浅谈补强片钣金变形原因及解决方案

随着汽车行业的发展，轻量化受到广泛 重视，其中降低钣金厚度是实现轻量化的主 要途径之一。但是钣金减薄后会带来一些负 面影响，例如车门、侧围、轮罩、引擎盖和 顶盖等部位刚度下降，在车辆行驶中容易产 生振动，影响NVH性能和安全性能。为此，汽 车行业主要采用在钣金上粘贴补强片的方法 来增加刚度。然而，补强片使用不当会带来 钣金变形问题。

目前对于补强片钣金变形问题还没有系 统性的研究，为了规避钣金变形风险，汽车 厂家多使用中低档补强倍率的补强片，高倍 率补强片的应用则受到限制，如何解决并预 防钣金变形是一个亟待解决的问题。本研究 分析了钣金变形原因，建立了钣金变形评价 方法，并从车身设计、补强片的造型设计及 补强片配方设计等几个方面讨论钣金变形的 解决方案。

1    钣金变形原因

补强片主要原料是环氧树脂、固化剂、 橡胶、填料及一些助剂，胶料经挤出后与玻 璃纤维布复合成型。使用时将补强片贴附在 需要加强的部位，经高温烘烤固化，补强片 与 钣 金 形 成 复 合 结 构 ， 对 钣 金 起 到 补 强 作 用。环氧树脂的固化是一个化学交联过程， 分子间的范德华力距离变成聚合物中共价键 [1]距 离而产生体积收缩 ，固化物体积收缩就 会产生固化收缩应力。补强片固化反应是放 热过程，补强片在固化和冷却过程中也会产 生内应力。此外，补强片与钣金的热线胀系 数不一致，加大了冷却阶段所产生的内应力 [2]。由于补强片和钣金之间内应力的存在， 造成了钣金变形。

图 1为 补 强 片 完 整 的 固 化 周 期 ，A—B—C—D—E是 整 个 烘 烤 及 冷 却 过 程 。 A—B阶段，补强片随车身进入烘房，随着温 度不断上升，由于热胀冷缩作用，材料的密 度逐渐减小。至B点达到固化温度，固化反应 开始，固化物体积逐渐收缩。至C点固化反应 完全，B—C阶段对应材料固化过程的体积收 缩。C—E阶段，车身离开烘房，温度不断下 降 ， 期 间 经 历 了 玻 璃 化 转 变 温 度 （T ，D g 点 ） ，C—E阶 段 为 整 个 冷 却 过 程 材 料 的 收 缩，其中C—D阶段对应材料橡胶态的收缩， D—E阶段对应材料玻璃态的收缩。对于橡胶 态的收缩来说，由于链段未冻结，链段运动 较容易，因此不会产生较大的内应力；对于 玻璃态的收缩，由于链段被冻结，这时体积 收缩会产生较大的内应力。

由 于 冬 季 气 温 较 低 ，D—E阶 段 温 差 较 大，补强片玻璃态的收缩高于另外3季，这正 是冬季补强片更容易造成钣金变形的原因。

2    检验方法

钣金变形是汽车厂家和顾客均不能接受 的现象，因此，建立一种行之有效的钣金变 形检验方法很有必要。本研究根据经验建立了一种补强片钣金变形的检验方法（如表1所 示），此在一定程度上起到预防发生钣金变 形 的 作 用 ， 以 供 材 料 供 应 商 和 汽 车 厂 家 参 考。

3    钣金变形解决方案

从以上分析可知，补强片固化体积收缩 及冷却阶段产生的内应力会引起钣金变形， 因此解决补强片钣金变形问题必须减小内应 力。本研究从车身设计、补强片造型设计及 补强片配方设计等3个方面讨论补强片钣金变 形解决方案，以供参考。

3.1   车身设计

补强片尺寸、补强倍数越大，则产生的 内 应 力 越 大 ， 如 果 补 强 片 所 粘 贴 处 钣 金 过 薄，钣金变形风险较高。在车身设计时，尽 量避免使用大尺寸的补强片，还需选择合适 的补强倍数，避免功能过剩（功能过剩也会 造成材料成本提高）。图2为一例补强片设计 不当造成的钣金变形问题。

3.2   补强片造型设计

通过实践发现，补强片开槽、边缘波浪线等造型设计在一定程度上可以解决钣金变 形问题，其原因是通过开槽或边缘波浪线等 造型设计可以使内应力得到分散。

3.2.1   开槽设计

补强片经开槽后，材料的造型变成一个 个区块，影响内应力的传递，因此，材料固 化后内应力比较分散，固化冷却后的收缩量 相比于不开槽的收缩量要小，钣金变形风险 随之降低。但是槽线处会存在电泳不良等问题，影响整车的防腐性能，为此，采用此方 法解决钣金变形问题需结合防腐能力进行综 合考虑。

