水性涂装材料玻璃化温度对车身钣金异响的重要性研究

梁波

浙江吉利汽车研究院 浙江省宁波市 315336

1 引言

随着人类文明的发展，以及汽车工业的不断发展，人们对汽车品质的要求越来越高，更加关注汽车的环保性能以及NVH性能。这就使得以丙烯酸树脂为代表的水性涂装得到更快的发展，水性漆相对于传统油漆具有更高品质的涂膜，更好的涂膜外观，也更加的节能环保。人们对声品质的要求，也使得整车制造把更多的精力花在如何控制整车NVH性能以及车内异响问题，尤其以车身钣金异响为重。

2 水性涂装材料以及玻璃化温度

2.1 水性漆因其主要成分丙烯酸树脂、聚酯树脂、氨基树脂等均均具有水溶性，可以使用水作为溶剂，所以将此类涂装材料称为水性漆。涂装一般包含电泳、中涂、面漆以及清漆，当然，目前已有先进的车企实现免中涂工艺。下面对水性漆的化学成分进行简单介绍。

2．1．1 电泳层

电泳层包含：丁醇、乙二醇甲丁醚、异丙醇、二甲基乙醇胺、聚丁二烯树脂、二甲基乙醇等水性材料；

2．1．2 水性中涂

水性中涂包含：水溶液，丙烯酸树脂，改性树脂，填料，氨基树脂，有机溶剂，颜料，聚氨酯等水溶性材料。

2．1．3 水性单色底漆

水溶液，丙烯酸树脂，聚酯树脂，氨基树脂，有机溶剂，颜料，聚氨酯等水溶性材料。

对涂装水性漆材料主要成分分析可以看出：高聚物（尤其是以丙烯酸树脂为主要成分的丙烯酸涂料）为电泳层、中涂层、面漆层的重要组成部分。而玻璃化温度为影响高聚物使用性能的一个重要参数。

2.2 玻璃化温度（Tg）介绍

涂料用丙烯酸树脂属高聚物，其运动具有两重性，即链段运动和整个分子链运动。玻璃化温度是链段能运动的最低温度，用Tg表示，其高低与分子链的柔性有直接关系，分子链柔性越大，玻璃化温度就越低；分子链刚性大，玻璃化温度就高。玻璃化温度是高聚物材料性能发生转变的一个临界温度。涂料玻璃化温度的高低影响着涂料制漆后的涂膜硬度、涂膜干率、耐溶剂、耐腐蚀性等性能，在此，仅讨论涂膜的力学性能，即当环境温度低于玻璃化温度时，高聚物表现出的脆性；和当环境温度高于玻璃化温度时，表现出的弹性。

当涂装材料在环境温度高于其玻璃化温度时，表现为高弹态（在很小的作用力下，能产生很大的变形（500%-1000%），外力去除后，能恢复原状的性能）。当我们不希望产品具有该特性时，就希望高聚物具有高的玻璃化温度。

玻璃化温度的高低取决于：聚合物单体结构本身以及聚合物的聚合度。设计丙烯酸树脂涂料时，聚合物单体的选择取决于涂料的品种、性能和特殊性能等综合要求；而丙烯酸树脂聚合物的聚合度取决于漆膜烘烤时的炉温、升温速率以及烘烤时长。

也就是说，聚合物单体结构决定了丙烯酸树脂涂料制漆后玻璃化温度的上限，但是，对于制造过程而言，漆膜的炉温、升温速率以及烘烤时长决定了丙烯酸树脂涂料制漆后实际玻璃化温度；玻璃化温度在一定范围内与升温速率成线性关系。升温快的话，其分子链段在应有的Tg时来不及运动，温度已经升高，所得的Tg值就会相应升高，所以，随着升温速率的增加，所测得的Tg也会明显增大。但是过高的升温速率会导致车身钣金产生热应力、发泡材料发泡性能变差等结果，一般要求升温速率在20℃/min左右。

