夾層鋼板在車身覆蓋件中的應(yīng)用

王濤，張渝，湯貴庭

(重慶交通大學(xué)機電與汽車工程學(xué)院，重慶 400041)

夾層鋼板在車身覆蓋件中的應(yīng)用

王濤，張渝，湯貴庭

(重慶交通大學(xué)機電與汽車工程學(xué)院，重慶 400041)

夾層鋼板具有諸多優(yōu)良性能，應(yīng)用于車身覆蓋件能夠?qū)崿F(xiàn)車身輕量化，提高車輛舒適性。主要介紹了夾層鋼板的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和夾層鋼板的結(jié)構(gòu)特點、夾芯材料，指出了夾層鋼板用于車身覆蓋件時所能發(fā)揮的優(yōu)點以及亟需解決的問題。

夾層鋼板；輕量化；車身覆蓋件

0 引言

夾層鋼板是在兩層薄鋼板之間夾入一定厚度的輕質(zhì)材料制成的一種鋼板，是一種夾層式的復(fù)合材料,具有密度低、隔音降噪、吸收振動、比強度高、比剛度大、表面光潔等優(yōu)點[1]。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和人們對資源問題、環(huán)境問題以及車輛舒適性關(guān)注的不斷增加，車輛設(shè)計越來越注重輕量化、低油耗、提高安全性和舒適性。對于車身覆蓋件，不但要求板材具有高的沖壓成形性、低的回彈及良好的形狀保持能力，也要求成形構(gòu)件具有高的抗凹陷性和良好的耐蝕性[2]。因為夾層鋼板具有普通鋼板所不具有的優(yōu)良性能，合理使用不但能滿足車身覆蓋件對鋼板力學(xué)的苛刻要求，還能減輕車身質(zhì)量、降低油耗、提高車輛安全性和舒適性。對夾層鋼板的研究越來越受到人們的重視。

早在20世紀(jì)80年代，日本就將聚丙烯樹脂夾到兩層鋼板之間，制成一種強度和剛性與普通鋼板相當(dāng)?shù)|(zhì)量比普通鋼板小得多的夾層鋼板，質(zhì)量減輕了56%[3]。國外有些企業(yè)已經(jīng)將夾層鋼板應(yīng)用到發(fā)動機蓋板和行李艙外板上，但是我國對夾層鋼板的研究起步比較晚，特別是在車身中的應(yīng)用還比較少，還未見有車身覆蓋件使用夾層鋼板的車輛銷售。文中對夾層鋼板的夾層結(jié)構(gòu)形式、夾層材料、用于車身覆蓋件的優(yōu)點以及需要解決的問題進行了介紹，希望能對夾層鋼板的推廣應(yīng)用做出貢獻。

1 夾層鋼板的結(jié)構(gòu)形式

夾層鋼板是在兩層薄鋼板之間夾入一定厚度的輕質(zhì)材料通過粘結(jié)、壓扎或焊接組合到一起，其鋼板層相對較薄，芯層相對較厚占整體厚度的50%～80%[4]，見圖1。鋼板層機械性能較好，具有塑性好、表面光潔、有很好的抗凹陷性和良好的耐腐蝕性等優(yōu)點，同時其導(dǎo)電性好，適用于傳統(tǒng)的焊接和烤漆工藝，另外鋼板層還能提高夾層鋼板的拉伸性能。芯層由低密度的材料構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)形式多種多樣，主要作用是降低鋼板的質(zhì)量的同時保證其應(yīng)有的強度。另外，芯層還有隔音降噪、吸收振動的功能。芯層根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可以分為：泡沫狀芯層結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)芯層結(jié)構(gòu)、纖維芯層結(jié)構(gòu)、波浪狀芯層結(jié)構(gòu)、蜂窩狀芯層結(jié)構(gòu)。其中泡沫狀芯層結(jié)構(gòu)和蜂窩狀芯層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較早，應(yīng)用也比較成熟和廣泛[5]。

