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汽车车身防腐蚀设计和发展方向

作者
张菊香
来源
中国腐蚀与防护网
发布时间
2016-02-16
关键词
防腐蚀, 汽车
领域
腐蚀领域
摘要
汽车车身防腐蚀设计和发展方向
正文
车身腐蚀直接关系着汽车的外观和使用寿命，是汽车制造和腐蚀防护的重点研究课题之一，国内的整车防腐设计和检测还处于起步阶段，本文从结构、材料和制造工艺三方面重点介绍了提高汽车车身防腐性能的措施，并指出了汽车车身防腐技术未来的研究方向。 随着汽车工业的快速发展，汽车车身腐蚀已经成为人们日益关注的问题。汽车车身腐蚀可以分为外观腐蚀，结构腐蚀和穿孔腐蚀。外观腐蚀指车身外观损伤和锈蚀，直接影响汽车美观和顾客满意度；结构腐蚀指车身结构件发生腐蚀，直接影响汽车安全性和使用寿命；穿孔腐蚀指汽车内腔或接缝处由于防腐能力薄弱，腐蚀介质容易堆积导致车身锈穿，严重影响汽车外观和使用寿命，央视3.15 曝光的汽车腐蚀问题就属于汽车车身穿孔腐蚀。目前国内的整车防腐设计和检测还处于起步阶段，如何通过优化结构、材料和制造工艺的设计以保证整车防腐质量是各汽车公司研究的重点。 汽车设计的防腐措施 结构设计 汽车设计工程师在结构强度等方面具有很好的设计能力，而往往忽略了结构对车身防腐蚀性能的影响，但是很多腐蚀生锈问题都是由不合理的结构设计造成的，因此在车身设计阶段应重点考虑： （1）接缝设计 汽车车身由金属钢板拼焊而成，拼焊缝隙本身就是涂装的薄弱部位，而且水，泥污等腐蚀介质容易在缝隙堆积，导致金属钢板迅速腐蚀。因此在设计时需注意开口根据汽车行驶方向，朝向水等腐蚀介质难以进入的方向，如图“接缝开口设计示意图”所示；结构设计中注意尽量使用整块钢板冲压，减少缝隙。车身接缝设计还要充分考虑后续涂装，密封，注蜡的匹配性，因此接缝设计是一个综合考虑的结果。 （2）空腔设计 车身空腔对增加汽车强度和减少汽车重量都非常重要，空腔的位置、形状和密封性不仅直接影响车身的电泳、喷蜡和涂胶等工序，而且不合理的空腔设计会造成排气排水不畅，产生电泳盲区以及酸、碱残留，产生腐蚀，严重时会导致穿孔腐蚀，因此空腔设计应合理布局空腔位置，以提高电泳、注蜡等防腐工艺的可实施性，便于后续涂胶密封，不仅可以隔绝外界腐蚀介质，避免腐蚀，而且可以达到汽车减噪效果。空腔腐蚀是最常见的车身腐蚀之一，除了优化结构设计，很多汽车公司采用空腔注蜡以及高耐蚀材料等空腔防锈技术。 （3）工艺孔设计 为了满足电泳，注蜡和安装等工艺需要，车身设计了很多工艺孔。这些孔的数量，位置，尺寸，间距和分布等都直接影响涂层和蜡的分布以及腐蚀物质的堆积，进而影响车身防腐性能，因此在设计阶段时就要充分注意在满足车身强度和刚度的前提下，内腔尽量增加电泳工艺孔以提高漆膜厚度，结合电泳生产线和车身空腔结构，合理设计和布置放气孔，避免气室，产生电泳盲区。工艺孔的设计不仅要充分考虑对车身防腐性能的影响，而且还涉及冲压模具和成本，焊接夹具和定位，车身强度和刚度，减噪等，设计过程中需要多方考虑，才能达到最优的效果。 材料选择 车身材料不仅关系车身强度和刚度等安全性和舒适性，而且直接影响防腐性能和使用寿命。因此如何合理选择车身材料一直是汽车设计的重要内容。目前使用较多的车身材料包括中低强度钢板，高强度钢板和铝合金。 （1）中低强度钢板 用于汽车车身的中低强度钢板一般有非镀锌钢板和镀锌钢板。世界各国的汽车行业大多使用镀锌钢板以增强车身的抗腐蚀性，瑞典腐蚀研究所调查表明，非镀锌钢板一般仅能满足6 年防腐，要满足12 年防腐必须采用双面镀锌钢板（ 镀锌层7 ～ 10μm）。