于欣策，赵博文，秦丽蓬，吴吉霞，赵洁
（中汽传媒（天津）有限公司，天津300300）
0、引 言
新能源汽车是我国汽车工业由大变强的必经之路，新能源汽车轻量化技术的发展大大推动了轻量化材料的开发和应用，也为新能源汽车多材料车身涂装材料与工艺、涂装生产方式带来了新的挑战，但同时也是机遇 。车身是新能源汽车的主要组成部分之一，全铝车身、钢铝混合车身、碳纤维复合材料车身、全覆盖件车身等均已实现量产，高强度钢、镁合金、铝合金、碳纤维复合材料和塑料等轻量化材料应用发展迅速。汽车轻量化为轻量化材料、先进工艺和结构优化的共同作用，先进涂装工艺方面需要关注轻量化多材料混合车身的涂装材料选型、涂装工艺方式及多材料连接的表面防腐处理等方面。汽车涂装工艺为多涂层涂装体系，每一涂层的工艺控制都至关重要。其中涂前处理工艺是实现多材料车身涂装的最重要环节，轻量化金属材料如铝合金、镁合金、热镀锌铝镁合金等材料在新能源汽车上的应用越来越广泛。由于轻量化材料多为活泼金属，板材表面状态复杂，单一钢制材料车身的“磷化前处理+阴极电泳涂装工艺”已经不能满足现有轻量化多材料车身的防腐要求，针对全铝或钢铝混合的车身等轻量化多材料车身开发了硅烷、锆盐等新型薄膜前处理工艺并得到应用。
新能源车身对电泳涂装工艺也提出了更高的要求，为保证多材料车身电泳后涂膜性能达到技术要求，尤其是铝合金板材和冷轧板等传统车身板材混线生产的线体，保证铝合金材料表面无缩孔和颗粒等漆膜弊病，电泳施工参数需要通过试验验证进行优化调整，所以轻量化多材料车身一体化绿色清洁涂装工艺的研究，是实施整车轻量化生产的重要环节。
1、轻量化材料车身用材策略
目前，整车企业在新车型开发阶段，基于造型设计、目标人群、车型定位、成本管理、供应商技术及拥有专利水平等，车身设计采用高强钢、铝合金、镁合金、塑料以及其他轻量化材料的比例各有不同。不同的用材策略，汽车涂装用材料、工艺和涂装生产方式不同，甚至是与传统涂装生产方式发生较大的变化 。本研究从汽车涂装生产的角度，分析目前我国汽车轻量化车身的用材策略，文中阐述的轻量化车身用材策略，通常并不单独呈现，而是车企根据车型开发需要结合使用。
1.1车身骨架增加高强度钢应用比例
汽车用钢高强度化是实现汽车轻量化的重要手段之一，传统汽车车身材料轻量化最直接的手段为使用热成型钢，且其使用比例逐年提升。但高强度汽车用钢目前存在冲压变形回弹、剪切边易产生皱纹、与铝合金等异质材料的连接匹配可靠性低等问题，后续行业进一步攻克研究。
1.2 轻质材料全铝车身替代全钢车身
铝合金材料为汽车车身轻量化设计的首选材料，在车身上主要采用铝板材、铸铝、铝型材等形式。其中铝板材一般应用在钣金覆盖件和底板等构件，包括引擎盖、翼子板、尾箱盖等部位。结构件也有应用，最多可达车身质量的 80% 。铝板通过冲压或液压成型使用达到轻量化的目的。铸造铝合金件主要用于连接部位、中间立柱、地板及复杂形状零件，减重效果明显，一般不超过车身质量的40%。铝型材一般应用在碰撞件、梁类等部位，下车身居多，可以自由设定型材本身的断面形状，需要加工时则弯曲加工。
通常，行业上所说的全铝车身指的是车身用材铝合金比例≥80%。代表性技术路线为以铝合金板材冲压为主，冲压零件数占比较大，个别部位用型材或用高压铸铝件。目前铝合金材料开发应用主要存在铝合金板材时效稳定性周期短、铝合金材料成型性较差、铝合金零件抗凹性较差、成本较高、汽车用铝合金材料标准不系统等问题。
1.3车身应用轻质材料替代钢材料，开发钢铝混合及多材料混合车身
汽车企业在车型开发过程中，用材开发思路为“合适的材料用在合适的部位”，车身开发工程师根据车型项目下发的产品定位、成本要求及车身轻量化需求等目标，选择适合车型的轻质材料使用比例。轻质材料如镁合金在使用过程需要关注耐蚀性，镁在金属结构材料中的标准电极电位最低，有待通过调整合金元素及控制杂质、改善微观结构及相组成等方式开发耐蚀镁合金。另外由于镁合金的电极电位较低，与其他金属材料接触时，镁合金易产生快速的电偶腐蚀，所以镁合金与其他异质材料的连接防腐处理（涂胶隔离、加垫等方式）是镁合金应用的关键问题 。
