商用車開發(fā)過程中的涂裝及防腐設(shè)計

張濤，董美琛，張煥亮，高明，朱登海，吳洋

（浙江吉利新能源商用車集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310000）

隨著近些年商用車發(fā)展越來越好，很多國產(chǎn)車型已出口到國外(如歐洲)腐蝕環(huán)境比較嚴(yán)峻的地區(qū)，客戶不僅更加關(guān)注美觀性，對車型的防腐性能要求也越來越高。目前國內(nèi)大多數(shù)商用車涂裝廠使用葫蘆線電泳，要滿足6年外觀無銹蝕、12年無腐蝕穿孔及腐蝕引起的功能失效的防腐目標(biāo)，需要在車型開發(fā)設(shè)計階段，通過整車屬性防腐部門、產(chǎn)品工程、涂裝同步工程及設(shè)備規(guī)劃等同步參與，設(shè)定車型防腐等級目標(biāo)及干濕區(qū)，選擇車身板材及規(guī)劃涂裝工藝以提前規(guī)避腐蝕問題，并結(jié)合電泳白車身拆解、整車強(qiáng)化腐蝕試驗結(jié)果評價，以達(dá)到防腐目標(biāo)。

1 車型防腐等級目標(biāo)設(shè)定

在車型開發(fā)階段，由研究總院項目組與屬性環(huán)保部門設(shè)定車型的防腐等級目標(biāo)，目前不同車型定位的防腐質(zhì)量目標(biāo)有3個等級。一級防腐目標(biāo)為：6年車身外觀無銹蝕，12年車身無腐蝕穿孔，且整車無因腐蝕問題引起的功能失效；二級防腐目標(biāo)為：5年車身外觀無銹蝕，10年車身無腐蝕穿孔，且整車無因腐蝕問題引起的功能失效；三級防腐目標(biāo)為：3年車身外觀無銹蝕，10年車身無腐蝕穿孔，且整車無因腐蝕問題引起的功能失效。車型設(shè)計、涂裝工藝規(guī)劃及油漆材料開發(fā)需要根據(jù)不同的防腐目標(biāo)等級來進(jìn)行。

2 車型干、濕區(qū)及板材選擇

在車型項目初期定義車身干濕區(qū)，可為車身防腐及密封設(shè)計提供參考。干區(qū)是指整車行駛或露天放置時，不允許雨水、洗車水、路面積水等流經(jīng)及水或濕氣不可能進(jìn)入的區(qū)域；濕區(qū)是指整車行駛或露天放置時，允許雨水、洗車水、路面積水等流經(jīng)及水或濕氣可能進(jìn)入的區(qū)域[1]。干區(qū)一般包含車內(nèi)不直接與外界連通的區(qū)域， 沒有積水，通常是車身內(nèi)部區(qū)域，如座椅橫梁及車內(nèi)加強(qiáng)板腔體；濕區(qū)一般包括接觸水或者長期進(jìn)水的區(qū)域，如車底縱梁、橫梁、開閉件內(nèi)腔等。典型的干、濕區(qū)位置劃分見圖1。

圖1 白車身干濕區(qū)的劃分 Figure 1 Division of dry and wet zones of body in white

目前車用板材多為鍍鋅板、冷軋板、熱成型板、鋁硅涂層板、鋁型材等，電泳后防腐能力的強(qiáng)弱順序為：鋁型材 ＞ 鍍鋅板 ＞ 鋁硅涂層板 ＞ 冷軋板 ＞ 熱成型板。從成本角度考慮，冷軋板的成本最低，鋁型材的成本最高。

根據(jù)干濕區(qū)的定義，可針對高風(fēng)險的濕區(qū)來選擇鍍鋅板或鋁型材，保證車身重點(diǎn)區(qū)域的防腐品質(zhì)。對于車身內(nèi)部干區(qū)等不易進(jìn)水或無水汽的位置，可選擇冷軋板，遵循QC/T 732-2005《乘用車強(qiáng)化腐蝕試驗方法》進(jìn)行整車強(qiáng)化腐蝕試驗驗證。

參考行業(yè)各車型鍍鋅板用量，一級防腐目標(biāo)的車身鍍鋅板使用量大于80%，二級防腐目標(biāo)則介于50% ～ 80%之間，三級防腐目標(biāo)會小于50%。車型定義為二級防腐目標(biāo)的白車身板材選擇建議見表1，據(jù)此可對比一級防腐目標(biāo)的車型選材，在濕區(qū)的高腐蝕風(fēng)險區(qū)適當(dāng)增加鍍鋅板的使用量；對比三級防腐目標(biāo)的車型，經(jīng)過屬性防腐部門及涂裝同步工程的專業(yè)評估或在強(qiáng)化腐蝕試驗驗證后，適當(dāng)減少鍍鋅板的使用量。

