液態(tài)可噴涂型阻尼隔音材料與尼龍堵蓋兼容性研究

孫一鵬,馬晨輝,朱恩弘

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201208)

0 引言

汽車行駛過程中由于道路環(huán)境以及動力總成激勵不可避免地會產(chǎn)生包括發(fā)動機(jī)噪聲、路躁、風(fēng)噪、胎噪等各種來源的噪聲，影響乘員駕駛體驗(yàn)。為此業(yè)內(nèi)通常采用鋪設(shè)瀝青阻尼墊等吸聲降噪材料改善客戶體驗(yàn)。隨著中國汽車市場汽車保有量增加和消費(fèi)觀念日益成熟，消費(fèi)者越來越重視私家車乘員艙內(nèi)空氣質(zhì)量和總揮發(fā)性有機(jī)化合物指標(biāo)(Total Volatile Organic Compounds，TVOC)，消費(fèi)者因汽車用瀝青墊致癌的新聞也屢見不鮮，很多消費(fèi)者到店試駕時(shí)會把車內(nèi)氣味友好度作為購車消費(fèi)一個非常重要的考察項(xiàng)。加之傳統(tǒng)瀝青阻尼片全產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)環(huán)境不友好，迫使汽車產(chǎn)業(yè)開發(fā)新的更加環(huán)保、車內(nèi)空氣質(zhì)量更好的替代品，液態(tài)可噴涂型阻尼隔音材料(LASD)由此逐漸登上汽車市場舞臺，并逐漸獲得業(yè)內(nèi)及消費(fèi)者認(rèn)可。

1 LASD及尼龍堵蓋概述

液態(tài)可噴涂型阻尼隔音材料(Liquid Apply Sound Deadener，LASD)，根據(jù)汽車噪聲性質(zhì)不同，汽車降噪可以分為吸音降噪、隔音降噪、阻尼減振降噪和主動降噪等幾種不同方法。LASD作用機(jī)制主要是阻尼減振降噪，通過將高阻尼材料附著在固有阻尼低的車身鈑金表面以獲得復(fù)合阻尼，耗散結(jié)構(gòu)件振動能量實(shí)現(xiàn)降噪。其常見分類為水性丙烯酸基材LASD、PVC基材LASD和橡膠基材LASD。考慮到環(huán)保要求，汽車行業(yè)常用水性丙烯酸基材LASD，其成分主要為丙烯酸乳液、填料、表面活性劑等，含水量達(dá)到近20%，經(jīng)過油漆烘房烘烤后發(fā)生固化，粘接于鈑金表面。LASD材料特性詳見表1。

表1 LASD材料特性

與LASD這項(xiàng)新技術(shù)不同，尼龍堵蓋是一種傳統(tǒng)的用于改善整車NVH表現(xiàn)和密封性的汽車零部件。由于汽車制造工藝要求，汽車制造過程中，車身鈑金需要釋放很多大小不一的孔洞，由于這些孔洞多起到工藝作用，行駛過程中可能接觸到積水或者流動、飛濺的雨水，因此應(yīng)需要在出廠前予以封閉，避免漏水問題和提高整車氣密性。為獲得更好的密封性，封堵地板區(qū)域的尼龍堵蓋通常需要增加一圈熱熔膠以提高尼龍堵蓋與周邊鈑金零件的貼合度。常見施工方式為白車身隨流水線進(jìn)入油漆車間→電泳液浸泡→電泳烘房烘烤，操作員使用帶有熱熔膠的尼龍堵蓋封堵地板孔洞，噴涂油漆膠密封焊縫，機(jī)械手向目標(biāo)鈑金表面噴灑LASD，進(jìn)入中涂烘房烘烤固化，完成色漆、清漆、面漆噴涂及烘烤。

2 尼龍堵蓋與LASD兼容性問題研究

2.1 發(fā)現(xiàn)問題

在研究LASD施工工藝時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試驗(yàn)車以15 km/h通過涉水深度到達(dá)300 mm的水坑時(shí)，偶發(fā)小規(guī)模地板滲水問題，基于RED-X方法，發(fā)現(xiàn)該滲水問題與油漆車間工藝強(qiáng)相關(guān)，調(diào)查情況發(fā)現(xiàn)，在300 mm涉水條件下發(fā)現(xiàn)前地板后方區(qū)域四個LASD下尼龍堵蓋漏水，在涉水過程中，水從堵蓋邊緣透過尼龍堵蓋滲入車內(nèi)。

