碳纖維復合材料在車身底板上的膠接研究及應用

陳茂江 曾繁旭

（1.恒大新能源汽車投資控股集團有限公司，廣州511466；2.上海海事大學物流工程學院，上海201306）

1 前言

碳纖維復合材料（Carbon Fiber Reinforced Poly?mer，CFRP)具有低密度、機械性能優良及耐化學品性能優良的特點，因而在新能源汽車的輕量化設計中逐步被廣泛使用。蔚來ES6 車身鋁合金材料使用比率達到了94%以上，并且地板上有3 個部件采用了CFRP，如圖1 中部件1（Part 1）、部件2（Part 2）、部件3（Part 3）所示。

圖1 ES6車型中的CFRP部件

CFRP 的連接工藝主要有機械連接（包括鉚接、螺栓連接等）、膠結、焊接和混合連接（指同時采用最少2種連接工藝）等，這4種連接技術的優缺點對比見表1[1]。根據表1 中列舉的優缺點，考慮到部件3僅用于車身座艙內、外之間的密封隔離，承受的載荷較低，采用最簡易的機械連接—螺栓連接，部件1和部件2要承受安全帶卡扣和重物沖擊帶來的較大載荷，且為非熱塑性CFRP，因而采用膠接技術，通過選用合適的膠粘劑來達到強度要求。

表1 4種不同連接技術的優缺點對比

由圖1 可以看出3 個CFRP 部件在車身結構中的應用位置，結合車身所采用的鋁合金材料型號，決定了在車身總成階段有CFRP 與鑄鋁件（T6 狀態帶電泳層）的粘接；CFRP 與CFRP 之間的粘接；CFRP 與沖壓鋁件（T8 狀態帶電泳層）的粘接。這樣的粘接應用在德國的寶馬I3/I7 及德國奧迪R8車身上均有大批量的使用實績，在國內屬于首次大批量使用。

CFRP 與相關零件之間采用結構膠粘接并進行紅外線加熱預固化的方式，使結構膠層在規定的生產節拍內達到一定的固化效果和剪切強度，可以起到固定CFRP 部件的作用，從而保證下道工序（總裝車間）操作時CFRP 部件的定位精度和粘接強度不受影響。

研究圖1 中ES6 車型CFRP 部件1 和部件2 的粘接技術，通過進行相關的技術測試完成如下工作：

a.確定粘接工藝流程；

b.確定粘接工藝參數；

c. 實現在大批量生產線上的應用，使全鋁車身及CFRP 部件按規定的生產節拍(20 輛/h)完成粘接工作。

2 研究內容

2.1 技術準備

2.1.1 樣件尺寸要求如圖2，剪切強度測試方法參照GB/T 7124—2008《膠粘劑 拉伸剪切強度的測定（剛性材料對剛性材料）》[2]，并根據車身實際情況對試片和結構膠厚度作了相應調整。

圖2 樣件尺寸要求

2.1.2 測試采用的材料

鋁樣片采用6021 鋁材（涂覆電泳漆），材料供應商為神戶或諾貝麗斯。CFRP 樣片供應商為康德公司。

結構膠的確定，在技術上選擇原則如下5 點：

a.性能。結構膠固化后需要同時滿足車身結構設計所要求的搭接剪切強度和斷裂伸長率。

b.粘接基材。能夠適用于CFRP/電泳鋁，CFRP/CFRP 等基材組合的粘接。

c.生產車間。如果安排在車身車間粘接，預固化的結構膠需要耐涂裝車間的環境影響，如前處理/電泳槽里的化學品槽液的影響、電泳烘房180 ℃高溫造成的剪切應力的影響等。安排在涂裝車間最后一道工序粘接，使以上影響得以避免。

d. 生產流程。涂膠、加熱固化等相關工藝方案均要滿足生產節拍要求。

e.裝配要求。進入總裝車間后，預固化的結構膠強度要能滿足下道工序的裝配環境要求。

基于以上原則，結構膠采用陶氏（DOW）的BE?TAFORCETM2817 柔性快速固化雙組分型聚氨酯結構膠，陶氏（DOW）提供的該產品技術參數見表2。

表2 雙組分結構膠的技術參數

表2 中陶氏（DOW）采用的相關測試標準為DIN EN ISO 527–1《Plastics-Determination of ten?sile properties- Part 1: General principles》[3]和DIN EN ISO 527–2《Plastics-Determination of tensile properties-Part 2:Test conditions for moulding and ex?trusion plastics》[4]。

