碳纖維復(fù)合材料在車身底板上的膠接研究及應(yīng)用

陳茂江 曾繁旭

（1.恒大新能源汽車投資控股集團(tuán)有限公司，廣州511466；2.上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海201306）

1 前言

碳纖維復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Poly?mer，CFRP)具有低密度、機(jī)械性能優(yōu)良及耐化學(xué)品性能優(yōu)良的特點(diǎn)，因而在新能源汽車的輕量化設(shè)計中逐步被廣泛使用。蔚來ES6 車身鋁合金材料使用比率達(dá)到了94%以上，并且地板上有3 個部件采用了CFRP，如圖1 中部件1（Part 1）、部件2（Part 2）、部件3（Part 3）所示。

圖1 ES6車型中的CFRP部件

CFRP 的連接工藝主要有機(jī)械連接（包括鉚接、螺栓連接等）、膠結(jié)、焊接和混合連接（指同時采用最少2種連接工藝）等，這4種連接技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1[1]。根據(jù)表1 中列舉的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到部件3僅用于車身座艙內(nèi)、外之間的密封隔離，承受的載荷較低，采用最簡易的機(jī)械連接—螺栓連接，部件1和部件2要承受安全帶卡扣和重物沖擊帶來的較大載荷，且為非熱塑性CFRP，因而采用膠接技術(shù)，通過選用合適的膠粘劑來達(dá)到強(qiáng)度要求。

表1 4種不同連接技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對比

由圖1 可以看出3 個CFRP 部件在車身結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用位置，結(jié)合車身所采用的鋁合金材料型號，決定了在車身總成階段有CFRP 與鑄鋁件（T6 狀態(tài)帶電泳層）的粘接；CFRP 與CFRP 之間的粘接；CFRP 與沖壓鋁件（T8 狀態(tài)帶電泳層）的粘接。這樣的粘接應(yīng)用在德國的寶馬I3/I7 及德國奧迪R8車身上均有大批量的使用實(shí)績，在國內(nèi)屬于首次大批量使用。

CFRP 與相關(guān)零件之間采用結(jié)構(gòu)膠粘接并進(jìn)行紅外線加熱預(yù)固化的方式，使結(jié)構(gòu)膠層在規(guī)定的生產(chǎn)節(jié)拍內(nèi)達(dá)到一定的固化效果和剪切強(qiáng)度，可以起到固定CFRP 部件的作用，從而保證下道工序（總裝車間）操作時CFRP 部件的定位精度和粘接強(qiáng)度不受影響。

研究圖1 中ES6 車型CFRP 部件1 和部件2 的粘接技術(shù)，通過進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)測試完成如下工作：

a.確定粘接工藝流程；

b.確定粘接工藝參數(shù)；

c. 實(shí)現(xiàn)在大批量生產(chǎn)線上的應(yīng)用，使全鋁車身及CFRP 部件按規(guī)定的生產(chǎn)節(jié)拍(20 輛/h)完成粘接工作。

2 研究內(nèi)容

2.1 技術(shù)準(zhǔn)備

2.1.1 樣件尺寸要求如圖2，剪切強(qiáng)度測試方法參照GB/T 7124—2008《膠粘劑 拉伸剪切強(qiáng)度的測定（剛性材料對剛性材料）》[2]，并根據(jù)車身實(shí)際情況對試片和結(jié)構(gòu)膠厚度作了相應(yīng)調(diào)整。

圖2 樣件尺寸要求

2.1.2 測試采用的材料

鋁樣片采用6021 鋁材（涂覆電泳漆），材料供應(yīng)商為神戶或諾貝麗斯。CFRP 樣片供應(yīng)商為康德公司。

結(jié)構(gòu)膠的確定，在技術(shù)上選擇原則如下5 點(diǎn)：

a.性能。結(jié)構(gòu)膠固化后需要同時滿足車身結(jié)構(gòu)設(shè)計所要求的搭接剪切強(qiáng)度和斷裂伸長率。

b.粘接基材。能夠適用于CFRP/電泳鋁，CFRP/CFRP 等基材組合的粘接。

c.生產(chǎn)車間。如果安排在車身車間粘接，預(yù)固化的結(jié)構(gòu)膠需要耐涂裝車間的環(huán)境影響，如前處理/電泳槽里的化學(xué)品槽液的影響、電泳烘房180 ℃高溫造成的剪切應(yīng)力的影響等。安排在涂裝車間最后一道工序粘接，使以上影響得以避免。

d. 生產(chǎn)流程。涂膠、加熱固化等相關(guān)工藝方案均要滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求。

e.裝配要求。進(jìn)入總裝車間后，預(yù)固化的結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度要能滿足下道工序的裝配環(huán)境要求。

