白車身發(fā)泡材料膨脹性能研究

張曉樂 郭東棟 鄒尚博

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

1 前言

隨著人們生活水平的提高，對汽車乘坐體驗(yàn)的要求越來越高。汽車的NVH 性能是乘坐舒適性的重要影響因素，車身空腔將噪音放大，傳導(dǎo)入車內(nèi)，降低乘坐舒適性。通常在車身制造工藝中，采用安裝發(fā)泡件、注膠、注蠟的方式阻隔車身空腔氣流、路噪、排氣噪音的傳播途徑[1-3]。除此之外，對車身空腔注射泡沫原液的反應(yīng)注射成型（RIM）工藝能最大程度減少中高頻噪聲[4]。在白車身制造過程中，涂折邊膠、減震膠、點(diǎn)焊密封膠工藝也對車身振動降低有一定的貢獻(xiàn)[5]。為了保證NVH 性能，車身往往同時使用以上方式或者其中幾種。發(fā)泡材料在車身的應(yīng)用也非常普遍，常用的發(fā)泡件材料有聚氨酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、乙烯-醋酸乙烯酯等[6-8]。

某高端車型采用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物發(fā)泡材料，在白車身制造工藝中安裝，在涂裝的電泳工藝之后進(jìn)行烘烤膨脹，堵住車身的結(jié)構(gòu)空腔，達(dá)到減振降噪的目的。在進(jìn)入涂裝工藝之前，焊裝車間需要對白車身進(jìn)行預(yù)烘烤，使裝焊膠發(fā)生預(yù)固化。預(yù)固化的目的是防止車身進(jìn)入涂裝的預(yù)清洗和電泳時將裝焊膠沖掉。在正常情況下，裝焊烤箱所設(shè)置的溫度和時間不會使發(fā)泡件發(fā)生過度膨脹。但是，在烤箱出口，會偶發(fā)設(shè)備機(jī)械故障，導(dǎo)致烤箱出口堵塞，車身無法正常導(dǎo)出，或者發(fā)生電氣故障，車身也會滯留烤箱內(nèi)。在這種情況下，車身在烤箱內(nèi)滯留時間超過工藝要求，發(fā)泡件存在過度膨脹的風(fēng)險。發(fā)泡件過度膨脹會堵塞車身內(nèi)部空腔，這種情況下進(jìn)行電泳時，電泳液無法順利進(jìn)入車身內(nèi)部空腔，導(dǎo)致部分區(qū)域電泳層厚度不足。發(fā)泡件過度膨脹會造成車身報廢，損失巨大。為了避免發(fā)泡件在電泳前過度膨脹，對車身發(fā)泡件膨脹性能進(jìn)行研究。

2 試驗(yàn)材料與設(shè)備

2.1 試驗(yàn)材料

某高端車型使用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物發(fā)泡材料，發(fā)泡材料在裝焊車間安裝，安裝后進(jìn)行白車身拼裝，發(fā)泡材料卡在空腔的特定位置。圖1 為某車型部分發(fā)泡件的安裝位置示意。發(fā)泡件經(jīng)過電泳烤箱后，膨脹可達(dá)數(shù)倍到數(shù)十倍。在汽車行駛過程中，膨脹后的發(fā)泡材料可以吸收產(chǎn)生的振動和噪聲，同時消除空腔的振動放大效應(yīng)，降低車廂內(nèi)噪音[9]。

圖1 車身發(fā)泡件安裝位置示意

車身發(fā)泡件如圖2所示，灰色部分為發(fā)泡材料，黑色部分為安裝卡扣和結(jié)構(gòu)支撐。車身發(fā)泡件的形狀很多，主要與所安裝位置的空腔形狀有關(guān)。

圖2 車身發(fā)泡件

2.2 裝焊烤箱

裝焊烤箱主要分為3 個區(qū)域，加熱區(qū)、保溫區(qū)和冷卻區(qū)，如圖3 所示。在烤箱入口和保溫區(qū)與冷卻區(qū)之間設(shè)有氣封，以減少熱損失?？鞠渫ㄟ^循環(huán)氣流進(jìn)行加熱，加熱區(qū)和保溫區(qū)設(shè)定溫度均為130 ℃，2 個區(qū)域沒有本質(zhì)區(qū)別，只是工藝階段不同。在加熱區(qū)，車身處于溫度上升階段，在保溫區(qū)，車身溫度已上升至工藝溫度，保持恒定。

圖3 烤箱基本結(jié)構(gòu)

