鋁合金發動機罩烘烤變形研究與對策

任樹建

鋁合金發動機罩烘烤變形研究與對策

任樹建

（上海大學環境與化學工程學院，上海 200444）

為了解決鋁合金發動機罩電泳烘烤變形，文章研究了單組分折邊膠和雙組折邊膠在發動機罩折邊區域的應力狀態，分析了雙組分折邊膠和單組分折邊膠的固化過程，通過實際生產的發動機罩總成件驗證了雙組分折邊膠對發動機罩變形的控制效果。雙組分折邊膠可以將鋁發動機罩電泳烘烤前后面差變化量從傳統單組分折邊膠的面差變化量±3mm，降低到±1mm以內。

鋁合金；發動機罩；變形；折邊膠

引言

2019年中國再次成為全球最大的汽車產銷國，其中新能源汽車產銷分別完成124.2萬輛和120.6萬輛，位居全球第一。中國汽車工業的飛速發展，在促進我國制造業發展和給人民生活帶來方便的同時，油耗帶來的資源消費問題和尾氣排放帶來的環境污染問題日益嚴重。低油耗和電動化的需求越來越迫切。鋁合金作為關鍵的輕量化材料，其密度僅為鋼的1/3。在不降低零部件性能的前提下，鋁合金替代傳統鋼制零部件可以實現約30％~40％的減重[1]。目前國內長城汽車，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動機罩。由于鋁合金有更大的熱膨脹系數，發動機罩電泳烘烤后翹曲是一個難題。

1 焊裝工藝和涂裝工藝對發動機罩變形問題的影響

發動機罩在焊裝的自動化生產流程大致如下：裝配內板及小件→焊接→涂折邊膠及減震膠→內外板合裝→包邊壓合→下線→料架儲存→搬運→裝配。目前主機廠普遍采用的是單組分折邊膠，在焊裝，膠是濕的狀態，門蓋總成在進入涂裝車間之前折邊膠處于未固化狀態，對內外板的連接作用很小，內外板之間主要靠外板包邊的力進行弱性連接。這導致門蓋總成在存儲、轉運和白車身裝配調整過程中，在扭轉力和切向力的作用下，門蓋內外板之間易出現串動。發動機罩在焊裝車間完成裝配后，進入涂裝，完成涂裝工藝。在電泳烘烤前，折邊膠仍然是濕的狀態或者初步固化的狀態，發動機罩內外板是一個弱連接的狀態，通過以往的研究表明在經過車身前處理工序和電泳工序的過程中會受到槽液的沖洗，導致內外板串動[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

發動機罩完成陰極電泳后，進入電泳烘烤烘房進行固化。電泳漆必須要達到工藝規定的烘干溫度以及烘干時間才能完全固化，從而使涂膜的性能達到最佳狀態，同時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，電泳烘烤是影響發動機罩變形的重要原因[5-7]。

總之，鋁合金發動機罩變形問題主要是由內外板串動和烘烤導致的。為了解決這個問題，通常采用無鉚鉚接，內板倒刺結構，折邊膠中加玻璃微珠，感應加熱和預烘烤等方案。國內對雙組分折邊膠的應用研究較少，本文主要研究了雙組分折邊膠對發動機罩的變形控制。

2 發動機罩實際生產變形問題的研究與解決對策

2.1 發動機罩面差變形量的定義和變形量測量方法

在焊裝車間，發動機罩的面差值可以調整到最符合設計的要求，此時面差值為基準，經過焊裝運輸，裝配，調整后進入涂裝。經過涂裝車間電泳烘房烘烤后，面差尺寸達到穩定狀態。從焊裝到電泳烘烤后，面差值的前后變化量定義為發動機罩變形量。在焊裝車間，折邊完成后，在檢具上按照編號測試發動機罩總成件的不同部位面差值。經過電泳烘烤工藝后，總成件再到相同檢具上測試對應編號位置的面差值。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=焊裝發動機罩面差值/mm

F2=電泳后發動機罩面差值/mm

2.2 某主機廠實際生產鋁發動機罩變形問題

某合資主機廠一款鋁發動機罩，設計使用單組份折邊膠，當進入試制階段，發現發動機罩電泳后翹曲變形問題。為了研究折邊膠對變形的影響，設計了無折邊膠的空白實驗。測試了發動機罩電泳烘烤前和電泳后面差的變化量。從實測數據（見下圖-2測量點，圖-3面差變化量）分析可知，涂單組分折邊膠和不涂膠的結果非常接近。變化量最大區域在大燈區域，面差變化量超過了3mm。結果表明，單組分折邊膠在固化前沒有強度，和不涂膠的狀態是一致的。

圖2 面差測量點

圖3 鋁合金發動機罩電泳前后面差變化量

2.3 鋁合金發動機罩變形解決對策

2.3.1發動機罩在電泳烘烤過程中的應力研究

由以上案例我們可以發現，發動機罩在電泳烘烤過程中一定是受到力的作用，導致了串動變形。當膠在加熱條件下固化后，有較大的應力導致最終的翹曲變形。有效的方法是發動機罩在進涂裝車間之前，內外板需要受到約束。為了更好地研究變形的原理，本文對發動機罩電泳過程的應力變化做了以下假設。

圖4 發動機罩折邊區域在電泳烘烤過程的應力分析

字母和數字與上面圖表上標注的點相對應。這是一個假設的理論，不是真實的數據。分析沒有考慮粘彈性的影響和內外板形狀的獨特約束。然而，顯示的趨勢與汽車制造商的實際分析一致。

