于紅等

摘要：通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)膠粘劑材料性能、工藝性能等研究，建立了框架結(jié)構(gòu)車身與外覆蓋件粘接技術(shù)，極大降低了框架結(jié)構(gòu)商用車的開(kāi)發(fā)成本，縮短了開(kāi)發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)膠粘劑；結(jié)構(gòu)粘接；框架結(jié)構(gòu)；車身外覆蓋件；粘接工藝；CAE分析

結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)是采用結(jié)構(gòu)膠粘劑實(shí)現(xiàn)的一種連接技術(shù)。在汽車制造過(guò)程中，結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)是一門新興的連接技術(shù)，為滿足汽車制造技術(shù)不斷提高的需要，作為汽車生產(chǎn)所必需的重要輔助連接技術(shù)，結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

與焊接、鉚接、螺栓連接相比，結(jié)構(gòu)粘接不僅能連接不同材料，如金屬和非金屬、復(fù)合材料等，還可以提高結(jié)構(gòu)的韌性、耐疲勞性、抗沖擊性和耐腐蝕性，起到增強(qiáng)汽車結(jié)構(gòu)、防銹、減振和內(nèi)外裝飾的作用，達(dá)到減輕車身重量、降低能耗、簡(jiǎn)化組裝工序、提高制品質(zhì)量和優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等其它連接方法（如鉚接和焊接等）所不能實(shí)現(xiàn)的效果。

為了降低各種商用車專用車型開(kāi)發(fā)成本、縮短開(kāi)發(fā)周期，其駕駛室、車身通常采用框架結(jié)構(gòu)?？蚣芸偝膳c外覆蓋件的連接，國(guó)內(nèi)通常采用焊接技術(shù)，國(guó)外已開(kāi)始采用結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)，但僅限于局部外覆蓋件粘接。

鑒于上述原因及快速進(jìn)行各種商用車車身產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的實(shí)際需求，本項(xiàng)目開(kāi)展了框架結(jié)構(gòu)車身與金屬外覆蓋件及非金屬外覆蓋件、非金屬外覆蓋件與非金屬骨架等結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)的研究，在大量試驗(yàn)研究、整車粘接工藝研究基礎(chǔ)上，完成了車身外覆蓋件與框架總成結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)可靠性評(píng)價(jià)，建立了框架總成與外覆蓋件結(jié)構(gòu)粘接工藝、結(jié)構(gòu)膠粘劑資源平臺(tái)及車身外覆蓋件結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)本項(xiàng)目的研究，一汽擁有了商用車車身結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)，該技術(shù)確保了：

1）可以在不開(kāi)或少開(kāi)模具的前提下快速進(jìn)行各種框架結(jié)構(gòu)車身產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)；

2）為在基本型上進(jìn)行商用車專用車型系列化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐；

3）為整體式復(fù)合材料外覆蓋件在車身上的應(yīng)用提供了技術(shù)保證；

4）可以節(jié)省模具及夾具費(fèi)用。

該技術(shù)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)在該領(lǐng)域的空白。

1 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

1.1 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

商用車車身結(jié)構(gòu)通常有框架結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)2種結(jié)構(gòu)形式?；诳蚣芙Y(jié)構(gòu)車身具有模具和焊夾投入小、生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短、在基本型上易實(shí)現(xiàn)系列化等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)針對(duì)商用車專用車型存在品種多、產(chǎn)量低等特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)框架結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)2種車身結(jié)構(gòu)形式的詳盡技術(shù)論證，為了降低開(kāi)發(fā)成本、縮短開(kāi)發(fā)周期，一汽各種商用車專用車型的開(kāi)發(fā)擬采用框架結(jié)構(gòu)車身。

1.2 連接技術(shù)

對(duì)于框架結(jié)構(gòu)車身與外覆蓋件的連接，國(guó)外已開(kāi)始采用結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)，但主要以局部外覆蓋件粘接為主，如圖1所示。國(guó)內(nèi)通常采用焊接技術(shù)，這種技術(shù)的缺點(diǎn)是：