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)使用一恒鼓風(fēng)干燥箱BPG-9040A 對發(fā)泡件進(jìn)行烘烤，來探究溫度和時間對發(fā)泡件膨脹程度的影響，如圖4 所示。鼓風(fēng)干燥箱最大加熱溫度200 ℃，加熱時間可自由設(shè)置。試驗(yàn)前，使用爐溫測量儀對烤箱內(nèi)爐溫進(jìn)行測量，與顯示的實(shí)際值相同。將發(fā)泡件放置在圖5 所示鐵質(zhì)單面開口盒子里，模擬車身內(nèi)發(fā)泡件環(huán)境，防止直接受到熱輻射，影響試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 鼓風(fēng)干燥箱

圖5 放置發(fā)泡件的鐵盒

3 試驗(yàn)步驟

3.1 臨界狀態(tài)的界定

車身發(fā)泡件的厚度為3～6 mm，距離空腔板材的距離為2～3 mm。膨脹體積＜5%時，沒有堵塞空腔風(fēng)險，其表面開始出現(xiàn)目視可見小氣泡，但整體平整光滑，將其定義為臨界合格件,如圖6 所示。再加熱膨脹后，表面不再光滑，出現(xiàn)明顯鼓泡。不合格件則充滿氣泡，表面不再平滑，如圖7所示。這些臨界件的界定，最根本的原則是保證膨脹程度不堵塞其所在的空腔。實(shí)際上這些臨界合格件的界定是相對保守的。

圖6 發(fā)泡件臨界合格狀態(tài)

圖7 發(fā)泡件不合格狀態(tài)

3.2 發(fā)泡門檻溫度測定

使用鼓風(fēng)干燥箱，對發(fā)泡件進(jìn)行加熱試驗(yàn)。試驗(yàn)件放在自制鐵盒中，防止直接熱輻射，以使發(fā)泡件所處的位置和受熱狀態(tài)與車身實(shí)際狀態(tài)盡量接近?？鞠涞綔睾箝_始計(jì)時。分別得到這2 種發(fā)泡件在不同溫度下的膨脹狀態(tài)。

對發(fā)泡件進(jìn)行135 ℃、130 ℃、125 ℃和120 ℃加熱，觀察在不同保溫時間下發(fā)泡件的膨脹狀態(tài)。膨脹程度低于或與臨界合格標(biāo)準(zhǔn)件相似的記為合格點(diǎn)，超過臨界合格標(biāo)準(zhǔn)件的記為不合格點(diǎn)，由此測量出發(fā)泡的門檻溫度，低于門檻溫度，無論發(fā)泡件保溫多長時間都不再膨脹。對發(fā)泡件進(jìn)行不同溫度下的保溫，在130 ℃和125 ℃下保溫，發(fā)泡件均會發(fā)生膨脹，在120 ℃下保溫，經(jīng)過360 min，發(fā)泡件膨脹程度仍低于臨界合格標(biāo)準(zhǔn)件，如圖8 所示。在130 ℃/70 min 條件下，發(fā)泡件已經(jīng)發(fā)生劇烈膨脹，可以看出非常明顯的發(fā)泡，如圖9 所示。在125 ℃/150 min 條件下，發(fā)泡件膨脹程度雖然已經(jīng)超過臨界合格標(biāo)準(zhǔn)件狀態(tài)，但是膨脹程度低于130 ℃/70 min，如圖10 所示。在實(shí)際生產(chǎn)中，不會出現(xiàn)車身在烤箱中滯留360 min 的情況，所以認(rèn)為發(fā)泡件膨脹的門檻溫度為120 ℃。

圖8 120 ℃/360 min保溫

圖9 130 ℃/70 min保溫

圖10 125 ℃/150 min保溫

恒定溫度下，發(fā)泡件的溫度/時間與發(fā)泡件狀態(tài)具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 恒定溫度下溫度/時間與發(fā)泡件狀態(tài)

通過以上方法測定恒定溫度下保溫的發(fā)泡門檻溫度。實(shí)際生產(chǎn)中，還存在另外1 種情況，即溫度從130 ℃降到多少攝氏度，發(fā)泡件會停止發(fā)泡。于是，進(jìn)行了以下試驗(yàn)。

將發(fā)泡件在130 ℃下保溫50 min，再將溫度降到120 ℃，保溫70 min 后，發(fā)泡件膨脹超過臨界合格標(biāo)準(zhǔn)件，如圖11 所示。將發(fā)泡件在130 ℃下保溫50 min，再將溫度降到115 ℃，保溫130 min 后，發(fā)泡件膨脹超過臨界合格標(biāo)準(zhǔn)件。將發(fā)泡件在130 ℃下保溫50 min，再將溫度降到110 ℃，保溫360 min 后，發(fā)泡件膨脹程度仍低于臨界合格標(biāo)準(zhǔn)件，如圖12 所示。由此認(rèn)為，溫度從130 ℃降低到110 ℃后，發(fā)泡件不再繼續(xù)膨脹。發(fā)泡件在臺階溫度下，膨脹門檻溫度從120 ℃降至110 ℃。