泡沫狀芯層是一種海綿式多孔結(jié)構(gòu)，具有比剛度大、比強度高的特點，機械性能好，有較好的抗疲勞、抗沖擊、吸能和減振性能。泡沫狀芯層的材料多種多樣，一般而言可以分為泡沫金屬和泡沫低密度聚合物兩大類，若芯層材料為泡沫金屬，可用粘結(jié)、壓扎、焊接工藝組合到一起。使用粘接工藝可有效避免不同金屬間的電化學(xué)反應(yīng)，但是影響了夾層鋼板的導(dǎo)電性能，使焊接和烤漆工藝難度增加；使用壓扎工藝可將3層材料緊密結(jié)合到一起，夾層鋼板導(dǎo)電性能好，對傳統(tǒng)焊接和烤漆工藝適應(yīng)性好，但是無法避免不同金屬間輕微的電化學(xué)反應(yīng)；使用焊接工藝層與層之間結(jié)合強度大，但是焊接量大，焊縫處易產(chǎn)生硬脆的氧化層。綜上所述，芯層材料為泡沫金屬時壓扎工藝能較好地發(fā)揮夾層鋼板的性能。若芯層材料為低密度聚合物，聚合物材料分為熱塑性和熱固性兩種，熱塑性材料可用粘結(jié)工藝與鋼板組合，采用熔融粘接法無須使用膠水粘接，生產(chǎn)效率高，可用加熱方法回收利用。但是熱塑性材料在高溫下易分解出有毒氣體，并使表層鋼板出現(xiàn)鼓包缺陷，不適用于傳統(tǒng)點焊和烤漆工藝。開發(fā)更耐高溫的塑性聚合物是解決這一問題的一種方法。熱固性材料固化后耐沖擊、耐高溫，加入導(dǎo)電粒子后具有導(dǎo)電能力，但制作夾層鋼板若用膠粘接則耐高溫和導(dǎo)電性能將降低，有必要開發(fā)出一種更好的連接方法。泡沫芯層的機械性能隨材料的變化有很大的不同，作為汽車覆蓋件使用的泡沫芯層夾層鋼板，為滿足剛度、成形性、抗凹陷性等要求，其芯層材料要選用硬度和剛度大一些的材料，選材過程中要充分考慮夾層鋼板的成形性能、焊接性能和涂裝性能。為進一步提高泡沫芯層的抗沖擊能力，人們對泡沫芯層進行沿厚向縫合，制成一種縫紉泡沫夾芯結(jié)構(gòu)，目前已經(jīng)實現(xiàn)批量化生產(chǎn)[6]。

蜂窩狀芯層是由多個按一定規(guī)律排列的孔狀結(jié)構(gòu)組成，其機械性能跟芯層材料和芯層蜂窩形狀有關(guān)。蜂窩材料主要有金屬、聚合物、陶瓷以及其他復(fù)合材料，材料對芯層性能的影響和泡沫狀芯層材料對性能的影響類似；蜂窩形狀主要有六邊形、圓形、半圓形等。蜂窩芯層不但能將兩層鋼板連接成整體，共同承受外力，還具有優(yōu)良的抗剪切性能[7]，具有比剛度大、比強度高、吸能效果好等優(yōu)點，但減振效果不如泡沫芯層結(jié)構(gòu)突出。

纖維芯層是由多層纖維材料按一定方向和角度排列而成的結(jié)構(gòu)，其性能與纖維材料和纖維排列方式相關(guān)，目前應(yīng)用較多的有碳纖維、金屬纖維、玻璃纖維等。Gustafsson[8]開發(fā)出了一種不銹鋼纖維芯層，這種芯層有良好的導(dǎo)電性，能用傳統(tǒng)的電阻焊進行焊接；塑形和延展性好，回彈少，成形性能優(yōu)良；纖維層能將集中力和沖擊載荷迅速沿纖維方向傳遞，抗沖擊能力強，對裂紋等缺陷的敏感度低，有很好的抗疲勞性能。另外，纖維芯層的減振降噪能力也很突出。纖維材料的排列角度對纖維芯層的力學(xué)性能也有很大影響。Markaki A E[9]對此進行了深入研究，得出適當(dāng)增加纖維纖維和鋼板之間的角度，能提高夾層鋼板的剛度和3層之間的連接強度，減少夾層鋼板的分層現(xiàn)象。

