新能源汽車是我國汽車工業(yè)由大變強(qiáng)的必經(jīng)之路，新能源汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展大大推動(dòng)了輕量化材料的開發(fā)和應(yīng)用，也為新能源汽車多材料車身涂裝材料與工藝、涂裝生產(chǎn)方式帶來了新的挑戰(zhàn)，但同時(shí)也是機(jī)遇。

車身是新能源汽車的主要組成部分之一，全鋁車身、鋼鋁混合車身、碳纖維復(fù)合材料車身、全覆蓋件車身等均已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，高強(qiáng)度鋼、鎂合金、鋁合金、碳纖維復(fù)合材料和塑料等輕量化材料應(yīng)用發(fā)展迅速。汽車輕量化為輕量化材料、先進(jìn)工藝和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的共同作用，先進(jìn)涂裝工藝方面需要關(guān)注輕量化多材料混合車身的涂裝材料選型、涂裝工藝方式及多材料連接的表面防腐處理等方面。汽車涂裝工藝為多涂層涂裝體系，每一涂層的工藝控制都至關(guān)重要。其中涂前處理工藝是實(shí)現(xiàn)多材料車身涂裝的最重要環(huán)節(jié)，輕量化金屬材料如鋁合金、鎂合金、熱鍍鋅鋁鎂合金等材料在新能源汽車上的應(yīng)用越來越廣泛。由于輕量化材料多為活潑金屬，板材表面狀態(tài)復(fù)雜，單一鋼制材料車身的“磷化前處理+陰極電泳涂裝工藝”已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有輕量化多材料車身的防腐要求，針對(duì)全鋁或鋼鋁混合的車身等輕量化多材料車身開發(fā)了硅烷、鋯鹽等新型薄膜前處理工藝并得到應(yīng)用。新能源車身對(duì)電泳涂裝工藝也提出了更高的要求，為保證多材料車身電泳后涂膜性能達(dá)到技術(shù)要求，尤其是鋁合金板材和冷軋板等傳統(tǒng)車身板材混線生產(chǎn)的線體，保證鋁合金材料表面無縮孔和顆粒等漆膜弊病，電泳施工參數(shù)需要通過試驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，所以輕量化多材料車身一體化綠色清潔涂裝工藝的研究，是實(shí)施整車輕量化生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。1

輕量化材料車身用材策略

目前，整車企業(yè)在新車型開發(fā)階段，基于造型設(shè)計(jì)、目標(biāo)人群、車型定位、成本管理、供應(yīng)商技術(shù)及擁有專利水平等，車身設(shè)計(jì)采用高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、塑料以及其他輕量化材料的比例各有不同。不同的用材策略，汽車涂裝用材料、工藝和涂裝生產(chǎn)方式不同，甚至是與傳統(tǒng)涂裝生產(chǎn)方式發(fā)生較大的變化 。

車身骨架增加高強(qiáng)度鋼應(yīng)用比例

汽車用鋼高強(qiáng)度化是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要手段之一，傳統(tǒng)汽車車身材料輕量化最直接的手段為使用熱成型鋼，且其使用比例逐年提升。但高強(qiáng)度汽車用鋼目前存在沖壓變形回彈、剪切邊易產(chǎn)生皺紋、與鋁合金等異質(zhì)材料的連接匹配可靠性低等問題，后續(xù)需要行業(yè)進(jìn)一步攻克研究。

輕質(zhì)材料全鋁車身替代全鋼車身

鋁合金材料為汽車車身輕量化設(shè)計(jì)的首選材料，在車身上主要采用鋁板材、鑄鋁、鋁型材等形式。其中鋁板材一般應(yīng)用在鈑金覆蓋件和底板等構(gòu)件，包括引擎蓋、翼子板、尾箱蓋等部位。結(jié)構(gòu)件也有應(yīng)用，最多可達(dá)車身質(zhì)量的 80% 。