表1 車身干濕區(qū)劃分及板材選擇 Table 1 Division of dry and wet zones of vehicle body and corresponding selection advices of panels

3 車身地板總成排氣結(jié)構(gòu)設(shè)計

從防腐的角度來看，電泳工藝是保障白車身防腐的重要一環(huán)。目前涂裝廠的前處理電泳線多為葫蘆線、擺桿線或翻轉(zhuǎn)線，見圖2。葫蘆線電泳過程中白車身水平下降進(jìn)入電泳槽，電泳完成后白車身水平升出電泳槽，車身在電泳過程中基本沒有角度傾斜，因此地板下方區(qū)域加強(qiáng)筋位置的積氣在電泳過程中無法排出，導(dǎo)致無法電泳上漆而出現(xiàn)銹蝕，不能滿足防腐要求。與葫蘆線電泳工藝不同，45°入槽的擺桿線及360°翻轉(zhuǎn)線在出入電泳槽時，車身有一定角度的傾斜，可很大程度地將地板下方的積氣排出，減少積氣問題所導(dǎo)致的電泳不良，保證防腐效果。

圖2 電泳時車身的輸送方式 Figure 2 Delivery modes of vehicle body during electrophoretic coating

對于商用車而言，因車型較大，考慮到前處理電泳材料及運(yùn)營成本，國內(nèi)很多工廠的前處理電泳線仍使用葫蘆線，因此車型的地板設(shè)計需要充分考慮電泳的要求，從結(jié)構(gòu)上規(guī)避積氣問題，保證電泳品質(zhì)。葫蘆線電泳在上述3種電泳方式中對排氣要求最高，因此只要保證了葫蘆線在車型設(shè)計上無積氣所導(dǎo)致的電泳問題，擺桿線和翻轉(zhuǎn)線也不會出現(xiàn)積氣問題。

4 白車身門檻內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計

國內(nèi)主流的車型都將門檻區(qū)域定義為濕區(qū)。門檻作為防腐的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，對內(nèi)腔電泳膜厚的要求高，才能避免腐蝕問題的發(fā)生。門檻設(shè)計一般分為兩種。一種是以新能源車為主的內(nèi)部有鋁擠梁結(jié)構(gòu)的門檻，以提升碰撞安全。這種門檻的內(nèi)外板之間有一個較大的鋁擠梁(見圖3)，因此門檻區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易出現(xiàn)電泳品質(zhì)問題。另一種門檻結(jié)構(gòu)中無鋁擠梁，內(nèi)外板之間為加強(qiáng)支架或者加強(qiáng)板(見圖4)，以保證碰撞安全，多為傳統(tǒng)燃油車型所采用。

為滿足電泳工藝的要求，帶有鋁擠梁的門檻結(jié)構(gòu)需在側(cè)圍外板、門檻加強(qiáng)板、鋁擠梁和門檻內(nèi)板之間每隔200 mm設(shè)計一個直徑20 ～ 25 mm的電泳通孔，側(cè)圍外板、門檻加強(qiáng)板、鋁擠梁和門檻內(nèi)板之間的空隙設(shè)計大于6 mm，具體結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 有鋁擠梁的門檻結(jié)構(gòu)斷面示意圖 Figure 3 Sectional sketch showing the structure of threshold with extruded aluminum beam

無鋁擠梁的門檻結(jié)構(gòu)設(shè)計相對簡單，在側(cè)圍外板或門檻內(nèi)板底部每隔200 mm設(shè)計一個直徑20 ～ 25 mm的電泳孔，側(cè)圍外板、門檻內(nèi)板與內(nèi)部加強(qiáng)板或加強(qiáng)支架之間的空隙設(shè)計大于6 mm，即可滿足電泳要求，具體結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 無鋁擠梁的門檻結(jié)構(gòu)斷面示意圖 Figure 4 Sectional sketch showing the structure of threshold without extruded aluminum beam

