任樹建

鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩烘烤變形研究與對(duì)策

任樹建

（上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，上海 200444）

為了解決鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩電泳烘烤變形，文章研究了單組分折邊膠和雙組折邊膠在發(fā)動(dòng)機(jī)罩折邊區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)，分析了雙組分折邊膠和單組分折邊膠的固化過程，通過實(shí)際生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成件驗(yàn)證了雙組分折邊膠對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩變形的控制效果。雙組分折邊膠可以將鋁發(fā)動(dòng)機(jī)罩電泳烘烤前后面差變化量從傳統(tǒng)單組分折邊膠的面差變化量±3mm，降低到±1mm以內(nèi)。

鋁合金；發(fā)動(dòng)機(jī)罩；變形；折邊膠

引言

2019年中國(guó)再次成為全球最大的汽車產(chǎn)銷國(guó)，其中新能源汽車產(chǎn)銷分別完成124.2萬輛和120.6萬輛，位居全球第一。中國(guó)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，在促進(jìn)我國(guó)制造業(yè)發(fā)展和給人民生活帶來方便的同時(shí)，油耗帶來的資源消費(fèi)問題和尾氣排放帶來的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。低油耗和電動(dòng)化的需求越來越迫切。鋁合金作為關(guān)鍵的輕量化材料，其密度僅為鋼的1/3。在不降低零部件性能的前提下，鋁合金替代傳統(tǒng)鋼制零部件可以實(shí)現(xiàn)約30％~40％的減重[1]。目前國(guó)內(nèi)長(zhǎng)城汽車，吉利汽車，廣汽新能源汽車，小鵬新能源汽車都已開始使用鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩。由于鋁合金有更大的熱膨脹系數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)罩電泳烘烤后翹曲是一個(gè)難題。

1 焊裝工藝和涂裝工藝對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩變形問題的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)罩在焊裝的自動(dòng)化生產(chǎn)流程大致如下：裝配內(nèi)板及小件→焊接→涂折邊膠及減震膠→內(nèi)外板合裝→包邊壓合→下線→料架儲(chǔ)存→搬運(yùn)→裝配。目前主機(jī)廠普遍采用的是單組分折邊膠，在焊裝，膠是濕的狀態(tài)，門蓋總成在進(jìn)入涂裝車間之前折邊膠處于未固化狀態(tài)，對(duì)內(nèi)外板的連接作用很小，內(nèi)外板之間主要靠外板包邊的力進(jìn)行弱性連接。這導(dǎo)致門蓋總成在存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)運(yùn)和白車身裝配調(diào)整過程中，在扭轉(zhuǎn)力和切向力的作用下，門蓋內(nèi)外板之間易出現(xiàn)串動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)罩在焊裝車間完成裝配后，進(jìn)入涂裝，完成涂裝工藝。在電泳烘烤前，折邊膠仍然是濕的狀態(tài)或者初步固化的狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板是一個(gè)弱連接的狀態(tài)，通過以往的研究表明在經(jīng)過車身前處理工序和電泳工序的過程中會(huì)受到槽液的沖洗，導(dǎo)致內(nèi)外板串動(dòng)[2-4]。車身前處理和電泳的工序如下圖1。

圖1 汽車涂裝工藝流程圖

發(fā)動(dòng)機(jī)罩完成陰極電泳后，進(jìn)入電泳烘烤烘房進(jìn)行固化。電泳漆必須要達(dá)到工藝規(guī)定的烘干溫度以及烘干時(shí)間才能完全固化，從而使涂膜的性能達(dá)到最佳狀態(tài)，同時(shí)所有焊裝使用的膠粘劑在此烘烤過程中完全固化。電泳烘烤通常分為三個(gè)階段，以福特涂裝電泳烘烤為例，第一階段從室溫按照20℃每分鐘的升溫速率升溫到170℃；第二階段在170℃的溫度條件下保溫20分鐘；第三階段從170℃以20℃每分鐘的降溫速率降至室溫。劉武生，張百通等研究表明，電泳烘烤是影響發(fā)動(dòng)機(jī)罩變形的重要原因[5-7]。

總之，鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩變形問題主要是由內(nèi)外板串動(dòng)和烘烤導(dǎo)致的。為了解決這個(gè)問題，通常采用無鉚鉚接，內(nèi)板倒刺結(jié)構(gòu)，折邊膠中加玻璃微珠，感應(yīng)加熱和預(yù)烘烤等方案。國(guó)內(nèi)對(duì)雙組分折邊膠的應(yīng)用研究較少，本文主要研究了雙組分折邊膠對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩的變形控制。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩實(shí)際生產(chǎn)變形問題的研究與解決對(duì)策