鋁板通過沖壓或液壓成型使用達(dá)到輕量化的目的。鑄造鋁合金件主要用于連接部位、中間立柱、地板及復(fù)雜形狀零件，減重效果明顯，一般不超過車身質(zhì)量的40%。鋁型材一般應(yīng)用在碰撞件、梁類等部位，下車身居多，可以自由設(shè)定型材本身的斷面形狀，需要加工時(shí)則彎曲加工。

通常，行業(yè)上所說的全鋁車身指的是車身用材鋁合金比例≥80%。代表性技術(shù)路線為以鋁合金板材沖壓為主，沖壓零件數(shù)占比較大，個(gè)別部位用型材或用高壓鑄鋁件。

目前鋁合金材料開發(fā)應(yīng)用主要存在鋁合金板材時(shí)效穩(wěn)定性周期短、鋁合金材料成型性較差、鋁合金零件抗凹性較差、成本較高、汽車用鋁合金材料標(biāo)準(zhǔn)不系統(tǒng)等問題。

車身應(yīng)用輕質(zhì)材料替代鋼材料，開發(fā)鋼鋁混合及多材料混合車身

汽車企業(yè)在車型開發(fā)過程中，用材開發(fā)思路為“合適的材料用在合適的部位”，車身開發(fā)工程師根據(jù)車型項(xiàng)目下發(fā)的產(chǎn)品定位、成本要求及車身輕量化需求等目標(biāo)，選擇適合車型的輕質(zhì)材料使用比例。

輕質(zhì)材料如鎂合金在使用過程需要關(guān)注耐蝕性，鎂在金屬結(jié)構(gòu)材料中的標(biāo)準(zhǔn)電極電位最低，有待通過調(diào)整合金元素及控制雜質(zhì)、改善微觀結(jié)構(gòu)及相組成等方式開發(fā)耐蝕鎂合金。另外由于鎂合金的電極電位較低，與其他金屬材料接觸時(shí)，鎂合金易產(chǎn)生快速的電偶腐蝕，所以鎂合金與其他異質(zhì)材料的連接防腐處理（涂膠隔離、加墊等方式）是鎂合金應(yīng)用的關(guān)鍵問題 。

外覆蓋件應(yīng)用輕質(zhì)材料替代鋼材料

外覆蓋件應(yīng)用輕質(zhì)材料，可應(yīng)用的策略為鋁合金輕質(zhì)材料應(yīng)用在四門、前蓋、后蓋及翼子板等部位；塑料輕質(zhì)材料應(yīng)用在翼子板和后背門等部位；碳纖維輕質(zhì)材料應(yīng)用在外覆蓋件等部位。外覆蓋件輕質(zhì)材料的應(yīng)用需要優(yōu)化仿真分析技術(shù)，合理建模，提高零件設(shè)計(jì)能力并降低使用成本。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的乘員艙

碳纖維復(fù)合材料車身及骨架與傳統(tǒng)金屬車身有較大差異。CFRP車身及零部件輕量化效果明顯，但存在材料本身的價(jià)格昂貴、工程化成本高、生產(chǎn)節(jié)拍與傳統(tǒng)沖壓相比緩慢等問題。目前，應(yīng)用這一策略的車企并不多，后續(xù)需要通過研究降低碳纖維的成本、解決碳纖維復(fù)合材料與金屬的連接問題及開發(fā)碳纖維復(fù)合材料的回收利用技術(shù)。

“鋁型材骨架+塑料外覆蓋件”低成本車身策略

國產(chǎn)車型以奇瑞小螞蟻為代表，使用全鋁輕量化車身骨架和復(fù)合材料覆蓋件，主體外板采用PP材質(zhì)，加強(qiáng)板采用PP和LGF材質(zhì)，同時(shí)具有色彩搭配多元化的特點(diǎn)。薄壁化、低密度及發(fā)泡技術(shù)是塑料外覆蓋件輕量化方向 。

