淺談補強片鈑金變形原因及解決方案

鄧 敏，孫鴻昌，李廣強，柳星來，馬風(fēng)雪

（寧波吉利汽車研究開發(fā)有限公司，浙江 寧波 315336）

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，輕量化受到廣泛重視，其中降低鈑金厚度是實現(xiàn)輕量化的主要途徑之一。但是鈑金減薄后會帶來一些負(fù)面影響，例如車門、側(cè)圍、輪罩、引擎蓋和頂蓋等部位剛度下降，在車輛行駛中容易產(chǎn)生振動，影響NVH性能和安全性能。為此，汽車行業(yè)主要采用在鈑金上粘貼補強片的方法來增加剛度。然而，補強片使用不當(dāng)會帶來鈑金變形問題。

目前對于補強片鈑金變形問題還沒有系統(tǒng)性的研究，為了規(guī)避鈑金變形風(fēng)險，汽車廠家多使用中低檔補強倍率的補強片，高倍率補強片的應(yīng)用則受到限制，如何解決并預(yù)防鈑金變形是一個亟待解決的問題。本研究分析了鈑金變形原因，建立了鈑金變形評價方法，并從車身設(shè)計、補強片的造型設(shè)計及補強片配方設(shè)計等幾個方面討論鈑金變形的解決方案。

1 鈑金變形原因

補強片主要原料是環(huán)氧樹脂、固化劑、橡膠、填料及一些助劑，膠料經(jīng)擠出后與玻璃纖維布復(fù)合成型。使用時將補強片貼附在需要加強的部位，經(jīng)高溫烘烤固化，補強片與鈑金形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，對鈑金起到補強作用。環(huán)氧樹脂的固化是一個化學(xué)交聯(lián)過程，分子間的范德華力距離變成聚合物中共價鍵距離而產(chǎn)生體積收縮[1]，固化物體積收縮就會產(chǎn)生固化收縮應(yīng)力。補強片固化反應(yīng)是放熱過程，補強片在固化和冷卻過程中也會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。此外，補強片與鈑金的熱線脹系數(shù)不一致，加大了冷卻階段所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力[2]。由于補強片和鈑金之間內(nèi)應(yīng)力的存在，造成了鈑金變形。

圖1為補強片完整的固化周期，A—B—C—D—E是 整 個 烘 烤 及 冷 卻 過 程。A—B階段，補強片隨車身進入烘房，隨著溫度不斷上升，由于熱脹冷縮作用，材料的密度逐漸減小。至B點達到固化溫度，固化反應(yīng)開始，固化物體積逐漸收縮。至C點固化反應(yīng)完全，B—C階段對應(yīng)材料固化過程的體積收縮。C—E階段，車身離開烘房，溫度不斷下降，期間經(jīng)歷了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg，D 點），C—E階段為整個冷卻過程材料的收縮，其中C—D階段對應(yīng)材料橡膠態(tài)的收縮，D—E階段對應(yīng)材料玻璃態(tài)的收縮。對于橡膠態(tài)的收縮來說，由于鏈段未凍結(jié)，鏈段運動較容易，因此不會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力；對于玻璃態(tài)的收縮，由于鏈段被凍結(jié)，這時體積收縮會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。

由于冬季氣溫較低，D—E階段溫差較大，補強片玻璃態(tài)的收縮高于另外3季，這正是冬季補強片更容易造成鈑金變形的原因。

圖1 補強片的固化周期Fig.1 Curing period of reinforcing sheet

2 檢驗方法

鈑金變形是汽車廠家和顧客均不能接受的現(xiàn)象，因此，建立一種行之有效的鈑金變形檢驗方法很有必要。本研究根據(jù)經(jīng)驗建立了一種補強片鈑金變形的檢驗方法（如表1所示），此在一定程度上起到預(yù)防發(fā)生鈑金變形的作用，以供材料供應(yīng)商和汽車廠家參考。

表1 鈑金變形檢測方法Tab.1 Test method of sheet metal deformation

3 鈑金變形解決方案

從以上分析可知，補強片固化體積收縮及冷卻階段產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會引起鈑金變形，因此解決補強片鈑金變形問題必須減小內(nèi)應(yīng)力。本研究從車身設(shè)計、補強片造型設(shè)計及補強片配方設(shè)計等3個方面討論補強片鈑金變形解決方案，以供參考。

3.1 車身設(shè)計

補強片尺寸、補強倍數(shù)越大，則產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力越大，如果補強片所粘貼處鈑金過薄，鈑金變形風(fēng)險較高。在車身設(shè)計時，盡量避免使用大尺寸的補強片，還需選擇合適的補強倍數(shù)，避免功能過剩（功能過剩也會造成材料成本提高）。圖2為一例補強片設(shè)計不當(dāng)造成的鈑金變形問題。

3.2 補強片造型設(shè)計

通過實踐發(fā)現(xiàn)，補強片開槽、邊緣波浪線等造型設(shè)計在一定程度上可以解決鈑金變形問題，其原因是通過開槽或邊緣波浪線等造型設(shè)計可以使內(nèi)應(yīng)力得到分散。

圖2 頂棚鈑金變形Fig.2 Deformation of roof sheet metal

3.2.1 開槽設(shè)計

補強片經(jīng)開槽后，材料的造型變成一個個區(qū)塊，影響內(nèi)應(yīng)力的傳遞，因此，材料固化后內(nèi)應(yīng)力比較分散，固化冷卻后的收縮量相比于不開槽的收縮量要小，鈑金變形風(fēng)險隨之降低。但是槽線處會存在電泳不良等問題，影響整車的防腐性能，為此，采用此方法解決鈑金變形問題需結(jié)合防腐能力進行綜合考慮。

