汽车水性涂料涂装咬底缺陷解决
殷坤,曹兆羽,葛沛,陈双桂,吴四林
(东风本田汽车有限公司,武汉430000)
0 引言
汽车工业是全球经济的支柱性产业之一,自2009年来,我国已成为全球汽车产销量排名第一的汽车大国。随着汽车行业的蓬勃发展,在传统工业模式下,资源消耗和污染排放给人类生存环境所带来的危机也越发显著。涂装工艺是汽车制造过程中“三废”排放最多的环节之一,因此,建设资源节约型、环境友好型汽车涂装生产线对汽车工业的健康发展极为重要,也是企业履行社会职责的重要一环。目前,国内外先进的环境友好型涂装生产线大都采用水性涂料来取代传统的溶剂型涂料,以降低涂装工艺对环境造成的污染。水性涂料对涂装的工艺要求比溶剂型涂料更高,在涂装过程中容易出现咬底、针孔等不良现象,从而影响涂膜的品质,增加返修成本。本文通过对一次水性面漆咬底不良的调查研究,将对相关问题的一般性解决方法进行总结。
1 背景介绍和咬底原理
某水性涂装车间在冬季生产A 车型水性彩晶黑颜色时发生批量内装色漆层咬底不良现象,而该车型的其他颜色无此现象。
色漆层咬底产生的原理如图1 所示,色漆层经过闪干炉表干后的闪干固体分偏低,色漆层保留了一定的流动性,随后“湿碰湿”喷涂清漆层,在清漆层流动力的作用下会带动色漆层一起运动,当这种运动程度超过了色漆层湿膜状态的抗撕裂能力时,清漆层会将色漆层漆面撕裂,烘烤完成后的复合涂膜表现出色漆涂层咬底的现象。
2 现状调查
为了认清A 车型彩晶黑颜色内装咬底不良事项,从人、机、料、法、环等方面展开现场调查,观察咬底发生状态,统计咬底发生部位、发生率、发生时段等信息,进行统计汇总,结果见表1。
通过对彩晶黑咬底不良的统计分析发现,发生部位集中在B 立柱内装,其他部位次之,发生时段主要集中在冬季早上开线生产的车身,其他时段发生率较低。对A 车型彩晶黑颜色内外装闪干固体分进行测定,闪干固体分是水性色漆脱水程度的重要指标。色漆外装闪干固体分为81%,色漆内装门框部位闪干固体分为61%,色漆内装B 立柱闪干固体分为56%,由此可知,色漆内装B 立柱闪干固体分最低,与咬底高发部位完全对应。结合色漆层咬底发生机理,可知内装色漆闪干固体分偏低是导致咬底的直接原因,因此查找特定部位闪干固体分偏低的原因是解决咬底问题的关键。
对彩晶黑在A 车型内装咬底发生集中的B 立柱用试验车贴板测量色漆单层膜厚为9 ~ 12 μm,是正常的膜厚范围,比较B 立柱内装色漆膜厚与门框等其他内装部位的色漆膜厚并无明显差异,说明彩晶黑在B立柱部位内装咬底发生率高,并不是因为该部位色漆层喷涂膜厚偏高所导致。
对作业人员的喷涂作业手法和静电喷枪的状态进行确认,人员喷涂作业的枪距、枪速均在作业基准管理范围内,作业方法规范;静电喷枪的流量、喷幅符合喷涂管理基准,油漆雾化良好。
对色漆手喷区的温湿度和风速进行确认,温度为25 ℃、相对湿度为70%、风速为0.4 ~ 0.5 m/s,符合水性色漆正常的作业环境要求,喷涂环境正常。
对涂料批次进行排查,连续3 个批次的咬底发生率依次为45.0%、51.6%、50.8%,不良发生率较高。随后对彩晶黑涂料的咬底不良进行在线测试,方法如下:通过测试车贴板,采用静电喷枪手工喷涂彩晶黑颜色,色漆喷涂梯度膜厚,随线过闪干炉闪干,清漆正常喷涂,随线烘烤。按照现场生产条件制作测试样板,当现行彩晶黑色漆膜厚达到16 ~ 21 μm 的梯度区间时就发生了咬底不良。随后,涂料厂家将彩晶黑涂料现行品从现场取样到实验室进行测试,确认现行彩晶黑涂料咬底发生的极限膜厚仅为20 μm,施工窗口较窄。通过试验车对闪干炉的炉温随线确认,结果见图2,实测炉温为70 ℃,在闪干炉的炉温管理基准内,炉温正常。随后对闪干炉各区的风速和湿度进行确认,闪干炉出风测量的湿度正常,竖直面的风速为12.6 m/s,水平面的风速为15.3 m/s,竖直面的风速比水平面低。