1）可實(shí)現(xiàn)金屬框架總成與金屬外覆蓋件的連接，無(wú)法實(shí)現(xiàn)與非金屬外覆蓋件的連接；

2）大量的焊點(diǎn)既影響外觀的美觀性，又容易造成應(yīng)力集中；

3）焊接質(zhì)量難以保證，易導(dǎo)致外覆蓋件變形。

為了解決上述問(wèn)題，結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)成為了首選。

結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：

1）可以實(shí)現(xiàn)金屬外覆蓋件與金屬框架總成、非金屬外覆蓋件與金屬框架總成、非金屬外覆蓋件與非金屬骨架等的連接；

2）可以提高結(jié)構(gòu)的韌性、耐疲勞性、抗沖擊性和耐腐蝕性；

3）可以達(dá)到降重、降低生產(chǎn)能耗，實(shí)現(xiàn)綠色制造目的；

4）粘接面完全密封，粘接表面平滑美觀、無(wú)應(yīng)力集中，極大提高了車身的耐久性及外觀美觀性；

5）粘接工藝簡(jiǎn)單、簡(jiǎn)化組裝工序、便于實(shí)施；

6）是小批量多品種商用車車身開(kāi)發(fā)的新途徑。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外框架結(jié)構(gòu)車身與外覆蓋件的連接技術(shù)的對(duì)標(biāo)及技術(shù)論證，本項(xiàng)目擬采用結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)實(shí)現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)車身與全部外覆蓋件的連接。

1.3 外覆蓋件

根據(jù)框架結(jié)構(gòu)車身的特點(diǎn)及實(shí)際需求，本項(xiàng)目采用的外覆蓋件分為金屬外覆蓋件和FRP非金屬外覆蓋件，結(jié)構(gòu)形式為分塊式和整體式。

1.4 車頭

由于金屬車頭存在著重量大、外觀造型可設(shè)計(jì)性差等缺點(diǎn)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的車頭材料方案為分塊式FRP車頭和整體式FRP車頭。

分塊式FRP車頭由19個(gè)FRP覆蓋件組成，模具成本低，粘接工藝較復(fù)雜。

整體式FRP車頭總成由整體式車頭面罩、左/右空濾進(jìn)氣格柵裝飾罩、整體式內(nèi)置加強(qiáng)梁4個(gè)零件構(gòu)成，模具成本高，但簡(jiǎn)化了粘接工藝。

1.5 總體技術(shù)方案

經(jīng)過(guò)技術(shù)論證及對(duì)標(biāo)分析，本項(xiàng)目總體技術(shù)方案是：

1）車身采用框架結(jié)構(gòu)形式；

2）外覆蓋件采用金屬外覆蓋件和FRP非金屬外覆蓋件；

3）金屬外覆蓋件采用分塊式結(jié)構(gòu)，F(xiàn)RP非金屬外覆蓋件采用分塊式和整體式2種結(jié)構(gòu)；

4）車頭采用分塊式FRP車頭和整體式FRP車頭；

5）外覆蓋件與框架的連接全部采用粘接技術(shù)，無(wú)任何焊點(diǎn)。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 結(jié)構(gòu)膠粘劑資源平臺(tái)建立