目前汽车上常用的镀锌钢板有热镀锌钢板和电镀锌钢板，为了防止钢板在运输和存储过程中发生锈蚀，热镀锌钢板一般采用涂油保护，电镀锌钢板一般采用预磷化保护。镀锌钢板的锌层厚度、种类和表观质量直接影响汽车车身防腐性能，因此选择合适的镀锌钢板是车身钢板材料设计的重点。 （2） 高强度钢板 随着汽车轻量化进程，高强度钢板在汽车上的应用也越来越广泛，为了解决高强度钢板成型困难的问题，可以采用先进的热成型技术。普通镀锌层会在高温冲压下被破坏，因此开发合适的涂层是高强度钢板进一步推广应用的重要方面。 欧美已开发出Al-Si，Fe-Al，Zn-Fe 等涂层，不仅可以避免钢板在热成型过程中形成氧化皮，影响电泳漆的结合力，而且涂层本身具有一定的防腐作用，可以减少结构腐蚀，提高了整车防腐质量和使用寿命，由于涂层在热成型过程中容易堆积，刮伤，严重时会造成基材开裂，因此目前带涂层的高强度钢板及成型技术为国外垄断，主要依赖进口。 （3） 铝合金铝 具有重量轻，易成型，耐腐蚀性能好等优点，因此是降低车身重量，提高车身防腐性能和寿命的理想材料。由于纯铝相对较软，为了满足车身强度要求，很多车型采用了铝合金和钢，以及高强度钢板混合使用的车身，但是铝和钢之间存在电位差，容易产生接触腐蚀，电位较负的铝会被腐蚀，影响汽车美观和寿命，因此如何有效避免铝和钢的接触腐蚀是采用铝钢混合结构的关键。目前解决接触腐蚀的主要方案是采用胶水和密封材料隔离腐蚀介质，或在铝和钢之间增加垫片避免接触。随着车身结构设计的优化以及新密封工艺的不断开发，铝合金在车身上的应用越来越广泛。 制造工艺 汽车制造主要包括冲压，焊装，涂装和总装四个工艺，每个工艺对车身防腐都有影响。冲压是汽车车身制造第一步，对车身防腐的影响主要是冲压毛刺，冲压油和冲压表观质量。 冲压表观质量平滑，避免表面杂质残留，尽量减少镀锌层损伤。 大众、通用、福特等很多汽车公司已经把冲压工艺作为汽车车身防腐的重要质量控制点。焊装是将冲压好的车身板件通过焊接拼装成白车身，应避免焊缝气孔，氧化皮，焊渣，镀锌层损伤等缺陷，导致油漆结合力差，镀锌钢板防腐性能下降。 涂装工艺是汽车车身防腐的关键工序，主要包括预处理、电泳、底部PVC、粗细密封、门槛PVC、中涂、色漆、清漆和空腔注蜡。 应注意：a） 预处理要求车身表面形成均匀、致密的磷化膜；b）电泳要求无刮痕，无针孔，无流平，无龟裂等，并能满足厚度检测，腐蚀实验，附着力检测，液态蜡的湿润性能评价等工艺和性能评价标准；d） 合理布局粗细密，提高车身防腐性能；e） 选择合适的中涂层，加强电泳漆与面漆之间的结合力；f） 清漆不仅美化汽车外观，同时也要能抵挡如阳光辐射、雨水、含盐物质、含酸物质等自然环境对车身的侵蚀，具备一定的防腐作用；g） 采用空腔注蜡技术，有效避免车身结构腐蚀和穿孔腐蚀。总装是将车身和零件组装成整车，是汽车制造过程的最终环节。装配过程需要注意：a） 避免零件和车身不匹配或装配不牢固，车身和零件的接触表面有位移，因摩擦、滑动或振动会造成油漆破坏或变薄，产生红锈，甚至锈穿，导致以昂贵的代价制造出的合格车身和零件，不能装出合格的汽车；b） 合理设计夹具和装配参数，避免油漆破坏和磨损。 未来的研究方向 开发防腐性能优良的车身材料 随着汽车豪华美观和轻量化的需要，越来越多的新材料新工艺将应用到汽车车身上，目前研究得比较多的是铝合金、改性塑料以及一些复合材料。目前国外汽车公司生产的很多高档车选用铝合金作为车身外板和结构件，有些车上甚至达到了80% 以上。如何通过在铝中添加不同的合金元素，开发特殊的加工方式，进一步提高强度和防腐性能，降低生产成本是铝合金将来的研究重点。