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汽車車身防腐蝕設(shè)計(jì)和發(fā)展方向

2016-02-16 10:42:25 作者：張菊香來源：上海大眾汽車有限公司質(zhì)保實(shí)驗(yàn)室分享至：

車身腐蝕直接關(guān)系著汽車的外觀和使用壽命，是汽車制造和腐蝕防護(hù)的重點(diǎn)研究課題之一，國內(nèi)的整車防腐設(shè)計(jì)和檢測還處于起步階段，本文從結(jié)構(gòu)、材料和制造工藝三方面重點(diǎn)介紹了提高汽車車身防腐性能的措施，并指出了汽車車身防腐技術(shù)未來的研究方向。

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車車身腐蝕已經(jīng)成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問題。汽車車身腐蝕可以分為外觀腐蝕，結(jié)構(gòu)腐蝕和穿孔腐蝕。外觀腐蝕指車身外觀損傷和銹蝕，直接影響汽車美觀和顧客滿意度；結(jié)構(gòu)腐蝕指車身結(jié)構(gòu)件發(fā)生腐蝕，直接影響汽車安全性和使用壽命；穿孔腐蝕指汽車內(nèi)腔或接縫處由于防腐能力薄弱，腐蝕介質(zhì)容易堆積導(dǎo)致車身銹穿，嚴(yán)重影響汽車外觀和使用壽命，央視3.15 曝光的汽車腐蝕問題就屬于汽車車身穿孔腐蝕。目前國內(nèi)的整車防腐設(shè)計(jì)和檢測還處于起步階段，如何通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、材料和制造工藝的設(shè)計(jì)以保證整車防腐質(zhì)量是各汽車公司研究的重點(diǎn)。

汽車設(shè)計(jì)的防腐措施

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車設(shè)計(jì)工程師在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面具有很好的設(shè)計(jì)能力，而往往忽略了結(jié)構(gòu)對車身防腐蝕性能的影響，但是很多腐蝕生銹問題都是由不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成的，因此在車身設(shè)計(jì)階段應(yīng)重點(diǎn)考慮：

（1）接縫設(shè)計(jì)

汽車車身由金屬鋼板拼焊而成，拼焊縫隙本身就是涂裝的薄弱部位，而且水，泥污等腐蝕介質(zhì)容易在縫隙堆積，導(dǎo)致金屬鋼板迅速腐蝕。因此在設(shè)計(jì)時(shí)需注意開口根據(jù)汽車行駛方向，朝向水等腐蝕介質(zhì)難以進(jìn)入的方向，如圖“接縫開口設(shè)計(jì)示意圖”所示；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中注意盡量使用整塊鋼板沖壓，減少縫隙。車身接縫設(shè)計(jì)還要充分考慮后續(xù)涂裝，密封，注蠟的匹配性，因此接縫設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合考慮的結(jié)果。

（2）空腔設(shè)計(jì)

車身空腔對增加汽車強(qiáng)度和減少汽車重量都非常重要，空腔的位置、形狀和密封性不僅直接影響車身的電泳、噴蠟和涂膠等工序，而且不合理的空腔設(shè)計(jì)會造成排氣排水不暢，產(chǎn)生電泳盲區(qū)以及酸、堿殘留，產(chǎn)生腐蝕，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致穿孔腐蝕，因此空腔設(shè)計(jì)應(yīng)合理布局空腔位置，以提高電泳、注蠟等防腐工藝的可實(shí)施性，便于后續(xù)涂膠密封，不僅可以隔絕外界腐蝕介質(zhì)，避免腐蝕，而且可以達(dá)到汽車減噪效果。空腔腐蝕是最常見的車身腐蝕之一，除了優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，很多汽車公司采用空腔注蠟以及高耐蝕材料等空腔防銹技術(shù)。

（3）工藝孔設(shè)計(jì)

為了滿足電泳，注蠟和安裝等工藝需要，車身設(shè)計(jì)了很多工藝孔。這些孔的數(shù)量，位置，尺寸，間距和分布等都直接影響涂層和蠟的分布以及腐蝕物質(zhì)的堆積，進(jìn)而影響車身防腐性能，因此在設(shè)計(jì)階段時(shí)就要充分注意在滿足車身強(qiáng)度和剛度的前提下，內(nèi)腔盡量增加電泳工藝孔以提高漆膜厚度，結(jié)合電泳生產(chǎn)線和車身空腔結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計(jì)和布置放氣孔，避免氣室，產(chǎn)生電泳盲區(qū)。工藝孔的設(shè)計(jì)不僅要充分考慮對車身防腐性能的影響，而且還涉及沖壓模具和成本，焊接夾具和定位，車身強(qiáng)度和剛度，減噪等，設(shè)計(jì)過程中需要多方考慮，才能達(dá)到最優(yōu)的效果。

材料選擇

車身材料不僅關(guān)系車身強(qiáng)度和剛度等安全性和舒適性，而且直接影響防腐性能和使用壽命。因此如何合理選擇車身材料一直是汽車設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。目前使用較多的車身材料包括中低強(qiáng)度鋼板，高強(qiáng)度鋼板和鋁合金。