5 白車身其他內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計

車體其他位置內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的設(shè)計要保證電泳效果及防腐要求，應(yīng)根據(jù)空腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，包括外部零件遮擋、設(shè)計間隙、電泳開孔尺寸、開孔位置及開孔之間的距離，并將多層板焊接結(jié)構(gòu)的電泳開孔設(shè)計為通孔(典型結(jié)構(gòu)如圖5所示)，避免電泳過程中鈑金遮擋所產(chǎn)生的電場屏蔽而導(dǎo)致電泳膜厚不足。車身空腔間隙及電泳孔的設(shè)計建議見表2。車身其他位置的內(nèi)腔也需同時設(shè)計排氣和排液結(jié)構(gòu)，避免因積氣和積液而產(chǎn)生電泳不良問題。

圖5 A柱上部區(qū)域斷面結(jié)構(gòu)示意圖 Figure 5 Sectional sketch showing the structure of upper part of A-pillar

表2 車身空腔間隙及電泳開孔建議 Table 2 Suggestions on design of cavity clearance and through hole-opening for electrophoretic coating

以上對白車身地板及內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，最終是要保證整車內(nèi)外板及內(nèi)腔加強(qiáng)板的電泳膜厚符合電泳品質(zhì)要求，避免因電泳膜厚不足導(dǎo)致整車防腐能力變差而產(chǎn)生銹蝕問題。

對于因結(jié)構(gòu)問題而無法電泳的位置，如板材件銳邊、焊接貼合面、焊接圓角等區(qū)域，需要根據(jù)不同情況，利用沖壓和涂裝工藝進(jìn)行優(yōu)化和彌補(bǔ)，以解決銳邊及貼合面腐蝕的問題。對于車輛行駛過程中易遭到石擊的車底位置，通過噴涂防石擊密封膠(俗稱PVC)或者安裝外飾護(hù)板，可滿足白車身防腐要求。

6 銳邊腐蝕問題的解決

在強(qiáng)化腐蝕路試結(jié)果中，冷軋板切割邊銳邊腐蝕是非常常見的問題，沖壓切邊毛刺是其原因之一。沖壓切邊毛刺是指板料切斷和沖裁時留在沖壓件斷面口的毛刺，如圖6所示，其中h指毛刺高度，δ指沖壓件的厚度[2]。由于電泳過程中存在尖端效應(yīng)，板材銳邊位置無法附著電泳漆膜，在酸性鹽霧環(huán)境中最容易出現(xiàn)銹蝕問題，如圖7所示。

圖6 沖壓件切邊毛刺示意圖 Figure 6 Sketch of burr at cutting position of stamping plate

圖7 沖壓件切割邊銳邊的腐蝕 Figure 7 Corrosion of sharp cut edge of a stamped part

解決此類問題有幾種方法。第一種方法是沖壓切邊時向內(nèi)切邊(如圖8a所示)，避免向外切邊(如圖8b所示)。由于沖壓切邊時會產(chǎn)生毛刺，沖壓工藝中的切邊方向決定了毛刺的方向，沖壓切邊方向如圖8a所示的話，外露面的銳邊無毛刺，發(fā)生銳邊腐蝕的概率降低，所以沖壓切邊的方向?qū)︿J邊腐蝕有直接關(guān)系。另一種方法是在沖壓件切邊邊緣噴涂焊縫密封膠，避免焊接邊位置暴露于腐蝕環(huán)境之中，徹底抑制銳邊腐蝕問題，涂膠狀態(tài)如圖9所示。還有一種方法是選擇鍍鋅板。對于無法涂膠或者通過改變沖壓切邊方向來避免的銳邊銹蝕問題，可以選用鍍鋅板，以減緩銳邊腐蝕，長時間保持良好的外觀和防腐性能。

圖8 沖壓件切邊方向 Figure 8 Trimming directions of stamping plate

圖9 板材切邊位置噴涂焊縫密封膠 Figure 9 Spraying weld sealant at cutting position of stamping plate

容易出現(xiàn)銳邊腐蝕問題的位置見表3。這些區(qū)域涉及車身外表面，需要充分考慮銳邊腐蝕問題，提前規(guī)劃沖壓切邊及定義焊縫密封膠涂膠。如果車身高外觀要求區(qū)域選擇鍍鋅板，可避免出現(xiàn)因外露區(qū)域銳邊腐蝕而產(chǎn)生的售后問題。

表3 常見銳邊腐蝕的照片 Table 3 Photos of corrosion commonly occurring at sharp edges

7 車底護(hù)板及PVC、焊縫密封膠噴涂定義

車身噴涂PVC及焊縫密封膠是指在車身電泳漆表面噴涂一層乙烯基聚合材料，附著在鈑金表面，避免車身表面發(fā)生金屬腐蝕，同時附著在車身表面的聚合材料還可以降低石擊車身的噪音，提升NVH(噪聲、振動及平順性)與乘客的駕乘舒適性。