（1）雙組分折邊膠在固化狀態下進入電泳烘箱，具有相對較高的模量（與強度有關，如果假設良好的附著力）。粘接區域上沒有應力。

（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，這種下降是顯著的。在此期間，內外板的金屬膨脹。由于膨脹，一些應力開始在粘接區域上積聚。

（3）在高溫下（170-200℃），雙組分折邊膠的模量非常低。內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，以適應膨脹。因此，粘接區域中的應力相對較低。

（4）烘烤結束時，零件通過強冷冷卻。當溫度低于Tg時，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形狀。實際上，部件中的應力會降低，因為部件是在冷態下粘合的，它正恢復到最初粘合時的形狀。

（5）在電泳烘烤后，雙組分折邊膠的模量較烘烤前稍高，因為在加熱時會發生進一步的固化。這導致了一些殘余應力在粘接區域，但它是低的。

A-單組份環氧折邊膠以未固化狀態進入電泳烘房，無強度。粘接區域上沒有應力。

B-當烘箱溫度上升到一定溫度，保持一段時間后開始引發固化反應，環氧樹脂的模量開始上升。

C-環氧樹脂達到固化狀態，其模量保持恒定，直到溫度降低。內外板的金屬完全膨脹，環氧樹脂將其粘合到這種膨脹狀態。應力很低，因為零件是在膨脹狀態下粘合的。

D-在烘烤結束時，零件通過強冷冷卻。隨著溫度的降低，環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。零件中的應力急劇增加，因為金屬試圖恢復其室溫時的形狀，但在膨脹狀態下固化的粘合劑不想讓其收縮。

E-在室溫下，環氧樹脂的模量很高。粘接區域上的應力也很高。這就是為什么用單組份環氧折邊膠制造的零件在過電泳烘烤后會發生翹曲。預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

根據焊裝和涂裝的實際生產工藝，模擬了從焊裝到涂裝電泳烘烤后發動機罩在生產線上移動的時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發動機罩變形的影響。測試使用TA Instruments ARES G2流變儀完成。

測試條件：

（1）在23°C下運行5小時；

（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

由測試數據（圖5）可見，第一階段模擬焊裝車間的狀態，在起始階段，雙組分發生反應，模量隨時間開始上升，從103Pa上升到104Pa，由于反應放熱，反應模量的上升速率低于材料升溫導致模量下降的速度，出現模量降低狀態。隨之時間的推移，反應進一步加劇，模量出現迅速上升，在45分鐘左右達到107Pa數量級，達到一個相對穩定階段。由此可見，膠在室溫固化45分鐘后，即可達到一個相對較高的強度。室溫5小時后模擬膠進入涂裝電泳烘房的爐溫狀態。膠從室溫升溫到170℃并保持穩定，由上圖數據可見，隨著溫度的升高，已反應膠的模量迅速降從107Pa數量級低到一個最低點106Pa數量級，但是并未降低到初始狀態103Pa。隨著烘烤的時間加長，模量有一個小幅上升的過程，證明膠在繼續反應。當結束烘烤降溫時，膠的模量迅速上升，降至23℃時，最終模量達到108Pa應。當結束烘烤降溫時，膠的模量迅速上升，降至23℃時，最終模量達到108Pa。

圖5 雙組分折邊膠模量隨溫度與時間的變化曲線

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間的變化曲線

由測試數據（圖6）可見，第一階段模擬焊裝車間的狀態，單組份環氧折邊膠在常溫狀態下不發生反應，模量不隨時間變化，保持在103Pa數量級。室溫5小時后模擬膠進入涂裝電泳烘房的爐溫狀態。膠從室溫升溫到170℃并保持穩定，由上圖數據可見，隨著溫度的升高，膠的模量迅速降低到接近102Pa數量級。隨著烘烤的時間加長，模量有一個小幅上升的過程，證明膠在繼續反應。當結束烘烤降溫時，膠的模量迅速上升，降至23℃時，最終模量達到108Pa數量級。與雙組分相比較，膠粘結最終固化狀態模量接近，但在整個烘烤之前，單組份是一個沒有強度的狀態，這就導致了生產工藝過程中出現串動以及電泳烘烤變形問題的原因。

2.3.3發動機罩變形解決對策

通過以上分析，項目測試了雙組分折邊膠，結果顯示鋁發動機罩電泳烘烤前后面差變化量從傳統單組分折邊膠的面差變化量在±3mm，降低到±1mm以內。詳情見圖7。最終此款鋁合金發動機罩進入量產階段，更換成雙組分折邊膠。

圖7 鋁合金發動機罩電泳前后面差變化

3 總結

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到一定的粘接強度，可以有效防止焊裝車間的串動變形，電泳烘烤的熱變形。對比目前常用的單組分膠加玻璃微珠，感應加熱工藝和預烘烤工藝，雙組分室溫固化折邊膠可以將鋁發動機罩面差變化量控制在±1mm以內，而傳統單組分折邊膠的面差變化量在±3mm。

[1] 李云豪,付英智,高莉研,韓麗,李瑩. 鋁合金發動機蓋設計分析[C]. 中國汽車工程學會（China Society of Automotive Engineers）.2019中國汽車工程學會年會論文集（2）.中國汽車工程學會（China Society of Automotive Engineers）:中國汽車工程學會,2019:112- 115.

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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，就讀于上海大學環境與化學工程學院，就職于洛德化學（上海）有限公司。