整车耐腐蚀及质量监测技术研究
时间：2023-05-31 21:20:06 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
◆王宇震/ 文
腐蚀是汽车产品与生俱来需要克服的问题。受到汽车使用环境的复杂性影响，气候、污染、行驶等因素都会影响汽车腐蚀状况。而汽车腐蚀导致的整车外观生锈、腐蚀失效、功能丧失等质量问题，不仅会带来重大的经济损失，同时严重影响汽车的安全性。
近年来，汽车防腐蚀越来越受到汽车行业的重视，整车抗腐蚀性能已成为考核汽车性能的主要项目之一。2021年12月9日，在中国消费品质量安全促进会指导下，由海南热带汽车试验有限公司作为牵头单位的22家单位共同发布“中国汽车耐腐蚀与老化性能评价规程（CACAP）”，有效丰富了汽车产品的质量评价体系，为我国汽车耐腐蚀测试技术发展发挥了积极作用。
汽车腐蚀是一个极其复杂的过程，至少涉及以下混合相：固/液相、固/气相、固/液/气相、固/液/液/相。而腐蚀监测也是一项多学科任务，通常需要两种或两种以上的方法来充分满足给定系统中的监控需求。不同的系统往往需要不同的方法或不同方法的组合。
腐蚀监测包括在任何给定时间内对材料状况的腐蚀检查和一系列腐蚀监测，以获取材料腐蚀过程或周围环境腐蚀性信息。作为腐蚀技术研究的一部分，汽车工业过程参数如材料、温度、pH值、保质期、防腐工艺、产品定位等，被引入腐蚀监测，实现精确管理以及生产合格产品或提高产品质量的目的。
下面围绕腐蚀种类和监测技术，以及汽车腐蚀监测、质量控制的主要技术方案进行讨论研究。
金属材料在使用过程中，受周围环境影响必然遭到不同形式的破坏，其中最常见的破坏形式是断裂、磨损和腐蚀。按照腐蚀形态分类，腐蚀分为均匀腐蚀和局部腐蚀两大类。按照腐蚀环境分类，可分为大气腐蚀、土壤腐蚀、海水腐蚀、生物腐蚀、高温气体腐蚀、辐照腐蚀、酸碱盐中腐蚀、溶盐腐蚀及非水溶液中的腐蚀等[1-2]。按照腐蚀机制分类，金属腐蚀可分为化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀，其中电化学腐蚀最为普遍，对金属的危害最严重。
现代腐蚀监测实践经验大部分来自化学、石油化学、炼油、动力等工业，方法包括超声波法、声发射法、电位法、电阻法、线性极化法、电偶法、电位监测法、射线技术及各种探针技术。近几年出现的新兴监测技术，包括交流阻抗技术、恒电量技术、电化学噪声技术和超声波滑测量技术等[3-5]。
汽车行业常用的监测方式，包括多电极系统、金属挂板和电阻探针三种形式。
2.1 多电极系统
耦合多电极阵列由于其中的电极可以以任何给定的模式排列，并且每个电极都是可寻址的，近年来，已被用作传感器（CMAS）在实验室和工业领域的腐蚀在线实时监测。由于CMAS不需要大量电解质，因此不仅可用于定量测量液相中的金属局部腐蚀，还可用于测量湿气、油/水混合物、盐沉积物、生物沉积物、土壤、混凝土和底漆中的金属局部腐蚀[6]。
2.2 金属挂板
使用分析天平测量试样的质量变化（失重或增重）和厚度变化（最大失厚、平均失厚），已被广泛用于评估材料在腐蚀环境中的降解情况，作为暴露时间或温度的函数。
2.3 电阻探头
基于检测电阻变化的腐蚀监测探头，自20世纪50年代开始使用。这些电阻探头有时被称为电子探针，主要参数为暴露在目标环境中的传感元件的电阻。如果传感元件遭受腐蚀，其横截面积将减小，测得的电阻将增加。依据结构复杂程度，包括数据传输式和线下检测式。腐蚀探针有多种形式，包括导线和回路、管状体、薄膜/薄片和带材[7]。
汽车腐蚀的质量控制，通常从三个阶段着手。
3.1 设计开发阶段质量控制
设计开发腐蚀质量监控，是指整车从定义到量产过程中对车辆所涉及的腐蚀问题进行监控与解决，以避免潜在腐蚀设计问题流入市场，对汽车品牌造成不良影响，由前期整车腐蚀目标的定义、中期腐蚀设计评审和后期物理腐蚀试验验证三部分组成。
3.1.1 前期定义
前期整车腐蚀目标的定义非常重要，影响后期潜在腐蚀设计成本。防腐目标定义过高必定会带来设计成本的增加，反之目标定义过低会影响量产后客户使用的直观感知。因此，在项目前期会针对具体车型预期销售的目标群体、车型定位、竞品分析等因素，综合定义整车的详细防腐目标。