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)罩面差變形量的定義和變形量測(cè)量方法

在焊裝車間，發(fā)動(dòng)機(jī)罩的面差值可以調(diào)整到最符合設(shè)計(jì)的要求，此時(shí)面差值為基準(zhǔn)，經(jīng)過焊裝運(yùn)輸，裝配，調(diào)整后進(jìn)入涂裝。經(jīng)過涂裝車間電泳烘房烘烤后，面差尺寸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。從焊裝到電泳烘烤后，面差值的前后變化量定義為發(fā)動(dòng)機(jī)罩變形量。在焊裝車間，折邊完成后，在檢具上按照編號(hào)測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成件的不同部位面差值。經(jīng)過電泳烘烤工藝后，總成件再到相同檢具上測(cè)試對(duì)應(yīng)編號(hào)位置的面差值。兩者之間的差值，即為面差變化量。

面差變化量的公式如下：

△=F1-F2 （1）

式中：

F1=焊裝發(fā)動(dòng)機(jī)罩面差值/mm

F2=電泳后發(fā)動(dòng)機(jī)罩面差值/mm

2.2 某主機(jī)廠實(shí)際生產(chǎn)鋁發(fā)動(dòng)機(jī)罩變形問題

某合資主機(jī)廠一款鋁發(fā)動(dòng)機(jī)罩，設(shè)計(jì)使用單組份折邊膠，當(dāng)進(jìn)入試制階段，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)罩電泳后翹曲變形問題。為了研究折邊膠對(duì)變形的影響，設(shè)計(jì)了無折邊膠的空白實(shí)驗(yàn)。測(cè)試了發(fā)動(dòng)機(jī)罩電泳烘烤前和電泳后面差的變化量。從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（見下圖-2測(cè)量點(diǎn)，圖-3面差變化量）分析可知，涂單組分折邊膠和不涂膠的結(jié)果非常接近。變化量最大區(qū)域在大燈區(qū)域，面差變化量超過了3mm。結(jié)果表明，單組分折邊膠在固化前沒有強(qiáng)度，和不涂膠的狀態(tài)是一致的。

圖2 面差測(cè)量點(diǎn)

圖3 鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩電泳前后面差變化量

2.3 鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩變形解決對(duì)策

2.3.1發(fā)動(dòng)機(jī)罩在電泳烘烤過程中的應(yīng)力研究

由以上案例我們可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)罩在電泳烘烤過程中一定是受到力的作用，導(dǎo)致了串動(dòng)變形。當(dāng)膠在加熱條件下固化后，有較大的應(yīng)力導(dǎo)致最終的翹曲變形。有效的方法是發(fā)動(dòng)機(jī)罩在進(jìn)涂裝車間之前，內(nèi)外板需要受到約束。為了更好地研究變形的原理，本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩電泳過程的應(yīng)力變化做了以下假設(shè)。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)罩折邊區(qū)域在電泳烘烤過程的應(yīng)力分析

字母和數(shù)字與上面圖表上標(biāo)注的點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。這是一個(gè)假設(shè)的理論，不是真實(shí)的數(shù)據(jù)。分析沒有考慮粘彈性的影響和內(nèi)外板形狀的獨(dú)特約束。然而，顯示的趨勢(shì)與汽車制造商的實(shí)際分析一致。

（1）雙組分折邊膠在固化狀態(tài)下進(jìn)入電泳烘箱，具有相對(duì)較高的模量（與強(qiáng)度有關(guān)，如果假設(shè)良好的附著力）。粘接區(qū)域上沒有應(yīng)力。

（2）隨著烘箱溫度的升高，雙組分折邊膠的模量下降，在雙組分折邊膠的Tg（70℃）時(shí)，這種下降是顯著的。在此期間，內(nèi)外板的金屬膨脹。由于膨脹，一些應(yīng)力開始在粘接區(qū)域上積聚。

（3）在高溫下（170-200℃），雙組分折邊膠的模量非常低。內(nèi)外板的金屬完全膨脹。雙組分折邊膠具有足夠的延伸率，特別是在高溫下，以適應(yīng)膨脹。因此，粘接區(qū)域中的應(yīng)力相對(duì)較低。

