車身防腐蝕設計及工藝措施

時秀壘 張茂松 李憲濤 王興華 劉遺勛

（海馬轎車有限公司）

車身的防腐蝕問題逐漸成為消費者日益關(guān)注的品質(zhì)問題之一，車身的防腐蝕措施不得不成為各大車企設計和制造過程中關(guān)注的重點。車身防腐蝕性能是決定車身使用壽命的重要指標。合理的車身結(jié)構(gòu)、材料和工藝設計等有助于車身防腐蝕能力的提高。只有從整車的設計研發(fā)、制造生產(chǎn)，到包括整車運輸方式、使用保養(yǎng)及維護等在內(nèi)的所有防腐蝕措施相互制約、相互彌補，才能共同為整車的防腐蝕性能和使用壽命構(gòu)筑堅固的堡壘。

1 車身腐蝕的原理

車身的腐蝕，歸根結(jié)底是未做好防腐蝕措施或者防腐蝕措施失效后，車身鈑金的銹蝕。車身鈑金直接暴露在潮濕空氣中時，表面凝聚了空氣中的水分。由于水中溶解有氧氣、二氧化碳、二氧化硫或其他鹽類，致使鈑金表面形成了一層弱酸性電解質(zhì)溶液的薄膜。

鈑金如同被放在含H+，OH-，HCO3-離子的溶液中，鈑金作為負極，雜質(zhì)作為正極，形成了數(shù)以萬計的微小原電池，發(fā)生電化學腐蝕。

負極：Fe-2e=Fe2+

正極：2H++2e=H2↑

腐蝕總反應：Fe+2H2O=Fe（OH）2+H2↑

如果鈑金表面凝聚的水膜酸性很弱或是凝聚著中性的鹽水鹽霧溶液（如冬天，為融雪在道路上反復多次撒布大量巖鹽），則：

負極：2Fe-4e=2Fe2+

正極：O2+2H2O+4e=4OH-

腐蝕總反應：2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）2

生成的 Fe（OH）2被空氣中的氧氣氧化為 2Fe（OH）3，附著在鈑金表面，展現(xiàn)出被腐蝕的鈑金表態(tài)：

由上述化學反應原理可以看出，車身腐蝕必須要滿足2個條件：1）暴露于空氣中；2）潮濕的弱酸性或中性環(huán)境。

另外，根據(jù)電化學反應的微觀機理，當車身鈑金暴露于潮濕空氣中時，其電位必須比同處該環(huán)境的其他金屬低，才會優(yōu)先腐蝕，即電偶腐蝕，否則其腐蝕將被大大減弱[1]。

2 車身腐蝕等級

試驗車輛車身的腐蝕等級評定可以根據(jù)腐蝕情況以及腐蝕程度具體細分為10個等級，如表1所示[2]。

表1 車身腐蝕等級評定

3 車身腐蝕的常見原因和措施

車身腐蝕的原因有很多種，但總體可以歸結(jié)為未完成防腐蝕措施、防腐蝕措施被破壞以及防腐蝕措施不當。按照設計和制造工藝方法，常見的車身腐蝕原因歸納為：防腐蝕措施不合理、防腐蝕措施的失效及防腐蝕措施的自動失效等。

防腐蝕措施不合理，主要指由結(jié)構(gòu)設計和工藝設計的不合理導致的車身腐蝕。這類腐蝕因素是最先表現(xiàn)出的第1檔原因，也是經(jīng)過設計修正和工藝更改基本都可以減緩，甚至消除的一類原因。

防腐蝕措施的失效，是指人為損壞，或者因環(huán)境等因素導致的被迫損壞的一類防腐蝕措施。此類防腐蝕措施可以歸為第2檔原因，此類包含可以避免或者難以避免的防腐蝕措施失效。

防腐蝕措施的自動失效，是因為防腐蝕措施對車身的保護達到了措施生效的極限，導致其漸變失效，最終失去效用的一類防腐蝕措施。因此類是防腐蝕措施的界點，所以是不可避免的。

基于車身發(fā)生腐蝕的原因以及防腐蝕的經(jīng)驗，常見的車身防腐蝕方法為：1）車身結(jié)構(gòu)設計；2）材料設計；3）工藝設計；4）車身密封設計；5）金屬表面涂覆非金屬。

3.1 車身結(jié)構(gòu)設計

設計是產(chǎn)品質(zhì)量的源頭，也是問題產(chǎn)生的根源。

結(jié)構(gòu)設計不合理是引起車身腐蝕的主要原因之一，主要表現(xiàn)在：排氣孔的設計不合理、漏液孔的設計不合理、電磁屏蔽及特殊防護性結(jié)構(gòu)設計不合理等。