1.4 外覆盖件应用轻质材料替代钢材料
外覆盖件应用轻质材料，可应用的策略为铝合金轻质材料应用在四门、前盖、后盖及翼子板等部位；塑料轻质材料应用在翼子板和后背门等部位；碳纤维轻质材料应用在外覆盖件等部位。外覆盖件轻质材料的应用需要优化仿真分析技术，合理建模，提高零件设计能力并降低使用成本。
1.5 碳纤维增强复合材料的乘员舱
碳纤维复合材料车身及骨架与传统金属车身有较大差异。CFRP 车身及零部件轻量化效果明显，但存在材料本身的价格昂贵、工程化成本高、生产节拍与传统冲压相比缓慢等问题。目前，应用这一策略的车企并不多，后续需要通过研究降低碳纤维的成本、解决碳纤维复合材料与金属的连接问题及开发碳纤维复合材料的回收利用技术。
1.6“铝型材骨架+塑料外覆盖件”低成本车身策略
国产车型以奇瑞小蚂蚁为代表，使用全铝轻量化车身骨架和复合材料覆盖件，主体外板采用PP材质，加强板采用 PP 和 LGF 材质，同时具有色彩搭配多元化的特点。薄壁化、低密度及发泡技术是塑料外覆盖件轻量化方向 。
2、轻量化多材料车身涂装关键技术
轻量化多材料车身中，不同材料的电极电位、物理性质和热稳定性存在差异，铝合金、镀锌板、冷轧板的标准电极电位(25 ℃)。分别为-1.660V、-0.763V、-0.440V，所以多材料车身连接处需要做好隔离，避免发生电偶腐蚀。铝合金、镀锌板、冷轧板的物理性质不同，铝合金在空气中氧气反应生成 5～200 μm 致密的氧化膜（Al2O3），物理保护防腐蚀为主 ；锌与空气中H2O、O2和CO2生成致密具有缓蚀作用的碳酸盐薄膜[2ZnCO3 ·3Zn(OH)2 ]，可将外界氧气与内部组织隔离，牺牲阳极，电化学防腐蚀为主；冷轧板易锈蚀，不同钢种之间以及相同钢种不同供应商生产的钢板表面化学活性有差异，行业内对该特性的定量控制存在一定难度。铝合金、镀锌板、冷轧板的腐蚀速率不同，铝合金、镀锌板、冷轧板在琼海及海洋气候条件下腐蚀速率分别为 0.585 μm/a、1.049 μm/a、39 μm/a，所以多材料车身的涂装工艺需根据车身板材的特征及使用比例进行调整 。
2.1 钢铝混合车身
2.1.1涂装面漆工艺
目前涂装工艺向节省工序、绿色节能涂装工艺发展，钢铝混合车身与传统钢制车身涂装工艺相同，一般采用水性3C2B工艺或水性B1B2工艺。（1）水性3C2B工艺水性3C2B工艺流程为：前处理（薄膜前处理或磷化工艺，调整配方及工艺参数）→阴极电泳→电泳烘干（160 ℃×20 min）→涂胶→中涂喷涂→中涂烘干（150 ℃×20 min）→色漆喷涂→自然流平（水性色漆预烘干）→清漆→烘干（140 ℃×20 min）。其中色漆是水性漆或溶剂型漆，清漆是单组分或双组分涂料。传统3C2B水性漆工艺已长时间成熟应用，工艺技术稳定，且对底材的遮盖能力较强，但3C2B工艺的缺点为，涂装生产线工序较多、建设占地面积大、投资高、以高运行成本换来工艺可靠性和满足涂装质量要求。
（2） 紧凑型B1B2涂装工艺紧凑型B1B2涂装工艺流程为：前处理（薄膜前处理或磷化，调整配方及工艺参数）→电泳→电泳烘干（160 ℃×20 min）→涂胶→胶预烘干（120 ℃×7 min）→B1 喷涂→B2 喷涂→预烘干→清漆→烘干（140 ℃×20 min）。其中 B1、B2 色漆为水性漆，清漆双组分溶剂漆，工艺特点为取消了中涂喷漆室及中涂烘干、磨等工位，中涂功能的B1为预喷涂，具有中涂耐紫外穿透和抗石击性能等全部性能，B2 为颜色实现，减少涂料喷涂单台使用量和生产能耗。
2.1.2涂装前处理工艺