丙烯酸树脂和甲基丙烯酸树脂结构如图1：

当R1=H时，化学式表示丙烯酸树脂单体结构，n表示丙烯酸树脂的聚合度；

对在室外使用的汽车涂料而言，玻璃化温度是必须考虑的一个重要参数，必须设计合理，尤其是高档轿车涂料所使用的羟基丙烯酸树脂水性漆的Tg值必须选择在57℃以上，高于环境能够达到的最高温度。

图1

3 异响以及车身钣金异响

3.1 异响

异响用SR表示，是指在外力作用下，两个或者多个相邻部件的表面产生了摩擦或者撞击而诱发产生的声音。产生异响的原因可以归纳为：结构刚度不足，材料摩擦副不兼容，结构设计及制造不当。结构的刚度不足使汽车在运动过程中，部件容易发生变形，两个部件相互撞击而发出的声音，叫Rattle（撞击异响）。两个接触的表面由于摩擦系统不匹配，而且他们的摩擦系数随温度、湿度等外界条件发生变化、会产生Squeak（摩擦异响）。结构设计不恰当的两个部件间的间隙、制造误差等，均会导致异响。

3.2 车身钣金异响

组成汽车车身的千百个钣金件经过焊接、螺栓装配等各种工艺组合而成，钣金件搭接固定方式有2层，3层等搭接关系，各个钣金部件之间也存在着不同的间隙。当车身在发动机振动与路面传递过来的振动共同作用下，钣金之间容易引起不规则的摩擦与变形，从而导致异响的产生。

产生钣金异响的原因可以大致归纳为以下几点：

（1）钣金结构设计原因，比如不搭接的钣金件设计距离过小、焊点布置不合理、搭接承载面过小等；

（2）制造过程原因，比如冲压件制造不合格、装焊变形等。冲压件制造过程中通常存在毛刺、型面变形、反弹等缺陷，并且在焊接过程中由于定位销磨损问题，以及夹具操作不到位等等因素，导致总成件尺寸不合格，从而产生干涉异响。

（3）涂装烘烤影响，比如涂装烘烤不当造成热应力，漏涂胶以及本文将要重点讨论的涂料玻璃化温度的影响。

4 钣金异响实例分析验证

下面就某整车制造基地实际产生过程遇到的钣金异响为例，建立钣金异响力学模型、测量其涂装材料的玻璃化温度、分析其各个制造环节炉温曲线，从而得到解决该类钣金异响的思路和建议。

4.1 钣金异响故障

有别于设计结构缺陷和冲压、焊接等制造缺陷造成的钣金异响。涂装材料玻璃化温度过低造成的钣金异响，其异响清脆、频率高，异响位置不固定，异响不仅限于波峰扭曲、过坎路面，也包括一些颠簸路面，像比利时路、片石路、粗石路面、卵石路面等，甚至粗糙一些的水泥路面也会出现高频的、清脆的“嘀嘀嘀”、“哒哒哒”的异响声。

异响部位多发于，四门铰链、翼子板安装支架、左右A柱与门槛下边梁搭接位置、左右B柱与门槛下边梁搭接位置、左右B柱上部天窗连接板位置等。

其共同的也是最重要的特点是：环境温度。该基地混线生产两款车型，我们以A车型和B车型代称。两款车型钣金异响均在四月初同时发生，十月中旬以后异响结束，调查期间该地区环境温度，均在15℃以上。也就是说该基地涂装材料玻璃化温度可能就在15℃左右。

4.2 建立钣金异响力学模型

由振动学知识可知，一个振动系统必须具有弹性元件和质量元件，或者说具有弹性和惯性的系统才可能振动，机械系统的振动现象是弹性和惯性相互交替作用而产生的结果。

在现场了解钣金异响过程中，发现轻触翼子板支架、敲击车门、或按压B柱外板等均能使钣金异响复现，由此推断在颠簸路面时，车身受路面激励，钣金相应跟随振动，钣金件搭接存在不可避免微小间隙，外板相对于内板振动，当振幅大于两板之间间隙时，发生碰撞，产生异响。