3.1.1 排氣孔的設計

排氣孔設計在封閉結(jié)構(gòu)的空腔頂端，如圖1所示。在白車身電泳過程中，通過排氣孔能將氣體完全排出封閉空腔，以保證白車身的電泳質(zhì)量，確保車身的防腐性能。

圖1 車身排氣孔設計

如果排氣孔的設計不當，會導致白車身在電泳過程中排氣不暢，使封閉空腔頂部形成氣室，空腔鈑金內(nèi)表面不能被電泳或者電泳不良。

排氣孔的合理設計，具體體現(xiàn)在：1）設置必要的排氣孔；2）合理設計排氣孔的數(shù)量、位置及大小。

3.1.2 漏液孔的設計

漏液孔設計在空腔結(jié)構(gòu)底端，如圖2所示。在白車身電泳時，它使電泳液順利地完全瀝液，以保證白車身的電泳質(zhì)量，確保車身的防腐性能。

圖2 車身漏液孔設計

漏液孔的設計不當，使得電泳時電泳液滯留在車身空間，形成積液，影響電泳的質(zhì)量。

漏液孔的合理設計，主要表現(xiàn)在：1）設置必要的漏液孔；2）合理設計漏液孔的數(shù)量、位置及大小。

3.1.3 防電磁屏蔽的設計

電磁屏蔽，是白車身在涂裝進行電泳時，電流產(chǎn)生的磁力線被密閉的狹小空腔表面阻止，磁力線不能進入密閉空腔，產(chǎn)生電泳效果缺陷，電泳漆膜厚度不足或者不能形成電泳漆膜，達不到防腐蝕的性能要求。所以在不斷完善的設計過程中，要盡可能避免電磁屏蔽現(xiàn)象的發(fā)生，如圖3所示[3]。

圖3 車身防電磁屏蔽設計

要預防電磁屏蔽，常見的方法是從鈑金間隙和工藝孔2個方面進行結(jié)構(gòu)設計，以及從工藝涂膠設計方面來進行彌補等。

為了防止電磁屏蔽效應，鈑金結(jié)構(gòu)設計建議滿足以下要求：

1）鈑金間間隙≥5 mm；根據(jù)空腔深度或開孔數(shù)量，可適當減小，但最小要求≥3 mm。

2）在鈑金形成空腔部位開孔時，最小孔徑建議滿足≥10 mm，孔間距為150～200 mm。

3.1.4 特殊防護性結(jié)構(gòu)

1）接縫處的設計。白車身是由成百上千個鈑金零部件焊接構(gòu)成。相鄰的2個零部件之間的接縫處由于自身結(jié)構(gòu)的電泳缺陷，使接縫處成為較容易產(chǎn)生銹蝕的部位。

通常的防腐蝕預防措施可以在接縫處涂膠，進行遮蔽密封；從結(jié)構(gòu)設計上來講，可以參考汽車前進時泥水和沙石等容易飛濺的方向進行設計，將接縫處的搭接結(jié)構(gòu)按照朝向泥水等難以進入的方向，如圖4所示，以防止或盡可能減少泥水進入和長時間地滯留在接縫處，促使鈑金提前產(chǎn)生腐蝕和加劇腐蝕。

圖4 車身接縫處設計

2）板端面的設計。車身的板端面設計是流水槽等車身構(gòu)成常見的結(jié)構(gòu)設計。盡可能減少銳邊結(jié)構(gòu)設計是板端面設計的要領。

板端面的銳邊結(jié)構(gòu)處，液體漆料由于表面張力產(chǎn)生收縮，使形成的漆膜減薄，防腐蝕性能降低。通常采用將板端面向內(nèi)側(cè)折彎翻邊的設計，如圖5所示，增加電泳漆在翻邊圓角上的附著量，提高防腐蝕的效果。也可以在板端面結(jié)構(gòu)設計的基礎上，通過涂膠來增強板端面的防腐蝕性能。

圖5 車身板端面設計

3）沙石沖擊處的設計。車輛在行進過程中，容易將路面上沙石和瓦礫等濺起，擊打在車身底部及側(cè)圍等部位，破壞原有的防腐蝕措施，引起車身短時間內(nèi)腐蝕，所以從設計上要考慮有利于預防和降低石擊對車身抗腐蝕能力破壞的結(jié)構(gòu)。比如，在車身不同位置，將過渡角設計成圓角或者一定傾斜度的鈍角，同時結(jié)構(gòu)的設計要保證利于防石擊涂料的噴涂，如圖6所示。

