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      汽車涂裝面漆縮孔缺陷排查模型及應用

      2023-11-08 20:54:13陳磊陳桂林賈亮鄭曉旭田剛李映圖
      汽車與駕駛維修(維修版) 2023年9期
      關鍵詞:漆膜表面張力溫差

      陳磊 陳桂林 賈亮 鄭曉旭 田剛 李映圖

      摘要:縮孔為汽車涂裝行業(yè)常見問題,而且導致縮孔的物質種類繁多,某些物質極少量即可形成縮孔,只能通過批量生產烘干漆膜驗證縮孔原因。根據(jù)噴涂膜厚目標及工藝過程,需要通過逐層漆膜、逐個工位以及逐一要素來排查導致漆膜表面張力變化因素,并針對性采取預防措施。本文通過對干膜縮孔缺陷形態(tài)進行詳細分析,確定排查優(yōu)先級。物料噴涂前采用物料升溫老化降低流平效果來模擬缺陷;噴涂后采用車身濕膜極限暴露來驗證過程中縮孔影響因素。在此模型指導下發(fā)現(xiàn),面漆烘干爐入口溫差導致冷凝物析出形成縮孔問題,通過對烘干爐風平衡調節(jié)實現(xiàn)車身均勻升溫溶劑均勻揮發(fā),從而避免在烘干爐入口段形成冷凝物,解決縮孔問題,并完善縮孔缺陷排查模型。

      關鍵詞:面漆縮孔;漆膜;表面張力;溫差

      中圖分類號:U463.82+1 文獻標識碼:A

      0 引言

      汽車涂裝生產過程中,車身漆膜在成膜過程中由于表面張力[1] 差異而形成表面凹陷缺陷,定義為縮孔[2]。縮孔為汽車涂裝行業(yè)常見問題,排查難點有:能導致縮孔的物質種類繁多;數(shù)量極少即可形成縮孔;驗證方法以批量噴車烘干后驗證,具有嚴重滯后性。因此,總結汽車涂裝縮孔缺陷排查模型,用于指導縮孔缺陷排查及預防,減少返修成本,提升過程管理水平,并持續(xù)推動工藝、物料革新具有意義。

      汽車車身常見漆膜構成如圖1 所示,普遍包含電泳、預噴涂層、色漆和清漆層,工藝通用設計為電泳烘干、色漆閃干和清漆烘干方式。不同的工藝標準決定了各涂層的厚度,從而決定了設備選型、工藝布局和物料選擇等。因此縮孔缺陷排查要根據(jù)生產線特點而開展[3],具有很強的現(xiàn)場特殊性。

      本文根據(jù)噴漆成膜共性梳理出影響縮孔的主要因素,從而針對性預防管理縮孔缺陷。由于在噴涂過程中,涂層是逐層覆蓋的過程,每層涂層在成膜及烘干過程中都會出現(xiàn)漆膜表面張力變化[4],都可能在過程中形成縮孔缺陷。所以在每層涂料覆蓋過程中,需根據(jù)工位要素中可能導致縮孔的風險因素進行系統(tǒng)管控,從而規(guī)避縮孔風險。同時,針對已經(jīng)出現(xiàn)的縮孔缺陷,采用逐層、逐一要素驗證方式,快速鎖定縮孔成因并解決問題。

      1 縮孔問題原因分析

      縮孔缺陷形成過程如圖2 所示。在涂料濕膜、表干和烘干過程中,漆膜表面張力逐步增加,涂層內低表面張力物質逐步遷移到涂層表面,并推動涂層向周圍遷移。漆膜烘干后在漆面上形成淺坑狀縮孔缺陷。

      根據(jù)縮孔缺陷形成過程進行縮孔缺陷原因分析。首先對縮孔形態(tài)進行50 倍放大分析,并結合紅外光譜分析縮孔中是否有污染物。

      如污染物來自涂料外部,則根據(jù)污染物在涂層中的位置深度以及污染物表面包裹漆膜的厚度,判斷污染物在涂料循環(huán)、濕膜、表干和烘干哪個環(huán)節(jié)污染成膜[5],進而針對性驗證,并分析污染物污染漆膜的驅動力。驅動力為漆膜內部表面張力差異,則縮孔及周邊形態(tài)均勻;污染物污染漆膜的驅動力如果來自漆膜外部,如循環(huán)風裹挾污染物污染漆膜,則縮孔會在漆膜表面呈現(xiàn)出特定涂層、特定部位出現(xiàn)的空間特點,且形態(tài)不規(guī)則。如果污染物來自涂料內部,則排查涂料生產到漆膜烘干全過程,針對性進行極限條件模擬試驗。在實驗室對可疑物料采用升溫老化、高速剪切等方式處理后,再根據(jù)不同的老化時間制作噴板以模擬缺陷。