2

輕量化多材料車身涂裝關(guān)鍵技術(shù)

輕量化多材料車身中，不同材料的電極電位、物理性質(zhì)和熱穩(wěn)定性存在差異，鋁合金、鍍鋅板、冷軋板的標(biāo)準(zhǔn)電極電位（25 ℃）分別為-1.660，-0.763，-0.440 V，所以多材料車身連接處需要做好隔離，避免發(fā)生電偶腐蝕。

鋁合金、鍍鋅板、冷軋板的物理性質(zhì)不同，鋁合金在空氣中氧氣反應(yīng)生成5～200 μm致密的氧化膜（Al2O3），物理保護(hù)防腐蝕為主；鋅與空氣中H2O、O2和CO2生成致密具有緩蝕作用的碳酸鹽薄膜[2ZnCO3 ·3Zn(OH)2 ]，可將外界氧氣與內(nèi)部組織隔離，犧牲陽極，電化學(xué)防腐蝕為主；冷軋板易銹蝕，不同鋼種之間以及相同鋼種不同供應(yīng)商生產(chǎn)的鋼板表面化學(xué)活性有差異，行業(yè)內(nèi)對(duì)該特性的定量控制存在一定難度。鋁合金、鍍鋅板、冷軋板的腐蝕速率不同，鋁合金、鍍鋅板、冷軋板在瓊海及海洋氣候條件下腐蝕速率分別為0.585，1.049，39 μm/a，所以多材料車身的涂裝工藝需根據(jù)車身板材的特征及使用比例進(jìn)行調(diào)整 。

鋼鋁混合車身

01

涂裝面漆工藝

目前涂裝工藝向節(jié)省工序、綠色節(jié)能涂裝工藝發(fā)展，鋼鋁混合車身與傳統(tǒng)鋼制車身涂裝工藝相同，一般采用水性3C2B工藝或水性B1B2工藝。

（1）水性3C2B工藝流程為：前處理（薄膜前處理或磷化工藝，調(diào)整配方及工藝參數(shù)）→陰極電泳→電泳烘干（160 ℃×20 min）→涂膠→中涂噴涂→中涂烘干（150 ℃×20 min）→色漆噴涂→自然流平（水性色漆預(yù)烘干）→清漆→烘干（140 ℃×20 min）。其中色漆是水性漆或溶劑型漆，清漆是單組分或雙組分涂料。傳統(tǒng)3C2B水性漆工藝已長時(shí)間成熟應(yīng)用，工藝技術(shù)穩(wěn)定，且對(duì)底材的遮蓋能力較強(qiáng)，但3C2B工藝的缺點(diǎn)為涂裝生產(chǎn)線工序較多、建設(shè)占地面積大、投資高、以高運(yùn)行成本換來工藝可靠性和滿足涂裝質(zhì)量要求。（2）緊湊型B1B2涂裝工藝流程為：前處理（薄膜前處理或磷化，調(diào)整配方及工藝參數(shù)）→電泳→電泳烘干（160 ℃×20 min）→涂膠→膠預(yù)烘干（120 ℃×7 min）→B1噴涂→B2噴涂→預(yù)烘干→清漆→烘干（140 ℃×20 min）。其中B1、B2色漆為水性漆，清漆雙組分溶劑漆，工藝特點(diǎn)為取消了中涂噴漆室及中涂烘干、磨等工位，中涂功能的B1為預(yù)噴涂，具有中涂耐紫外穿透和抗石擊性能等全部性能，B2為顏色實(shí)現(xiàn)，減少涂料噴涂單臺(tái)使用量和生產(chǎn)能耗。