3.2.2   波浪线设计

补强片边缘设计成波浪线或者类似造型 可以增加补强片与钣金边缘的接触面积，缓 解补强片因固化、冷却收缩后产生的应力集 中，使内应力分布在较大范围内，从而降低 钣金变形的风险。

3.3   补强片配方设计

车身设计和造型设计只能从一定程度上 降低钣金变形风险，只有从根本上减小内应 力 的 产 生 才 能 有 效 抑 制 钣 金 变 形 问 题 的 发 生。通过固化体系调整、增加填料用量、增 韧等方法可以降低固化物的内应力。

3.3.1   固化体系调整

固化体系调整的主要措施有2个：①减小 环氧树脂和固化剂用量；②选择较大分子质 量的环氧树脂。

补强片烘烤固化是个化学交联过程，环 氧 树 脂 和 固 化 剂 作 为 固 化 体 系 中 的 主 要 成 分，其用量决定了交联密度的大小。交联密 度与固化物的T 之间有线性关系，交联密度增 g 大，固化物的T 随之增加。由于钣金变形主要 g 是固化物玻璃态的收缩造成的，因此减小T g 与环境温度T的温差可以减小玻璃态的收缩。特别在冬季，环境温度较低，（T —T）温差 g 较大，因此，可以通过减小环氧树脂和固化 剂用量来降低固化速度和T ，以减小固化物玻 g 璃态的收缩，从而减小内应力，这是解决钣 金变形的一个主要方法。

分子质量较大的环氧树脂官能团浓度较 低，导致反应活性降低，固化物的交联密度 随之下降，固化速度越慢，反应放热越小， 由此产生的固化收缩减小。为了兼顾补强片 的补强效果、施工性和固化特性，一般可以 将低分子质量环氧树脂与高分子质量环氧树 脂进行复配使用。

3.3.2   增加填料用量

环氧树脂的线胀系数相比于钣金要大得 多，填料的加入不仅可以提高导热性，还可 [3，4]以 减小固化物的线胀系数 。几种材料的线 胀系数如表2所示。

以硅微粉为例，将其加入到环氧树脂后 可 以 大 幅 降 低 线 胀 系 数 ， 使 固 化 收 缩 率 降 低。另外，填料作为刚性粒子可以分担大部 分载荷，使应力分散均匀，避免应力集中。 但填料并不是加入越多越好，填料加入过多 一方面不利于补强片的生产工艺；另一方面 也会导致固化物的弹性模量增大，这时，即 使收缩率不高也会产生较大的内应力。

3.3.3   增韧

橡胶作为增韧成分可以提高补强片的韧 性，降低弹性模量，有效传递及分散应力， 从而减小内应力，达到减小补强片固化收缩 [5，6]率 的目的。橡胶不宜添加过多，加入过多 不仅会降低补强片的补强性能，还会使补强 片的耐候性变差。较好的增韧方法是加入一 定量的反应性液体橡胶，提高交联密度，增 韧的同时保证了补强片的补强性能。

3.3.4   发泡补偿

补强片固化后体积收缩是造成钣金变形 的主要原因，补强片固化后体积收缩率难以 表征，而线长变化率是一个比较容易监控的 指 标 。 取 尺 寸 为200 mm×200 mm补 强 片 试样 ， 测 量 固 化 前 的 边 长 （ 精 确 到 0.1 mm），将补强片贴于玻璃板上烘烤固化，自 然冷却至室温后再次测定边长，线长变化率 如式（1）所示。

式中，ε为线长变化率；l为固化后试样 的边长；l 为固化前的边长。

在补强片配方中加入发泡剂可以补偿固 化作用引起的体积收缩，通过实验建立发泡 剂用量与线长变化率之间的关系，也可以灵 活设计配方，达到降低补强片固化体积收缩 的目的。

4    结语

补强片钣金变形问题是个大问题，千万 不可忽视。通过建立一套钣金变形评价方法和改善方法，可以在设计之初尽可能规避补 强片钣金变形风险。随着汽车行业的发展， 越来越多的新材料得到广泛重视和应用，如喷 涂型补强材料BPR（body panel reinforcement） ，由于其灵活的施工性和优良的防腐性，可 以在一定程度上取代传统的补强胶片，此举 已经在部分汽车厂家得到应用。