图2

根据以上现状建立其振动力学模型，如图 2：

假设内板固定不动。外板受激励跟随振动，属于弹簧质量模型中的质量元件；内板与外板之间存在间隙，间隙被颗粒物和涂装材料填充，假设涂装材料为弹性元件。

即，类似钣金异响可以理解为，当涂装材料表现出弹性时，外板相对于内板作简谐振动，当振幅大于两板之间间隙或外板振动时与夹层中的颗粒物撞击发出异响。

其力学方程可以表示为：

其中m表示外板质量，c表示阻尼系数，k表示弹性系数。F（t0）是激振力。分别表示位移、速度、加速度。

4.3 设计钣金异响温度试验

通过以上分析可知，焊接在一起的两块板金，正常受力情况下是不会出现相对运动的，只有当涂装材料处于高弹态时，才能构成单自由度振动系统。也就是说，当环境温度处于玻璃化温度以下时，涂装材料不具备弹性，也就不满足振动系统所必须的弹性元件；当环境温度高于玻璃化温度时，涂装材料表现出弹性，构成单自由度弹簧质量振动系统。

4.3.1 设计试验如下

制作符合工艺要求的该工艺试板十块（试板焊点牢固、且不存在焊接缺陷；两试板搭接合理不存在较大间隙），模型如图3：

图3

试板经过涂装电泳之后备用，在环境仓中，在不同温度0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃情况下，对两个焊点之间施加力（用手指按压），模拟实车异响条件，仔细听是否发出“哒哒哒”声钣金异响。当环境仓温度达到60℃时，十块样件中有一块出现钣金异响。

4.3.2 试验结果如下

表1试验结果显示，该基地同一块电泳板材在环境温度达到60℃时，按压板材出现钣金异响，其他温度均无异响。

4.4 测量该基地涂装材料玻璃化温度

我们使用差示扫描量热法（DSC）测定涂料的玻璃化温度。其原理是，在涂装材料进行玻璃化转变时，分子运动能力的改变导致在热容曲线上形成一个台阶。测试时将有物相变化的样品和在所测定温度范围内不发生相变且没有任何热效应产生的参比物分别置于两个加热块上，在相同的条件下进行等温加热或冷却，当样品发生相变时，在样品和参比物之间就产生一个温度差ΔT，为使温差趋于零，设备自动调节两个加热块上加热丝电流，改变加热块温度，通过热电偶测量样品和参比物加热块上的热流差，以热流率为纵坐标，以温度为横坐标，在工作站上形成DSC测试曲线，得到测试结果。

4.4.1 测试材料准备

根据该基地涂装工艺特点，选取每道工序制作试板，并委托必维诚硕科技（上海）有限公司进行玻璃化温度测试。图4是样件状态。

样件A：该基地板材电泳件；样件B：该基地板材电泳+中涂件；样件C：该基地板材电泳+中涂+面漆。

4.4.2 玻璃化温度测试，见表2

4.4.3 玻璃化温度DSC测试曲线及玻璃化温度，见图5，见表3

此次试验均进行两次升温扫描，第一次升温扫描，得到迭加了热历史（冷却结晶、应力、固化等） 与其他因素（水分、添加剂等） 的原始材料的DSC曲线；第二次升温曲线，消除了玻璃化转变温度的热焓松弛峰，曲线形状典型而规整，接近材料本身性能。这里我们为了接近实际使用时的玻璃化温度，以第一次升温扫描得到的玻璃化温度为准。

由此，测试结果表明，该基地电泳+中涂件样件B的电泳玻璃化温度为17℃，处于常温范围内。

即当环境温度在17℃左右时，车身涂装处于高弹态，形成弹性元件，与外板构成单自由度弹簧质量振动系统，满足振动条件。车辆行驶在激励路面时，就可能造成钣金异响。

对比该基地钣金异响故障发生时间：在四月初，该基地两款车型钣金异响同时发生，十月中旬以后异响结束，调查期间该地区环境温度，均在15℃以上。即钣金异响发生时的环境温度与涂装材料玻璃化温度吻合。