（4）烘烤結(jié)束時(shí)，零件通過強(qiáng)冷冷卻。當(dāng)溫度低于Tg時(shí)，雙組分折邊膠的模量隨著溫度的降低而急劇增加。在冷卻過程中，金屬想要收縮回原來的室溫時(shí)形狀。實(shí)際上，部件中的應(yīng)力會(huì)降低，因?yàn)椴考窃诶鋺B(tài)下粘合的，它正恢復(fù)到最初粘合時(shí)的形狀。

（5）在電泳烘烤后，雙組分折邊膠的模量較烘烤前稍高，因?yàn)樵诩訜釙r(shí)會(huì)發(fā)生進(jìn)一步的固化。這導(dǎo)致了一些殘余應(yīng)力在粘接區(qū)域，但它是低的。

A-單組份環(huán)氧折邊膠以未固化狀態(tài)進(jìn)入電泳烘房，無強(qiáng)度。粘接區(qū)域上沒有應(yīng)力。

B-當(dāng)烘箱溫度上升到一定溫度，保持一段時(shí)間后開始引發(fā)固化反應(yīng)，環(huán)氧樹脂的模量開始上升。

C-環(huán)氧樹脂達(dá)到固化狀態(tài)，其模量保持恒定，直到溫度降低。內(nèi)外板的金屬完全膨脹，環(huán)氧樹脂將其粘合到這種膨脹狀態(tài)。應(yīng)力很低，因?yàn)榱慵窃谂蛎洜顟B(tài)下粘合的。

D-在烘烤結(jié)束時(shí)，零件通過強(qiáng)冷冷卻。隨著溫度的降低，環(huán)氧樹脂的模量急劇增加。在冷卻過程中，金屬想要收縮回原來的室溫形狀。零件中的應(yīng)力急劇增加，因?yàn)榻饘僭噲D恢復(fù)其室溫時(shí)的形狀，但在膨脹狀態(tài)下固化的粘合劑不想讓其收縮。

E-在室溫下，環(huán)氧樹脂的模量很高。粘接區(qū)域上的應(yīng)力也很高。這就是為什么用單組份環(huán)氧折邊膠制造的零件在過電泳烘烤后會(huì)發(fā)生翹曲。預(yù)凝膠烘箱有助于緩解問題，但不能消除它。

2.3.2單組分折邊膠和雙組分折邊膠的固化過程研究

根據(jù)焊裝和涂裝的實(shí)際生產(chǎn)工藝，模擬了從焊裝到涂裝電泳烘烤后發(fā)動(dòng)機(jī)罩在生產(chǎn)線上移動(dòng)的時(shí)間和所處的溫度情況。研究不同折邊膠的固化過程可以幫助分析折邊膠對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩變形的影響。測(cè)試使用TA Instruments ARES G2流變儀完成。

測(cè)試條件：

（1）在23°C下運(yùn)行5小時(shí)；

（2）以20°C/分鐘的速度從23°C上升到170°C。在170°C下保持20分鐘；

（3）以3°C/分鐘的速度將170°C降低至23°C。

2.3.2.1 雙組分折邊膠固化過程研究

由測(cè)試數(shù)據(jù)（圖5）可見，第一階段模擬焊裝車間的狀態(tài)，在起始階段，雙組分發(fā)生反應(yīng)，模量隨時(shí)間開始上升，從103Pa上升到104Pa，由于反應(yīng)放熱，反應(yīng)模量的上升速率低于材料升溫導(dǎo)致模量下降的速度，出現(xiàn)模量降低狀態(tài)。隨之時(shí)間的推移，反應(yīng)進(jìn)一步加劇，模量出現(xiàn)迅速上升，在45分鐘左右達(dá)到107Pa數(shù)量級(jí)，達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定階段。由此可見，膠在室溫固化45分鐘后，即可達(dá)到一個(gè)相對(duì)較高的強(qiáng)度。室溫5小時(shí)后模擬膠進(jìn)入涂裝電泳烘房的爐溫狀態(tài)。膠從室溫升溫到170℃并保持穩(wěn)定，由上圖數(shù)據(jù)可見，隨著溫度的升高，已反應(yīng)膠的模量迅速降從107Pa數(shù)量級(jí)低到一個(gè)最低點(diǎn)106Pa數(shù)量級(jí)，但是并未降低到初始狀態(tài)103Pa。隨著烘烤的時(shí)間加長(zhǎng)，模量有一個(gè)小幅上升的過程，證明膠在繼續(xù)反應(yīng)。當(dāng)結(jié)束烘烤降溫時(shí)，膠的模量迅速上升，降至23℃時(shí)，最終模量達(dá)到108Pa應(yīng)。當(dāng)結(jié)束烘烤降溫時(shí)，膠的模量迅速上升，降至23℃時(shí)，最終模量達(dá)到108Pa。

