李庆华 （东风汽车公司技术中心制造工程部）
1 概述
由于环保和节能的需要，汽车轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。汽车轻量化就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。研究表明：
1） 汽车质量每减少100kg，可节省燃油0.3~0.5L/(100km）；
2） 减少CO2排放8~11g/ (100km）；
3） 加速能提升8%~10%；
4） 制动距离缩短2~7m。
汽车车身轻量化是汽车轻量化的重要环节，汽车车身轻量化途径如下：
1） 轻量化材料应用：高强度钢、铝合金、非金属材料等；
2） 优化结构设计：CAE/CAM/CAD一体化设计、模块化设计等；
3） 先进工艺应用：热成型、液压成型、激光焊接、滚压成型等。
其中轻量化材料的应用是目前汽车车身轻量化发展的主要方向。越来越多的车企都在积极研究使用轻量化材料来使汽车轻量化。
2 轻量化材料应用
2.1 塑料件的应用
塑料件在汽车上的应用历史已达50年。塑料件早已成为汽车车身的重要组成部分，其原材料技术、成型技术早已非常成熟。为了减少喷漆很多塑料材料厂已开始开发带颜色的塑料件。
2.2 高强钢的应用
与普通强度钢材相比，高强钢具有更高的屈服强度和抗拉强度，因此，采用高强钢替代普通钢可以减小截面尺寸，节约钢材用量，从而减轻车身重量。早在2007年欧洲白车身会议资料显示，国外汽车高强钢已得到广泛而普遍的使用，举例[1]如下表1：
表1 国外汽车高强钢的应用实例
近几年来国内自主品牌汽车车身也普遍采用了高强钢，举例如下：
表2 国内汽车高强钢的应用实例
2.3 铝合金的应用
铝合金是汽车车身重要的轻量化材料，其强度高且质量轻，比重是钢铁的1/3，耐腐蚀性优越，经久耐用，更安全。铝合金早已广泛应用于汽车发动机系统、传动系统、行走系统、铝合金轮毂等零部件。国外各知名车企也都在纷纷研究、使用铝合金来做汽车车身，但目前铝合金还仅仅只用在豪华跑车和轿车车身上，其标志性实例如下表3：
表3 国外汽车铝合金的应用实例
其中最早大批量生产铝车身的是奥迪，第二是捷豹。在2015年捷豹XF换代后其旗下所有车身都是铝车身。目前车身使用铝合金的还有宝马5系长轴版，沃尔沃S90，雷克萨斯GS，英菲尼迪Q70L，奥迪A2、A3、A6、Q3等，BMW Z8、7系列，Volvo S80，Damler Clysler的S Klasse coupe、CLK、 E Klasse、Opel Vectra，Peugeot 307、607、Renault Laguna，Citroen C5等。
我国自主品牌汽车起步较晚，汽车车身铝合金使用才刚刚开始，并仅仅用作于一些结构简单的零件或简单的车型，见表4：
表4 国内汽车铝合金的应用实例
2.4 碳纤维增强复合材料（CRRP）
碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4。碳纤维树脂复合材料（CFRP）抗拉强度一般都在3500MPa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000MPa，也比钢的高。因此CFRP的应用也成了汽车轻量化的主要方向之一。
2000年后兰博基里、法拉利、柯尼塞格等豪华跑车相继在车身或其零部件中使用了CFRP；2013年日本大阪车展上推出了一款“86 TRD Griffon concept”的概念车，该车身大量采用CFRP，包括前后包围、宽体、车门、车顶等处都由CFRP制成；随后宝马、奥迪在车身上开始大量使用CFRP，如下表5：
表5 国外汽车碳纤维增强复合材料的应用实例
而国内汽车车身CFRP应用还处于研究和设计阶段。