2 夾層鋼板在車身覆蓋件中的應(yīng)用

由于夾層鋼板具有普通鋼板所無法比擬的優(yōu)點，它在汽車工業(yè)中的應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注。特別是車身外覆蓋件，如發(fā)動機蓋板、車頂蓋、側(cè)圍板、翼子板、行李箱蓋等都是大型沖壓件，深度淺且形狀比較規(guī)則，容易沖壓成形。夾層鋼板比強度高、比強度大的特點，使得運用夾層鋼板的車身覆蓋件質(zhì)量大幅度減輕；同時，由于夾層鋼板芯層的特殊結(jié)構(gòu)和材料，阻尼比較大，能快速吸收振動能量和噪聲，降低了乘員艙的振動噪聲水平，提高了舒適度，夾層鋼板的使用還減少了乘員艙內(nèi)飾隔音材料的使用量，進一步減輕車身質(zhì)量、降低油耗、節(jié)省成本；與普通復(fù)合材料相比，夾層鋼板應(yīng)用于車身外覆蓋件時有更好的涂裝性能，普通高分子類復(fù)合材料導(dǎo)電性差，不適用于傳統(tǒng)的烤漆工藝，嚴(yán)重影響了車身的美觀性。而夾層鋼板可以使用金屬材料的芯層或者將導(dǎo)電粉末添加到芯層材料中制成可以直接導(dǎo)電的夾層鋼板，導(dǎo)電性能良好。另外，夾層鋼板光潔的鋼板表面相對于玻璃纖維、碳纖維、樹脂等復(fù)合材料更容易得到A級曲面。由于夾層鋼板的芯層材料對裂紋等缺陷的敏感度低，細小的裂紋不易擴散，所以夾層鋼板的抗疲勞性能也比較強。

3 應(yīng)用于車身覆蓋件需要解決的問題

3.1 夾層鋼板的成形性問題

車身覆蓋件絕大多數(shù)為沖壓件，內(nèi)覆蓋件形狀往往比較復(fù)雜；外覆蓋件形狀相對簡單，但表面質(zhì)量要求非常高，不允許有波紋、凹痕、擦傷等破壞美觀的缺陷。另外，覆蓋件對尺寸形狀精度和剛度要求也比較高。夾層鋼板因鋼板層與芯層的材料、厚度、結(jié)構(gòu)形式均不同，在沖壓過程中各層受力情況不同，變形趨勢也不同，所以通常情況下夾層鋼板的成形性比普通鋼板要差。夾層鋼板的主要成形缺陷有脫層、表層起皺、表層凹陷、芯層失穩(wěn)、表層失穩(wěn)等[10]。為對夾層鋼板的沖壓成形性進行有限元仿真，人們進行了深入研究，先后提出了等效單層理論模型和等效多層理論模型[11]。等效單層理論簡化了模型，提高了運算效率，但計算精度比較低；等效多層理論能夠比較精確地預(yù)測材料的成形狀況，但計算量比較大。夾層鋼板的外層鋼板機械性能較好，研究表明：適當(dāng)?shù)卦黾油鈱愉摪宓暮穸?、減少芯層厚度，能夠明顯提高夾層鋼板的成形性能，減少沖壓缺陷；此外，夾層鋼板成形性能還與內(nèi)外層結(jié)構(gòu)間連接強度有關(guān)，外層鋼板與芯層的連接強度越高成形性越好。