圖5 雙組分折邊膠模量隨溫度與時(shí)間的變化曲線

2.3.2.2 單組分折邊膠固化過程研究

圖6 單組分折邊膠模量隨溫度與時(shí)間的變化曲線

由測(cè)試數(shù)據(jù)（圖6）可見，第一階段模擬焊裝車間的狀態(tài)，單組份環(huán)氧折邊膠在常溫狀態(tài)下不發(fā)生反應(yīng)，模量不隨時(shí)間變化，保持在103Pa數(shù)量級(jí)。室溫5小時(shí)后模擬膠進(jìn)入涂裝電泳烘房的爐溫狀態(tài)。膠從室溫升溫到170℃并保持穩(wěn)定，由上圖數(shù)據(jù)可見，隨著溫度的升高，膠的模量迅速降低到接近102Pa數(shù)量級(jí)。隨著烘烤的時(shí)間加長(zhǎng)，模量有一個(gè)小幅上升的過程，證明膠在繼續(xù)反應(yīng)。當(dāng)結(jié)束烘烤降溫時(shí)，膠的模量迅速上升，降至23℃時(shí)，最終模量達(dá)到108Pa數(shù)量級(jí)。與雙組分相比較，膠粘結(jié)最終固化狀態(tài)模量接近，但在整個(gè)烘烤之前，單組份是一個(gè)沒有強(qiáng)度的狀態(tài)，這就導(dǎo)致了生產(chǎn)工藝過程中出現(xiàn)串動(dòng)以及電泳烘烤變形問題的原因。

2.3.3發(fā)動(dòng)機(jī)罩變形解決對(duì)策

通過以上分析，項(xiàng)目測(cè)試了雙組分折邊膠，結(jié)果顯示鋁發(fā)動(dòng)機(jī)罩電泳烘烤前后面差變化量從傳統(tǒng)單組分折邊膠的面差變化量在±3mm，降低到±1mm以內(nèi)。詳情見圖7。最終此款鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩進(jìn)入量產(chǎn)階段，更換成雙組分折邊膠。

圖7 鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩電泳前后面差變化

3 總結(jié)

通過以上研究，使用室溫固化的雙組分折邊膠，在折邊完成45分鐘后就可以固化達(dá)到一定的粘接強(qiáng)度，可以有效防止焊裝車間的串動(dòng)變形，電泳烘烤的熱變形。對(duì)比目前常用的單組分膠加玻璃微珠，感應(yīng)加熱工藝和預(yù)烘烤工藝，雙組分室溫固化折邊膠可以將鋁發(fā)動(dòng)機(jī)罩面差變化量控制在±1mm以內(nèi)，而傳統(tǒng)單組分折邊膠的面差變化量在±3mm。

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[2] 劉長(zhǎng)春,楊磊,祁華看,王勝剛.簡(jiǎn)述過涂變形驗(yàn)證[J].現(xiàn)代涂料與涂裝,2016,19(11):42-44+47.

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Research and Solution on baking distortion of aluminum alloy engine hood

Ren Shujian

( School of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444 )

In order to solve the distortion problem of alloy aluminum engine hood after E-coating baking, the stress state of one-component and two-component hemming flange adhesive in the hemming area of engine hood was studied, and the curing process of two-component and one-component hemming flange adhesive was analyzed. The control effect of two-component hemming flange adhesive on the distortion of engine hood was verified by the actual production of engine hood assembly. The distortion of aluminum engine hood before and after E-coating baking can be reduced from ± 3mm to ± 1mm by two-component hemming flange adhesive.

Aluminum alloy; Engine hood; Distortion; Hemming flange adhesive

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.038

TQ437+.3

A

1671-7988(2021)04-126-04

TQ437+.3

A

1671-7988(2021)04-126-04

任樹建（1983.05-），男，碩士研究生在讀，就讀于上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，就職于洛德化學(xué)（上海）有限公司。