3 涂装技术对策
高强钢的应用对现代涂装技术影响不大。作为车身附件的塑料件及玻璃钢件涂装技术已经非常成熟。但铝合金、CFRP、塑料、玻璃钢材料等在车身上的使用对涂装材料、工艺、设备等的要求发生了很大变化。
3.1 涂装材料变化
由于普通钢板、镀锌板与铝合金化学性质及表面状态不一样，其前处理的技术也不尽相同。目前用于铝合金及传统钢板处理的前处理材料主要有改进的传统磷化液、Henkel公司的锆盐系材料和Chemetall公司的硅烷系材料。虽然我们已经拥有了成熟的适应铝合金车身的前处理材料、工艺及配套的设备，但是对于全铝车身或全钢车身或钢铝混合车身单线或共线进行前处理时其前处理技术还是需要根据其钢铝混合比的不同来做相应的配方和工艺调整的。据悉，为了解决钢铝混合车身的前处理问题，Henkel公司研究出在传统生产线上采用两步式磷酸盐处理金属预处理工艺。即第一步：采用磷酸锌对金属进行处理；第二步：在钝化工序对铝合金材料进行处理。另外目前国内很多主机厂已经成立了钢铝混合车身前处理技术的相关课题组并展开了研究。
新的前处理技术在金属表面形成的前处理膜特性和传统的磷化处理的是不一样的，主要是锆化膜、硅烷膜都很薄（磷化摸的1/20），相对于磷化膜的电阻较低，若使用传统电泳漆则在相同工艺条件下车身内腔达到膜厚要求时外板电泳漆膜厚度会超过工艺要求，从而引起成本上升。因此对于锆盐和硅烷处理工艺一般都选用高泳透力的薄膜电泳漆。但薄膜电泳工艺的漆膜表面质量将更难控制。
传统的适用于钢板和塑料件的专用底漆不完全适用于CFRP，根据CFRP工件表面特性，采用专用底漆可以起到适当封闭底材缺陷，提高整体涂层丰满度、隔离性和耐久性的作用[2]。
3.2 涂装工艺变化
CFRP的烘烤温度不能超过120℃，因此该材料车身的涂装工艺要设计时要特别注意，要么使用低温烘烤材料，要么金属部分和CFRP部分分别涂装然后再装配。轻量化将使多种轻量化材料包括高强钢、铝合金、塑料、玻璃钢集于一台车身上，因此开发适应于这种车身的低成本高性能的低温漆势在必行。
汽车轻量化必然是由多种轻量化材料替代钢材而形成多底材的车身，由于各底材材料的物理性能和热稳定性不一样致使对涂装影响很大，如涂装烘烤过程中会发生不同的变形[3]，在涂装工艺设计中需要充分考虑烘烤温度、工装、容器对其变形的影响。
CFRP、塑料的前处理包括表面的除油处理，即清洗表面的油污和脱模剂，以及表面的活化处理。而对于CFRP由于其表面粗糙，在喷漆之前还需加强对其表面进行打磨处理。
和传统磷化相比铝合金表面前处理的工艺流程也发生了相应的变化。铝合金车身的锆盐或硅烷前处理不需表调工序，可以减少电泳前的水洗工序，从而缩短生产线的长度。另外铝合金车身的锆盐或硅烷处理可在常温下进行。
轻量化材料必然引起涂装工艺变化，同时也会带来设备上变化。因此在设备设计和选型时也要充分考虑设备的适应性和科学性。
4 结语
目前还在不断开发新型的汽车车身轻量化材料，如镁合金已经在汽车零部件的到了很好地应用，将来势必也会用在车身上等，涂装技术也应顺势而为，开发出适应不断出现的新材料的涂装材料和工艺技术；同时适用于多种轻量化底材的车身涂料及其大规模连续生产的涂装工艺还不成熟，还需要继续不断的探索和研究。
参考文献：
[1]王智文，汽车轻量化技术发展现状初探，汽车工艺与材料AT&M，2009年第2期。
[2]王纳新，廖大正，张馨月，环氧基碳纤维增强复合材料车身外覆盖件涂装工艺的研究，汽车工艺与材料AT&M，2015年第10期。
[3]王锡春，李文刚，汽车轻量化与涂装，上海涂料，2015年1月第53卷第1期。
本文来源：第16届车用涂料与涂装技术论文集/车用平台、《涂层与防护》2018年 第3期
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