整車耐腐蝕及質量監測技術研究

◆王宇震/ 文

0 引言

腐蝕是汽車產品與生俱來需要克服的問題。受到汽車使用環境的復雜性影響，氣候、污染、行駛等因素都會影響汽車腐蝕狀況。而汽車腐蝕導致的整車外觀生銹、腐蝕失效、功能喪失等質量問題，不僅會帶來重大的經濟損失，同時嚴重影響汽車的安全性。

近年來，汽車防腐蝕越來越受到汽車行業的重視，整車抗腐蝕性能已成為考核汽車性能的主要項目之一。2021年12月9日，在中國消費品質量安全促進會指導下，由海南熱帶汽車試驗有限公司作為牽頭單位的22家單位共同發布“中國汽車耐腐蝕與老化性能評價規程（CACAP）”，有效豐富了汽車產品的質量評價體系，為我國汽車耐腐蝕測試技術發展發揮了積極作用。

汽車腐蝕是一個極其復雜的過程，至少涉及以下混合相：固/液相、固/氣相、固/液/氣相、固/液/液/相。而腐蝕監測也是一項多學科任務，通常需要兩種或兩種以上的方法來充分滿足給定系統中的監控需求。不同的系統往往需要不同的方法或不同方法的組合。

腐蝕監測包括在任何給定時間內對材料狀況的腐蝕檢查和一系列腐蝕監測，以獲取材料腐蝕過程或周圍環境腐蝕性信息。作為腐蝕技術研究的一部分，汽車工業過程參數如材料、溫度、pH值、保質期、防腐工藝、產品定位等，被引入腐蝕監測，實現精確管理以及生產合格產品或提高產品質量的目的。

下面圍繞腐蝕種類和監測技術，以及汽車腐蝕監測、質量控制的主要技術方案進行討論研究。

1 腐蝕種類與監測技術簡述

金屬材料在使用過程中，受周圍環境影響必然遭到不同形式的破壞，其中最常見的破壞形式是斷裂、磨損和腐蝕。按照腐蝕形態分類，腐蝕分為均勻腐蝕和局部腐蝕兩大類。按照腐蝕環境分類，可分為大氣腐蝕、土壤腐蝕、海水腐蝕、生物腐蝕、高溫氣體腐蝕、輻照腐蝕、酸堿鹽中腐蝕、溶鹽腐蝕及非水溶液中的腐蝕等[1-2]。按照腐蝕機制分類，金屬腐蝕可分為化學腐蝕、電化學腐蝕和物理腐蝕，其中電化學腐蝕最為普遍，對金屬的危害最嚴重。

現代腐蝕監測實踐經驗大部分來自化學、石油化學、煉油、動力等工業，方法包括超聲波法、聲發射法、電位法、電阻法、線性極化法、電偶法、電位監測法、射線技術及各種探針技術。近幾年出現的新興監測技術，包括交流阻抗技術、恒電量技術、電化學噪聲技術和超聲波滑測量技術等[3-5]。

2 汽車腐蝕監測三種主要技術方案

汽車行業常用的監測方式，包括多電極系統、金屬掛板和電阻探針三種形式。

2.1 多電極系統

耦合多電極陣列由于其中的電極可以以任何給定的模式排列，并且每個電極都是可尋址的，近年來，已被用作傳感器（CMAS）在實驗室和工業領域的腐蝕在線實時監測。由于CMAS不需要大量電解質，因此不僅可用于定量測量液相中的金屬局部腐蝕，還可用于測量濕氣、油/水混合物、鹽沉積物、生物沉積物、土壤、混凝土和底漆中的金屬局部腐蝕[6]。

2.2 金屬掛板

使用分析天平測量試樣的質量變化（失重或增重）和厚度變化（最大失厚、平均失厚），已被廣泛用于評估材料在腐蝕環境中的降解情況，作為暴露時間或溫度的函數。

2.3 電阻探頭

基于檢測電阻變化的腐蝕監測探頭，自20世紀50年代開始使用。這些電阻探頭有時被稱為電子探針，主要參數為暴露在目標環境中的傳感元件的電阻。如果傳感元件遭受腐蝕，其橫截面積將減小，測得的電阻將增加。依據結構復雜程度，包括數據傳輸式和線下檢測式。腐蝕探針有多種形式，包括導線和回路、管狀體、薄膜/薄片和帶材[7]。

