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第4章 模块一车身钣金基础(4)

(3)U形槽。金属板件被冲压成U形槽后,很难被弯曲,两个U形槽对焊成箱形结构时强度更大。因此车身上重要的结构件都采用这样两种结构,如车架、门槛、车门立柱等。

2.车用钢板

汽车制造使用的钢材主要以钢板材为主,所用板材的厚度根据车身不同部位强度的需要可不同。其中,车身外部板件常使用0.5—1.2mm厚的板材,车架等车身结构件多使用2—5mm厚的板材。某些重型车辆的车架使用厚度达8mm的钢板。

车身使用的钢板根据制造方法可以分为冷轧钢板和热轧钢板两类,由于制造过程不同,两类钢板在机械性能上存在很大的差异。热轧钢板是将钢锭加温至800°C以上的高温情况下扎延后制成的钢板,厚度较大,车用热轧板通常在1.5—8mm之间。热轧板的表面质量不是很好,其冷加工性能与冷轧板相比要稍差一些,常使用在外观不需要很美观的部分,主要用于车身上较厚板件的制作,如车架、骨架和梁等构件。

冷轧钢板是热轧钢板再经酸洗处理后在常温下轧延变薄,并进行表面调质处理后的钢板。由于冷轧钢板是在常温下轧制而成,所以它的厚度精度高,表面质量优越,抗拉强度和冷加工性能均较热轧钢板要优良,所以大都使用在汽车车身、机械零件、电器等表面需要平滑美观的构件上,在悬架周围特别容易受到腐蚀的部位,通常采用经过表面处理的冷轧钢板作为防锈钢板。

车身常用的钢板除少数结构件为中碳钢外,绝大多数的钢板为低碳钢。普通低碳钢含碳量低,材质较软,便于冷加工,可以很安全地进行焊接和热收缩,加热对其强度也不会产生很大的影响。但其抗拉强度比较低,容易变形,而且重量大,不利于降低车辆的总体质量。因此现代汽车上还采用了很多高强度钢材来制造车身上需要承受载荷的部件,既提高了车身的总体强度,又有效地降低了车身的总重量。但高强度钢在进行矫正操作时有许多需要注意的地方,如不能过度加热等,因为加热会对其强度造成严重的影响。因此,在进行车身矫正时要熟悉所加工的材料的特性,采取合理的方法才能达到良好的维修效果。

另外,为了提高车身总体的抗腐蚀性能,现代车辆还广泛采用表面处理钢板(主要是镀锌板)等防腐性能优越的材料用于车身上容易发生腐蚀的地方,这些材料在进行维修操作时也有许多需要注意的地方。

(1)高强度钢板

强度可以理解为材料抵抗破坏的能力,刚度则是材料抵抗变形的能力。在材料力学上,材料的强度以其抗拉强度(拉伸应力)来表示,即材料单位面积能够承受的最大的力(单位为MPa),达到抗拉强度极限时,材料会完全破裂;刚度用材料的屈服强度(屈服应力)表示,即材料产生永久变形时单位面积上所受的最小的力(单位为MPa),达到屈服强度时,材料会产生永久的变形。

但屈服强度和抗拉强度均很高的钢材其加工性能很差,而且焊接强度很低,因此过去这种钢材在汽车车身上的应用不是很多。近年来,由于材料工业的不断发展,人们通过许多金属加工方法来提高金属的强度,包括金属的热处理、冷轧工艺和给金属加人合金成分等,制造出了很多具有较好的成形性能和焊接性能的高强度薄钢板,很快被应用于车身制造上。

高强度钢泛指机械强度高于普通低碳钢的各种类型钢材,并非特指某一种材料。高强度钢的特点是具有高于普通低碳钢板几倍甚至十几倍的抗拉强度,但其质量并没有因此而增加。现代汽车制造追求车身总体质量轻量化、车身总体强度提高以增加安全性,同时还要兼顾防腐性能,因此高强度钢板作为理想材料得到了较为广泛的应用。为整体承载式车身上使用高强度钢的常见位置。