2.1.3 測試用紅外烤燈參數設置

測試使用的紅外線烤燈溫度-時間設置見圖3，預加熱段（100 ℃，60 s），對鋁合金基材進行預加熱。加熱段（80～140 ℃，120 s），對結構膠加熱預固化。紅外線烤燈的溫度-時間設置采用程序自動控制，確保測試過程中數據可靠，以下測試非特殊說明，均應用該加熱固化程序。圖中標注曲線為紅外烤燈的設置溫度-時間對應圖，其他8 條曲線是每次測試的雙組分結構膠的實測溫度-時間對應圖，共測試了8 次。

圖3 測試使用的紅外線烤燈溫度-時間設置

2.2 工藝參數的測試

2.2.1 零件間隙對結構膠搭接性能的影響

采用雙組分的聚氨酯結構膠，當固化劑中的氰酸酯與主劑中的活潑氫接觸時，便會自動進行加成反應，生成氨基甲酸酯結構，同時生成帶支鏈結構的立體結構的交聯產物，具有粘接力高的特點。由于聚氨酯分子中含有大量的極性基團，偶極矩大，對被粘材料有很大的親和力，所以能同時對多種材料起到粘結作用。另外，固化劑中的異氰酸酯基(—N=C=O)是一個十分活潑的反應性基團，它除了能與主劑中的活潑氫反應外，也可以與被粘材料表面物質分子中的活潑氫反應，生成化學鏈，使膠粘劑分子同時與被粘的2 種材料發生橋架作用，產生很好的粘接力。因此，結構膠層的厚度決定了被粘接材料表面發生的橋架作用在粘接反應中所占的比重，從而影響到粘接強度。

本測試是通過墊片控制膠層厚度，試片分為2組，一組厚度為（2 mm CFRP-2 mm 鋁合金），另一組厚度為（2 mm CFRP-2 mm CFRP），經過加熱固化，研究零件間隙即結構膠厚度對膠搭接性能的影響，結果見圖4。

圖4 結構膠厚度與強度的關系

根據圖4 的測試結果，綜合考慮生產線設備的控制精度和控制成本，膠層厚度選用1.5 mm。

2.2.2 常溫自然固化測試

為了證明加熱固化的必要性，先要作一個基礎測試。設想結構膠層不經歷烤燈加熱，而采用常溫自然固化，測試其剪切強度和時間的關系，結構膠層厚度設定為1.5 mm，常溫固化溫度為23 ℃，相對濕度為50%，測試結果見圖5。

圖5 結構膠自然固化效果

根據圖5 測試的結構膠自然固化效果，結論是在23 ℃下24 h 后，搭接剪切強度可達到BETA?FORCE?2817 結構膠的設計目標10 MPa；大約需要40～60 min 后，才能達到0.5 MPa 的操作強度要求，無法滿足生產節拍的要求，因此，采用加熱預固化的工藝具有很大的研究價值。

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2.2.3 對雙組分結構膠的操作強度測試

本測試基于雙組分結構膠BETAFORCE?2817粘接CFRP-鋁合金試片后，進行紅外烘烤，烘烤后，壓緊工裝馬上松開，在10 s 時間內測試剪切強度是否滿足0.5 MPa 的操作強度要求。

測試1：試片厚度為（1.5 mm CFRP-1mm 鋁），結構膠厚度為1.5 mm，測試結果見圖6。

圖6 測試1結果

由圖6 可見，加熱烘烤時間為120 s 時，剪切強度可達到0.5 MPa 的操作強度要求；加熱烘烤時間為150 s 時，剪切強度可超過0.5 MPa 的操作強度要求。

測試2：試片厚度為（2.5 mm CFRP-4 mm 鋁），結構膠厚度為1.5 mm，測試結果見圖7。

圖7 測試2結果

由圖7 可見，加熱烘烤時間為150 s 時，剪切強度可達到0.5 MPa 的操作強度要求；加熱烘烤時間為180 s 時，剪切強度可超過0.5 MPa 的操作強度要求。

通過以上2 個測試，結論是車身材料厚度組合優先采用（1.5mm CFRP-1 mm 鋁），這樣，加熱烘烤時間120 s 后，粘接層的剪切強度即可達到0.5 MPa 的操作強度要求，同時滿足了生產節拍的要求。

2.2.4 承重強度測試

CFRP 粘接工序在涂裝車間完成，車身3 h 后將到達總裝后地板部位的內飾安裝工位，總裝車間要求CFRP 部件上能夠承載兩個人（載荷為200 kg），通過CAE 模擬分析，此時CFRP 部件的剪切強度要求達到1.5 MPa，鑒于此，進行了以下測試。