圖6 車身沙石沖擊處設計

4）空腔處的設計?？涨坏脑O計，要能夠保證電泳時電泳液的充分填充和排出，保證電泳漆膜厚度，以滿足防腐蝕設計的要求。要特別注意預防電磁屏蔽現(xiàn)象，防止電泳漆膜的厚度效果差的情況出現(xiàn)。圖7示出4種車身空腔處的設計對比。

圖7 車身空腔處設計

3.2 材料設計

基于原電池原理，車身鈑金材料的選擇，將很大程度上影響車身腐蝕性能的高低。不同材料因電位的高低不同，相互接觸時，在車身上形成不計其數(shù)的微小原電池。電位低的金屬作為陽極，腐蝕速度增加；電位較高的金屬作為陰極，腐蝕速度下降。高低電位金屬產(chǎn)生極化，形成電偶腐蝕或雙金屬腐蝕。

世界各國的汽車行業(yè)在材料的選擇上多使用單面或雙面鍍鋅鋼板以增強車身的抗腐蝕性。而近年來伴隨著新材料和新工藝的不斷涌現(xiàn)和使用，在一定程度上對車身防腐蝕性能的提高也起到了積極的作用。如鋁合金、鈦合金、含磷高強度冷軋鋼板及纖維增強塑料復合材料的使用等[4]。

3.3 工藝設計

除了車身鈑金結(jié)構(gòu)及材料設計之外，制造過程的工藝措施設計在很大程度上也促進了車身抗腐蝕能力的提高。

伴隨著科技的進步、材料的發(fā)展，越來越多的耐腐蝕材料被用于車身表面或者結(jié)構(gòu)間隙，讓工藝防腐蝕設計對車身抗腐蝕能力的作用比重愈發(fā)突顯。

常見的工藝措施設計為：涂膠防腐、電泳漆膜防腐、表面鍍層防腐及注蠟防腐等。

3.3.1 涂膠防腐

涂膠是一種重要的彌補車身材料及結(jié)構(gòu)性能欠缺的密封、防腐蝕工藝措施。通常使用的涂膠有折邊膠、點焊密封膠、焊縫密封膠、隔振膠、抗石擊PVC膠、玻璃密封膠、拇指膠、膨脹膠及粘接結(jié)構(gòu)膠等。

折邊膠、點焊密封膠、焊縫密封膠、隔振膠、抗石擊PVC膠、玻璃密封膠及粘接結(jié)構(gòu)膠，均涂抹在鈑金層間隙或鈑金表面來抵御外界環(huán)境腐蝕，以達到防腐蝕的目的。

拇指膠是用來填充和彌補結(jié)構(gòu)設計中鈑金搭接之間的工藝缺口，起到密封防腐蝕的作用。

膨脹膠主要應用于空腔隔斷密封，依據(jù)空腔的結(jié)構(gòu)形式，設計為與之相依附的預成型產(chǎn)品，在經(jīng)過涂裝高溫烘烤后膨脹充填預設空腔。膨脹膠的使用提高了整車的NVH性能、密封性和防腐蝕性能；對于不可避免的電磁屏蔽大空腔結(jié)構(gòu)，膨脹膠的采用不失為一種良好的防腐蝕措施。

3.3.2 電泳漆膜防腐

電泳漆膜作為車身表面涂裝的底漆，為其他漆層提供很好的附著層，也是主要的防腐漆層；電泳漆層的前處理層——磷化層，雖厚度僅有2 μm左右，卻為電泳漆膜提供了很好的底層；中涂層在石子擊打到車身上時，可以起一定的緩沖作用，為電泳漆膜的保護層；清漆和色漆為最外層漆膜，主要起裝飾作用。白車身涂層一般的組成層，如圖8所示。

圖8 白車身基材表面涂層組成層

電泳漆膜作為車身重要的防護涂層，不僅為其上漆層提供均勻的底漆層，還可以使因必須的結(jié)構(gòu)設計而不易噴涂的部位附著一層防腐蝕涂層。但由于車身結(jié)構(gòu)設計的不合理或不可規(guī)避，常出現(xiàn)電泳缺陷，影響車身的防腐蝕能力，所以車身結(jié)構(gòu)的設計對電泳效果有著決定性的影響。

3.3.3 表面鍍層防腐

表面鍍層防腐作為基材的工藝處理措施，根據(jù)電化學反應的原電池原理，更好地為基材增加了一層防腐蝕鍍層。比如：鍍鋅、鍍銅、鍍鋁、鍍鎳、鍍錫和達克羅等。

對于車身鈑金的防腐蝕，通常采用鍍鋅處理來增加車身零部件的防腐蝕能力。鍍鋅根據(jù)生成鍍鋅層的工藝不同，可分為電鍍鋅和熱鍍鋅。

3.3.4 注蠟防腐

當因車身空腔結(jié)構(gòu)缺陷引起電磁屏蔽，使車身鈑金表面不能形成電泳漆膜，或是電泳漆膜較薄，而車身空腔結(jié)構(gòu)又不便于優(yōu)化時，通常在空腔內(nèi)進行注蠟處理，來達到防腐蝕要求。

