沈長海，張文浩，王納新

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新能源汽車材料與涂裝Benchmark分析

沈長海1，張文浩2，王納新1

（1.浙江眾泰汽車制造有限公司，浙江 金華 310000；2.長春漢高表面技術(shù)有限公司，吉林 長春 130000）

文章通過在對(duì)經(jīng)典新能源汽車用材料及涂裝Benchmark分析，結(jié)合新能源汽車的特點(diǎn)，進(jìn)一步探討適合新能源汽車的涂裝材料和工藝。

新能源；涂裝；輕量化；Benchmark分析

前言

目前，能源與環(huán)境的危機(jī)加速了各國政府對(duì)汽車生產(chǎn)中能耗和排放的嚴(yán)格控制。到2020年，除美國之外的全球主要的汽車生產(chǎn)與消費(fèi)國家和地區(qū)，對(duì)乘用車燃油油耗的要求都將嚴(yán)格限制在5 L/100 km以下的水平，而且碳排放也更為嚴(yán)格。我國從2017年開始，為打造藍(lán)天白云保衛(wèi)戰(zhàn)，各地區(qū)紛紛出臺(tái)節(jié)能減排政策新規(guī)和新能源汽車雙積分制度。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，汽車輕量化與能耗消耗有著直接關(guān)系。傳統(tǒng)燃油汽車整備質(zhì)量每減少100kg，百公里油耗可降低0.3～0.6 L；新能源汽車每減少100 kg質(zhì)量，續(xù)航里程可提升10%～11%，還可以減少20%的電池成本以及20%的日常損耗成本[1]。所以，隨著新能源汽車全產(chǎn)業(yè)體系快速發(fā)展，汽車輕量化需求的日漸迫切。新能源汽車比較傳統(tǒng)汽車，全鋼鐵車身正悄悄地發(fā)生變化，多材料連接的輕量化車身和模塊化車身結(jié)構(gòu)等等，這些都對(duì)新能源汽車涂裝提出了全新要求和挑戰(zhàn)。

涂裝Benchmark分析是憑涂裝生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和對(duì)標(biāo)車拆解數(shù)據(jù)分析，對(duì)車身數(shù)模、涂裝材料及工藝提出直接的建議和分析，是實(shí)施汽車涂裝同步工程的第一步。本文以寶馬i3新能源車型為對(duì)標(biāo)車型，探討涂裝Benchmark分析工作內(nèi)容，淺談新能源汽車車身的涂裝材料和工藝。

1 涂裝Benchmark分析工作內(nèi)容

BMW i3是一款新能源汽車，它引領(lǐng)“Life-Drive”模塊化設(shè)計(jì)，同時(shí)，“Life-Drive”模塊化車身架構(gòu)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)車車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參見圖1?！癓ife”模塊采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)，成為輕量化材料進(jìn)入量產(chǎn)車型的成功案例?！癉rive”模塊采用鋁合金空間框架和鋁合金型材和鑄件構(gòu)成。

對(duì)BMWi3的涂裝Benchmark分析如下：

（1）“Life”模塊有頂蓋、乘員艙骨架及外飾塑料件組成?！癓ife”模塊大量地使用了非金屬材料，如碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）、熱塑性塑料、熱塑性彈性體、膠粘劑和其他輕質(zhì)材料。車身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)共有34個(gè)CFRP零件，其中包括：13個(gè)RTM整體件（48個(gè)預(yù)成型件），2個(gè)剖面有泡沫支撐核的RTM件，19個(gè)整體纖維增強(qiáng)模壓件。爆炸圖見圖2。各種材料的質(zhì)量占整車質(zhì)量比例大約為：CFRP占50%、熱塑性塑料+熱塑性彈性體10%、膠粘劑和泡沫15%。