汽车车身由多种金属材料组成，对多材料车身进行漆前处理，为电泳涂层提供良好的附着力，是车身获得最佳防腐蚀性能的前提。近年来，汽车轻量化需求增加，前处理工艺不断进步、修正和完善。针对含铝及镀锌板的车身开发“两步法”工艺。为适应更高的环保法规、降成本需求，不含磷及重金属的新型薄膜前处理工艺也在广泛应用。车身金属混合材料比例不同，前处理方案也不同。
（1）传统磷化加入调整剂满足铝材占比20%以下的车型生产对传统涂装前处理磷化槽液添加氟离子进行参数调整，加速铝合金板材表面刻蚀，促进表面磷化膜生长。磷化槽液为酸性，可溶解部分铝离子，槽液中的铝离子会减缓其他板材磷化反应速率，需加入钠盐、钾盐等把槽液中的铝离子反应生成铝磷化渣冰晶石，通过磷化过滤循环去除。槽液添加氟离子会加速反应，带来的问题为增大涂装生产线的前处理化学品消耗量，增加化学品消耗成本。
（2）“两步法”工艺满足铝材占比20%以上的车型生产首先在磷化槽液中添加金属离子掩蔽剂，铝板表面无法反应生成磷化膜，其余车身板表面发生磷化反应，生成磷化膜。其次未在磷化槽液中反应成膜的铝合金板材在钝化槽生成致密的网状膜层，确保车身防腐蚀能力。此工艺生成的车身耐腐蚀能力与三元磷化性能相当。但铝合金磷化渣沉渣量为 12~15 g/m2，渣偏细，需要磷化槽液添加磷化结渣剂，提高磷化槽液循环次数至3~5次/时，除去槽液中产生的磷化渣。
（3）薄膜前处理工艺满足铝材占比20%以上的车型生产全铝车身采用环保型无磷薄膜前处理（硅烷或锆化），薄膜前处理技术也被称作硅烷或锆盐，因其具有节能、环保的特点，近些年来被很多整车厂以及零部件企业迅速推广。薄膜处理材料主要成分为：氟锆酸、氟钛酸、硅烷偶联剂等。对铝合金板材用量＞20%的车身建议采用薄膜前处理工艺，在使用过程中，根据板材处理面积比例，按照试验验证参数及时调整槽液，确保涂膜机械性能、防腐性能等达标。薄膜前处理形成的转化膜 20~100 nm，对白车身表面要求高，薄膜前处理对打磨痕遮盖力相对较差，且电阻值小，需关注与电泳漆配套性，尤其内腔泳透力。为防止车身兜液造成前处理膜过厚、涂膜附着力下降问题，对车身设计要求高。
2.1.3钢铝混合车身防腐设计关注要求
钢铝混合车身结构采用铆接工艺，电化学腐蚀是关注重点，腐蚀表现为电化学腐蚀和缝隙腐蚀。钢铝接触面需要涂胶处理，要确保结构胶完成填充整个接触面；针对钢铝混合车身尽量采用镀锌板，铆接过程要控制铆接质量，避免产生铆接间隙导致缝隙腐蚀，铆接过程避免铆钉穿透底材导致锈蚀问题。根据试验数据显示，钢铝同种搭接组合：涂胶铆接后力学性能约为不涂胶铆接的 3 倍；纯涂胶不铆接的剪切力约为涂胶加铆接的90%，因此产品设计过程中保证钢铝车身强度的是焊装结构胶。
2.2 全铝车身涂装工艺
全铝车身的前处理和电泳工艺与传统钢制车身不同，全铝车身前处理一般选择采用锆盐或硅烷等薄膜前处理工艺。涂装工艺以3C2B水性涂装工艺或水性紧凑性涂装工艺为主。
2.2.1前处理工序的管控要点
薄膜前处理工艺的目的为铝材表面发生化学反应生成致密的三维网状膜，有利于提高电泳膜层的附着力。前处理过程需要跟踪并检查铝板表面的脱脂效率，重点在U段进行检查，工件表面的缩水点；关注铝板的刻蚀量，要求保持在 0.1~0.6 g/m2；控制铝板涂油量；控制铝板所用油品不要引起槽液污染等；关注铝板薄膜膜厚数据，通过工艺调试确保其处于最佳控制范围；加大前处理后 U 段的清洗力度，清洗掉工件表面的残胶。由于各企业采用的铝合金板材型号和出厂时的钝化膜存在差异，所以在材料选型过程开发全铝车身适合的薄膜前处理材料及工艺参数。
2.2.2电泳及电泳烘干工序的管控要点
