夹层钢板在车身覆盖件中的应用

王涛，张渝，汤贵庭

(重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400041)

夹层钢板在车身覆盖件中的应用

王涛，张渝，汤贵庭

(重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400041)

夹层钢板具有诸多优良性能，应用于车身覆盖件能够实现车身轻量化，提高车辆舒适性。主要介绍了夹层钢板的国内外发展现状和夹层钢板的结构特点、夹芯材料，指出了夹层钢板用于车身覆盖件时所能发挥的优点以及亟需解决的问题。

夹层钢板；轻量化；车身覆盖件

0 引言

夹层钢板是在两层薄钢板之间夹入一定厚度的轻质材料制成的一种钢板，是一种夹层式的复合材料,具有密度低、隔音降噪、吸收振动、比强度高、比刚度大、表面光洁等优点[1]。随着汽车工业的发展和人们对资源问题、环境问题以及车辆舒适性关注的不断增加，车辆设计越来越注重轻量化、低油耗、提高安全性和舒适性。对于车身覆盖件，不但要求板材具有高的冲压成形性、低的回弹及良好的形状保持能力，也要求成形构件具有高的抗凹陷性和良好的耐蚀性[2]。因为夹层钢板具有普通钢板所不具有的优良性能，合理使用不但能满足车身覆盖件对钢板力学的苛刻要求，还能减轻车身质量、降低油耗、提高车辆安全性和舒适性。对夹层钢板的研究越来越受到人们的重视。

早在20世纪80年代，日本就将聚丙烯树脂夹到两层钢板之间，制成一种强度和刚性与普通钢板相当但质量比普通钢板小得多的夹层钢板，质量减轻了56%[3]。国外有些企业已经将夹层钢板应用到发动机盖板和行李舱外板上，但是我国对夹层钢板的研究起步比较晚，特别是在车身中的应用还比较少，还未见有车身覆盖件使用夹层钢板的车辆销售。文中对夹层钢板的夹层结构形式、夹层材料、用于车身覆盖件的优点以及需要解决的问题进行了介绍，希望能对夹层钢板的推广应用做出贡献。

1 夹层钢板的结构形式

夹层钢板是在两层薄钢板之间夹入一定厚度的轻质材料通过粘结、压扎或焊接组合到一起，其钢板层相对较薄，芯层相对较厚占整体厚度的50%～80%[4]，见图1。钢板层机械性能较好，具有塑性好、表面光洁、有很好的抗凹陷性和良好的耐腐蚀性等优点，同时其导电性好，适用于传统的焊接和烤漆工艺，另外钢板层还能提高夹层钢板的拉伸性能。芯层由低密度的材料构成，其结构形式多种多样，主要作用是降低钢板的质量的同时保证其应有的强度。另外，芯层还有隔音降噪、吸收振动的功能。芯层根据结构的不同可以分为：泡沫状芯层结构、桁架结构芯层结构、纤维芯层结构、波浪状芯层结构、蜂窝状芯层结构。其中泡沫状芯层结构和蜂窝状芯层结构出现较早，应用也比较成熟和广泛[5]。

泡沫状芯层是一种海绵式多孔结构，具有比刚度大、比强度高的特点，机械性能好，有较好的抗疲劳、抗冲击、吸能和减振性能。泡沫状芯层的材料多种多样，一般而言可以分为泡沫金属和泡沫低密度聚合物两大类，若芯层材料为泡沫金属，可用粘结、压扎、焊接工艺组合到一起。使用粘接工艺可有效避免不同金属间的电化学反应，但是影响了夹层钢板的导电性能，使焊接和烤漆工艺难度增加；使用压扎工艺可将3层材料紧密结合到一起，夹层钢板导电性能好，对传统焊接和烤漆工艺适应性好，但是无法避免不同金属间轻微的电化学反应；使用焊接工艺层与层之间结合强度大，但是焊接量大，焊缝处易产生硬脆的氧化层。综上所述，芯层材料为泡沫金属时压扎工艺能较好地发挥夹层钢板的性能。若芯层材料为低密度聚合物，聚合物材料分为热塑性和热固性两种，热塑性材料可用粘结工艺与钢板组合，采用熔融粘接法无须使用胶水粘接，生产效率高，可用加热方法回收利用。但是热塑性材料在高温下易分解出有毒气体，并使表层钢板出现鼓包缺陷，不适用于传统点焊和烤漆工艺。开发更耐高温的塑性聚合物是解决这一问题的一种方法。热固性材料固化后耐冲击、耐高温，加入导电粒子后具有导电能力，但制作夹层钢板若用胶粘接则耐高温和导电性能将降低，有必要开发出一种更好的连接方法。泡沫芯层的机械性能随材料的变化有很大的不同，作为汽车覆盖件使用的泡沫芯层夹层钢板，为满足刚度、成形性、抗凹陷性等要求，其芯层材料要选用硬度和刚度大一些的材料，选材过程中要充分考虑夹层钢板的成形性能、焊接性能和涂装性能。为进一步提高泡沫芯层的抗冲击能力，人们对泡沫芯层进行沿厚向缝合，制成一种缝纫泡沫夹芯结构，目前已经实现批量化生产[6]。