图4

表1

表2

图5 样件A第一次升温扫描

样件A第二次升温扫描

样件B第一次升温扫描

样件B第二次升温扫描

样件C第一次升温扫描

样件C第二次升温扫描

同时，前文钣金异响温度试验使用的电泳件玻璃化温度为57℃，与实验结果，60℃时，实验件按压发生钣金异响温度相吻合。

以上事实表明，涂装材料玻璃化温度的高低是该类钣金异响的首要原因。解决该类钣金异响，就需要从提高涂装材料玻璃化温度入手。前文提到，玻璃化温度的高低取决于：聚合物单体结构本身以及聚合物的聚合度。涂装材料的聚合度又取决涂装的烘烤温度、升温速率以及烘烤时长。

4.5 涂装烘烤炉温曲线分析

4.5.1 电泳炉温曲线：

图6是该基地水性电泳漆的电泳炉温曲线：

电泳漆烘烤工艺要求在170℃保持15-20min；由上图炉温曲线可以看出：电泳烘烤炉温170℃以上烘烤时间约20min符合工艺要求；升温速率40℃/min左右。

在一定范围内，玻璃化温度和升温速率之间存在线形关系。随着升温速率的增加，玻璃化温度也随之增加，即升温速率高有利于玻璃化温度提升。

4.5.2 中涂炉温曲线：

图7是该基地水性中涂漆烘烤炉温曲线：

水性中涂漆要求在80℃的温度下保温5min；使涂料中的水分充分蒸发后，再升温至160℃保温20min，使涂膜完成固化；

由图7炉温曲线可以看出：中涂漆在预烘烤结束后二段升温速率约11℃/min、三段升温速率约10℃/min，160℃以上温度保温时间不足（仅11min左右），升温速率低、高温保温时间不足。导致玻璃化温度低；试验测得玻璃化温度为17℃。远低于涂料在环境中的安全使用温度。建议适当提升升温速率，以20℃/min为宜。

4.5.3 面漆炉温曲线：

图8为该基地面漆炉温曲线：

该基地色漆与清漆采用湿碰湿工艺：要求清漆施工之前，色漆表面水含量必须挥发到一定程度来确保质量和外观；色漆和清漆的闪干时间在1-5min；使漆膜含水量控制在10%左右；

由图8炉温曲线可以看出：面漆在经过4min左右时间闪干后，快速升温至145℃，保温时间17min左右；符合工艺要求15-20min。升温速率13℃/min左右；升温速率较低。其玻璃化温度测得48℃略低于环境使用安全温度。同样建议提升升温速率至20℃/min，以提高玻璃化温度。

5 结语

本文简述了水性漆的主要成分、丙烯酸树脂高聚物玻璃化温度对涂装材料性能的重要性以及异响相关部分知识；从实际问题出发，通过对车辆钣金异响实车分析、故障模拟、建立异响力学模型、设计验证试验、测试涂装材料玻璃化温度并对涂装烘烤炉温曲线进行分析，从而得到该类钣金异响的异响原理、并提供解决该类异响问题的思路及方法。

图6

图7

图8

通过建立钣金异响力学模型，并设计验证试验证明：当环境温度高于涂装材料玻璃化温度时，两块焊接在一起的钣金，与钣金之间的涂料（电泳层、中涂层、面漆层）构成单自由度振动系统，受到外力激励，两块钣金之间就有可能存在相对运动，钣金异响也就有了生存的土壤；当环境温度低于涂装材料玻璃化温度时，不满足单自由度振动系统所必须的弹性元件，即使受到外力，钣金异响也不会发生。

通过对玻璃化温度的研究并分析涂装各涂层烘烤炉温曲线分析，提出解决该基地钣金异响问题的思路，从提高涂装材料玻璃化温度角度出发，可以通过提高升温速率至20℃/min，增加保温时长或者从涂装材料成分进行改善，使玻璃化温度达到57℃以上，避开环境能到达的最高温度，从而有效改善钣金异响。并对该基地提出以下两点建议：

（1）对面漆炉温的升温速率进行提升，以20℃/min为标准；如果，升温速率升高不能提高玻璃化温度至环境安全使用温度57℃以上，应根据实际情况。确定是否需要对涂装成分进行改善以进一步提材料升玻璃化温度。

（2）由于该基地中涂在第二次升温扫描所测得的玻璃化温度依然较低，仅26℃，所以应该从涂装材料成份上进行改善。最终达到解决钣金异响的目的。