RED-X又被稱為謝寧方法，是一種借助統(tǒng)計(jì)學(xué)工具尋找問題的最大差異點(diǎn)的復(fù)雜問題解決方法。圖1和圖2分別為RED-X策略圖和集中圖。

圖1 RED-X策略圖

圖2 RED-X集中圖

通過RED-X策略圖分析尋找失效事件在各個環(huán)節(jié)的最大差異點(diǎn)，如圖1所示，最大的結(jié)果差異在于堵蓋的位置，基于此情況，繼續(xù)使用RED-X的工具集中圖，通過集中圖鎖定問題具體位置。如圖2所示，可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)不同堵蓋位置的漏水概率也并不相同。

對不同的漏水位置進(jìn)行斷面切割來分析結(jié)構(gòu)如圖3所示，從結(jié)構(gòu)斷面圖可以發(fā)現(xiàn)尼龍堵蓋與LASD的不同匹配結(jié)構(gòu)導(dǎo)致不同的漏水狀態(tài)，可猜測漏水問題根本原因?yàn)槟猃埗律w與LASD的兼容性問題?；诖瞬孪?，利用5 PENNY工具對此猜測進(jìn)行子系統(tǒng)驗(yàn)證如圖4所示，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期，并且置信度達(dá)到95%以上。由此可將漏水問題根本原因鎖定為尼龍堵蓋與LASD的兼容性問題。

圖3 堵蓋與LASD斷面圖

圖4 RED-X 5 PENNY驗(yàn)證圖

2.2 問題分析

不同于傳統(tǒng)的固態(tài)瀝青阻尼墊，LASD液態(tài)可噴涂型阻尼隔音材料主要成分為水性丙烯酸乳液，其含水量達(dá)到20%。尼龍堵蓋由尼龍堵蓋本體和熱熔膠環(huán)組成。尼龍堵蓋基體材料為PA6(圖5)，即聚酰胺6，其熱熔膠材料為EVA，即乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(圖6)。圖5及圖6為PA6和EVA材料分子式。PA6尼龍有很好的機(jī)械性能，較強(qiáng)的韌性和較低的脆性，耐高溫，但其吸濕性強(qiáng)，儲藏條件要求密封干燥，堵蓋基體材料由其構(gòu)成。EVA熱熔膠通常由乙烯與醋酸乙烯在高壓下共聚而成的，再配以增黏劑、黏度調(diào)節(jié)劑、抗氧劑等制成。EVA熱熔膠不含水分，常溫為固體，加熱至一定溫度后熔融為具有一定黏性的流體，冷卻到熔點(diǎn)以下又迅速固化，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，黏結(jié)力強(qiáng)，工業(yè)上廣泛作為黏合劑使用。熱熔膠密封堵蓋由二者通過二次注塑工藝生產(chǎn)。

圖5 PA6尼龍化學(xué)分子式

圖6 乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA熱熔膠)化學(xué)分子式

根據(jù)資料得知，PA6尼龍材料具有吸水特性，保存條件要求密封，包裝打開后保質(zhì)期為72 h，EVA熱熔膠不含水，但受潮后，烘烤后水蒸氣溢出會造成熱熔膠固化后出現(xiàn)微小氣泡，汽車生產(chǎn)工藝中鋪設(shè)在尼龍堵蓋上方的LASD材料含水量達(dá)到20%，如尼龍堵蓋及LASD材料施工后未及時(shí)烘烤，存在堵蓋吸潮，影響熱熔膠密封性的可能。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證以上觀點(diǎn)，具體進(jìn)行子系統(tǒng)級別試驗(yàn)如下：

(1)選取保質(zhì)期內(nèi)帶熱熔環(huán)堵蓋10枚，不同料厚鋼板10片，堵蓋模擬生產(chǎn)狀態(tài)卡接于鈑金唇邊；

(2)堵蓋上表面噴涂LASD材料，靜置3 h；

(3)模擬油漆車間烘房溫度曲線烘烤試樣;