3.2 夾層鋼板的焊接和涂裝問題

除成形性問題外，焊接和涂裝性能也是決定夾層鋼板能否被廣泛使用的關(guān)鍵因素。使用金屬材料的芯層或者將導(dǎo)電粉末添加到芯層材料中制成可以直接導(dǎo)電的夾層鋼板。沈鐘[12]通過實驗得出所加導(dǎo)電粉末粗細、數(shù)量和芯層導(dǎo)電性的關(guān)系，導(dǎo)電粉末顆粒越細對芯層機械性能的影響越小，導(dǎo)電粉末加入比例越高導(dǎo)電性越好，但加入過多的導(dǎo)電粉末會降低芯層的減振性能。另外，由于焊接和烤漆過程材料都要受高溫作用，高溫穩(wěn)定性也是焊接和涂裝中應(yīng)充分考慮的問題。當(dāng)使用黏接工藝制造夾層鋼板時，有些黏膠高溫時黏接強度降低，有些還會散發(fā)出有毒氣體，影響了夾層鋼板的使用性能。使用熱塑性材料做芯層的夾層鋼板在高溫時也會出現(xiàn)類似缺陷，所以用作車身覆蓋件的夾層鋼板在制造時要充分考慮導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性。使用金屬材料芯層、熱固性材料芯層和導(dǎo)電纖維芯層時夾層鋼板的導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性都比較好。

3.3 材料回收與環(huán)境問題

在資源和環(huán)境問題日益突出的今天，制約新材料推廣的不單是材料的性能，材料回收和環(huán)境保護問題也是人們關(guān)注的重點。歐盟對報廢汽車的處理要求是：到2015年前，5%垃圾，85%再回收/材料再利用，10%能量回收。目前，復(fù)合材料的推廣利用受到回收利用的制約。夾層鋼板是由至少兩種材料組合在一起制成的復(fù)合材料，其回收利用難度比普通鋼板要高得多，夾層鋼板回收利用時首先要將夾層鋼板的鋼板層和芯層分離開，分離難度根據(jù)芯層材料和連結(jié)方式的不同而不同。若芯層為金屬材料，可根據(jù)不同金屬間熔點不同進行分離再利用；若芯層為熱塑性聚合物，可通過加熱融化的方式對其進行回收；而熱固性聚合物的回收難度要大一些，不過近年來的研究已經(jīng)取得了一定進展，現(xiàn)在主要用化學(xué)分解的方式對熱固性聚合物芯層進行回收?？傊?，夾層鋼板的回收難度和成本要比普通鋼板高，若夾層鋼板的回收利用技術(shù)得到發(fā)展，降低夾層鋼板的回收難度和成本將會促進夾層鋼板在汽車覆蓋件中的推廣普及。

4 結(jié)論

夾層鋼板具有密度低、隔音降噪、吸收振動、比強度高、比剛度大、表面光潔等諸多優(yōu)點，應(yīng)用于車身覆蓋件有著巨大的潛力，夾層鋼板在汽車覆蓋件中的使用將明顯減輕車身質(zhì)量，達到節(jié)能減排的效果；夾層鋼板還有隔音降噪、吸收振動的優(yōu)點，用于車身覆蓋件將提高車輛舒適度。

夾層鋼板在車身覆蓋件中的使用在國外已經(jīng)有量產(chǎn)車型出現(xiàn)，但國內(nèi)還未有覆蓋件用夾層鋼板的車型出現(xiàn)，它在國內(nèi)的推廣一方面需要制定相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，另一方面需要進一步研究，使其具有足夠的強度、良好的成形性能、可焊接性能、優(yōu)越的涂裝性能并且回收時成本和難度要低。

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ApplicationofSandwichSheetinAutoBodyPanel

WANG Tao, ZHANG Yu, TANG Guiting

(Institute of Electrical and Mechanical Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400041,China)

Sandwich steel plate has many excellent properties. Its application in auto body panel can realize lightweight of the vehicle and improve comfort. The development of sandwich steel, the structure characteristics and sandwich materials were introduced mainly. The advantages of sandwich steel sheet when used in auto body panel and problems needed to be resolved were pointed out.

Sandwich sheet; Lightweight; Auto body panel

2015-01-29

王濤(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為車身輕量化。E-mail：805959654@qq.com。