基于以上原則，結(jié)構(gòu)膠采用陶氏（DOW）的BE?TAFORCETM2817 柔性快速固化雙組分型聚氨酯結(jié)構(gòu)膠，陶氏（DOW）提供的該產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 雙組分結(jié)構(gòu)膠的技術(shù)參數(shù)

表2 中陶氏（DOW）采用的相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)為DIN EN ISO 527–1《Plastics-Determination of ten?sile properties- Part 1: General principles》[3]和DIN EN ISO 527–2《Plastics-Determination of tensile properties-Part 2:Test conditions for moulding and ex?trusion plastics》[4]。

2.1.3 測試用紅外烤燈參數(shù)設(shè)置

測試使用的紅外線烤燈溫度-時間設(shè)置見圖3，預(yù)加熱段（100 ℃，60 s），對鋁合金基材進(jìn)行預(yù)加熱。加熱段（80～140 ℃，120 s），對結(jié)構(gòu)膠加熱預(yù)固化。紅外線烤燈的溫度-時間設(shè)置采用程序自動控制，確保測試過程中數(shù)據(jù)可靠，以下測試非特殊說明，均應(yīng)用該加熱固化程序。圖中標(biāo)注曲線為紅外烤燈的設(shè)置溫度-時間對應(yīng)圖，其他8 條曲線是每次測試的雙組分結(jié)構(gòu)膠的實(shí)測溫度-時間對應(yīng)圖，共測試了8 次。

圖3 測試使用的紅外線烤燈溫度-時間設(shè)置

2.2 工藝參數(shù)的測試

2.2.1 零件間隙對結(jié)構(gòu)膠搭接性能的影響

采用雙組分的聚氨酯結(jié)構(gòu)膠，當(dāng)固化劑中的氰酸酯與主劑中的活潑氫接觸時，便會自動進(jìn)行加成反應(yīng)，生成氨基甲酸酯結(jié)構(gòu)，同時生成帶支鏈結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)的交聯(lián)產(chǎn)物，具有粘接力高的特點(diǎn)。由于聚氨酯分子中含有大量的極性基團(tuán)，偶極矩大，對被粘材料有很大的親和力，所以能同時對多種材料起到粘結(jié)作用。另外，固化劑中的異氰酸酯基(—N=C=O)是一個十分活潑的反應(yīng)性基團(tuán)，它除了能與主劑中的活潑氫反應(yīng)外，也可以與被粘材料表面物質(zhì)分子中的活潑氫反應(yīng)，生成化學(xué)鏈，使膠粘劑分子同時與被粘的2 種材料發(fā)生橋架作用，產(chǎn)生很好的粘接力。因此，結(jié)構(gòu)膠層的厚度決定了被粘接材料表面發(fā)生的橋架作用在粘接反應(yīng)中所占的比重，從而影響到粘接強(qiáng)度。

本測試是通過墊片控制膠層厚度，試片分為2組，一組厚度為（2 mm CFRP-2 mm 鋁合金），另一組厚度為（2 mm CFRP-2 mm CFRP），經(jīng)過加熱固化，研究零件間隙即結(jié)構(gòu)膠厚度對膠搭接性能的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 結(jié)構(gòu)膠厚度與強(qiáng)度的關(guān)系

根據(jù)圖4 的測試結(jié)果，綜合考慮生產(chǎn)線設(shè)備的控制精度和控制成本，膠層厚度選用1.5 mm。

2.2.2 常溫自然固化測試

為了證明加熱固化的必要性，先要作一個基礎(chǔ)測試。設(shè)想結(jié)構(gòu)膠層不經(jīng)歷烤燈加熱，而采用常溫自然固化，測試其剪切強(qiáng)度和時間的關(guān)系，結(jié)構(gòu)膠層厚度設(shè)定為1.5 mm，常溫固化溫度為23 ℃，相對濕度為50%，測試結(jié)果見圖5。

圖5 結(jié)構(gòu)膠自然固化效果

根據(jù)圖5 測試的結(jié)構(gòu)膠自然固化效果，結(jié)論是在23 ℃下24 h 后，搭接剪切強(qiáng)度可達(dá)到BETA?FORCE?2817 結(jié)構(gòu)膠的設(shè)計目標(biāo)10 MPa；大約需要40～60 min 后，才能達(dá)到0.5 MPa 的操作強(qiáng)度要求，無法滿足生產(chǎn)節(jié)拍的要求，因此，采用加熱預(yù)固化的工藝具有很大的研究價值。