结合咬底发生部位主要集中在B 立柱,为车身竖直面,与闪干炉竖直面风速偏低相对应。由此分析,B 立柱内装咬底可能与车身通过闪干炉时,B 立柱部位接收到的热风量较低有关联,影响了内装色漆在闪干炉中的脱水率,从而降低了该部位内装色漆的闪干固体分。考虑到咬底发生部位和发生时段都具有集中性,特别是咬底高发时段集中在冬季的早上开线前期这个特殊性,可能与车身来件因素有关联。因为早上开线生产时供给到面漆涂装的车身在中涂存储区过夜,而在冬季夜晚生产结束后,中涂储存区的温度较低,所以车身来件温度可能偏低。随后对车身来件温度分时段展开调查,发现冬季早上开线时进入面漆喷房的车身B 立柱部位比其他时段的车身温度低4 ~ 6 ℃。车身来件温度偏低,既不利于水性色漆喷涂后涂膜中的水分挥发,也延迟了车身在闪干炉中升温到工艺温度的时间,这相当于缩短了车身在闪干炉内达到工艺温度下的保温时间,会降低涂膜的闪干固体分,所以认为冬季早上开线车身来件的温度偏低可能是影响咬底的因素之一。
3 要因分析
经过对现状的调查,分析彩晶黑颜色内装咬底发生的可能要因有如下几个方面:
1)该涂料厂家的彩晶黑颜色涂料抗咬底能力较低,施工窗口偏窄。
2)闪干炉内风速不均,竖直面风速偏低,减少了车身竖直内装面的进风量,不利于内装面漆涂膜水分的挥发,降低了车身色漆内装涂膜的闪干固体分。
3)冬季气温低,中涂储存区过夜的车身在早上开线进入面漆喷房作业时的来件温度低,相对于其他时段温度正常的车身而言,早上开线的车身进入闪干炉的钣材温度起点低,不利于内装色漆涂装后涂料水分的有效挥发,降低了车身色漆内装涂膜的闪干固体分。
4 要因验证
针对可能的要因,分类设置验证试验,展开如下验证:
1)联合涂料厂家对彩晶黑涂料进行改良,适当降低涂料体系中的高沸点溶剂,调整醇醚类溶剂的含量,加快涂膜中溶剂在闪干炉中的挥发速度。在涂料厂家实验室对改良后的涂料进行测试,实验室测试条件下的咬底发生膜厚从20 μm 提升到了24 μm,相应的针孔极限膜厚为23 μm。对彩晶黑改良涂料的HES 性能确认合格后,将改良涂料发送到车身生产现场进行小批量测试,咬底发生率为7.2%。改良后的涂料,其内装咬底发生率虽然有所降低,但依然间断性发生咬底不良,还需要进一步改良,原则是在涂料内部溶剂调整的过程中,防止批量针孔等其他不良现象的产生,进行长期优化的改良。
2)针对闪干炉竖直面风速偏低的要因进行验证,通过调节闪干炉的风阀,适当提高竖直面的风速,使得闪干炉内的水平面和竖直面风速达到均衡,风速为14.5 m/s。施策后咬底发生率得到降低,但咬底高发时段依然是集中在早上开线时。
3)为了验证冬季早上开线车身来件温度低影响了涂膜闪干固体分这一因素,通过提升闪干炉的炉温来提高车身进入闪干炉后的升温速率,进行温度补偿试验。在冬季早上开线生产彩晶黑颜色时,将闪干炉温度从70 ℃在管理范围内提升至75 ℃,并进行小批量测试。炉温调整后,彩晶黑颜色内板闪干固体分从原来的61%提高到64%,涂膜关联品质参数正常(见表2),无针孔、失光等其他不良发生。提升闪干炉的炉温进一步施策后,早上开线时段彩晶黑咬底发生率为2.1%,整体咬底发生率降低到0.3%,咬底不良发生率明显降低。
5 对策拟定及效果确认
通过要因验证结果可知,彩晶黑涂料施工窗口窄,闪干炉竖直面风速较低,冬季早上开线的车身来件温度低为咬底不良发生的要因。根本原因是涂料的施工窗口窄,但由于涂料改良及性能认证需要一定的周期,为了应对正常的生产,分别制定了的临时对策和恒久对策。
临时对策:1)适当提升闪干炉竖直面风速,使得闪干炉内的水平面和竖直面风速达到均衡;2)在冬季生产A 车型彩晶黑颜色时,将闪干炉温度从70 ℃提升至75 ℃;3)在满足遮盖力的前提下,适当降低彩晶黑颜色内装的色漆喷涂膜厚。
恒久对策:要求涂料厂家对彩晶黑涂料进行改良,拓宽涂料的施工窗口,并规避由于改良咬底所引起的其他并发不良现象。
效果确认:经过闪干炉风量均衡性的调整,闪干炉炉温的分时段提升,内装作业喷涂膜厚的控制,涂料的配方进行改良优化,彩晶黑咬底发生率(<0.5%)下降到正常的管理范围。
6 结语
本次涂膜咬底不良是材料、设备、环境等多重不利因素共同作用所导致的,结合水性涂料咬底产生的机理和科学合理的现状调查,逐一排查水性涂料咬底产生的原因,并根据现场生产的实际情况制定有效的对策,消除咬底不良对车身涂膜品质和生产返修率的影响。水性涂料的正常使用对人员、设备、材料、环境等因素要求较高,其闪干固体分是重要的性能指标,与涂膜的咬底、针孔、失光等诸多品质不良相关联,生产现场应该进行重点监控管理。另外,对于涂料自身的施工窗口,在材料导入阶段应进行更为严格的验证,其施工窗口需要满足生产现场正常的环境波动,避免材料窗口偏窄所引发的系列不良现象发生。