一個(gè)產(chǎn)品粘接質(zhì)量的好壞，其科學(xué)合理的粘接工藝固然是非常重要的，但膠粘劑選用是否合理、膠粘劑的質(zhì)量好壞無(wú)疑是最為重要的，所以對(duì)結(jié)構(gòu)膠粘劑選擇及各項(xiàng)性能進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)是本項(xiàng)目重要的一環(huán)。從商用車專用車型框架總成與外覆蓋件的粘接特點(diǎn)、粘接可靠性、耐久性等角度綜合考慮并結(jié)合框架總成與外覆蓋件的實(shí)際粘接工藝，在大量試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目選擇了彈性相對(duì)較好、可室溫固化的雙組分丙烯酸型結(jié)構(gòu)膠粘劑用于框架總成與金屬外覆蓋件及FRP非金屬外覆蓋件結(jié)構(gòu)粘接，對(duì)于FRP非金屬骨架與FRP非金屬外覆蓋件結(jié)構(gòu)粘接則采用彈性優(yōu)良、可室溫固化的雙組分聚氨酯型結(jié)構(gòu)膠粘劑。為了使框架總成與金屬外覆蓋件達(dá)到最理想的粘接效果，本項(xiàng)目將玻璃微珠鑲嵌技術(shù)引入結(jié)構(gòu)膠粘劑中，確保了最佳膠層厚度及膠層厚度一致性。通過(guò)整車粘接工藝研究及各種道路試驗(yàn)的驗(yàn)證試驗(yàn)，最終確定了適合金屬外覆蓋件-框架總成、FRP非金屬外覆蓋件-框架總成、FRP非金屬外覆蓋件-FRP非金屬骨架粘接的結(jié)構(gòu)膠粘劑材料。

2.2 結(jié)構(gòu)膠粘劑粘接技術(shù)研究

2.2.1 結(jié)構(gòu)粘接強(qiáng)度與焊接強(qiáng)度比對(duì)分析

結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)和焊接技術(shù)是2種不同的連接技術(shù)，焊接技術(shù)是在汽車生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用的一種成熟技術(shù)，相對(duì)焊接技術(shù)說(shuō)，結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)是一種新技術(shù)。為了保證框架總成與外覆蓋件連接采用結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)是安全可靠的，本項(xiàng)目對(duì)不同厚度鋼板的焊接強(qiáng)度與粘接強(qiáng)度進(jìn)行了比對(duì)分析，如圖2所示。

試驗(yàn)研究顯示：

1）粘接強(qiáng)度高于焊接強(qiáng)度；2）焊接易造成應(yīng)力集中現(xiàn)象，粘接則可以有效避免應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2.2.2 影響粘接強(qiáng)度因素研究

結(jié)構(gòu)膠粘劑強(qiáng)度的高低無(wú)疑是影響粘接強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，此外，還有很多因素會(huì)影響到粘接強(qiáng)度，本項(xiàng)目通過(guò)大量試驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，對(duì)可能影響粘接強(qiáng)度的因素逐一進(jìn)行了研究，見(jiàn)圖3、4。

試驗(yàn)研究顯示：

1）環(huán)境溫度對(duì)結(jié)構(gòu)膠粘劑的粘接強(qiáng)度有較大影響，粘接強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，當(dāng)環(huán)境溫度持續(xù)超過(guò)60 ℃后，粘接強(qiáng)度下降較為明顯；

2）結(jié)構(gòu)膠粘劑的操作時(shí)間隨著溫度的升高而縮短，在不同溫度范圍內(nèi)其操作時(shí)間是不同的；

3）丙烯酸型結(jié)構(gòu)膠粘劑的粘接強(qiáng)度隨膠層厚度的增加而降低，最佳膠層厚度應(yīng)控制在0.2 mm左右；

4）對(duì)待粘接面進(jìn)行適當(dāng)打磨處理，可以顯著提高粘接強(qiáng)度；

5）粘接后施以合理的夾持，有助于提升粘接強(qiáng)度。

通過(guò)對(duì)粘接接頭設(shè)計(jì)、粘接面匹配性、粘接表面狀態(tài)、膠層厚度、夾持力、夾具卸除時(shí)間、粘接材質(zhì)、操作時(shí)間、合攏時(shí)間、環(huán)境溫度等影響粘接強(qiáng)度因素的詳盡研究，為框架總成與外覆蓋件結(jié)構(gòu)粘接工藝的建立提供了技術(shù)支持，同時(shí)確保了外覆蓋件與框架總成的結(jié)構(gòu)粘接可靠性。