楔杭拉力强度钢板耐腐蚀钢板(即镀锌钢板)

镀锌的楔抗拉强度钢板

然而,高强度钢板的应用给车身的维修也带来了一定的困难。当高强度钢材料受到撞击产生变形时,由于其强度和硬度非常高,通过简单的矫正工艺很难使其恢复原状。在进行普通低碳钢板的矫正时,往往采用加热的方法使金属软化以便于整形操作,或进行热收缩操作、释放拉伸应力和焊接等。而使用高强度钢材以后,这种加热则需要严格的控制,有些钢材甚至根本不能使用加热的方法矫正,否则会严重影响构件的强度,给车身造成结构上的伤害。因此,在对高强度钢进行矫正时需要采用科学合理的方法,通过机械拉伸、有控制地加热甚至局部或整体更换等方法进行修复。

根据金属强度得以强化的过程,车身常用的高强度钢板主要有以下3种:

(1)高强度一低合金钢(HLSA)。高强度一低合金钢是一种通过合金成分提高钢材强度的低合金钢,在车身中回磷钢应用较多。回磷钢是通过在低碳钢中加人合金成分“磷”来提高其强度的。磷和硫等非金属物质在钢材中的含量过多会使钢材变得非常硬、脆而强度变低,机械性能变得很差,因此往往被当作钢材中的杂质,需要在炼制过程中充分去除。但合理加人磷成分后可以提高钢的强度,因此这种钢也称为回磷钢。

高强度一低合金钢的强度主要依赖于添加的化学元素,当过分加热这种钢材时,加热部位的添加元素将会被周围的元素吸收,导致加热部位强度严重弱化。因此,为避免修理后车辆的结构性能降低,在对高强度一低合金钢进行加热操作(包括加热释放应力和焊接等)时,加热的温度不得超过350—480°C,加热的时间也不得超过3min。焊接时应采用气体保护焊,不能使用氧一乙炔焊和电弧焊等高热量的焊接方式。

由于世界各国物产的关系,在美国生产的车辆上高强度一低合金钢应用较多。高强度一低合金钢具有和低碳钢相类似的机械加工特性,可用来制造前后纵梁、车门槛板、保险杠的衬板和车门立柱等。

(2)高抗拉强度钢(HSS)。高抗拉强度钢也是一种合金钢,车身常用的高抗拉强度钢有硅一锰固溶体淬火钢和沉淀淬硬钢等,其强度要高于普通低碳钢数倍。

硅一锰固溶体淬火钢是硅和锰等添加元素的合金钢;沉淀淬硬钢是通过炭氮化铌沉淀物来提高其强度的。这种钢材再经过一定的热处理工艺,使其强度更加提高。

正常的加热和焊接工艺(氧一乙炔焊和电弧焊)一般不会降低这种钢材的强度,这主要归功于其高强度。当车辆遭受撞击而产生变形时,结构件的应力超过其屈服极限,但对产生变形的部位进行加热并通过校正恢复其原有的形状时,由于屈服应力得到释放,其强度又可基本恢复到原有的水平。如果碰撞所产生的应力超过其抗拉强度极限,构件产生破裂时,常规的焊接方法也不会对其强度有过大的影响,因此氧一乙炔焊接工艺也可以用于这种钢材的加工。但这并非说明这种钢材可以无限制地加热,过高的温度同样会降低这种钢材的强度。当用加热的方法释放加工应力的时候,加热的温度应控制在650C左右。用高抗拉强度钢制造的一些主要车身构件,为避免修理后产生强度弱化,应采用更换的方法为好,如车门防撞钢梁和保险杠的衬板都是不宜做矫正的,尤其是要经过加热的矫正,如损伤过于严重应考虑更换。

