烘烤仿真技術在汽車涂裝制造中的應用

中圖分類號：U466 文獻標志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20240396

Application of Baking Simulation Technology in Automobile Coating Manufacturing

Tian Ziwang'，Zhao Jinchen'，Wang Hao2 （1.SAICPasengerCarCompany，Shanghai218OO;2.ShanghaiGLBScienceandTechnologyDevelopmentCo.，Ltd.hanghi 201199）

Abstract：Based on the complex structure of new energy vehicles，this paper studies the baking simulation technology.Inordertosolvethebaking problemscausedbytheappicationofnew materials tothecoating process and avoid thebaking defects in vehicle model launch andproduction，baking simulationsoftwareisused tosimulate the coating electrophoresis baking.The paper performs synchronous engineering analysis，guides and evaluates the scheme of drying room renovation，and provides feasibility assessment and parametric suggestions.

Keywords：Newenergy，Baking，Simulation，Transform

1前言

烘烤作為涂裝工藝中的關鍵環節，直接關系到涂層固化效果、車身防腐性能及最終產品美觀度，對焊裝膠及涂裝膠的固化都有極為重要的作用。然而，烘烤過程涉及復雜的熱傳導、對流換熱、輻射等多物理場耦合問題，傳統方法難以全面、準確地預測并控制烘烤效果。因此，烘烤仿真技術的引入成為提升汽車涂裝制造水平的關鍵技術。2010年，浙江工業大學就運用計算流體動力學（ComputationalFluidDynamics，CFD）軟件Fluent進行數值模擬仿真，分析了車身烘房熱風循環烘干特性，并提出了一種車身風道設計方法，設計了半圓形變截面風道結構，并進行工藝參數優化，使加熱升溫成本降低了 5%^[3]

受電池安裝的影響，新能源汽車底盤結構與傳統車輛不同，尤其是車身下邊梁內腔位，增加了多層加強板，因此在實際電泳烘烤過程中，該位置測溫點經常出現保溫時間不足的問題4。以新能源車型的下邊梁作為研究對象，使用仿真技術還原車身溫度變化，從車身材料、板材厚度、烘房結構、烘房溫度設計等多方面展開研究，提出優化建議并進行虛擬仿真驗證，以期提高車身下邊梁部位的烘烤質量。

2 烘烤問題

2.1 烘烤傳熱方式分析

烘干加熱有輻射加熱和對流加熱2種方式，輻射加熱是利用輻射源發出的紅外線電磁波加熱物體，使其被物體吸收后轉換成熱能。它的優點在于加熱速度快、效率高。但這種方式對于大件及形狀復雜的物體會出現加熱不均勻的現象，從而限制了其在汽車烘干流水線上的使用5。對流加熱是將熱空氣作為媒介對物體進行加熱。這種方式能夠保證被加熱物體受熱均勻，目前，車輛制造過程中烘房主要采用熱風循環烘干技術，以空氣作為傳熱介質，通過對流加熱方式將能量傳遞給工件烘干。因此，車身在烘干過程中會受熱傳導、熱對流、熱輻射3種傳熱方式的共同影響，如烘房噴嘴的高溫高速熱風對車輛可吹區域的熱對流加熱、高溫區域向低溫區域的接觸式熱傳導、內腔外板通過熱輻射向內腔零件傳熱。結合烘房結構及汽車設計，對熱傳遞過程進行分解，汽車的溫度變化及規律簡析如下：

a.在升溫階段，零件間的溫差較小，主要為噴嘴和烘房中的熱空氣對外表面進行熱對流加熱，且單層鈑金區域比多層鈑金或結構復雜區域升溫更快；

b.當外表面溫度升高到一定程度后，溫度差異變大，熱傳導方式作用增大，此時熱對流與熱傳導共同作用，高溫區域在被加熱的同時也在向低溫區域傳遞能量；

c.當溫度達到一定程度時，熱輻射作用更強，特別是對內腔零件的影響。

可見復雜車身結構下零件在烘烤過程中以不同熱傳導方式進行的吸熱與放熱在同一時間下是一個復雜的交互過程。而傳統的零件工藝溫度變化數據獲取方式為對關注零件采用爐溫測量儀器進行爐溫測量，但此方法存在測量時間長、受車身結構和儀器限制、探點位置只能布置在可放置區域如可視的外表或內腔等局限。而復雜完整的內腔零件烘烤質量只能通過后期的車輛拆解觀察，這也是烘烤風險難以發現、出現烘烤工藝問題難以處理的原因之一。