02

涂裝前處理工藝

汽車車身由多種金屬材料組成，對(duì)多材料車身進(jìn)行漆前處理，為電泳涂層提供良好的附著力，是車身獲得最佳防腐蝕性能的前提。近年來，汽車輕量化需求增加，前處理工藝不斷進(jìn)步、修正和完善。針對(duì)含鋁及鍍鋅板的車身開發(fā)“兩步法”工藝。為適應(yīng)更高的環(huán)保法規(guī)、降成本需求，不含磷及重金屬的新型薄膜前處理工藝也在廣泛應(yīng)用。車身金屬混合材料比例不同，前處理方案也不同。

（1）傳統(tǒng)磷化加入調(diào)整劑滿足鋁材占比20%以下的車型生產(chǎn)。對(duì)傳統(tǒng)涂裝前處理磷化槽液添加氟離子進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，加速鋁合金板材表面刻蝕，促進(jìn)表面磷化膜生長。磷化槽液為酸性，可溶解部分鋁離子，槽液中的鋁離子會(huì)減緩其他板材磷化反應(yīng)速率，需加入鈉鹽、鉀鹽等把槽液中的鋁離子反應(yīng)生成鋁磷化渣冰晶石，通過磷化過濾循環(huán)去除。槽液添加氟離子會(huì)加速反應(yīng)，帶來的問題為增大涂裝生產(chǎn)線的前處理化學(xué)品消耗量，增加化學(xué)品消耗成本。（2）“兩步法”工藝滿足鋁材占比20%以上的車型生產(chǎn)。首先在磷化槽液中添加金屬離子掩蔽劑，鋁板表面無法反應(yīng)生成磷化膜，其余車身板表面發(fā)生磷化反應(yīng)，生成磷化膜。其次未在磷化槽液中反應(yīng)成膜的鋁合金板材在鈍化槽生成致密的網(wǎng)狀膜層，確保車身防腐蝕能力。此工藝生成的車身耐腐蝕能力與三元磷化性能相當(dāng)。但鋁合金磷化渣沉渣量為12~15 g/m2，渣偏細(xì)，需要磷化槽液添加磷化結(jié)渣劑，提高磷化槽液循環(huán)次數(shù)至3~5次/時(shí)，除去槽液中產(chǎn)生的磷化渣。（3）薄膜前處理工藝滿足鋁材占比20%以上的車型生產(chǎn)。全鋁車身采用環(huán)保型無磷薄膜前處理（硅烷或鋯化），薄膜前處理技術(shù)也被稱作硅烷或鋯鹽，因其具有節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)，近些年來被很多整車廠以及零部件企業(yè)迅速推廣。薄膜處理材料主要成分為氟鋯酸、氟鈦酸、硅烷偶聯(lián)劑等。對(duì)鋁合金板材用量＞20%的車身建議采用薄膜前處理工藝，在使用過程中，根據(jù)板材處理面積比例，按照試驗(yàn)驗(yàn)證參數(shù)及時(shí)調(diào)整槽液，確保涂膜機(jī)械性能、防腐性能等達(dá)標(biāo)。薄膜前處理形成20~100 nm的轉(zhuǎn)化膜，對(duì)白車身表面要求高，薄膜前處理對(duì)打磨痕遮蓋力相對(duì)較差，且電阻值小，需關(guān)注與電泳漆的配套性，尤其是內(nèi)腔泳透力。為防止車身兜液造成前處理膜過厚、涂膜附著力下降問題，對(duì)車身設(shè)計(jì)要求高。

03

鋼鋁混合車身防腐設(shè)計(jì)關(guān)注要求

鋼鋁混合車身結(jié)構(gòu)采用鉚接工藝，電化學(xué)腐蝕是關(guān)注重點(diǎn)，腐蝕表現(xiàn)為電化學(xué)腐蝕和縫隙腐蝕。

鋼鋁接觸面需要涂膠處理，要確保結(jié)構(gòu)膠完成填充整個(gè)接觸面；針對(duì)鋼鋁混合車身盡量采用鍍鋅板，鉚接過程要控制鉚接質(zhì)量，避免產(chǎn)生鉚接間隙導(dǎo)致縫隙腐蝕，鉚接過程避免鉚釘穿透底材導(dǎo)致銹蝕問題。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，鋼鋁同種搭接組合，涂膠鉚接后力學(xué)性能約為不涂膠鉚接的3倍；純涂膠不鉚接的剪切力約為涂膠加鉚接的90%，因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中保證鋼鋁車身強(qiáng)度的是焊裝結(jié)構(gòu)膠。