測試條件：試片厚度為（1.5 mm CFRP-4 mm鋁），結構膠厚度為1.5 mm，

固化條件：加熱時間分別設定為（90 s，120 s，150 s，180 s），然后再常溫自然固化3 h 后，分別測試了從CFRP 試片接受加熱和從鋁片接受加熱的兩種狀態，測試結果見圖8。

圖8 承重強度測試結果

由圖8 可見，加熱時間為90 s，再常溫自然固化3 h 后，CFRP 粘接層的剪切強度就能夠達到1.5 MPa 的要求。

2.2.5 CFRP 表面處理對膠接接頭性能的影響

膠接是利用基體與結構膠在粘接界面上產生的機械結合力、物理吸附力與化學鍵結合力而使2 個被粘物粘接起來的工藝，所以膠接結構的承載是通過膠層及界面傳遞載荷，因此基體表面與膠粘劑的粘接性能是影響膠接結構性能的關鍵。通過表面處理方法改變被粘物表面特性從而增強其與膠粘劑之間的粘接強度已成為提高膠接結構強度的關鍵工藝。因而，對于碳纖維復合材料，是否需要對粘接表面進行打磨和底涂也需要驗證。

測試條件：試片厚度為（2.0 mm CFRP-1.5 mm結構膠-2.0 mm CFRP）。分別從是否進行表面打磨、噴涂底漆的維度進行了驗證，加熱固化后的結果見圖9。

圖9 表面處理效果測試結果

由圖9 可見，在涂結構膠前，需要進行表面處理，采用400#砂紙打磨CFRP 粘接部位，并涂覆底涂是最佳組合。

2.3 CFRP粘接工藝流程及關鍵工藝參數

根據以上對CFRP 粘接工藝中關鍵性能及工藝參數的測試，決定CFRP 粘接生產線工藝流程及關鍵工藝參數如圖10。

圖10 CFRP粘接生產線工藝流程及關鍵工藝參數

2.4 CFRP粘接生產線的布置

CFRP粘接生產線分兩期建設，一期產能10 輛/h，總體布置見圖11（圖中上半部分為平面布置圖，下半部分為立體效果圖）。

圖11 CFRP一期生產線總體布置

二期是在一期基礎上復制了第2 條生產線，從而使總產能達到20 輛/h。

2.5 CFRP粘接生產線的工序詳解

首先在線外人工對CFRP 部件的涂膠粘接部位進行預處理，采用400#砂紙打磨后，清理擦凈打磨部位的殘渣和灰塵。然后將CFRP 部件放置到全自動粘接生產線的上件機構。

a.車身（帶涂裝噴漆滑撬）到達工位1；

b.車身快速進入CFRP 粘接工位滾床；

c.車身頂升，車身定位鎖緊夾具進入指定位置，車身定位夾具定位車身并鎖緊（滑撬不移出），紅外線預加熱設備進入到指定位置；

d.CFRP 機器人1 帶攝像定位裝置進行車身定位確認，車身定位確認后車底預加熱裝置開啟安裝件1 的區域預加熱；

e.同時機器人1 帶抓手抓取件1，到達自動底涂位置完成自動底涂（所有將要涂覆結構膠的位置都需要涂有DOW4800 材料），然后到達自動涂膠位置完成自動涂膠并利用視覺系統完成膠連續性及高度檢測；

f.機器人帶抓手將件1 安裝在車身正確位置并把結構膠下壓到指定的厚度，膠厚（1.5±1）mm，再次開啟車身底部的紅外線加熱烤燈進行加熱固化（機器人安裝件1 期間紅外預加熱停止）；

g.機器人1 退出并完成件1 的安裝；

h.車身解除鎖緊及相關定位后，進入工位2；

i.件2 的安裝動作與件1 類似，區別在于開啟的預加熱區域為件2 的安裝區域，件2 安裝到車身后，抓手上的紅外線加熱裝置及車身底部件2 的預加熱裝置同時開啟完成加熱固化；

j.機器人回到原位，完成兩個零件的安裝及固化；

k.完成了CFRP 粘接工藝后的車身轉移到總裝車間。

3 結束語

針對國內第一條將碳纖維復合材料應用于車身結構的大批量（20 輛/h）生產線進行了研究分析，通過對預處理CFRP組件進行400#砂紙打磨后噴底涂，將BETAFORCE?結構膠下壓至厚度（1.5±1）mm，然后采用紅外線加熱預固化，可達到最符合預期的固化效果。

該生產線將CFRP 材料與車身的地板件進行了粘接，實踐了國內新能源汽車與碳纖維材料在大批量生產中的首次結合。但是，與國外已經實現了全CFRP 車身量產技術相比，還存在較大的差距，如何將CFRP 大批量應用在車身外覆蓋件，并且確保車身的外觀質量，這仍然是擺在我們面前的課題。