3.1.2 中期评审
中期的腐蚀设计评审是利用防腐蚀工程师以往的项目经验来制定满足防腐目标的高性价比腐蚀设计方案。腐蚀设计评审包含结构设计、材料选择和工艺优化三环节，其中性价比最高的腐蚀解决方案是结构设计。
结构设计是在设计开发过程中通过优化车身结构，降低腐蚀风险。例如在大贴合面处起凸台，可以有效地减小钣金之间的贴合面，从而降低发生缝隙腐蚀的风险；
对于电泳液难以进入的钣金处，可以通过增加漏气孔和漏液孔的方式，使电泳液更好地流经这些部位，改善电泳效果；
对于易受到石击、水溅破坏的下车体部位，可以设计底护板加以保护。
汽车不同部位的腐蚀环境不同，因此在设计评审中选择合适的材料十分重要。对于湿区的零件和钣金，腐蚀环境较差，一般会采用镀锌板以提高耐腐蚀性；
对于干区的零件，一般会采用裸板。汽车是由很多零件组成的，因此存在很多搭接处，不同材料的电位差也不同。尤其是异种材料在进行搭接时，很容易形成较大的电位差，发生电偶腐蚀。因此在选择材料时，一般选用电位差较小的进行搭接，对于一些只能选电位差较大的材料搭接的部位，可以通过增加导电隔绝的涂层来避免发生电偶腐蚀。
在设计评审中还可以通过优化工艺来降低局部的腐蚀风险。例如添加车身密封胶、车身油漆胶，可以起到防水作用；
使用高边缘电泳漆，提高边缘电泳漆的附着力；
通过清洗工艺，清洗零部件表面，打磨焊缝清理焊渣，也可以改善电泳的效果，提高防腐蚀能力。
3.1.3 后期验证
后期物理腐蚀验证是设计开发腐蚀质量监控中的重要验证环节，是识别腐蚀问题的重要手段，主要包括电泳车拆解和腐蚀拆解试验。
电泳车拆解包括白车身级拆解和零部件级拆解。其中，白车身是由主机厂进行拆解，零部件是由供应商进行拆解。电泳车拆解目的主要有以下几方面：首先是可以测量整车电泳膜厚，判断电泳工艺是否合格；
其次是可以识别空腔电泳问题，判断是否有积液兜气问题；
还可以发现潜在锈穿腐蚀问题。
腐蚀拆解试验包括材料级、零部件级和整车级腐蚀试验，不同级别的腐蚀试验验证的目的也存在差异。材料级腐蚀试验主要考核原材料基材的防腐性能，大多数材料级别的腐蚀试验都是前期腐蚀质量监控的一种手段。绝大部分零部件级别的腐蚀试验会采用循环腐蚀试验。该试验基本模拟零件在实车上的静态腐蚀表现，但无法模拟整车上的动态腐蚀及连界面区域的腐蚀。整车腐蚀试验则能更真实地模拟客户实际腐蚀工况，基本可以识别售后可能遇到的大部分腐蚀问题。
3.2 整车制造过程阶段质量控制
整车制造工艺主要分为冲压、焊接、油漆及总装四大工艺。每道工艺都和车辆腐蚀防护密切相关，其中油漆尤为重要。在冲压过程中与防腐性能相关的主要有钣金切边毛刺、冲压油印等，会直接影响后道涂装性能；
在焊接过程中与腐蚀防护关系较为密切的是车身涂胶施工质量；
油漆过程对整车防腐影响最大，包括前处理、电泳、密封、中涂、面漆等；
在总装过程中与腐蚀防护关系较大的是部分零件在装配时不能划伤油漆表面、不要干涉车身油漆接触面，防止车辆行驶过程中对车身油漆干涉损伤[8]。
3.2.1 冲压过程
在冲压过程中，对整车腐蚀防护影响较大的是冲压毛刺和冲压油印。冲压毛刺和油印对后道油漆影响较大。
对于存在明显冲压毛刺的切边，电泳漆很难完全覆盖或者覆盖的厚度不足，后续车辆使用过程中该切边容易最先腐蚀，进而导致腐蚀扩展。冲压毛刺通常存在于一些尖角、切边、安装孔区域。比如车门把手安装孔切边存在毛刺，易导致车辆使用一段时间后该区域切边锈蚀。管控的措施包括：（1）冲压定期保养更换模具刀头，减少切边毛刺的产生；
（2）针对部分库存零件，后续车身在使用前对切边进行打磨。
冲压过程中产生的油印一定要处理干净，可以用干布擦拭。冲压油印流入油漆车间后，油漆前处理不一定能完全洗净冲压油印（见图1）。电泳后钣金表面易产生电泳污渍。针对冲压油印严重的情况，冲压后安排人工擦拭油印或更换为容易在进入油漆车间前处理环节清洗去除的冲压油。
图1 冲压油印
3.2.2 焊接过程
在车身焊接过程中，对整车腐蚀防护影响较大的是车身涂胶。如果车身涂胶不连续有空隙，水汽容易窜入车身内部，导致局部腐蚀。在车身拼接过程中会使用很多黑胶及折边胶，起密封和加强作用等。车身胶缺失或不到位，极易引起车身板材锈蚀。前盖内板折边胶不到位，容易使车辆使用过程中，空气中的水汽逐步渗入到前盖内部，导致该区域发生锈蚀。质量管控措施包括：定期进行车身解剖，检查车身内部涂胶是否符合工艺要求。