2.2 不同材料對烘烤溫度的影響

在新能源汽車中，除使用常規鋼材外，還會采用大量的鋁（鎂）合金材料和熱塑性復合材料等，不同的板材在烘烤過程中的升溫效率不同。在相同熱源烘烤情況下（ ），對相同尺寸（ 0.5m× 0.5m×1mm 的塑料、鋁、鐵3種材料進行 10min 的烘烤，并測量中心位置的溫度變化，如圖1所示，通過對比分析發現升溫速率由高到低依次為塑料、鋁板、鐵板。在體積相同的情況下，塑料材質升溫快的原因是其密度低，而鋁升溫快的原因是其熱導率高。

2.3不同板材厚度對溫度的影響

通過對比發現，鋁板的升溫速率較快，但是在實際應用中，鋁型材的厚度往往超過 3mm ，如門檻區域，厚度越大，必然升溫越慢，這也是使用鋁型材易造成烘烤不良的根本原因。如圖2所示，當鋁的厚度增加到 2mm 后，其升溫速率將低于鋼板，厚度對板材的升溫影響較大。此現象與項目實際相符，門檻區域因考慮結構強度，鋁的厚度約為 5mm ，升溫速率很低，已經影響了結構膠的固化效果。

2.4常見新能源汽車烘烤問題

與傳統的燃油車型門檻設計相比，新能源車型因電池碰撞保護要求，需要在門檻內部新增擠壓鋁結構，提升碰撞潰縮穩定性，且需要在擠壓鋁內外側涂結構膠，防止型材發生翻轉，同時鋼鋁接觸避免電化學腐蝕現象發生[。因此，擠壓鋁的使用不可避免，而因其強度、厚度要求均較高，造成門檻區域存在較大的烘烤不良風險，如圖3所示，不同的結構設計對結構膠的固化影響很大。

根據經驗分析，擠壓鋁體積越小，對結構膠的烘烤越有利，與鈑金的接觸面積越小越有利，半包結構升溫比全包結構更有效。

3烘烤仿真技術簡介

在設計研發階段可以通過烘烤仿真分析快速評估烤箱結構設計及工藝設備能力是否滿足涂料固化窗口要求，避免因烤箱結構設計缺陷或工藝設備能力不足等因素引起的電泳/面漆烘烤不良、冷卻后車身溫度過高等風險，減少烤箱投產后的設計變更費用且避免電泳烘烤存儲區過大造成空間浪費。本文使用IPSOVEN仿真軟件進行溫度場分析，使用浸人網格邊界法自動完成數模網格處理，使用風嘴數據模型進行參數化建模，并根據現場實際風量、溫度控制參數、運動狀態進行參數輸入，通過對汽車在烘房中的情景再現，開展溫度場分析，評估產品質量，仿真效果如圖4所示。

3.1噴嘴數據庫模型

軟件自帶烘房建模所需的常規噴嘴模型，如直徑 50～150mm 的圓形噴嘴和長方形風口等，在噴嘴模型中，具有熱風粒子分布模型，如圖5所示，能仿真不同類型的風口熱量的分布狀態，更好地進行烘烤仿真，并可以自定義噴嘴不同的位置分布、噴嘴角度、噴嘴風量等，支持生產線改造調試方案驗證。