圖1 BMW i3的“Life-Drive”模塊架構(gòu)圖

圖2 BMW i3內(nèi)部34個(gè)CFRP零件的爆炸圖

（2）“Life”模塊的頂蓋材料為：再生CFRP，耐溫85°C。透明涂裝效果，外露碳纖維花紋。

涂裝工藝為：（透明膩?zhàn)?烘干）-罩光漆-烘干。且根據(jù)再生CFRP的外觀的致密程度，可僅涂清漆。

涂裝材料：采用CFRP專用涂料

（3）“Life”模塊的乘員艙骨架材料為：再生CFRP，耐溫85°C，結(jié)構(gòu)件無涂裝。

（4）“Life”模塊的外飾塑料件材料為熱塑性材料。發(fā)動(dòng)機(jī)罩、前后車門外板、前翼子板和后防護(hù)板采用PP/EPDM TV30；車頂縱梁材料是ABS/PC Min20。耐溫85°C。

涂裝工藝為：底漆-烘干（80°C*30min）-基色漆-閃干-罩光漆-烘干（80°C*30min），塑料件是在另外一條專線上涂裝，到總裝車間裝配到乘員艙車身上。具體的涂裝路線參見圖3。

圖3 BMW公司 i3電動(dòng)車車身的工藝路線

涂裝材料：采用水性涂料

先進(jìn)涂裝設(shè)備：

a.自動(dòng)靜電噴涂設(shè)備；

b.涂料供應(yīng)系統(tǒng)為安裝在機(jī)器人手臂上彈夾式，只需6bar的壓縮空氣，可保證噴涂的一次合格率95%；

c.采用能源再生裝置，95%噴漆室空調(diào)風(fēng)循環(huán)利用，削減70%的能耗，不需要專用的修補(bǔ)間；

d.采用干冰清洗技術(shù)進(jìn)行漆前處理；

e.采用火焰處理進(jìn)行零部件表面調(diào)整。

f.噴漆室采用干式噴漆室和漆霧捕集裝置，無需污水處理。

（5）“Drive”模塊骨架是鋁合金材料，采用陰極電泳或鈍化工藝進(jìn)行防護(hù)。

“Life-Drive”模塊化車身架構(gòu)的制造工藝與傳統(tǒng)的鋼鋁車身的沖壓、焊接和涂裝工藝都有所不同。涂裝變成離線生產(chǎn)，對(duì)于鋁件傳統(tǒng)的焊接和沖壓工藝，不再是沖連、沖鉚、機(jī)器人滾邊壓合、激光焊、螺柱焊、MIG釬焊等工藝[2]，焊接也變成了以粘接為主，鉚接為輔的工藝過程。

由此，根據(jù)對(duì)對(duì)標(biāo)車所用材料、結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝的分析，涂裝Benchmark分析的大體工作內(nèi)容如下：

①拆解對(duì)標(biāo)車，獲得新材料、新工藝及新技術(shù)應(yīng)用信息。

②實(shí)測對(duì)標(biāo)車總成和零部件的膜厚及外觀數(shù)據(jù)，獲得涂裝工藝、質(zhì)量及成本的信息。

③拆解車身密封部位，分析其密封工藝的設(shè)計(jì)原則。

④通過對(duì)車身鈑金材料的分析，特別是鍍鋅鋼板、鋁合金板材的使用分布情況，了解對(duì)標(biāo)車的防腐蝕與成本目標(biāo)。

⑤通過對(duì)車身NVH材料應(yīng)用的分析，了解對(duì)標(biāo)車防聲降噪的性能。

⑥對(duì)標(biāo)車的市場分析和整車性能測試，制定新開發(fā)車型的設(shè)計(jì)任務(wù)書和開發(fā)指令[3]。

2 新能源汽車車身涂裝材料和工藝

2.1 金屬混合材料車身

新能源汽車?yán)m(xù)航里程的需求，車身輕量化是必由之路。新能源車身一般由多種低密度高強(qiáng)度材料，例如高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鋁鎂合金、塑料、纖維增強(qiáng)材料替代傳統(tǒng)鋼材，最終形成混合材料車身[4]。目前，高強(qiáng)度鋼板在車身結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用已經(jīng)比較普遍，鋼和鋁結(jié)合車身或全鋁車身也已經(jīng)應(yīng)用多年，德國大眾汽車的奧迪品牌產(chǎn)品在這方面比較有代表性[4]。