圖3 開槽設(shè)計Fig.3 Slot design

3.2.2 波浪線設(shè)計

補強片邊緣設(shè)計成波浪線或者類似造型可以增加補強片與鈑金邊緣的接觸面積，緩解補強片因固化、冷卻收縮后產(chǎn)生的應(yīng)力集中，使內(nèi)應(yīng)力分布在較大范圍內(nèi)，從而降低鈑金變形的風(fēng)險。

圖4 波浪線設(shè)計Fig.4 Wave line design

3.3 補強片配方設(shè)計

車身設(shè)計和造型設(shè)計只能從一定程度上降低鈑金變形風(fēng)險，只有從根本上減小內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生才能有效抑制鈑金變形問題的發(fā)生。通過固化體系調(diào)整、增加填料用量、增韌等方法可以降低固化物的內(nèi)應(yīng)力。

3.3.1 固化體系調(diào)整

固化體系調(diào)整的主要措施有2個：①減小環(huán)氧樹脂和固化劑用量；②選擇較大分子質(zhì)量的環(huán)氧樹脂。

補強片烘烤固化是個化學(xué)交聯(lián)過程，環(huán)氧樹脂和固化劑作為固化體系中的主要成分，其用量決定了交聯(lián)密度的大小。交聯(lián)密度與固化物的Tg之間有線性關(guān)系，交聯(lián)密度增大，固化物的Tg隨之增加。由于鈑金變形主要是固化物玻璃態(tài)的收縮造成的，因此減小Tg與環(huán)境溫度T的溫差可以減小玻璃態(tài)的收縮。特別在冬季，環(huán)境溫度較低，（Tg—T）溫差較大，因此，可以通過減小環(huán)氧樹脂和固化劑用量來降低固化速度和Tg，以減小固化物玻璃態(tài)的收縮，從而減小內(nèi)應(yīng)力，這是解決鈑金變形的一個主要方法。

分子質(zhì)量較大的環(huán)氧樹脂官能團濃度較低，導(dǎo)致反應(yīng)活性降低，固化物的交聯(lián)密度隨之下降，固化速度越慢，反應(yīng)放熱越小，由此產(chǎn)生的固化收縮減小。為了兼顧補強片的補強效果、施工性和固化特性，一般可以將低分子質(zhì)量環(huán)氧樹脂與高分子質(zhì)量環(huán)氧樹脂進行復(fù)配使用。

3.3.2 增加填料用量

環(huán)氧樹脂的線脹系數(shù)相比于鈑金要大得多，填料的加入不僅可以提高導(dǎo)熱性，還可以減小固化物的線脹系數(shù)[3，4]。幾種材料的線脹系數(shù)如表2所示。

表2 幾種材料的線脹系數(shù)Tab.2 Linear expansion coefficient of several materials

以硅微粉為例，將其加入到環(huán)氧樹脂后可以大幅降低線脹系數(shù)，使固化收縮率降低。另外，填料作為剛性粒子可以分擔(dān)大部分載荷，使應(yīng)力分散均勻，避免應(yīng)力集中。但填料并不是加入越多越好，填料加入過多一方面不利于補強片的生產(chǎn)工藝；另一方面也會導(dǎo)致固化物的彈性模量增大，這時，即使收縮率不高也會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。

3.3.3 增韌

橡膠作為增韌成分可以提高補強片的韌性，降低彈性模量，有效傳遞及分散應(yīng)力，從而減小內(nèi)應(yīng)力，達到減小補強片固化收縮率[5，6]的目的。橡膠不宜添加過多，加入過多不僅會降低補強片的補強性能，還會使補強片的耐候性變差。較好的增韌方法是加入一定量的反應(yīng)性液體橡膠，提高交聯(lián)密度，增韌的同時保證了補強片的補強性能。

3.3.4 發(fā)泡補償

補強片固化后體積收縮是造成鈑金變形的主要原因，補強片固化后體積收縮率難以表征，而線長變化率是一個比較容易監(jiān)控的指標(biāo)。取尺寸為200 mm×200 mm補強片試樣， 測量固化前的邊長（ 精確到0.1 mm），將補強片貼于玻璃板上烘烤固化，自然冷卻至室溫后再次測定邊長，線長變化率如式（1）所示。

式中，ε為線長變化率；l0為固化后試樣的邊長；l 為固化前的邊長。

在補強片配方中加入發(fā)泡劑可以補償固化作用引起的體積收縮，通過實驗建立發(fā)泡劑用量與線長變化率之間的關(guān)系，也可以靈活設(shè)計配方，達到降低補強片固化體積收縮的目的。

4 結(jié)語

補強片鈑金變形問題是個大問題，千萬不可忽視。通過建立一套鈑金變形評價方法和改善方法，可以在設(shè)計之初盡可能規(guī)避補強片鈑金變形風(fēng)險。隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，越來越多的新材料得到廣泛重視和應(yīng)用，如噴涂型補強材料BPR（body panel reinforcement），由于其靈活的施工性和優(yōu)良的防腐性，可以在一定程度上取代傳統(tǒng)的補強膠片，此舉已經(jīng)在部分汽車廠家得到應(yīng)用。