蜂窝状芯层是由多个按一定规律排列的孔状结构组成，其机械性能跟芯层材料和芯层蜂窝形状有关。蜂窝材料主要有金属、聚合物、陶瓷以及其他复合材料，材料对芯层性能的影响和泡沫状芯层材料对性能的影响类似；蜂窝形状主要有六边形、圆形、半圆形等。蜂窝芯层不但能将两层钢板连接成整体，共同承受外力，还具有优良的抗剪切性能[7]，具有比刚度大、比强度高、吸能效果好等优点，但减振效果不如泡沫芯层结构突出。

纤维芯层是由多层纤维材料按一定方向和角度排列而成的结构，其性能与纤维材料和纤维排列方式相关，目前应用较多的有碳纤维、金属纤维、玻璃纤维等。Gustafsson[8]开发出了一种不锈钢纤维芯层，这种芯层有良好的导电性，能用传统的电阻焊进行焊接；塑形和延展性好，回弹少，成形性能优良；纤维层能将集中力和冲击载荷迅速沿纤维方向传递，抗冲击能力强，对裂纹等缺陷的敏感度低，有很好的抗疲劳性能。另外，纤维芯层的减振降噪能力也很突出。纤维材料的排列角度对纤维芯层的力学性能也有很大影响。Markaki A E[9]对此进行了深入研究，得出适当增加纤维纤维和钢板之间的角度，能提高夹层钢板的刚度和3层之间的连接强度，减少夹层钢板的分层现象。

2 夹层钢板在车身覆盖件中的应用

由于夹层钢板具有普通钢板所无法比拟的优点，它在汽车工业中的应用得到了广泛关注。特别是车身外覆盖件，如发动机盖板、车顶盖、侧围板、翼子板、行李箱盖等都是大型冲压件，深度浅且形状比较规则，容易冲压成形。夹层钢板比强度高、比强度大的特点，使得运用夹层钢板的车身覆盖件质量大幅度减轻；同时，由于夹层钢板芯层的特殊结构和材料，阻尼比较大，能快速吸收振动能量和噪声，降低了乘员舱的振动噪声水平，提高了舒适度，夹层钢板的使用还减少了乘员舱内饰隔音材料的使用量，进一步减轻车身质量、降低油耗、节省成本；与普通复合材料相比，夹层钢板应用于车身外覆盖件时有更好的涂装性能，普通高分子类复合材料导电性差，不适用于传统的烤漆工艺，严重影响了车身的美观性。而夹层钢板可以使用金属材料的芯层或者将导电粉末添加到芯层材料中制成可以直接导电的夹层钢板，导电性能良好。另外，夹层钢板光洁的钢板表面相对于玻璃纤维、碳纤维、树脂等复合材料更容易得到A级曲面。由于夹层钢板的芯层材料对裂纹等缺陷的敏感度低，细小的裂纹不易扩散，所以夹层钢板的抗疲劳性能也比较强。