在同样的工艺参数条件下，钢、铝因材质不同，铝板更容易出现缩孔问题，电泳需关注重点电泳槽液的pH 值、电导率、固体分含量、温度、泳透力，所有工艺参数在生产铝板时均需通过试验验证和工艺调试来确定最佳工艺参数范围。钝化或“两步法”形成的钝化膜薄，电阻较低，易引起电泳入槽初期成膜过快，导致针孔、条纹等问题。降低入槽电压，会影响内腔电泳膜厚。因此，选用高泳透力电泳漆来保证泳透力。由于铝合金与钢板的材质差异及前处理差异，导致他们在电泳过程中的反应速度存在一定的差异性。因此，电泳槽液参数需要根据现场产品质量状态进行调试，以确定最佳的工艺控制范围。定期检测：电泳漆膜附着力（0 级）；电泳膜厚（外表面 ≥17 μm，内表面≥12 μm，内腔≥8μm）；粗糙度：一般车身外表面 Ra≤0.3。电泳烘干对铝合金板材起到时效强化作用，电泳烘干参数需考虑铝合金外板的时效强化。铝合金板在冲压生产线下线后，经过涂装电泳烘干室可实现更高强度。对不同型号的铝合金开展时效强化参数试验研究，结合电泳漆的烘干参数，铝合金件的性能要求，确定电泳烘干温度的最佳范围。轻量化车身焊装涂胶越来越多，一般情况下铝板之间的连接位置有结构胶，因此推荐焊装车间设置结构胶烘干炉。
如焊装工艺未设置结构胶烘干工序，涂装烘干炉设计需要关注以下四点：① 电泳清洗后的工件，沥水时间需保持在 10 min 以上，进入电泳烘干炉干燥缓慢升温。电泳涂料在120 ℃左右是开始发生交联反应的时候，对外来污染物质最为敏感，所以炉温曲线调试时在 100 ℃左右保持 5~10 min，将表面及夹缝中的水分挥发干；② 考虑电泳漆膜的烘干最佳窗口，结构胶烘干要≥165 ℃烘干10 min；③ 车身电泳烘干过程，炉温均匀一致，且保证铝板烘烤硬化的强度。不同的铝板厂家要求存在差异性，一般为 170～180 ℃烘干 20 min 左右；④ 电泳漆烘干条件一般为165 ℃烘干15 min以上，工件最高温度不要超过200 ℃ 。
2.3 “铝合金车架+复合材料”车身涂装工艺
2.3.1复合材料涂装工艺的管控要点
车身大顶采用再生复合碳纤维材料，耐最高温度为 80°C；根据再生复合碳纤维材料外观致密程度，一般涂装工艺可仅喷涂清漆。碳纤维骨架无涂装。铝合金车架部分铝合金+碳钢材料，涂装工艺为前处理+阴极电泳或钝化工艺，以此实现防腐要求。复合材料表面的涂装考虑基材树脂体系、复合材料组成，选择配套性良好的低温涂料体系。
2.3.2复合材料涂装工艺的管控要点
以隔离和防腐为目的的涂装工艺为：打磨-清洗-底漆（或加胶）-烘干（可选）。以优化涂膜美观性能的涂装，透明涂料中不含填料份，可根据碳纤维复合材料外观致密程度、粗糙度、孔隙率等情况确定是否涂装。腻子对涂膜外观作用明显, 但降低复合涂膜的机械性能和耐久性能。碳纤维零件应采用专用低温烘烤涂装材料，满足汽车外饰件涂层技术要求。
2.4 “铝合金骨架+塑料件外板”的涂装工艺
目前，热塑性塑料、碳纤维复合材料、纤维增强塑料等与金属的涂装材料和工艺差异很大，一般采用离线涂装，而铝合金骨架部分主要采用阴极电泳或钝化工艺。随着材料技术的进步，后续可实现非金属材料与金属车身共线或在线涂装，提高非金属件耐温性后可在喷涂前安装非金属件，多材料车身一体化涂装；或开发低温固化＜110 ℃的中面漆涂料，实现一体化喷涂，降低生产能耗，绿色低碳生产。
3、结 语
汽车车身轻量化开发是行业内主要研究方向之一，汽车轻量化主要通过结构轻量化、材料轻量化和工艺轻量化实现。汽车轻量化材料多种多样，不同的材料均有优缺点，轻量化多材料车身充分体现了合适的材料用在合适的部位的选材策略。汽车车身轻量化技术路线从全铝到钢铝再到多材料混合，所以轻量化多材料车身是未来白车身轻量化发展的主要方向。但轻量化材料由于成本高于普通车身低碳钢等钢制车身材料，所以高成本也是目前导致铝合金镁合金以及碳纤维复合材料等轻量化多材料车身广泛应用的影响因素。未来，汽车轻量化多材料车身涂装将向着更加环保的紧凑型涂装工艺方向发展，并趋向模块化车身涂装趋势发展。
完整内容请见《涂层与防护》2024年第5期
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