型，响应面法

Abstract

Withthedevelopmentofmodernscienceandtechnology,aluminumalloyis

constantlyusedinaviation,aerospace,automotiveandotherfields,inordertoachieveas

muchaspossibletoensurethequalityofaluminumalloystructure,whilerealizingthe

structureofthelightweight,thestructureoftheconnectionputsforwardnew

requirements,theuseoftraditionalstructuralconnectionwillinevitablycausedamageto

thealuminumalloy,whichaffectstheservicelifeofstructuralcomponents.Asanewtype

ofstructuralconnection,adhesivebondingnotonlyhasexcellentconnectionperformance,

butalsohassealing,vibrationdampingandfavorablecorrosionresistance.However,due

tothepresenceofalar