3 汽車腐蝕的質量控制方法

汽車腐蝕的質量控制，通常從三個階段著手。

3.1 設計開發階段質量控制

設計開發腐蝕質量監控，是指整車從定義到量產過程中對車輛所涉及的腐蝕問題進行監控與解決，以避免潛在腐蝕設計問題流入市場，對汽車品牌造成不良影響，由前期整車腐蝕目標的定義、中期腐蝕設計評審和后期物理腐蝕試驗驗證三部分組成。

3.1.1 前期定義

前期整車腐蝕目標的定義非常重要，影響后期潛在腐蝕設計成本。防腐目標定義過高必定會帶來設計成本的增加，反之目標定義過低會影響量產后客戶使用的直觀感知。因此，在項目前期會針對具體車型預期銷售的目標群體、車型定位、競品分析等因素，綜合定義整車的詳細防腐目標。

3.1.2 中期評審

中期的腐蝕設計評審是利用防腐蝕工程師以往的項目經驗來制定滿足防腐目標的高性價比腐蝕設計方案。腐蝕設計評審包含結構設計、材料選擇和工藝優化三環節，其中性價比最高的腐蝕解決方案是結構設計。

結構設計是在設計開發過程中通過優化車身結構，降低腐蝕風險。例如在大貼合面處起凸臺，可以有效地減小鈑金之間的貼合面，從而降低發生縫隙腐蝕的風險；對于電泳液難以進入的鈑金處，可以通過增加漏氣孔和漏液孔的方式，使電泳液更好地流經這些部位，改善電泳效果；對于易受到石擊、水濺破壞的下車體部位，可以設計底護板加以保護。

汽車不同部位的腐蝕環境不同，因此在設計評審中選擇合適的材料十分重要。對于濕區的零件和鈑金，腐蝕環境較差，一般會采用鍍鋅板以提高耐腐蝕性；對于干區的零件，一般會采用裸板。汽車是由很多零件組成的，因此存在很多搭接處，不同材料的電位差也不同。尤其是異種材料在進行搭接時，很容易形成較大的電位差，發生電偶腐蝕。因此在選擇材料時，一般選用電位差較小的進行搭接，對于一些只能選電位差較大的材料搭接的部位，可以通過增加導電隔絕的涂層來避免發生電偶腐蝕。

在設計評審中還可以通過優化工藝來降低局部的腐蝕風險。例如添加車身密封膠、車身油漆膠，可以起到防水作用；使用高邊緣電泳漆，提高邊緣電泳漆的附著力；通過清洗工藝，清洗零部件表面，打磨焊縫清理焊渣，也可以改善電泳的效果，提高防腐蝕能力。

3.1.3 后期驗證

后期物理腐蝕驗證是設計開發腐蝕質量監控中的重要驗證環節，是識別腐蝕問題的重要手段，主要包括電泳車拆解和腐蝕拆解試驗。

電泳車拆解包括白車身級拆解和零部件級拆解。其中，白車身是由主機廠進行拆解，零部件是由供應商進行拆解。電泳車拆解目的主要有以下幾方面：首先是可以測量整車電泳膜厚，判斷電泳工藝是否合格；其次是可以識別空腔電泳問題，判斷是否有積液兜氣問題；還可以發現潛在銹穿腐蝕問題。

腐蝕拆解試驗包括材料級、零部件級和整車級腐蝕試驗，不同級別的腐蝕試驗驗證的目的也存在差異。材料級腐蝕試驗主要考核原材料基材的防腐性能，大多數材料級別的腐蝕試驗都是前期腐蝕質量監控的一種手段。絕大部分零部件級別的腐蝕試驗會采用循環腐蝕試驗。該試驗基本模擬零件在實車上的靜態腐蝕表現，但無法模擬整車上的動態腐蝕及連界面區域的腐蝕。整車腐蝕試驗則能更真實地模擬客戶實際腐蝕工況，基本可以識別售后可能遇到的大部分腐蝕問題。