3.4 車身密封設計

從防腐角度來講，車身的密封設計，是為了防止泥水、碎沙石和灰塵進入車身空腔，長時間滯留，而加劇車身的腐蝕。

構(gòu)成車身的零部件，由于模、夾、檢具的定位，裝配避讓和通過，以及工藝通過性（如排氣孔及漏液孔等）等，會設計主副定位孔、避讓孔、過孔和工藝孔等。在整車裝配完成后，為保證車身防水、防塵和降噪的密封性，對于不再使用的孔，連通車身內(nèi)部空間以及部分其他位置的孔，必須進行密封設計。

車身鈑金孔的密封，可采取的方式包括堵蓋、堵片、密封膠條及涂膠等。

3.4.1 堵蓋密封

堵蓋是車身封堵工藝孔常用的密封方式。堵蓋的形式和材料需要根據(jù)耐高溫、耐老化、耐油、耐溶劑等使用環(huán)境以及裝飾要求來確定。

堵蓋一般使用在涂裝和總裝。對于用于涂裝的堵蓋，由于要經(jīng)過高溫和油漆噴涂，堵蓋的材料要能夠耐高溫、耐油及耐溶劑，一般要求能夠耐受160℃/h的高溫。

對于一些密封要求較高的部位應使用熱熔堵蓋，如頂蓋上的工藝孔，這些孔密封不良容易導致漏水。熱熔堵蓋的材料一般為乙酸乙烯脂，隨白車身入涂裝烘房時發(fā)生熱熔，與鈑金粘連在一起，起到很好的密封作用。

3.4.2 堵片密封

封堵車身內(nèi)部孔、內(nèi)部過孔或是產(chǎn)品升級預留孔等，主要使用堵片封堵，使用操作簡單方便。一般這些孔不大，也不至于直接形成車身內(nèi)外空間連通。堵片的形式和材料也需要根據(jù)耐高溫、耐老化、耐油、耐溶劑等使用環(huán)境以及裝飾要求來確定。

3.4.3 密封膠條密封

密封膠條主要應用于門洞止口、鈑金孔以及鈑金搭接止口邊，防止泥水等因進入車廂內(nèi)部、搭接縫隙，甚至內(nèi)外板空腔，不易排出，腐蝕內(nèi)板及加強板，進而影響整車的使用壽命。

3.4.4 涂膠密封

涂膠密封在3.3.1節(jié)中已經(jīng)涉及，涂膠的目的就是從縫隙、空間來隔斷腐蝕介質(zhì)的介入，涂覆在鈑金表面來隔離腐蝕介質(zhì)，達到防腐蝕的結(jié)果。

3.5 金屬表面涂覆非金屬

金屬表面涂覆的材料可以是金屬，也可以是非金屬，同樣也都可起到防腐蝕的作用。

金屬表面涂覆金屬，是依據(jù)電化學反應的原電池原理，通過犧牲涂覆層金屬來保護鈑金表面，達到防腐蝕效果。在3.2節(jié)和3.3.3節(jié)中已均有提及。

基于鈑金腐蝕的基本原理，金屬表面涂覆非金屬正是采用將鈑金表面與可腐蝕的環(huán)境因素隔離，進而達到保護鈑金的效果。

防腐層的材料可以是油漆涂料、瀝青、阻尼板、加強墊、陶瓷及塑料等非金屬元素。

4 結(jié)論

車身防腐蝕設計是一門復雜的多學科配合學科，要達到相應的產(chǎn)品品質(zhì)要求，只有從各個層面考慮車身防腐結(jié)構(gòu)的布置實施，并結(jié)合車身現(xiàn)有的工藝水平，進行同步工藝分析，規(guī)避風險結(jié)構(gòu)，才能利于制造生產(chǎn)，最終保證車身防腐性能滿足要求。

文章通過對車身設計及制造過程中常見防腐蝕措施的總結(jié)與描述，揭示了車身防腐常見的設計與工藝等方法，且實際應用中尚未發(fā)現(xiàn)更為難以解決的防腐蝕問題，為清晰地了解車身防腐蝕方法提供了認知和支持。相信未來的防腐蝕措施會持續(xù)涌現(xiàn)和不斷地創(chuàng)新發(fā)展，防腐的時效性也將不斷提高。