曰本车辆上使用高抗拉强度钢的较多,主要用于制造与悬架结构有关的车身部件和主要车身结构件,如车门槛板和保险杠衬板等。

(3)超高强度钢(UHSS)。超高强度钢不含合金成分,它是通过特殊的热处理工艺(将钢材在一个连续的热处理传送带或带钢热轧机上进行淬火和轧制)来获得其高强度的。这种钢材具有两相显微金相组织(淬火马氏体和铁素体),因此又称为“双相钢”其抗拉强度可达普通低碳钢的10倍。

用特殊的热处理工艺获得的特殊金相结构使这种钢材具有非常高的强度,如若加热会破坏这种特殊的金相结构(相当于退火),使其强度恢复到普通低碳钢的水平,所以不能采用任何加热的矫正方法进行修复作业。但由于这种钢材硬度很高,一旦产生塑性变形后几乎无法在常温下对其进行冷压矫正,因此用这种材料制造的车身部件一旦损坏,只有将其更换。在换件操作时,必须采用气体保护焊接工艺。

由于这种钢材具有优良的抗冲击性能和良好的成型性,很多车辆都使用这种材料制造车的门柱等侧向防撞构件,有些车辆也用它来制造保险杠的衬板。

(2)表面处理钢板

表面处理钢板即在普通钢板表面进行处理以提高其耐腐蚀的能力,常用于车身上容易发生腐蚀的部位,如悬架周围、车门的门槛下部、油箱和排气系统等。

(1)镀锌板。车身最常用的表面处理钢板是镀锌板,将锌覆于钢板表面的方法有电镀和热浸涂两种,采用热浸涂的方法涂覆的锌层比较厚一些,虽锌层与钢板的附着性略差,但防腐能力很好;采用电镀的方法镀锌,镀层薄,表面质量良好,车身板件常用镀锌板制造。

镀锌板可分为单面处理、双面处理和2/3面处理等几种。单面处理的镀锌板即只有一面有镀层,另一面是普通钢材;双面处理即两面都有镀层;双面处理板其中一面镀层薄一些,只有一层,而另一面镀层厚一些,有两层。

不同表面处理的板材在使用上有所差异,一般来讲,有镀层的或镀层厚的一面应朝向内,因为里面无法进行防腐处理,只能依靠板材自身的防腐能力;而没有镀层或镀层薄的一面应朝向外,可以在其上进行涂装操作,增强其防腐能力。

镀锌板依靠表面活性较强的金属锌作为保护层,先产生氧化物而保护内部的钢板,因此镀锌层在进行车身维修时应尽量保持其完好,不得将锌层磨去,尤其是用于内部的锌层,由于无法再次进行防腐处理,必须保证完好。

需要注意的是,镀锌钢板用于涂装的一面由于锌层与普通原子灰和中涂漆或面漆等粘附能力非常差,涂布在其上的涂料在很短的时间内就会脱落,因此在镀锌板表面进行原子灰刮涂时应先用环氧底漆进行喷涂,这样既可以保护锌层,提高防腐能力,又可以提高板材与原子灰的粘附能力。若要在锌层上直接刮涂原子灰应选用合金原子灰,只有合金原子灰才具备与锌层的粘附能力,普通原子灰和外层涂料对锌层均没有粘附力。

镀锌板在进行焊接操作时要注意,高温会使锌层汽化,汽化的锌具有较强的毒性,因此在对锌板进行焊接时需要做好防护工作,在通风良好的环境下进行。如确有必要,允许将焊接点周围的镀锌层刮去或磨去,但影响面一定要小。

(2)镀锡钢板。镀锡钢板是在冷轧钢板表面被覆一层锡铅合金,俗称“马口铁”由于锡和铅都为软金属,所以其覆层具有良好的润滑性,有利于冲压成形,其焊接性能也非常好。这种软金属的覆层与底材的附着力很强,不会产生剥落,耐蚀性也很好,常用于汽车的油箱等。