3.2 整車制造過程階段質量控制

整車制造工藝主要分為沖壓、焊接、油漆及總裝四大工藝。每道工藝都和車輛腐蝕防護密切相關，其中油漆尤為重要。在沖壓過程中與防腐性能相關的主要有鈑金切邊毛刺、沖壓油印等，會直接影響后道涂裝性能；在焊接過程中與腐蝕防護關系較為密切的是車身涂膠施工質量；油漆過程對整車防腐影響最大，包括前處理、電泳、密封、中涂、面漆等；在總裝過程中與腐蝕防護關系較大的是部分零件在裝配時不能劃傷油漆表面、不要干涉車身油漆接觸面，防止車輛行駛過程中對車身油漆干涉損傷[8]。

3.2.1 沖壓過程

在沖壓過程中，對整車腐蝕防護影響較大的是沖壓毛刺和沖壓油印。沖壓毛刺和油印對后道油漆影響較大。

對于存在明顯沖壓毛刺的切邊，電泳漆很難完全覆蓋或者覆蓋的厚度不足，后續車輛使用過程中該切邊容易最先腐蝕，進而導致腐蝕擴展。沖壓毛刺通常存在于一些尖角、切邊、安裝孔區域。比如車門把手安裝孔切邊存在毛刺，易導致車輛使用一段時間后該區域切邊銹蝕。管控的措施包括：（1）沖壓定期保養更換模具刀頭，減少切邊毛刺的產生；（2）針對部分庫存零件，后續車身在使用前對切邊進行打磨。

沖壓過程中產生的油印一定要處理干凈，可以用干布擦拭。沖壓油印流入油漆車間后，油漆前處理不一定能完全洗凈沖壓油印（見圖1）。電泳后鈑金表面易產生電泳污漬。針對沖壓油印嚴重的情況，沖壓后安排人工擦拭油印或更換為容易在進入油漆車間前處理環節清洗去除的沖壓油。

圖1 沖壓油印

3.2.2 焊接過程

在車身焊接過程中，對整車腐蝕防護影響較大的是車身涂膠。如果車身涂膠不連續有空隙，水汽容易竄入車身內部，導致局部腐蝕。在車身拼接過程中會使用很多黑膠及折邊膠，起密封和加強作用等。車身膠缺失或不到位，極易引起車身板材銹蝕。前蓋內板折邊膠不到位，容易使車輛使用過程中，空氣中的水汽逐步滲入到前蓋內部，導致該區域發生銹蝕。質量管控措施包括：定期進行車身解剖，檢查車身內部涂膠是否符合工藝要求。

3.2.3 油漆過程

油漆是整車腐蝕防護中最為關鍵的工藝過程，主要包括前處理、電泳、密封（含車底密封、上部密封、裙邊防石擊PVC噴涂等）、中涂、色漆、清漆等工序。其中前處理和電泳對整車腐蝕防護影響最大，密封、中涂、色漆、清漆等工序也起著不可替代的作用。車身油漆常見的涂層結構見圖2。

圖2 車身油漆涂層

首先，通過前處理工藝處理后，在車身表面形成一層均一致密的無機鹽轉化膜（100～200nm），形成對鈑金的首道保護，為后續油漆打下堅實的基礎，提高油漆與鈑金之間的附著力。轉化膜要求致密、均勻。其次，通過電流將電泳材料沉積在車體上形成電泳涂層，主要提供防腐功能。電泳涂層生成于轉化膜層之上。車身防腐主要靠電泳層，電泳層的性能直接關系車身的防腐性能。部分車身空腔處通過增加電泳工藝孔提高電泳液的可達性，進而保證內腔區域電泳覆蓋要求。通常外表面電泳厚度要求在15～30μm之間。