3 应用于车身覆盖件需要解决的问题

3.1 夹层钢板的成形性问题

车身覆盖件绝大多数为冲压件，内覆盖件形状往往比较复杂；外覆盖件形状相对简单，但表面质量要求非常高，不允许有波纹、凹痕、擦伤等破坏美观的缺陷。另外，覆盖件对尺寸形状精度和刚度要求也比较高。夹层钢板因钢板层与芯层的材料、厚度、结构形式均不同，在冲压过程中各层受力情况不同，变形趋势也不同，所以通常情况下夹层钢板的成形性比普通钢板要差。夹层钢板的主要成形缺陷有脱层、表层起皱、表层凹陷、芯层失稳、表层失稳等[10]。为对夹层钢板的冲压成形性进行有限元仿真，人们进行了深入研究，先后提出了等效单层理论模型和等效多层理论模型[11]。等效单层理论简化了模型，提高了运算效率，但计算精度比较低；等效多层理论能够比较精确地预测材料的成形状况，但计算量比较大。夹层钢板的外层钢板机械性能较好，研究表明：适当地增加外层钢板的厚度、减少芯层厚度，能够明显提高夹层钢板的成形性能，减少冲压缺陷；此外，夹层钢板成形性能还与内外层结构间连接强度有关，外层钢板与芯层的连接强度越高成形性越好。

3.2 夹层钢板的焊接和涂装问题

除成形性问题外，焊接和涂装性能也是决定夹层钢板能否被广泛使用的关键因素。使用金属材料的芯层或者将导电粉末添加到芯层材料中制成可以直接导电的夹层钢板。沈钟[12]通过实验得出所加导电粉末粗细、数量和芯层导电性的关系，导电粉末颗粒越细对芯层机械性能的影响越小，导电粉末加入比例越高导电性越好，但加入过多的导电粉末会降低芯层的减振性能。另外，由于焊接和烤漆过程材料都要受高温作用，高温稳定性也是焊接和涂装中应充分考虑的问题。当使用黏接工艺制造夹层钢板时，有些黏胶高温时黏接强度降低，有些还会散发出有毒气体，影响了夹层钢板的使用性能。使用热塑性材料做芯层的夹层钢板在高温时也会出现类似缺陷，所以用作车身覆盖件的夹层钢板在制造时要充分考虑导电性和热稳定性。使用金属材料芯层、热固性材料芯层和导电纤维芯层时夹层钢板的导电性和热稳定性都比较好。

3.3 材料回收与环境问题

在资源和环境问题日益突出的今天，制约新材料推广的不单是材料的性能，材料回收和环境保护问题也是人们关注的重点。欧盟对报废汽车的处理要求是：到2015年前，5%垃圾，85%再回收/材料再利用，10%能量回收。目前，复合材料的推广利用受到回收利用的制约。夹层钢板是由至少两种材料组合在一起制成的复合材料，其回收利用难度比普通钢板要高得多，夹层钢板回收利用时首先要将夹层钢板的钢板层和芯层分离开，分离难度根据芯层材料和连结方式的不同而不同。若芯层为金属材料，可根据不同金属间熔点不同进行分离再利用；若芯层为热塑性聚合物，可通过加热融化的方式对其进行回收；而热固性聚合物的回收难度要大一些，不过近年来的研究已经取得了一定进展，现在主要用化学分解的方式对热固性聚合物芯层进行回收。总之，夹层钢板的回收难度和成本要比普通钢板高，若夹层钢板的回收利用技术得到发展，降低夹层钢板的回收难度和成本将会促进夹层钢板在汽车覆盖件中的推广普及。

4 结论

夹层钢板具有密度低、隔音降噪、吸收振动、比强度高、比刚度大、表面光洁等诸多优点，应用于车身覆盖件有着巨大的潜力，夹层钢板在汽车覆盖件中的使用将明显减轻车身质量，达到节能减排的效果；夹层钢板还有隔音降噪、吸收振动的优点，用于车身覆盖件将提高车辆舒适度。

夹层钢板在车身覆盖件中的使用在国外已经有量产车型出现，但国内还未有覆盖件用夹层钢板的车型出现，它在国内的推广一方面需要制定相应的技术标准，另一方面需要进一步研究，使其具有足够的强度、良好的成形性能、可焊接性能、优越的涂装性能并且回收时成本和难度要低。

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ApplicationofSandwichSheetinAutoBodyPanel

WANG Tao, ZHANG Yu, TANG Guiting

(Institute of Electrical and Mechanical Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400041,China)

Sandwich steel plate has many excellent properties. Its application in auto body panel can realize lightweight of the vehicle and improve comfort. The development of sandwich steel, the structure characteristics and sandwich materials were introduced mainly. The advantages of sandwich steel sheet when used in auto body panel and problems needed to be resolved were pointed out.

Sandwich sheet; Lightweight; Auto body panel

2015-01-29

王涛(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为车身轻量化。E-mail：805959654@qq.com。