3.2烘房生產線建模

首先，根據生產線圖紙完成風嘴布置，如圖6a所示，并完成風嘴仿真布置，如圖6b所示。

其次，對現場車輛進行烘烤爐溫測量，如圖7所示。

然后，如圖8所示，對烘烤的各區段進行風量配置，并定義出風口的風速，將直接影響溫度升溫速率。

度及距離進行設置。

4烘烤仿真質量評估

4.1電泳涂層固化質量評估

如圖10所示為溫度分布云圖，可以看出，受擠壓鋁的影響門檻區域，在整車烘烤過程中升溫最慢，是烘烤不良風險的重點分析區域。

對門檻區域各點位進行爐溫數據分析，結果如表1所示，發現滿足烘烤要求，但是最佳烘烤時間均不足 15min ，計劃對門檻區域工藝條件進行調整。

最后，如圖9所示，對車輛的運動方向、運動速

4.2結構膠烘烤質量評估

如圖11所示為溫度分布云圖，可以看出，因門檻區域鈑金溫度低，結構膠受其影響，滿足烘烤要求，但并未處于最佳烘烤條件。

通過對門檻前、后區域結構膠進行爐溫數據分析，如表2所示，發現最佳溫度烘烤時間均不足 15min ，滿足烘烤要求，但并非處于最佳烘烤條件。

5 烘烤整改優化方案評估

5.1 方案思路分析

通過對烘烤問題的解析可知，門檻區域烘烤風險主要因擠壓鋁材料比熱容及其鈑金厚度大，空腔填充較密集引起。因此，優化方向可以為在滿足結構強度的基礎上，減少局部區域的擠壓鋁料厚。

通過加強外部熱量輸入，使門檻區域升溫速度更快，門檻外板更快達到最高溫度。因擠壓鋁被完全包裹在內腔中，當門檻外板溫度達到最高溫度后，外部能量的輸入將很難影響內腔升溫效率，因此，烘房整改措施主要在烘房的前段，由烘烤仿真結果可知，如圖12所示，門檻外板在約第800s進入第3段升溫區時已達到最高烘烤溫度，因此，后續改造均在烘房的第1、第2段升溫區。在第1區和第2區，門檻區域增加底部送風，提高門檻升溫效率。

拋棄常見的從外部車身加熱的方式，尋求從內部加熱擠壓鋁結構減少溫度差的方案，如感應加熱，感應線圈通過電磁感應產生感應電流實現電能的傳遞，在工件內部，電能轉換成熱能使其升溫，從根本優化門檻烘烤風險[]。加熱設備只能在進烘房前安裝，因此預熱后必然存在熱量損失，通過圖13烘烤仿真對比可以發現，如果預熱至 100° 后進入烘房，擠壓鋁很快降溫至 左右，對后續的烘烤貢獻有限，而如果預熱至200° ，可以使擠壓鋁保持在 以上，效果更明顯。

同時需要評估電泳漆在60s的節拍內快速加熱至 200^°C 是否影響涂層質量。如圖14所示，通過2次小樣加熱試驗，擠壓鋁加熱面在60s內可加熱至 200° ，設備極限升溫時間可縮短至5s，滿足升溫效率需求。當升溫時間為60s時，工件整體溫度均勻，且加熱完成后的小樣可正常電泳烘烤，烤后漆面質量滿足要求，方案可行。

5.2 方案效果仿真評估

在烘烤仿真軟件中，對如表3所示各可行方案進行多方案驗證，其中具體實施內容如下：

a.在第1區、第2區增加底部送風；b.擠壓鋁部分結構邊料厚優化，通過驗證結構強度滿足產品需求，可實施；c.通過外置加熱設備在進烘房前將擠壓鋁預熱至 200°C 。

通過方案對比可以發現，增加底部送風對門檻的溫度改善效果最顯著，方案2＼～方案4均滿足質量要求。結合項目實際情況，最終方案推進情況如下：

a.確認實施生產線烘房改造增加底部送風；b.確認實施產品設計上減小鋁鑄件的厚度；c.產品投產后驗證烘烤質量，按需使用外置設備將擠壓鋁預熱至 200°C ：d.保留措施為，對膠性能進行提升，降低烘烤要求。

6仿真與實測溫度準確性確認

烘烤仿真與實車爐溫數據對比，如圖15所示，仿真與實測匹配度在 90% 以上，溫度場仿真精度高，仿真方案評估結果可靠。

7 結論

a.烘烤仿真技術可復現實際烘房中的溫度變化過程，規避傳統烘烤調試的經驗試錯方式，對烘烤方案的合理性、車型結構設計合理性提前進行評估與優化，降低了試錯成本，同時解決了產品烘烤質量內腔調控的問題，提升產品涂層烘烤質量；

b.通過仿真與實測爐溫數據對比分析，仿真結果與實測值偏差在 5% 以內，仿真結果的置信度較高；

c.烘烤仿真軟件通過數值化、可視化直觀展現產品的烘烤溫度效果，可以有效避免當前烘烤方案設計的盲自性，不再局限于反復迭代的“測試驗證-修改設計”串行設計優化，能顯著縮短烘房設備的調試周期；

d.通過對各種方案的對比分析，對于門檻烘烤不良問題，底部增加送風和降低料厚是有效的方案，可以在產品的不同階段進行實施；

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