塑料具有重量轻，高防腐性，高装饰性，易成型等优点，通过改性可以增强塑料的强度和刚度，经过多年研究，超轻量的碳纤维增强塑料（CFRP）已经成功应用于一些高端跑车上。复合材料如轻量化叠层钢板，泡沫合金板、蜂窝铝材复合板也在研发中，车身防腐材料呈现出多元化趋势。开发高防腐性的车身材料，不仅可以改善汽车的外观性能，提高汽车档次，更重要的是可以提高汽车的内在质量，延长汽车使用寿命。 开发先进的车身防腐制造工艺随着制造业和材料工业的发展，各汽车公司不断开发先进的车身制造工艺，以提高整车车身防腐性能。例如，提高自动化程度，缩短制造流程，有效减少工序间的锈蚀；采用激光拼焊技术，提高缝隙质量；采用摆杆输送机、全悬反向输送机（Ro-Dip）以及多功能穿梭机，实现车身在电泳槽内360°翻转，并通过优化出入槽角度，增加排气功能，使内腔的槽液得到充分的流动，消除内腔气泡，解决内腔漆膜偏薄问题，提高油漆厚度均匀性。 计算机仿真技术在汽车车身防腐设计上的应用电泳本质上是将涂层沉积到基材上的电化学过程，通过计算机仿真技术和电化学的结合，模拟车身电力线分布和水等腐蚀介质在车身中的流动，提高电泳的泳透力，改善车身电泳涂层的膜厚度分布，避免空腔电泳盲区，从而提高汽车车身防腐性能。仿真技术不仅能够尽早发现各类腐蚀缺陷，识别出问题所在，降低生产成本，而且可以评估设计更改后的效果，大大缩短了设计时间，并节约了样车制造成本。例如，增加加强板是否会对电泳涂层厚度产生不利影响，是否可以取消工艺孔或减小工艺孔，这些目前主要靠经验和后期的实验进行操作，开发时间长，利用电泳仿真技术可以更快速地评估。目前在欧美发达国家的汽车公司逐步开发出模拟车身电泳厚度的仿真系统，并投入到实际生产中，成为新车开发中不可缺少的工具。 结束语 汽车车身防腐研究是结构设计，材料选择，制造工艺和防腐检测的综合课题。随着中国汽车行业的蓬勃发展和顾客要求的不断提高，各汽车公司逐步加强了汽车车身防腐技术的研究，一方面不断学习和引进其他公司先进的技术和测试方法，另一方面结合中国的国情和使用环境，开发自己的汽车车身防腐技术，但是总的来说，与欧美等发达国家的汽车厂相比，国产汽车的防腐技术相对还不够成熟，因此如何提高国产汽车车身防腐质量，降低整车防腐成本，提升产品竞争力，对中国汽车工业的发展有着重要的意义。 参考文献： 1、胡林林，周天宝。 奥迪轿车内腔防锈技术[J]. 汽车技术， 1996，（3）： 40-422、张春和，张大鹏，蔡志强。 沿海地区汽车腐蚀的原因与防护方法探析[J]. 腐蚀与防护，2003，24（12）： 542-5443、魏元生。 镀锌板种类及其在车身上的应用[J]. 汽车工艺与材料， 2011，（9）： 51-624、黄建中， 朱峰， 钟积礼， 吕秦， 潘金山。 汽车及其用材的腐蚀与对策- 中国·瑞典10 年合作研究[J]. 腐蚀科学与防护技术， 1999，（1）：1-125、张红，杜翠薇，李晓刚，齐慧滨。 镀锌层破损汽车钢板的腐蚀行为研究[J]. 中国腐蚀与防护学报， 2009，29（3）：172-1766、 Robrecht Belis. E-coating simulation: art of Science[J]. 国际表面处理， 2012，（9）：13 ～ 15, 18, 20-21 责任编辑：班英飞 《中国腐蚀与防护网电子期刊》征订启事 投稿联系：编辑部 电话：010-62313558-801 邮箱：ecorr_org@163.com 中国腐蚀与防护网官方 QQ群：140808414

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