母親必須知道的事項(xiàng)：注意母親角色對建立安全型依戀關(guān)系的作用。孩子能否建立起安全型的依戀關(guān)系，母親角色起著關(guān)鍵性作用。建立了安全型依戀關(guān)系的留守兒童一般都具有穩(wěn)定而快樂的積極情緒，在陌生情境中有較強(qiáng)的獨(dú)立精神，與人交往時有很強(qiáng)的社會能力和良好的社會關(guān)系；如果缺乏母愛，則容易使兒童形成回避型或反抗型依戀。

2.2.3 對雙組分結(jié)構(gòu)膠的操作強(qiáng)度測試

本測試基于雙組分結(jié)構(gòu)膠BETAFORCE?2817粘接CFRP-鋁合金試片后，進(jìn)行紅外烘烤，烘烤后，壓緊工裝馬上松開，在10 s 時間內(nèi)測試剪切強(qiáng)度是否滿足0.5 MPa 的操作強(qiáng)度要求。

測試1：試片厚度為（1.5 mm CFRP-1mm 鋁），結(jié)構(gòu)膠厚度為1.5 mm，測試結(jié)果見圖6。

圖6 測試1結(jié)果

由圖6 可見，加熱烘烤時間為120 s 時，剪切強(qiáng)度可達(dá)到0.5 MPa 的操作強(qiáng)度要求；加熱烘烤時間為150 s 時，剪切強(qiáng)度可超過0.5 MPa 的操作強(qiáng)度要求。

測試2：試片厚度為（2.5 mm CFRP-4 mm 鋁），結(jié)構(gòu)膠厚度為1.5 mm，測試結(jié)果見圖7。

圖7 測試2結(jié)果

由圖7 可見，加熱烘烤時間為150 s 時，剪切強(qiáng)度可達(dá)到0.5 MPa 的操作強(qiáng)度要求；加熱烘烤時間為180 s 時，剪切強(qiáng)度可超過0.5 MPa 的操作強(qiáng)度要求。

通過以上2 個測試，結(jié)論是車身材料厚度組合優(yōu)先采用（1.5mm CFRP-1 mm 鋁），這樣，加熱烘烤時間120 s 后，粘接層的剪切強(qiáng)度即可達(dá)到0.5 MPa 的操作強(qiáng)度要求，同時滿足了生產(chǎn)節(jié)拍的要求。

2.2.4 承重強(qiáng)度測試

CFRP 粘接工序在涂裝車間完成，車身3 h 后將到達(dá)總裝后地板部位的內(nèi)飾安裝工位，總裝車間要求CFRP 部件上能夠承載兩個人（載荷為200 kg），通過CAE 模擬分析，此時CFRP 部件的剪切強(qiáng)度要求達(dá)到1.5 MPa，鑒于此，進(jìn)行了以下測試。

測試條件：試片厚度為（1.5 mm CFRP-4 mm鋁），結(jié)構(gòu)膠厚度為1.5 mm，

固化條件：加熱時間分別設(shè)定為（90 s，120 s，150 s，180 s），然后再常溫自然固化3 h 后，分別測試了從CFRP 試片接受加熱和從鋁片接受加熱的兩種狀態(tài)，測試結(jié)果見圖8。

圖8 承重強(qiáng)度測試結(jié)果

由圖8 可見，加熱時間為90 s，再常溫自然固化3 h 后，CFRP 粘接層的剪切強(qiáng)度就能夠達(dá)到1.5 MPa 的要求。

2.2.5 CFRP 表面處理對膠接接頭性能的影響

膠接是利用基體與結(jié)構(gòu)膠在粘接界面上產(chǎn)生的機(jī)械結(jié)合力、物理吸附力與化學(xué)鍵結(jié)合力而使2 個被粘物粘接起來的工藝，所以膠接結(jié)構(gòu)的承載是通過膠層及界面?zhèn)鬟f載荷，因此基體表面與膠粘劑的粘接性能是影響膠接結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵。通過表面處理方法改變被粘物表面特性從而增強(qiáng)其與膠粘劑之間的粘接強(qiáng)度已成為提高膠接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)鍵工藝。因而，對于碳纖維復(fù)合材料，是否需要對粘接表面進(jìn)行打磨和底涂也需要驗(yàn)證。

測試條件：試片厚度為（2.0 mm CFRP-1.5 mm結(jié)構(gòu)膠-2.0 mm CFRP）。分別從是否進(jìn)行表面打磨、噴涂底漆的維度進(jìn)行了驗(yàn)證，加熱固化后的結(jié)果見圖9。