因?yàn)?，各種底材的物理性質(zhì)和熱穩(wěn)定性的差異, 鋼、鋁、鎂，包括纖維增強(qiáng)材料的電化學(xué)腐蝕特性的不同，致使混合材料車身的涂裝工藝較傳統(tǒng)工藝有很大差異。

傳統(tǒng)鋼鐵車身的涂裝工藝是3C2B工藝：

漆前處理（傳統(tǒng)鋅系磷化）→電泳→烘干（160℃-180℃×30min）→中涂→烘干（140℃×30min）→底色漆→晾干（或預(yù)烘干）→罩光漆→烘干（140℃×30min）

底色漆是溶劑型涂料或水性涂料。

如果底色漆是溶劑型涂料或水性涂料，罩光漆是1K或2K溶劑型涂料；

新能源汽車鋼鋁混合車身，采用高強(qiáng)度鋼板與鋁合金板的混合材料車身，如果鋁材用量占20%以下仍可按上述工藝涂裝[5]，僅在涂裝前處理工序作少量調(diào)整，磷化工序需加F-調(diào)整，促進(jìn)在鋁件表面形成磷化膜，為了避免槽液中被溶解下來的鋁離子阻礙其它板材上的磷化反應(yīng)，需要再加入鈉或者鉀離子把可溶性的鋁離子變成可以過濾的冰晶石鋁渣通過過濾系統(tǒng)除掉。這時(shí)生產(chǎn)線的化學(xué)品消耗量更高。

如果鋁材用量占20%以上，由于磷化槽液中鋁渣含量過大，導(dǎo)致磷化槽液含渣量失控，造成電泳或者后續(xù)涂層出現(xiàn)粗糙或者出現(xiàn)大量非常硬的顆粒。這時(shí)傳統(tǒng)磷化和鈍化工藝已經(jīng)不適合，需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行很大的調(diào)整，有一種過渡藝是采用“兩步法”[6]。即第一步，在磷化過程中，通過在磷化槽液中添加一定量的緩蝕劑，阻止鋁板表面形成磷化膜，其他板材表面正常形成磷化膜。第二步，在鈍化工序，在未成膜的鋁板表面形成具有更高耐腐蝕能力的鈍化膜，而其他板材則在磷化膜基礎(chǔ)上進(jìn)行封閉，減小磷化膜的孔隙率，進(jìn)一步提升防腐性能。“兩步法”工藝后，不同板材的耐腐蝕能力與正常的鋅系磷化完全相同。此過程中鋁渣的產(chǎn)生量比常規(guī)磷化大幅度降低，但仍然高于其它板材常規(guī)磷化的產(chǎn)渣量，需加大磷化槽液循環(huán)及磷化除渣能力。

如果鋁材用量20%以上，同時(shí)，在鍍鋅板和冷軋鋼板上防腐性能要求不高的情況下?；蛘咝履茉雌嚾X車身，最好選擇環(huán)保型無磷薄膜前處理。薄膜前處理與鋅系磷化的工序?qū)Ρ纫妶D4。

圖4 薄膜前處理與鋅系磷化的工序?qū)Ρ?/p>

其工藝流程推薦合免中涂工藝。工藝流程為：漆前處理（環(huán)保型無磷薄膜型轉(zhuǎn)化膜）→電泳底漆（高泳透力）→烘干（160℃-180℃×30min）→底色漆BC1→晾干→底色漆BC2→晾干→罩光漆→烘干（140℃×30min）

底色漆是水性涂料。罩光漆是2K溶劑型涂料。

2.2 非金屬與金屬混合材料車身

車身的外飾件塑料化也是新能源汽車車身特征之一，主要有熱塑性塑料、纖維增強(qiáng)塑料（FPR，俗稱玻璃鋼）、碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）等非金屬材料。