      根據(jù)縮孔缺陷形成原因可以看出,關鍵在于對影響漆膜表面張力的物質進行查找并排除異常的過程??梢姰愇锟s孔,便于以污染物為線索進行溯源,鎖定過程異常;解決有異物縮孔后,縮小縮孔排查范圍,再解決無異物縮孔。

      噴漆過程為先噴色漆,再噴清漆。色漆層與清漆層縮孔有時難以區(qū)分。相比于色漆縮孔,清漆縮孔在形成過程中無色漿、填料干擾,清漆烘干后透明,更容易準確判斷縮孔缺陷中心是否有可見異物,有利于根據(jù)污染物進行溯源,從而快速解決問題。所以對縮孔缺陷詳細觀察后優(yōu)先排查有異物、清漆層縮孔,從而鎖定過程異常,縮小變量,并帶動無異物縮孔缺陷下降;然后再排查色漆層縮孔,從而建立縮孔缺陷排查模型及預防體系。

      2 縮孔問題管控方案

      從縮孔形成原因分析,導致表面張力差異的物質最終作用于涂料成膜過程。以涂料為核心,對涂料制備運輸、涂料循環(huán)、濕膜、表干、烘干全過程導致涂料及成膜表面張力差異的物質進行排查及排除,從而實現(xiàn)縮孔問題解決及預防管理。

      根據(jù)涂裝車間工藝特點,總結縮孔缺陷排查模型如圖3 所示。首先,需要明確涂料各層厚度及工藝標準,掌握工藝全過程及可能導致縮孔問題的影響因素。其次,對于縮孔進行分層管控,電泳層縮孔在噴漆前處理避免與色漆層縮孔混淆;利用清漆透明、僅有一種以及過程變化容易觀察等特點優(yōu)先排除清漆層縮孔,大幅度縮小色漆層縮孔排查范圍。最后,每層涂層噴涂過程中以涂料為核心,驗證工位要素對于涂料制備與運輸、循環(huán)、濕膜、表干以及烘干成膜過程的影響,從而鎖定各要素對于縮孔的影響大小,并積累縮孔問題解決經(jīng)驗,完善縮孔缺陷監(jiān)控與排查模型。

      2.1 縮孔缺陷排查

      2.1.1 材料風險排除

      縮孔缺陷是漆膜表面張力差異導致,所以首先需要排除物料風險,避免缺陷批量風險。涂料生產全過程及關鍵檢測點如圖4所示。物料縮孔過程檢測是通過出口噴板及使用前噴板檢測,以避免縮孔;結果驗證則根據(jù)批量噴車烘干,驗證材料有無縮孔。為避免物料風險,一方面對材料制備全過程進行縮孔管控;另一方面,一旦噴車出現(xiàn)縮孔,需要對整個物料生產、檢測和操作過程進行追溯分析。

      物料循環(huán)系統(tǒng)為一個整體(圖5),一旦材料受污染,則整個系統(tǒng)的物料及硬件都受影響,且難以查找原因。另外,加料、過濾袋更換、潤滑和清洗系統(tǒng)等操作過程,都可能導致縮孔污染風險。停產期間物料仍需要持續(xù)循環(huán),涂料中溶劑、助劑隨著循環(huán)及材料剪切而揮發(fā),所以需要對輸漆系統(tǒng)進行監(jiān)測。因此,有必要根據(jù)硬件及操作過程系統(tǒng)排查全過程風險,并針對性采取風險預案,從而實現(xiàn)輸漆系統(tǒng)縮孔問題快速驗證(表1)。