(3)镀铝钢板。镀铝钢板在高温下的耐腐蚀能力非常强。车辆行驶时底盘上受到飞溅泥水和排放废气等的影响,使排气管等排气系统的零部件快速腐蚀。在这样的条件下,使用镀铝钢板比一般的镀锌钢板更加稳定耐用,且价格比不锈钢要便宜许多,因此被广泛使用于排气管等排气系统上。

(4)不锈钢。不锈钢主要是由铁、铬及含量不同的碳元素合金而成的,此外,还含有少量的锰、磷、硫、硅、镍、钼、铜、铝、氮等重要合金元素。作为合金钢,不锈钢在各种腐蚀环境(无论是大气还是强氧化性液体或气体)下,都具有一定的抗腐蚀能力并保持着一定的机械性能。不锈钢的强度可以比普通钢高50%,高强度质量比及其非凡的抗腐蚀能力,使得不锈钢广泛地用于机械加工及冷成形车身零件。

三、车用塑料

塑料是以树脂为主要成分,在一定温度和压力下塑造成一定形状,并在常温下能保持既定形状的高分子有机材料。

1.塑料的组成

(1)主要成分。合成树脂,占总质量的40%—100%。

(2)辅助成分。

填料剂:可以提高塑料的强度和使用温度。常用填料有锯木屑、石棉、碳酸钙、亚硫酸钙及云母等。

增塑剂:增强可塑性,使塑料柔软;富有弹性,容易加工。常用的增塑剂有邻苯二甲酸酯类、癸二酸酯类、膦酸酯类等。

稳定剂:能防止塑料在加工和使用时分解变质,延长使用寿命。稳定剂在加工成型中不分解,能跟树脂互溶,在使用环境和介质中稳定。常用的稳定剂有硬脂酸铅、环氧化油。色料:为使制品美观、漂亮而加人的一些有机染料和无机颜料。

2.塑料的分类

(1)按塑料的物理化学性能可分为热塑性塑料和热固性塑料。

热塑性塑料:在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料。如聚乙烯塑料、聚氯乙烯塑料。

热固性塑料:因受热或其他条件能固化成不溶性物料的塑料。如酚醛塑料、环氧塑料等。

(2)按塑料用途可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。

通用塑料:一般指产量大、用途广、成型性好、价廉的塑料。如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。

工程塑料:一般指能承受一定的外力作用,并有良好的机械性能和尺寸稳定性,在高、低温下仍能保持其优良性能,可以作为工程结构件的塑料。如ABS、尼龙、聚矾等。

特种塑料:一般指具有特种功能(如耐热、自润滑等),应用于特殊要求的塑料。如氟塑料、有机硅等。

(3)按塑料成型方法可分为模压塑料、层压塑料、浇铸塑料、反应注射模塑料和注射、挤出及吹塑塑料。

模压塑料:供模压用的树脂混合料。如一般热固性塑料。

层压塑料:指浸有树脂的纤维织物,可经叠合、热压结合而成为整体材料。

浇铸塑料:能在无压或稍加压力的情况下,倾注于模具中能硬化成一定形状制品的液态树脂混合料。如MC尼龙。

反应注射模塑料:一般指液态原材料,加压注人模腔内,使其反应固化制得成品。如聚氨酯类。

注射、挤出和吹塑塑料:一般指能在料筒温度下熔融、流动,在模具中迅速硬化的树脂混合料,如一般热塑性塑料。

(4)按塑料半制品和制品可分为模塑粉、增强塑料、泡沫塑料和薄膜。

模塑粉:又称塑料粉,主要由热固性树脂(如酹醛)和填料等经充分混合、按压、粉碎而得,如酹醛塑料粉。

增强塑料:加有增强材料而某些力学性能比原树脂有较大提高的一类塑料。

泡沫塑料:整体内含有无数微孔的塑料。

薄膜:一般指厚度在0.25mm以下的平整而柔软的塑料制品。

3.塑料的基本性能

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