（1）中低強(qiáng)度鋼板

用于汽車車身的中低強(qiáng)度鋼板一般有非鍍鋅鋼板和鍍鋅鋼板。世界各國的汽車行業(yè)大多使用鍍鋅鋼板以增強(qiáng)車身的抗腐蝕性，瑞典腐蝕研究所調(diào)查表明，非鍍鋅鋼板一般僅能滿足6 年防腐，要滿足12 年防腐必須采用雙面鍍鋅鋼板（鍍鋅層7 ～ 10μm）。目前汽車上常用的鍍鋅鋼板有熱鍍鋅鋼板和電鍍鋅鋼板，為了防止鋼板在運(yùn)輸和存儲過程中發(fā)生銹蝕，熱鍍鋅鋼板一般采用涂油保護(hù)，電鍍鋅鋼板一般采用預(yù)磷化保護(hù)。鍍鋅鋼板的鋅層厚度、種類和表觀質(zhì)量直接影響汽車車身防腐性能，因此選擇合適的鍍鋅鋼板是車身鋼板材料設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

（2）高強(qiáng)度鋼板

隨著汽車輕量化進(jìn)程，高強(qiáng)度鋼板在汽車上的應(yīng)用也越來越廣泛，為了解決高強(qiáng)度鋼板成型困難的問題，可以采用先進(jìn)的熱成型技術(shù)。普通鍍鋅層會在高溫沖壓下被破壞，因此開發(fā)合適的涂層是高強(qiáng)度鋼板進(jìn)一步推廣應(yīng)用的重要方面。

歐美已開發(fā)出Al-Si，F(xiàn)e-Al，Zn-Fe 等涂層，不僅可以避免鋼板在熱成型過程中形成氧化皮，影響電泳漆的結(jié)合力，而且涂層本身具有一定的防腐作用，可以減少結(jié)構(gòu)腐蝕，提高了整車防腐質(zhì)量和使用壽命，由于涂層在熱成型過程中容易堆積，刮傷，嚴(yán)重時(shí)會造成基材開裂，因此目前帶涂層的高強(qiáng)度鋼板及成型技術(shù)為國外壟斷，主要依賴進(jìn)口。

（3）鋁合金鋁

具有重量輕，易成型，耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此是降低車身重量，提高車身防腐性能和壽命的理想材料。由于純鋁相對較軟，為了滿足車身強(qiáng)度要求，很多車型采用了鋁合金和鋼，以及高強(qiáng)度鋼板混合使用的車身，但是鋁和鋼之間存在電位差，容易產(chǎn)生接觸腐蝕，電位較負(fù)的鋁會被腐蝕，影響汽車美觀和壽命，因此如何有效避免鋁和鋼的接觸腐蝕是采用鋁鋼混合結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。目前解決接觸腐蝕的主要方案是采用膠水和密封材料隔離腐蝕介質(zhì)，或在鋁和鋼之間增加墊片避免接觸。隨著車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化以及新密封工藝的不斷開發(fā)，鋁合金在車身上的應(yīng)用越來越廣泛。

制造工藝

汽車制造主要包括沖壓，焊裝，涂裝和總裝四個(gè)工藝，每個(gè)工藝對車身防腐都有影響。沖壓是汽車車身制造第一步，對車身防腐的影響主要是沖壓毛刺，沖壓油和沖壓表觀質(zhì)量。

沖壓表觀質(zhì)量平滑，避免表面雜質(zhì)殘留，盡量減少鍍鋅層損傷。

大眾、通用、福特等很多汽車公司已經(jīng)把沖壓工藝作為汽車車身防腐的重要質(zhì)量控制點(diǎn)。焊裝是將沖壓好的車身板件通過焊接拼裝成白車身，應(yīng)避免焊縫氣孔，氧化皮，焊渣，鍍鋅層損傷等缺陷，導(dǎo)致油漆結(jié)合力差，鍍鋅鋼板防腐性能下降。

涂裝工藝是汽車車身防腐的關(guān)鍵工序，主要包括預(yù)處理、電泳、底部PVC、粗細(xì)密封、門檻PVC、中涂、色漆、清漆和空腔注蠟。

應(yīng)注意：a）預(yù)處理要求車身表面形成均勻、致密的磷化膜；b）電泳要求無刮痕，無針孔，無流平，無龜裂等，并能滿足厚度檢測，腐蝕實(shí)驗(yàn)，附著力檢測，液態(tài)蠟的濕潤性能評價(jià)等工藝和性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；d）合理布局粗細(xì)密，提高車身防腐性能；e）選擇合適的中涂層，加強(qiáng)電泳漆與面漆之間的結(jié)合力；f）清漆不僅美化汽車外觀，同時(shí)也要能抵擋如陽光輻射、雨水、含鹽物質(zhì)、含酸物質(zhì)等自然環(huán)境對車身的侵蝕，具備一定的防腐作用；g）采用空腔注蠟技術(shù)，有效避免車身結(jié)構(gòu)腐蝕和穿孔腐蝕。總裝是將車身和零件組裝成整車，是汽車制造過程的最終環(huán)節(jié)。裝配過程需要注意：a）避免零件和車身不匹配或裝配不牢固，車身和零件的接觸表面有位移，因摩擦、滑動或振動會造成油漆破壞或變薄，產(chǎn)生紅銹，甚至銹穿，導(dǎo)致以昂貴的代價(jià)制造出的合格車身和零件，不能裝出合格的汽車；b）合理設(shè)計(jì)夾具和裝配參數(shù)，避免油漆破壞和磨損。