      為進一步排除物料及系統(tǒng)縮孔風險,可取現(xiàn)場材料進行老化實驗。取系統(tǒng)中物料,在實驗室通過40 ~ 50℃水浴模擬材料老化、高速攪拌模擬循環(huán)剪切,然后用不同高溫及剪切時間的物料進行噴板烘干,觀察漆膜表面縮孔及光澤度。升溫及攪拌剪切過程中溶劑、助劑隨時間揮發(fā),部分樹脂隨溫度升高而逐步老化,材料流平效果變差,而污染物含量不變,因此同等條件下更容易模擬出縮孔。模擬出縮孔后,以此方法為基準排查來料,從而鎖定縮孔原因。

      從材料配方角度,核查可能導致縮孔的助劑。對助劑進行含量梯度實驗,然后噴板核查縮孔,對材料本身抗縮孔性能進行評價??刹捎么朔绞胶Y選抗縮孔助劑并評價其貢獻;同時模擬現(xiàn)場極限工況,對各種助劑的穩(wěn)定性評估,從而保障材料本身抗縮孔性能、抗縮孔助劑的效果以及長期剪切的穩(wěn)定性。最終通過現(xiàn)場小批量噴車驗證方式,評價抗縮孔助劑實驗室與現(xiàn)場貢獻差異,從而明確材料本身抗縮孔性及抗縮孔助劑有效性。

      2.1.2 環(huán)境排查及驗證

      涂裝噴涂過程為霧化噴涂,烘干為空氣換熱交聯(lián)固化過程,所以環(huán)境溫度、濕度、潔凈度;風速、風向、各區(qū)風溫度都需要根據(jù)成膜表干及烘干要求而設定及維護,此過程中避免表面張力不同的物質污染漆膜而導致縮孔。

      噴漆及表干過程,空調送風流程如圖6 所示,空氣溫濕度通過冷水除濕、升溫、細水霧加濕實現(xiàn)對于溫濕度控制;潔凈度通過初效、中效、頂棉過濾實現(xiàn)潔凈度逐級提升;風速風向通過風機頻率實現(xiàn)控制。噴涂成膜、表干、烘干過程需要對環(huán)境因素進行嚴格管控,環(huán)境穩(wěn)定助力漆膜表干及烘干過程穩(wěn)定,避免漆膜表面張力差異,獲得均勻穩(wěn)定成膜。

      根據(jù)噴漆及工藝設計過程,可采用逐級放板進行縮孔檢測??稍谶^濾頂棉前后放板進行縮孔測試,確保接觸車身空氣無污染物;同時由于噴板具有面積局限性及缺陷概率低的缺點,可以采用車身噴涂清漆后超標準時間(不出其他漆面質量問題前提下最長停留時間)停留的方式來驗證環(huán)境中有無污染物,從而實現(xiàn)對于工位環(huán)境的預防管理。

      同時也累積經(jīng)驗,如雨季廠房外空氣濕度超標、模擬中間閃干爐濕度超標、空氣過濾器更換前后觀察有無缺陷、缺陷的形態(tài)及數(shù)量,從而實現(xiàn)對于環(huán)境的預防管理。

      2.2 設備預防縮孔管理

      設備導致縮孔特點如圖7 所示,固定位置縮孔的具有空間特點;非固定位置縮孔,優(yōu)先排查能夠持續(xù)污染漆膜的相關因素??砂凑赵O備空間順序通過逐一元器件驗證非金屬材料(潤滑油、墊圈、空氣過濾輔材等)縮孔是否合格、元器件保養(yǎng)標準及實際是否滿足縮孔管控需求,從而逐個排除設備導致的縮孔風險。

      2.3 縮孔其他相關影響因素預防管理

      由于涂裝車間環(huán)境的溫度、濕度、潔凈度會隨時間及外界環(huán)境變化而變化;物料在停產期間長時間循環(huán)也會變化;縮孔監(jiān)控方法需要根據(jù)每個工位風險點進行檢測,并同時做好變化點驗證,并不斷更新縮孔檢測點及頻率。如更新物料后,跟進更新率與縮孔缺陷率對應關系。烘干爐內部清潔、風循環(huán)管路清潔、輸漆系統(tǒng)定期清洗等都根據(jù)實際建立結果及過程檢測點,從而預防縮孔。