全鋁車身涂裝工藝

全鋁車身的前處理和電泳工藝與傳統(tǒng)鋼制車身不同，全鋁車身前處理一般選擇采用鋯鹽或硅烷等薄膜前處理工藝。涂裝工藝以3C2B水性涂裝工藝或水性緊湊性涂裝工藝為主。

01

前處理工序的管控要點(diǎn)

薄膜前處理工藝的目的為鋁材表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成致密的三維網(wǎng)狀膜，有利于提高電泳膜層的附著力。前處理過程需要跟蹤并檢查鋁板表面的脫脂效率，重點(diǎn)在U段檢查工件表面的縮水點(diǎn)；關(guān)注鋁板的刻蝕量，要求保持在0.1~0.6 g/m2；控制鋁板涂油量；控制鋁板所用油品不要引起槽液污染等；關(guān)注鋁板薄膜膜厚數(shù)據(jù)，通過工藝調(diào)試確保其處于最佳控制范圍；加大前處理后U段的清洗力度，清洗掉工件表面的殘膠。由于各企業(yè)采用的鋁合金板材型號(hào)和出廠時(shí)的鈍化膜存在差異，所以在材料選型過程需要開發(fā)全鋁車身適合的薄膜前處理材料及工藝參數(shù)。

02

電泳及電泳烘干工序的管控要點(diǎn)

在同樣的工藝參數(shù)條件下，鋼、鋁因材質(zhì)不同，鋁板更容易出現(xiàn)縮孔問題，電泳需關(guān)注重點(diǎn)電泳槽液的pH值、電導(dǎo)率、固體分含量、溫度、泳透力，所有工藝參數(shù)在生產(chǎn)鋁板時(shí)均需通過試驗(yàn)驗(yàn)證和工藝調(diào)試來確定最佳工藝參數(shù)范圍。

鈍化或“兩步法”形成的鈍化膜薄，電阻較低，易引起電泳入槽初期成膜過快，導(dǎo)致針孔、條紋等問題。降低入槽電壓，會(huì)影響內(nèi)腔電泳膜厚。因此需要選用高泳透力電泳漆來保證泳透力。由于鋁合金與鋼板的材質(zhì)差異及前處理差異，導(dǎo)致他們?cè)陔娪具^程中的反應(yīng)速度存在一定的差異性。因此，電泳槽液參數(shù)需要根據(jù)現(xiàn)場產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行調(diào)試，以確定最佳的工藝控制范圍。定期檢測電泳漆膜附著力（0 級(jí)）、電泳膜厚（外表面≥17 μm，內(nèi)表面≥12 μm，內(nèi)腔≥8μm）、粗糙度（一般車身外表面Ra≤0.3）。電泳烘干對(duì)鋁合金板材起到時(shí)效強(qiáng)化作用，電泳烘干參數(shù)需考慮鋁合金外板的時(shí)效強(qiáng)化。鋁合金板在沖壓生產(chǎn)線下線后，經(jīng)過涂裝電泳烘干室可實(shí)現(xiàn)更高強(qiáng)度。對(duì)不同型號(hào)的鋁合金開展時(shí)效強(qiáng)化參數(shù)試驗(yàn)研究，結(jié)合電泳漆的烘干參數(shù)和鋁合金件的性能要求，確定電泳烘干溫度的最佳范圍。輕量化車身焊裝涂膠越來越多，一般情況下鋁板之間的連接位置有結(jié)構(gòu)膠，因此推薦焊裝車間設(shè)置結(jié)構(gòu)膠烘干爐。如焊裝工藝未設(shè)置結(jié)構(gòu)膠烘干工序，涂裝烘干爐設(shè)計(jì)需要關(guān)注以下四點(diǎn)：① 電泳清洗后的工件，瀝水時(shí)間需保持在10 min以上，進(jìn)入電泳烘干爐干燥緩慢升溫。電泳涂料在120 ℃左右是開始發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的時(shí)候，對(duì)外來污染物質(zhì)最為敏感，所以爐溫曲線調(diào)試時(shí)在100 ℃左右保持5~10 min，將表面及夾縫中的水分揮發(fā)干；② 考慮電泳漆膜的烘干最佳窗口，結(jié)構(gòu)膠烘干要≥165 ℃烘干10 min；③ 車身電泳烘干過程，爐溫均勻一致，且保證鋁板烘烤硬化的強(qiáng)度。不同的鋁板廠家要求存在差異性，一般為170～180 ℃烘干20 min左右；④ 電泳漆烘干條件一般為165 ℃烘干15 min以上，工件最高溫度不要超過200 ℃。