圖9 表面處理效果測試結(jié)果

由圖9 可見，在涂結(jié)構(gòu)膠前，需要進(jìn)行表面處理，采用400#砂紙打磨CFRP 粘接部位，并涂覆底涂是最佳組合。

2.3 CFRP粘接工藝流程及關(guān)鍵工藝參數(shù)

根據(jù)以上對CFRP 粘接工藝中關(guān)鍵性能及工藝參數(shù)的測試，決定CFRP 粘接生產(chǎn)線工藝流程及關(guān)鍵工藝參數(shù)如圖10。

圖10 CFRP粘接生產(chǎn)線工藝流程及關(guān)鍵工藝參數(shù)

2.4 CFRP粘接生產(chǎn)線的布置

CFRP粘接生產(chǎn)線分兩期建設(shè)，一期產(chǎn)能10 輛/h，總體布置見圖11（圖中上半部分為平面布置圖，下半部分為立體效果圖）。

圖11 CFRP一期生產(chǎn)線總體布置

二期是在一期基礎(chǔ)上復(fù)制了第2 條生產(chǎn)線，從而使總產(chǎn)能達(dá)到20 輛/h。

2.5 CFRP粘接生產(chǎn)線的工序詳解

首先在線外人工對CFRP 部件的涂膠粘接部位進(jìn)行預(yù)處理，采用400#砂紙打磨后，清理擦凈打磨部位的殘?jiān)突覊m。然后將CFRP 部件放置到全自動粘接生產(chǎn)線的上件機(jī)構(gòu)。

a.車身（帶涂裝噴漆滑撬）到達(dá)工位1；

b.車身快速進(jìn)入CFRP 粘接工位滾床；

c.車身頂升，車身定位鎖緊夾具進(jìn)入指定位置，車身定位夾具定位車身并鎖緊（滑撬不移出），紅外線預(yù)加熱設(shè)備進(jìn)入到指定位置；

d.CFRP 機(jī)器人1 帶攝像定位裝置進(jìn)行車身定位確認(rèn)，車身定位確認(rèn)后車底預(yù)加熱裝置開啟安裝件1 的區(qū)域預(yù)加熱；

e.同時機(jī)器人1 帶抓手抓取件1，到達(dá)自動底涂位置完成自動底涂（所有將要涂覆結(jié)構(gòu)膠的位置都需要涂有DOW4800 材料），然后到達(dá)自動涂膠位置完成自動涂膠并利用視覺系統(tǒng)完成膠連續(xù)性及高度檢測；

f.機(jī)器人帶抓手將件1 安裝在車身正確位置并把結(jié)構(gòu)膠下壓到指定的厚度，膠厚（1.5±1）mm，再次開啟車身底部的紅外線加熱烤燈進(jìn)行加熱固化（機(jī)器人安裝件1 期間紅外預(yù)加熱停止）；

g.機(jī)器人1 退出并完成件1 的安裝；

h.車身解除鎖緊及相關(guān)定位后，進(jìn)入工位2；

i.件2 的安裝動作與件1 類似，區(qū)別在于開啟的預(yù)加熱區(qū)域?yàn)榧? 的安裝區(qū)域，件2 安裝到車身后，抓手上的紅外線加熱裝置及車身底部件2 的預(yù)加熱裝置同時開啟完成加熱固化；

j.機(jī)器人回到原位，完成兩個零件的安裝及固化；

k.完成了CFRP 粘接工藝后的車身轉(zhuǎn)移到總裝車間。

3 結(jié)束語

針對國內(nèi)第一條將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)的大批量（20 輛/h）生產(chǎn)線進(jìn)行了研究分析，通過對預(yù)處理CFRP組件進(jìn)行400#砂紙打磨后噴底涂，將BETAFORCE?結(jié)構(gòu)膠下壓至厚度（1.5±1）mm，然后采用紅外線加熱預(yù)固化，可達(dá)到最符合預(yù)期的固化效果。

該生產(chǎn)線將CFRP 材料與車身的地板件進(jìn)行了粘接，實(shí)踐了國內(nèi)新能源汽車與碳纖維材料在大批量生產(chǎn)中的首次結(jié)合。但是，與國外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全CFRP 車身量產(chǎn)技術(shù)相比，還存在較大的差距，如何將CFRP 大批量應(yīng)用在車身外覆蓋件，并且確保車身的外觀質(zhì)量，這仍然是擺在我們面前的課題。