      針對人員技能,培訓到人員縮孔檢測標準及檢測點設定依據(jù),日常監(jiān)控檢測結果趨勢并針對性溯源分析,不斷驗證縮孔影響因素及程度,實現(xiàn)縮孔預防管理。

      2.4 縮孔管控方案

      綜上所述,噴漆過程為逐層覆蓋,每層漆膜厚標準決定物料、設備、噴涂方法和環(huán)境參數(shù)要求,所以需要確定每層噴涂為零縮孔風險后再進行下一層噴涂。要根據(jù)物料、環(huán)境和設備標準設計物料來源,針對噴涂全鏈路進行預防,并檢查同類工位導致縮孔的影響因素。

      縮孔形成原因為漆膜表面張力變化導致,因此要從涂料制備、運輸、循環(huán)、噴涂、濕膜、表干和烘干等全過程排查影響漆膜表面張力的因素??赏ㄟ^對缺陷樣品紅外、切片等試驗分析鎖定污染物來源。

      外部污染可分為噴涂前和噴涂后。噴涂前排查,可對材料進行升溫攪拌加速老化、溶劑揮發(fā)來降低涂料流平效果,從而模擬缺陷;噴涂后排查可通過漆膜極限暴露來模擬缺陷。如果表面張力差異物質來自材料內部,需梳理配方中能導致縮孔的物質,對其進行溶劑含量梯度試驗及老化試驗,通過模擬及實車噴涂結合,鎖定縮孔原因。然后以污染物為基準驗證抗縮孔助劑效果,并結合實際生產,實現(xiàn)縮孔預防管理。

      3 縮孔缺陷排查案例

      某車型噴涂中發(fā)現(xiàn)存在縮孔問題。目視為清漆層縮孔,顯微鏡下無異物(圖8)。縮孔位置分布在前蓋、頂蓋,縮孔車缺陷率1%。缺陷件剖面分析為清漆層厚度變薄,色漆層完整。

      3.1 縮孔原因分析

      (1)缺陷涂層分析。逐層打磨缺陷,到色漆層上缺陷能消失。目視檢查電泳車前蓋頂蓋無異常,在前蓋頂蓋缺陷位置打磨電泳表面并擦凈,噴涂面漆后仍能發(fā)現(xiàn)縮孔,排除電泳層缺陷。

      (2)色漆層分析。統(tǒng)計缺陷,與顏色無規(guī)律。缺陷位置分布在前蓋、頂蓋區(qū)域,車門立面及內表未發(fā)現(xiàn)。切片分析顯示,色漆層完整,清漆層變薄,交界面無異常,排除色漆層問題。

      (3)清漆輸漆系統(tǒng)排查。缺陷非連續(xù)性出現(xiàn),車門立面區(qū)域及清漆內表合格。加料及操作過程記錄排查無異常;目視檢查攪拌槳及清漆液體表層狀態(tài)無異常;安全批次物料驗證結果無改善。

      (4)清漆噴涂機器人排查。缺陷出現(xiàn)位置涉及4 個機器人。目視檢查缺陷對應的機器人旋杯及清漆混合管狀態(tài),無顆粒及異常。

      (5)噴涂環(huán)境排查。同時對各工位清漆噴涂后的車輛放置15 min,極限模擬缺陷,發(fā)現(xiàn)在面漆烘干爐入口區(qū)域能模擬出縮孔缺陷。重復驗證3 次,均能在烘干爐入口復現(xiàn)缺陷。對烘干爐入口區(qū)域壁板采用白色無紡布擦拭,能發(fā)現(xiàn)有黃色油狀物。

      面漆烘干爐烘干流程如圖9 所示。車身通過熱風循環(huán)換熱進行漆膜烘干固化,同時部分排風并補充新鮮空氣。烘干爐出入口有風幕及整個烘干爐負壓,防止熱風及溶劑外溢。烘干爐內逐漸升溫滿足材料烘干溫度要求。

      車身在入口區(qū)域停留出現(xiàn)縮孔,檢查過程發(fā)現(xiàn)為了節(jié)能,需要對烘干爐進行降頻運行,因此必須在節(jié)能模式下解決縮孔問題。