圖11 130 ℃/50 min+120 ℃/70 min

圖12 130 ℃/50 min+110 ℃/360 min

臺階溫度下，發(fā)泡件的溫度/時間與發(fā)泡件狀態(tài)具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 臺階溫度下溫度/時間與發(fā)泡件的狀態(tài)

3.3 累加效應(yīng)測定

在測定發(fā)泡件膨脹門檻溫度后，還需要測試發(fā)泡件是否有累加效應(yīng)。首先對發(fā)泡件進(jìn)行130 ℃/50 min 保溫，從烤箱取出后，自然冷卻至室溫。在將其加熱至130 ℃保溫30 min 后，發(fā)泡件膨脹程度超過臨界合格標(biāo)準(zhǔn)件，如圖13 所示。表明對發(fā)泡件加熱時具有累加效應(yīng)。第2 次加熱30 min 發(fā)生膨脹，膨脹所需的時間小于第1 次加熱發(fā)生膨脹的時間65 min。但是膨脹程度小于單次加熱70 min，如圖14 所示。

圖13 130 ℃/50 min+130 ℃/30 min

圖14 130 ℃/70 min

發(fā)泡件累加效應(yīng)測量數(shù)據(jù)見表3。

表3 累加效應(yīng)測量數(shù)據(jù)

3.4 溫度和時間與發(fā)泡件膨脹程度的關(guān)系

通過對發(fā)泡件進(jìn)行不同溫度和時間的保溫，得到溫度和時間對發(fā)泡件膨脹程度的關(guān)系。如圖15 所示，菱形點(diǎn)表示不合格點(diǎn)，三角形點(diǎn)表示合格點(diǎn)。從圖中可以看出，隨著溫度的升高，發(fā)泡件膨脹所需的時間逐漸變短。溫度＜120 ℃時，發(fā)泡件不再膨脹。

圖15 溫度和時間與發(fā)泡件膨脹關(guān)系

溫度/時間對發(fā)泡件膨脹程度的影響數(shù)據(jù)，見表4。

表4 溫度和時間對發(fā)泡件的影響

3.5 熱循環(huán)曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)泡件在130 ℃/65 min 內(nèi)不會出現(xiàn)過度膨脹，在110 ℃以下，無論加熱多長時間都不會發(fā)泡。由此，可以得到發(fā)泡件不發(fā)生膨脹的熱循環(huán)曲線。

在連續(xù)加熱的情況下，超過110 ℃的時間＜65 min，在不連續(xù)加熱情況下，2 次或數(shù)次加熱溫度110 ℃以上時間之和＜65 min，根據(jù)累加效應(yīng)的結(jié)果，保溫時間相同時，不連續(xù)加熱膨脹程度低于連續(xù)加熱，所以，在圖16 和圖17 所示的2 種情況下，發(fā)泡件均沒有過度膨脹風(fēng)險。

圖16 連續(xù)加熱下的熱循環(huán)

圖17 非連續(xù)加熱下的熱循環(huán)

4 結(jié)論

本文通過模擬實(shí)際生產(chǎn)中烤箱的工作狀態(tài)，得到了發(fā)泡件的膨脹程度與時間、溫度的基本特性?；咎匦钥梢宰鳛閷?shí)際生產(chǎn)中烤箱發(fā)生故障時判斷發(fā)泡件狀態(tài)的參考。

從試驗(yàn)中得出，隨著溫度的升高，發(fā)泡件膨脹至臨界狀態(tài)所需的時間逐漸變短。發(fā)泡件在130 ℃、保溫時間＞65 min，發(fā)泡程度超過臨界狀態(tài)；溫度＜120 ℃，保溫時間＞360 min，發(fā)泡程度未超過臨界狀態(tài)。發(fā)泡件在臺階溫度下，膨脹門檻溫度從120 ℃降至110 ℃。發(fā)泡件膨脹具有累加效應(yīng)，對于已加熱過而未發(fā)生膨脹的發(fā)泡件，再次進(jìn)行加熱時，第2 次加熱膨脹至臨界狀態(tài)的時間小于未加熱過的發(fā)泡件；其總加熱時間大于單次加熱至臨界狀態(tài)所需的時間。通過不同溫度的加熱測試，得到溫度、時間與發(fā)泡件膨脹的關(guān)系，制定了合格件的熱循環(huán)曲線。在實(shí)際生產(chǎn)中，加熱狀態(tài)低于熱循環(huán)曲線，發(fā)泡件不會發(fā)生過度膨脹。本文為生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)設(shè)備停機(jī)時，制定維修策略和判斷過烘烤車身是否合格提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。