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面影響，例如車門、側圍、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，高倍率補強片的應用則受到限制，如何解決并預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，并從車身設計、補強片的造型設計及補強片配方設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合結構，對鈑金起到補強作用。環(huán)氧樹脂的固化是一個化學交聯(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)生固化收縮應力。補強片固化反應是放熱過程，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)應力[2]。由于補強片和鈑金之間內(nèi)應力的存在，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，固化反應開始，固化物體積逐漸收縮。至C點固化反應完全，B—C階段對應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階段對應材料橡膠態(tài)的收縮，D—E階段對應材料玻璃態(tài)的收縮。對于橡膠態(tài)的收縮來說，由于鏈段未凍結，鏈段運動較容易，因此不會產(chǎn)生較大的內(nèi)應力；對于玻璃態(tài)的收縮，由于鏈段被凍結，這時體積收縮會產(chǎn)生較大的內(nèi)應力。

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防發(fā)生鈑金變形的作用，以供材料供應商和汽車廠家參考。

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)應力。本研究從車身設計、補強片造型設計及補強片配方設計等3個方面討論補強片鈑金變形解決方案，以供參考。

3.1 車身設計

補強片尺寸、補強倍數(shù)越大，則產(chǎn)生的內(nèi)應力越大，如果補強片所粘貼處鈑金過薄，鈑金變形風險較高。在車身設計時，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為一例補強片設計不當造成的鈑金變形問題。

3.2 補強片造型設計

通過實踐發(fā)現(xiàn)，補強片開槽、邊緣波浪線等造型設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計可以使內(nèi)應力得到分散。

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)應力的傳遞，因此，材料固化后內(nèi)應力比較分散，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合防腐能力進行綜合考慮。

圖3 開槽設計Fig.3 Slot design

3.2.2 波浪線設計

補強片邊緣設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)生的應力集中，使內(nèi)應力分布在較大范圍內(nèi)，從而降低鈑金變形的風險。

圖4 波浪線設計Fig.4 Wave line design

3.3 補強片配方設計

車身設計和造型設計只能從一定程度上降低鈑金變形風險，只有從根本上減小內(nèi)應力的產(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，導致反應活性降低，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大部分載荷，使應力分散均勻，避免應力集中。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，有效傳遞及分散應力，從而減小內(nèi)應力，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。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系，也可以靈活設計配方，達到降低補強片固化體積收縮的目的。

4 結語

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，可以在設計之初盡可能規(guī)避補強片鈑金變形風險。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用。