      檢測車身在烘干爐內運行到不同位置時的爐溫變化(圖10),可以看到,在烘干過程中,60 ~ 100℃是溶劑及水快速揮發(fā)的過程,在此過程中烘干爐內溫差變化為4.93℃ /1 000 mm。由此判斷在此區(qū)域,因溫差變化較大出現(xiàn)冷凝,從而影響清漆成膜導致縮孔。冷凝物為水及可揮發(fā)溶劑混合物,冷凝物析出量與進入烘干爐內空氣含水量及每小時過車數(shù)有關,所以縮孔缺陷呈現(xiàn)無異物以及部分車有缺陷狀態(tài)。觀察爐體內,發(fā)現(xiàn)在烘干爐在7 000 ~ 11 000 mm 烘干爐壁板有冷凝殘留物。

      3.2 優(yōu)化與改進措施

      針對引起缺陷的原因,提出以下改進措施:減少離開爐體熱量,增加入口新鮮風熱風風量,同時也減少從爐口進入烘干爐內的風量,從而縮小在漆膜烘干初始階段溫差(表2)。通過以上措施,能夠避免在成膜過程中出現(xiàn)冷凝物附著在車身漆膜表面導致縮孔的現(xiàn)象。

      改進后爐溫從6 000 mm 處開始計算,達到100℃時,溫差優(yōu)化至3.45℃ /1 000 mm,而且入口段升溫平緩(圖11)。車身過度停留15 min,多次檢驗結果均為零縮孔。優(yōu)化方案能夠解決縮孔問題,并且在烘干的同時實現(xiàn)降頻節(jié)能運行。

      烘干過程為高溫熱風循環(huán),溫差均勻逐步提升能夠減少冷凝物析出,也能讓漆膜穩(wěn)定成膜,避免縮孔缺陷的同時獲得更加均勻的外觀。因此需要周期性檢測烘干爐風向、風量和爐溫曲線,避免因閥門松動、過濾器堵塞以及風機異常等因素,導致各工位溫度及風平衡變化,進而引起車身噴涂的質量變化。同時,還需要周期性采用車身過度停留方式對縮孔缺陷進行預防管理。

      4 結束語

      縮孔為涂裝面漆噴涂常見頑疾。本文根據(jù)膜厚目標及工藝標準,整理出面漆縮孔缺陷排查模型。通過逐層、逐個工位以及逐一要素排查導致漆膜表面張力變化因素,系統(tǒng)性梳理出縮孔形成的影響因素,并針對性采取預防管理措施。文章還結合已出現(xiàn)的縮孔問題,在分析解決過程中不斷完善檢測標準及頻率,從而實現(xiàn)縮孔預防管理。在實際解決縮孔問題中發(fā)現(xiàn),面漆烘干爐入口溫差造成冷凝物析出是導致縮孔的主要因素,最終通過優(yōu)化溫差及風平衡,實現(xiàn)烘干溫度穩(wěn)步提升,使漆膜均勻固化避免縮孔。

      目前已經(jīng)開發(fā)新一代低厚度清漆,新材料帶來噴涂參數(shù)、烘干過程變化,同樣需要更新縮孔相關管控標準。此外縮孔管理模型也可以擴展到涂裝工位的臟點缺陷管理,從而持續(xù)降低成本、提升管理水平,實現(xiàn)汽車涂裝噴涂向著降本、提質和綠色方向發(fā)展。

      【參考文獻】

      [1] 洪雨. 表面張力在油漆成膜過程中的作用及影響[J]. 全面腐蝕控制,2014,28(03):47-49.

      [2] 張金山. 汽車面漆縮孔成因的理論淺析及排除方法[J]. 涂料工業(yè),1997(01):28-29+3.

      [3] 丁太節(jié), 方浩霖, 黃家平. 面漆縮孔缺陷分析與防治[J]. 上海涂料,2021,59(05):54-57.

      [4] 周菲, 張慧, 肖杰. 涂層表面形貌形成過程模擬與分析[J]. 化工學報,2017,68(11):4208-4220+3986.

      [5] 賈召喜, 王少丹, 李新宇. 一次面漆縮孔問題的解決[J]. 現(xiàn)代涂料與涂裝,2021,24(07):70-72.

      作者簡介:

      陳磊,碩士,工程師,研究方向為涂裝工藝設計及生產質量成本優(yōu)化。

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