3.2.3 油漆过程
油漆是整车腐蚀防护中最为关键的工艺过程，主要包括前处理、电泳、密封（含车底密封、上部密封、裙边防石击PVC喷涂等）、中涂、色漆、清漆等工序。其中前处理和电泳对整车腐蚀防护影响最大，密封、中涂、色漆、清漆等工序也起着不可替代的作用。车身油漆常见的涂层结构见图2。
图2 车身油漆涂层
首先，通过前处理工艺处理后，在车身表面形成一层均一致密的无机盐转化膜（100～200nm），形成对钣金的首道保护，为后续油漆打下坚实的基础，提高油漆与钣金之间的附着力。转化膜要求致密、均匀。其次，通过电流将电泳材料沉积在车体上形成电泳涂层，主要提供防腐功能。电泳涂层生成于转化膜层之上。车身防腐主要靠电泳层，电泳层的性能直接关系车身的防腐性能。部分车身空腔处通过增加电泳工艺孔提高电泳液的可达性，进而保证内腔区域电泳覆盖要求。通常外表面电泳厚度要求在15～30μm之间。
密封工艺分为车底密封、上部密封、裙边防石击PVC喷涂等。密封的主要作用是防止水汽、灰尘等浸入钣金缝隙和切边部位，造成车身板材腐蚀。底部密封工艺可细分为底部焊缝密封（UBS）和底部PVC喷涂（UBC）。UBS使用PVC密封胶密封车底焊缝，主要作用是防腐蚀和防漏水（见图3）；
UBC使用PVC密封胶涂喷涂于车底、轮罩等部位，主要作用是降低行驶过程中碎石对车底撞击产生的噪音和油漆层破坏。上部密封主要指使用PVC密封胶密封车身焊缝（车内底板、发动机仓、备胎箱、侧围、四门等），用于实现车身密封性能（不漏气漏水）。裙边防石击PVC喷涂于车体踏脚板处（见图4），车辆行驶过程中，路面碎石头容易弹溅到踏脚板区域损伤油漆涂层，在此处喷涂PVC保护层，可增加此位置油漆涂层的抗石击能力。焊缝密封要求缝隙内填满密封料、无孔洞、不漏刷，涂刷平整无堆积，宽度保持在3～6mm、胶条厚度1.5～3mm。防石击PVC喷涂的厚度需控制在300～500μm之间。
图3 车底焊缝密封
中涂位于电泳层和面漆层之间，主要起填充、提高涂层丰满度、提高面漆遮盖性的作用。中涂层的主要作能是隔离紫外线、保护电泳层，提高整体涂层的抗石击性能。此外，对提高整体涂层的外观也有显著帮助。
图4 裙边防石击PVC
面漆位于最上层，包含色漆层和清漆层，主要起色彩装饰、保护整个涂层及抗老化作用。色漆提供涂层基本的颜色和特殊视觉效果（珠光、金属闪烁、变色等）。清漆使漆膜拥有饱满、明亮、平整的外观效果，并可抵御环境因素（酸雨、划擦、金属粉尘等）对涂层的侵蚀，吸收紫外线，提供涂层的耐候性能。
3.2.4 总装过程
总装是将车身和各类零部件组装成整车，工序较为复杂。在总装制造过程中，首先要避免零件划伤车身外表油漆。针对四门两盖调整过程中出现的门盖铰链的破漆现象要进行补漆。保险杠、车灯与车身的匹配缝隙问题是另一个容易影响整车腐蚀的问题。该问题短时间内不易察觉，往往在车辆使用到一定年限后发生。一般情况下，保险杠与车身翼子板缝隙保持在0.5～1.0mm。若该缝隙过小，车辆使用过程中钣金和塑料件之间存在相对运动或干涉，容易损伤钣金表面油漆，最终导致钣金锈蚀。因此，需要在总装安装过程中调整保险杠与翼子板缝隙，以符合要求[8]。
3.3 售后阶段质量控制
售后方面，沿海区域车辆在使用过程中水汽容易侵入，导致汽车腐蚀情况出现较多。质量部门快速响应客户，并拉动工程部门制定相关措施，指导维修站对客户车辆进行涂胶及油漆喷涂返修操作。同时拉动联合团队，针对易腐蚀区域进行工艺和材质优化，在后续车辆设计和制造过程中，针对薄弱环节进一步落实改进措施，包括优化材料以提高材质抗腐蚀能力、强化涂胶路径以封堵水汽侵入钣金等，不断提升车辆耐腐蚀性。
汽车产品工业设计的复杂性和服役工况的动态性，加上缺乏方便有效的监测工具，意味着防腐蚀工程师对工艺条件和环境变化对汽车腐蚀的影响认知受限。因此，尽管使用了相对较大的设计安全系数，仍会出现过早的设备故障。显然，汽车部件的局部腐蚀将导致整车产品服役寿命的缩短，因此可靠监测和控制局部腐蚀的能力，成为汽车防腐开发和验证及日常质量监控的重要需求。
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