2.2.3 結(jié)構(gòu)膠粘劑疲勞性能試驗(yàn)研究

為了確保粘接后的車身產(chǎn)品使用壽命等同或高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)車身的使用壽命，本項(xiàng)目開(kāi)展了結(jié)構(gòu)膠粘劑疲勞性能試驗(yàn)研究。由于國(guó)內(nèi)沒(méi)有相關(guān)膠粘劑疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)無(wú)法獲得國(guó)外相關(guān)膠粘劑疲勞試驗(yàn)方法詳細(xì)資料，所以本項(xiàng)目借鑒金屬疲勞試驗(yàn)方法，針對(duì)結(jié)構(gòu)膠粘劑位移小的客觀特性，在試樣制備、夾裝上進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，在大量試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，確定了適合結(jié)構(gòu)膠粘劑特性的疲勞試驗(yàn)參數(shù)，建立了結(jié)構(gòu)膠粘劑疲勞性能的科學(xué)評(píng)價(jià)方法，并且對(duì)不同結(jié)構(gòu)膠粘劑與各種材質(zhì)粘接后的疲勞性能進(jìn)行了評(píng)估。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，本項(xiàng)目選用的結(jié)構(gòu)膠粘劑疲勞性能達(dá)到>2 000 000次疲勞試驗(yàn)粘接無(wú)破壞，粘接后車體壽命可達(dá)10年。

2.3 工裝夾具研究

為了確保外覆蓋件粘接質(zhì)量，設(shè)計(jì)合理的工裝夾具是十分必要的。通過(guò)對(duì)影響結(jié)構(gòu)膠粘劑粘接強(qiáng)度的因素如膠層厚度、壓力等的試驗(yàn)研究，結(jié)合外覆蓋件與框架的實(shí)際結(jié)構(gòu)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了不同形狀、尺寸的工裝夾具，并確定了相應(yīng)的壓力參數(shù)，確保了外覆蓋件的結(jié)構(gòu)粘接質(zhì)量（見(jiàn)圖5）。

2.4 結(jié)構(gòu)粘接工藝研究

在上述各項(xiàng)研究基礎(chǔ)上，我們總計(jì)進(jìn)行了20輛礦用大自卸車、1輛高檔商務(wù)客車、13輛城市消防主戰(zhàn)車、5輛校車、10輛全新長(zhǎng)頭車框架總成與外覆蓋件結(jié)構(gòu)粘接工藝試驗(yàn)（見(jiàn)圖6），并進(jìn)行了道路試驗(yàn)的驗(yàn)證。在大量試驗(yàn)研究及整車粘接工藝研究基礎(chǔ)上，建立了框架總成與外覆蓋件結(jié)構(gòu)粘接工藝，為采用結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)的礦用大自卸車、全新長(zhǎng)頭車、校車等正式投產(chǎn)做好了工藝上的準(zhǔn)備。

2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、粘接工藝優(yōu)化

根據(jù)長(zhǎng)頭車車頭總成和礦用大自卸車駕駛室總成的材料選擇和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)膠粘劑的特性，在車頭的內(nèi)外板之間、駕駛室外覆蓋件與骨架之間，采用結(jié)構(gòu)膠粘劑進(jìn)行結(jié)構(gòu)粘接。

為了確保車頭的粘接強(qiáng)度、粘接部位及粘接尺寸的準(zhǔn)確性，有效減少用膠量，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、粘接工藝進(jìn)行了優(yōu)化：

1）車頭由分塊式設(shè)計(jì)方案改為整體式設(shè)計(jì)方案；

2）在車頭內(nèi)外板的模具制作過(guò)程中，在涂膠部位做出涂膠邊界線，達(dá)到便于操作和提高效率目的；

3）根據(jù)CAE分析，從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)以確保內(nèi)外板之間有足夠的粘接面積；

4）制作組合粘接夾具。

通過(guò)上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、粘接工藝的優(yōu)化，在確保結(jié)構(gòu)粘接強(qiáng)度前提下，既加快了生產(chǎn)節(jié)拍，又減少了單車用膠量3.2 L，使單車粘接成本得到大幅降低。

2.6 粘接車頭CAE 分析

長(zhǎng)頭車車頭產(chǎn)品采用RTM工藝，內(nèi)板、外板分別一體成型，然后粘接成型。

針對(duì)開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)頭車車頭進(jìn)行了CAE模態(tài)分析。CAE分析結(jié)果顯示，F(xiàn)RP車頭最大應(yīng)力均小于40 MPa，一階頻率均大于17 Hz，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