“鋁合金車架+復(fù)合材料”車身涂裝工藝

車身大頂采用再生復(fù)合碳纖維材料，耐最高溫度為80 °C；根據(jù)再生復(fù)合碳纖維材料外觀致密程度，一般涂裝工藝可僅噴涂清漆。碳纖維骨架無涂裝。鋁合金車架部分鋁合金+碳鋼材料，涂裝工藝為前處理+陰極電泳或鈍化工藝，以此實(shí)現(xiàn)防腐要求。復(fù)合材料表面的涂裝考慮基材樹脂體系、復(fù)合材料組成，選擇配套性良好的低溫涂料體系。

以隔離和防腐為目的的涂裝工藝為：打磨-清洗-底漆（或加膠）-烘干（可選）。以優(yōu)化涂膜美觀性能的涂裝，透明涂料中不含填料份，可根據(jù)碳纖維復(fù)合材料外觀致密程度、粗糙度、孔隙率等情況確定是否涂裝。膩?zhàn)訉?duì)涂膜外觀作用明顯，但降低復(fù)合涂膜的機(jī)械性能和耐久性能。碳纖維零件應(yīng)采用專用低溫烘烤涂裝材料，滿足汽車外飾件涂層技術(shù)要求。

“鋁合金骨架+塑料件外板”的涂裝工藝

目前，熱塑性塑料、碳纖維復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)塑料等與金屬的涂裝材料和工藝差異很大，一般采用離線涂裝，而鋁合金骨架部分主要采用陰極電泳或鈍化工藝。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，后續(xù)可實(shí)現(xiàn)非金屬材料與金屬車身共線或在線涂裝，提高非金屬件耐溫性后可在噴涂前安裝非金屬件，多材料車身一體化涂裝；或開發(fā)低溫固化＜110 ℃的中面漆涂料，實(shí)現(xiàn)一體化噴涂，降低生產(chǎn)能耗，綠色低碳生產(chǎn)。

3

結(jié) 語

汽車輕量化主要通過結(jié)構(gòu)輕量化、材料輕量化和工藝輕量化實(shí)現(xiàn)。汽車輕量化材料多種多樣，不同的材料均有優(yōu)缺點(diǎn)，輕量化多材料車身充分體現(xiàn)了合適的材料用在合適的部位的選材策略。汽車車身輕量化技術(shù)路線從全鋁到鋼鋁再到多材料混合，所以輕量化多材料車身是未來車身輕量化發(fā)展的主要方向，但高成本也是目前制約輕量化多材料車身廣泛應(yīng)用的影響因素。未來，汽車輕量化多材料車身涂裝將向著更加環(huán)保的緊湊型涂裝工藝和模塊化車身涂裝趨勢發(fā)展。

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