(4)取冷卻至室溫后的試樣置于不同高度水箱中靜置3 h，測試其是否漏水，試驗(yàn)裝置如圖7所示；

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置——水箱

(5)取同批次堵蓋10枚，重復(fù)步驟(1)、(3)、(4)，作為對照組。

靜水壓力實(shí)驗(yàn)前觀察兩組堵蓋，其顏色均呈現(xiàn)淺灰色，如圖8所示，圖8(a)左側(cè)堵蓋上方無LASD，圖8(b)堵蓋上方覆蓋有LASD，熱熔膠附著于尼龍和鈑金狀態(tài)完好，覆蓋有LASD材料的尼龍堵蓋與鈑金黏接處熱熔膠有肉眼可見小氣孔如圖9所示，而對照組狀態(tài)明顯優(yōu)于第一組零件。第一組零件在水壓試驗(yàn)開始5 min后試驗(yàn)裝置開始滲水，對照組無滲水現(xiàn)象。為進(jìn)一步證明尼龍堵蓋密封性降低的原因是材料吸收LASD中水分，繼續(xù)進(jìn)行三組試驗(yàn)作為對照，第三組樣件局部覆蓋LASD材料，第四組樣件覆蓋瀝青隔音墊材料，并重復(fù)步驟(1)、(3)、(4)。第五組樣件噴涂LASD材料，噴涂后直接重復(fù)步驟(3)、(4)。第三組樣件中有2個堵蓋試驗(yàn)裝置出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，且滲水速度低于第一組樣件，第四組、第五組樣件熱熔膠烘烤后性狀穩(wěn)定，局部無明顯氣泡，未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。試驗(yàn)方案匯總見表2。

圖8 烘烤工藝后的堵蓋和LASD

圖9 烘烤工藝后的堵蓋熔膠凝固狀態(tài)對比

表2 堵蓋子系統(tǒng)試驗(yàn)方案

根據(jù)表2堵蓋子系統(tǒng)試驗(yàn)分析可知，LASD材料以及施工后靜置一段時(shí)間是引起帶熱熔環(huán)尼龍堵蓋烘烤后漏水的主要因素，控制這兩個因素可以解決漏水問題。由于縮短靜置時(shí)間在工業(yè)生產(chǎn)中難以長期執(zhí)行，故選擇排除LASD與尼龍堵蓋直接接觸作為漏水問題控制措施，并進(jìn)行下一步整車級試驗(yàn)。整車試驗(yàn)方案見表3，具體為：

(1)選擇10輛清潔白車身及保質(zhì)期內(nèi)帶熱熔環(huán)堵蓋若干；

(2)由同一操作員完成堵蓋安裝；

(3)設(shè)定機(jī)械臂程序，駕駛員側(cè)堵蓋正常鋪設(shè)LASD材料，副駕駛側(cè)LASD噴涂避開尼龍堵蓋邊緣，保持25 mm間隙；

(4)靜置3 h后，進(jìn)入油漆烘房烘烤；

(5)車身進(jìn)入總裝車間安裝剩余零件；

(6)整車下線后，進(jìn)入試車場蓄水池進(jìn)行涉水實(shí)驗(yàn)，保持15 km/h勻速通過水池，深度選擇100、200、300 mm。

由表3可知，300 mm水池深度下有8輛試驗(yàn)車主駕駛側(cè)地板出現(xiàn)滲水失效，駕駛側(cè)在其他水深下無滲水失效，所有試驗(yàn)車副駕駛側(cè)艙內(nèi)保持干燥，無漏水、滲水問題。

表3 整車試驗(yàn)方案

3 結(jié)論

經(jīng)過整車涉水試驗(yàn)和尼龍堵蓋子系統(tǒng)試驗(yàn)證明，LASD液態(tài)可噴涂型阻尼隔音材料作為汽車工業(yè)用于改善整車NVH表現(xiàn)和車內(nèi)空氣質(zhì)量的新工藝存在一定局限性，由于其組分中含有較多水分，容易引起帶熱熔膠環(huán)的尼龍堵蓋EVA材料熔融過程中受水蒸氣影響而產(chǎn)生氣泡，進(jìn)而影響其對鈑金孔洞密封，帶來涉水試驗(yàn)滲水等失效問題，降低設(shè)計(jì)穩(wěn)健性。因此LASD施工過程中，其噴涂軌跡需要規(guī)避帶熱熔膠環(huán)的尼龍堵蓋。