2.7 車身外覆蓋件結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究

為了有效控制結(jié)構(gòu)膠粘劑質(zhì)量，在對(duì)各種結(jié)構(gòu)膠粘劑進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)車身外覆蓋件結(jié)構(gòu)粘接工藝的研究，我們建立了車身外覆蓋件粘接用結(jié)構(gòu)膠粘劑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)粘接強(qiáng)度、剝離強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、疲勞性能、各種耐老化性能、耐腐蝕性能等進(jìn)行了明確規(guī)定，確保了結(jié)構(gòu)膠粘劑疲勞壽命可達(dá)10年，為商用車車身結(jié)構(gòu)粘接質(zhì)量提供了技術(shù)保證。該標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)內(nèi)首個(gè)關(guān)于汽車車身外覆蓋件結(jié)構(gòu)粘接的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。

3 主要技術(shù)參數(shù)

3.1 與國(guó)外產(chǎn)品性能對(duì)比

從表1可以看出，本項(xiàng)目丙烯酸型結(jié)構(gòu)膠粘劑主要技術(shù)參數(shù)等同或高于國(guó)外同類產(chǎn)品主要參數(shù)，技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

3.2 粘接后FRP車頭總成性能

從表2可以看出，采用結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)的FRP車頭質(zhì)量安全可靠。

4 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

1）框架結(jié)構(gòu)車身與金屬外覆蓋件結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)：采用結(jié)構(gòu)膠粘劑及合理粘接工藝進(jìn)行粘接，無(wú)任何焊點(diǎn)，有效提高車身壽命，該技術(shù)為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)；

2）框架結(jié)構(gòu)車身與分塊式非金屬外覆蓋件結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)：采用結(jié)構(gòu)膠粘劑及科學(xué)合理粘接工藝進(jìn)行粘接，車身外覆蓋件全部為非金屬外覆蓋件，實(shí)現(xiàn)了車身輕量化，降重約20%～40%，該技術(shù)為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)；

3）框架結(jié)構(gòu)車身與整體式非金屬外覆蓋件結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)：采用結(jié)構(gòu)膠粘劑及科學(xué)合理粘接工藝進(jìn)行粘接，實(shí)現(xiàn)了車身輕量化，降重約40%且大幅降低了結(jié)構(gòu)膠粘劑用量，該技術(shù)為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)；

4）結(jié)構(gòu)粘接評(píng)價(jià)技術(shù)：開(kāi)發(fā)了結(jié)構(gòu)膠粘劑評(píng)價(jià)方法，建立了金屬外覆蓋件、非金屬外覆蓋件結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。

5 結(jié)語(yǔ)

商用車車身結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)的開(kāi)發(fā)：

1）為在基本型上進(jìn)行商用車系列化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐；

2）在外觀造型上給設(shè)計(jì)師更大的設(shè)計(jì)空間，同時(shí)也提高了駕駛室、車身的外觀美觀性及耐久性，粘接后車體壽命大于10年；

3）確保了在不開(kāi)或少開(kāi)模具的前提下，快速進(jìn)行各種框架結(jié)構(gòu)商用車產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，僅全新長(zhǎng)頭車、校車等4種商用車就節(jié)省模具、夾具費(fèi)用達(dá)1 680萬(wàn)元，同時(shí)極大縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提升了框架結(jié)構(gòu)商用車的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；

4）為整體式非金屬覆蓋件在車身上的應(yīng)用提供了技術(shù)保證，單車可降重40%；

5）打破了礦用自卸車、消防車等商用車進(jìn)口車型占主導(dǎo)地位的局面，為國(guó)產(chǎn)品牌取代進(jìn)口品牌提供了技術(shù)保證；

6）填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)在該領(lǐng)域的空白，對(duì)國(guó)內(nèi)框架結(jié)構(gòu)商用車的開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)具有積極的推動(dòng)作用。