目前，我國新能源車身多為金屬與非金屬混合材料組成，且金屬車身占主導(dǎo)。由于傳統(tǒng)金屬車身和非金屬件的涂裝材料和工藝差異很大，二者都是分開涂裝，也就是非金屬件離線涂裝，到總裝車間裝配到車身上。對(duì)于離線涂裝，保證不同材質(zhì)零件的面漆色差一致是生產(chǎn)難點(diǎn)。

但隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，非金屬件與金屬車身在線/共線涂裝工藝有望解決這一難題。如圖5所示，可耐200℃的塑料翼子板可在電泳前或中涂前安裝到白車身上，混合材料車身的中涂面漆一體噴涂完成。

圖5 非金屬件與金屬車身在線/共線涂裝工藝

另外，非金屬件與金屬多種材質(zhì)車身的涂裝可采用低溫120℃（或80℃～90℃）固化的中涂和面漆，涂裝工藝見圖6。可取消非金屬件涂裝線，降低烘干能耗，減少CO2排放。

圖6 非金屬件與金屬車身120℃涂裝工藝

3 結(jié)術(shù)語

近年來，國內(nèi)新能源汽車市場不斷升溫，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和新興造車勢力仍不斷布局新能源汽車。現(xiàn)階段，因新能源車身材料輕量化趨勢，導(dǎo)致多種材料同時(shí)應(yīng)用，這就導(dǎo)致其涂裝材料和工藝也與傳統(tǒng)汽車產(chǎn)生很大差別。對(duì)于金屬材料混合車身，主要是漆前處理材料和工藝與傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)差別很大，需要投入更多的應(yīng)用開發(fā)精力。對(duì)于非金屬與金屬混合車身，目前，主機(jī)廠和涂料公司正在投入更多的力量研發(fā)適合多材料共線涂裝的低溫固化涂料體系和一體化涂裝工藝。目前，新能源汽車主流車型的涂裝采用了傳統(tǒng)3C2B水性涂料體系和緊湊型免中涂工藝的水性3Wet體系。對(duì)于工程塑料和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等非金屬材料，需要使用低溫體系的涂料和涂裝工藝。

[1] 閆福成.中國新能源汽車車用涂料和涂裝技術(shù)的發(fā)展.中國涂料. 2017.13:30-34.

[2] 孔淑華等.鋁件工藝技術(shù)在一汽一大眾奧迪車身中的應(yīng)用.電焊機(jī).2013.2:51-57.

[3] 田冰星等.簡述涂裝同步工程中的標(biāo)桿競品分析.現(xiàn)代涂裝.2013. 2:46-48.

[4] 王錫春等.汽車輕量化與涂裝[J].上海涂料.2015年(01):43-47.

[5] 邢汶平等.汽車含鋁車身的涂裝前處理工藝. 電鍍與涂飾. 2017 (10) :528-533.

[6] 孔淑華等.鋁件工藝技術(shù)在一汽一大眾奧迪車身中的應(yīng)用.電焊機(jī).2013.2:51-57.

New energy vehicle materials and coating Benchmark analysis

Shen Changhai1, Zhang Wenhao2, Wang Naxin1

（1.Zhejiang Zotye automobile manufacturing co. LTD, Zhejiang Jinhua 310000;2.Changchun Henkel surface technology co. LTD, Jilin Changchun 130000）

Based on the analysis of materials and coating Benchmark for classic new energy vehicles and the characteristics of new energy vehicles, this paper further discusses the coating materials and technology suitable for new energy vehicles.

new energy; coating; lightweight; benchmark analysis

U445

B

1671-7988(2018)21-265-03

U445

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1671-7988(2018)21-265-03

沈長海，（1981.2），男，就職于浙江眾泰汽車制造有限公司。主要研究車身、電氣電子、內(nèi)外飾等零部件開發(fā)及對(duì)應(yīng)車用材料方向，重點(diǎn)負(fù)責(zé)材料輕量化技術(shù)、材料國產(chǎn)化推進(jìn)、材料聲學(xué)包裝、材料性能驗(yàn)證及認(rèn)可，阻燃特性及車內(nèi)空氣質(zhì)量的改善與管理工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.091