車底區(qū)域在平常的駕駛過程中更容易接觸腐蝕環(huán)境，如地面積水、石擊。地面積水中可能含有容易腐蝕板材的酸、鹽等成分，長時間接觸車體會導(dǎo)致車底安裝支架、橫梁、縱梁、地板等位置出現(xiàn)銹蝕。石擊腐蝕是路面砂石飛濺破壞車身漆膜所引起的腐蝕[3]，車輛行駛過程中的碎石擊打會使車底板材表面電泳漆膜破損，從而加快車底板材的銹蝕。

根據(jù)車底發(fā)生腐蝕的難易程度可將車底分為重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域和非重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域，見圖10。重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域一般包含石擊腐蝕比較嚴(yán)重的門檻區(qū)域，前輪罩、后輪罩及輪罩前后端的地板區(qū)域，后備胎地板區(qū)域及無護(hù)板遮擋的區(qū)域；非重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域為有底部護(hù)板、隔熱板、排氣管等大件遮擋及石擊風(fēng)險低的區(qū)域。至于其他未標(biāo)注區(qū)域，腐蝕風(fēng)險非常低，一般不噴涂PVC。針對重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域，可通過增設(shè)底部護(hù)板、噴涂PVC或裙邊膠等手段來防止腐蝕(見圖11)；針對非重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域，可結(jié)合車身板材選擇及護(hù)板、安裝件的遮擋，適當(dāng)對車底沒有遮擋的區(qū)域設(shè)計PVC及焊縫密封膠。

圖10 車底防腐防護(hù)區(qū)域劃分 Figure 10 Division of underbody area for different anticorrosion requirements

圖11 車底護(hù)板或PVC噴涂區(qū)域參考 Figure 11 Reference sketch showing the areas needing underbody cover or PVC spraying

8 注蠟

注蠟是延緩下車體及開閉件等高風(fēng)險腐蝕區(qū)域發(fā)生腐蝕的一種重要手段。車身內(nèi)腔應(yīng)使用空腔防腐蠟，目的是在空腔夾縫等電泳達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)或者電泳漆膜不均勻的位置起到隔絕空氣和水汽的作用，從而達(dá)到防腐效果。采用空腔防腐蠟進(jìn)行車身防腐保護(hù)已被認(rèn)為是汽車防腐行之有效的方法之一[4]。對于南美、北歐等嚴(yán)重腐蝕環(huán)境的地區(qū)，在車身高風(fēng)險腐蝕區(qū)域進(jìn)行注蠟可加強(qiáng)對車身內(nèi)腔焊縫貼合面的防護(hù)，避免帶鹽分的水汽進(jìn)入內(nèi)腔。

目前合資工廠中大眾、奔馳、寶馬、路虎等車企在車身門檻、車底縱梁、車門、前后蓋等位置都進(jìn)行灌蠟或混氣槍注蠟，自主品牌中的吉利、奇瑞、長安、比亞迪等主流工廠在車身門檻、車底縱梁及門蓋開閉件下方等區(qū)域設(shè)計了混氣槍注蠟，它們都能保證車身的防腐功能。

在車型設(shè)計階段結(jié)合干濕區(qū)的定義，對車底濕區(qū)位置注蠟，常見的注蠟位置如圖12中藍(lán)色標(biāo)注內(nèi)腔區(qū)域。

圖12 整車注蠟區(qū)域 Figure 12 Wax injection positions of a whole vehicle

9 結(jié)語

白車身電泳涂層是保證車身防腐的最重要一環(huán)，所有車型內(nèi)外部結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)優(yōu)先考慮車身(尤其是內(nèi)腔)電泳膜厚必須滿足標(biāo)準(zhǔn)，并通過沖壓、涂裝工藝(如控制切邊方向、噴涂防石擊密封膠、注蠟等方式)防止銳邊腐蝕、石擊腐蝕及無法電泳的車身貼合面腐蝕，以保證整車的防腐性能。

本文以商用車防腐設(shè)計為例，討論了車型開發(fā)設(shè)計階段的防腐及涂裝設(shè)計。這項工作在車型開發(fā)過程中越來越重要，需各方協(xié)調(diào)統(tǒng)一，才能滿足國內(nèi)商用車出口至高腐蝕風(fēng)險地區(qū)的需求，保證整車防腐性能達(dá)到要求。