未來的研究方向

開發(fā)防腐性能優(yōu)良的車身材料

隨著汽車豪華美觀和輕量化的需要，越來越多的新材料新工藝將應(yīng)用到汽車車身上，目前研究得比較多的是鋁合金、改性塑料以及一些復(fù)合材料。目前國外汽車公司生產(chǎn)的很多高檔車選用鋁合金作為車身外板和結(jié)構(gòu)件，有些車上甚至達(dá)到了80% 以上。如何通過在鋁中添加不同的合金元素，開發(fā)特殊的加工方式，進(jìn)一步提高強(qiáng)度和防腐性能，降低生產(chǎn)成本是鋁合金將來的研究重點(diǎn)。塑料具有重量輕，高防腐性，高裝飾性，易成型等優(yōu)點(diǎn)，通過改性可以增強(qiáng)塑料的強(qiáng)度和剛度，經(jīng)過多年研究，超輕量的碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）已經(jīng)成功應(yīng)用于一些高端跑車上。復(fù)合材料如輕量化疊層鋼板，泡沫合金板、蜂窩鋁材復(fù)合板也在研發(fā)中，車身防腐材料呈現(xiàn)出多元化趨勢。開發(fā)高防腐性的車身材料，不僅可以改善汽車的外觀性能，提高汽車檔次，更重要的是可以提高汽車的內(nèi)在質(zhì)量，延長汽車使用壽命。

開發(fā)先進(jìn)的車身防腐制造工藝隨著制造業(yè)和材料工業(yè)的發(fā)展，各汽車公司不斷開發(fā)先進(jìn)的車身制造工藝，以提高整車車身防腐性能。例如，提高自動化程度，縮短制造流程，有效減少工序間的銹蝕；采用激光拼焊技術(shù)，提高縫隙質(zhì)量；采用擺桿輸送機(jī)、全懸反向輸送機(jī)（Ro-Dip）以及多功能穿梭機(jī)，實(shí)現(xiàn)車身在電泳槽內(nèi)360°翻轉(zhuǎn)，并通過優(yōu)化出入槽角度，增加排氣功能，使內(nèi)腔的槽液得到充分的流動，消除內(nèi)腔氣泡，解決內(nèi)腔漆膜偏薄問題，提高油漆厚度均勻性。

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在汽車車身防腐設(shè)計(jì)上的應(yīng)用電泳本質(zhì)上是將涂層沉積到基材上的電化學(xué)過程，通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和電化學(xué)的結(jié)合，模擬車身電力線分布和水等腐蝕介質(zhì)在車身中的流動，提高電泳的泳透力，改善車身電泳涂層的膜厚度分布，避免空腔電泳盲區(qū)，從而提高汽車車身防腐性能。仿真技術(shù)不僅能夠盡早發(fā)現(xiàn)各類腐蝕缺陷，識別出問題所在，降低生產(chǎn)成本，而且可以評估設(shè)計(jì)更改后的效果，大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，并節(jié)約了樣車制造成本。例如，增加加強(qiáng)板是否會對電泳涂層厚度產(chǎn)生不利影響，是否可以取消工藝孔或減小工藝孔，這些目前主要靠經(jīng)驗(yàn)和后期的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作，開發(fā)時(shí)間長，利用電泳仿真技術(shù)可以更快速地評估。目前在歐美發(fā)達(dá)國家的汽車公司逐步開發(fā)出模擬車身電泳厚度的仿真系統(tǒng)，并投入到實(shí)際生產(chǎn)中，成為新車開發(fā)中不可缺少的工具。

結(jié)束語

汽車車身防腐研究是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，材料選擇，制造工藝和防腐檢測的綜合課題。隨著中國汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展和顧客要求的不斷提高，各汽車公司逐步加強(qiáng)了汽車車身防腐技術(shù)的研究，一方面不斷學(xué)習(xí)和引進(jìn)其他公司先進(jìn)的技術(shù)和測試方法，另一方面結(jié)合中國的國情和使用環(huán)境，開發(fā)自己的汽車車身防腐技術(shù)，但是總的來說，與歐美等發(fā)達(dá)國家的汽車廠相比，國產(chǎn)汽車的防腐技術(shù)相對還不夠成熟，因此如何提高國產(chǎn)汽車車身防腐質(zhì)量，降低整車防腐成本，提升產(chǎn)品競爭力，對中國汽車工業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。

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