密封工藝分為車底密封、上部密封、裙邊防石擊PVC噴涂等。密封的主要作用是防止水汽、灰塵等浸入鈑金縫隙和切邊部位，造成車身板材腐蝕。底部密封工藝可細分為底部焊縫密封（UBS）和底部PVC噴涂（UBC）。UBS使用PVC密封膠密封車底焊縫，主要作用是防腐蝕和防漏水（見圖3）；UBC使用PVC密封膠涂噴涂于車底、輪罩等部位，主要作用是降低行駛過程中碎石對車底撞擊產生的噪音和油漆層破壞。上部密封主要指使用PVC密封膠密封車身焊縫（車內底板、發動機倉、備胎箱、側圍、四門等），用于實現車身密封性能（不漏氣漏水）。裙邊防石擊PVC噴涂于車體踏腳板處（見圖4），車輛行駛過程中，路面碎石頭容易彈濺到踏腳板區域損傷油漆涂層，在此處噴涂PVC保護層，可增加此位置油漆涂層的抗石擊能力。焊縫密封要求縫隙內填滿密封料、無孔洞、不漏刷，涂刷平整無堆積，寬度保持在3～6mm、膠條厚度1.5～3mm。防石擊PVC噴涂的厚度需控制在300～500μm之間。

圖3 車底焊縫密封

中涂位于電泳層和面漆層之間，主要起填充、提高涂層豐滿度、提高面漆遮蓋性的作用。中涂層的主要作能是隔離紫外線、保護電泳層，提高整體涂層的抗石擊性能。此外，對提高整體涂層的外觀也有顯著幫助。

圖4 裙邊防石擊PVC

面漆位于最上層，包含色漆層和清漆層，主要起色彩裝飾、保護整個涂層及抗老化作用。色漆提供涂層基本的顏色和特殊視覺效果（珠光、金屬閃爍、變色等）。清漆使漆膜擁有飽滿、明亮、平整的外觀效果，并可抵御環境因素（酸雨、劃擦、金屬粉塵等）對涂層的侵蝕，吸收紫外線，提供涂層的耐候性能。

3.2.4 總裝過程

總裝是將車身和各類零部件組裝成整車，工序較為復雜。在總裝制造過程中，首先要避免零件劃傷車身外表油漆。針對四門兩蓋調整過程中出現的門蓋鉸鏈的破漆現象要進行補漆。保險杠、車燈與車身的匹配縫隙問題是另一個容易影響整車腐蝕的問題。該問題短時間內不易察覺，往往在車輛使用到一定年限后發生。一般情況下，保險杠與車身翼子板縫隙保持在0.5～1.0mm。若該縫隙過小，車輛使用過程中鈑金和塑料件之間存在相對運動或干涉，容易損傷鈑金表面油漆，最終導致鈑金銹蝕。因此，需要在總裝安裝過程中調整保險杠與翼子板縫隙，以符合要求[8]。

3.3 售后階段質量控制

售后方面，沿海區域車輛在使用過程中水汽容易侵入，導致汽車腐蝕情況出現較多。質量部門快速響應客戶，并拉動工程部門制定相關措施，指導維修站對客戶車輛進行涂膠及油漆噴涂返修操作。同時拉動聯合團隊，針對易腐蝕區域進行工藝和材質優化，在后續車輛設計和制造過程中，針對薄弱環節進一步落實改進措施，包括優化材料以提高材質抗腐蝕能力、強化涂膠路徑以封堵水汽侵入鈑金等，不斷提升車輛耐腐蝕性。

4 結束語

汽車產品工業設計的復雜性和服役工況的動態性，加上缺乏方便有效的監測工具，意味著防腐蝕工程師對工藝條件和環境變化對汽車腐蝕的影響認知受限。因此，盡管使用了相對較大的設計安全系數，仍會出現過早的設備故障。顯然，汽車部件的局部腐蝕將導致整車產品服役壽命的縮短，因此可靠監測和控制局部腐蝕的能力，成為汽車防腐開發和驗證及日常質量監控的重要需求。