板材粗糙度對水性3C1B 工藝所得涂層短波的影響 及改善方法探討

王振國

（江西五十鈴汽車有限公司，江西 南昌 330001）

漆面外觀直接影響到汽車的市場競爭力，各汽車廠為提高市場競爭力，對涂裝質量愈加重視。橘皮是評價車身面漆質量的一個重要指標，顯著影響人們的視覺效果。橘皮值可分為測量結構尺寸大于0.6 mm的長波以及小于0.6 mm 的短波。影響面漆橘皮的主要因素有面漆的流平性和底材的粗糙度，其中車身板材、電泳及中涂對短波的影響最為明顯，而色漆及清漆對長波的影響明顯。

1 問題說明

某主機廠涂裝車間采用低溫三元磷化與配套前處理工藝，電泳采用超高泳透力電泳工藝，面漆采用水性3C1B(三涂一烘)自動噴涂工藝，主要工序如下：洪流沖洗→預脫脂→脫脂→水洗1→水洗2→表調→磷化→水洗1→水洗2→純水洗1→純水洗2→電泳→UF(超濾)水洗1→UF水洗2→UF水洗3→純水洗1→純水洗2→電泳烘烤→涂PVC 膠→PVC 膠預烘烤→車身打磨→鴕鳥毛擦凈→中涂靜電自動噴涂→閃干→色漆靜電自動噴涂→閃干→清漆靜電自動噴涂→面漆烘烤→檢查精修。

前處理主要工藝參數：對于脫脂，溫度45 °C，游離堿7.5 點；對于表調，pH = 9；對于磷化，溫度40 °C，總酸25.0 點，游離酸0.9 點，促進劑2.5 點。電泳工藝參數：電壓245 V，溫度31.5 °C，電泳槽液電導率1 500 μS/cm，pH 5.8，固體分22%，灰分17%。采用ABB 公司IRB5500 壁掛式機器人，噴涂參數見表1。但在批量生產時出現了產品面漆的短波經常超過20 的問題。

核查現場工藝后，發現噴漆室溫度穩定在(23 ± 2) °C，相對濕度穩定在(65 ± 5)%，涂料的黏度、溫度 也均在工藝要求范圍內，涂料使用時間在一周以內，機器人仿型、參數設置均無變化。在確認自動噴涂過程無變化，面漆短波仍然超標的情況下，問題原因指向了電泳以及車身板材。

表1 機器人噴涂參數 Table 1 Parameters of robot spraying

2 解決問題的過程

2.1 原因分析

2.1.1 打磨電泳涂層對短波的影響

為了分析電泳狀態對涂層短波的影響，選取4 臺同時過線的車，使用不同型號的砂紙對電泳層進行打磨。從表2 可知，打磨降低了電泳層的粗糙度，砂紙型號越細，打磨后電泳的平整度越高，涂層短波就越小。但在生產過程中，整車打磨會導致顆粒等涂膜弊病，降低電泳層的耐蝕性，增加人工成本。在量產型汽車生產線中，通過打磨改善短波的方案可行性較差。

表2 不同砂紙型號打磨后電泳涂層的短波值 Table 2 Short-wave value of electrophoretic coating polished with different sandpapers

2.1.2 電泳粗糙度對面漆短波的影響

在確定改善電泳粗糙度能很好地改善涂層短波的情況下，為了降低管理成本，提升產品質量，采用Mar Surf PS1 粗糙度儀對車身板材粗糙度以及對應位置的電泳粗糙度進行監控，并測量對應位置上涂層的短波，部分監控數據見表3。為了方便理解三者之間的關系，對測量數據進行皮爾森相關系數分析[1]。

表3 部分不同粗糙度實驗板的實驗結果 Table 3 Experimental results of some different roughness test plates

從圖1 可知，所有監控車身的電泳件粗糙度與面漆短波的皮爾森相關系數(r)等于0.924，在相同噴涂工藝下，電泳粗糙度與面漆短波呈極強的正相關關系。電泳結構尺寸在0.6 mm 以下的微觀平整度無法被100 μm 左右的涂層填充平整，造成電泳粗糙度越高，面漆短波越大。由于自動化噴涂工藝控制穩定，室體溫濕度、流平時間、烘烤溫度曲線、涂層厚度等因素變化小，對成膜外觀影響小[2]，因此皮爾森相關系數較高。統計數據表明，當電泳粗糙度控制在0.32 μm 以下時，面漆短波可控制在20 以內。

2.1.3 板材粗糙度對電泳粗糙度的影響

從圖2 可知，板材粗糙度與電泳粗糙度的皮爾森關系數為0.891，說明在相同工藝條件下，板材粗糙度與電泳粗糙度有極強的正相關關系。超高泳透力電泳漆膜的粗糙度比傳統陰極電泳漆膜略大，其厚度僅為15 μm，較薄，填充性差，導致板材粗糙度越高，電泳粗糙度也越高。但由于電泳粗糙度受“L”效應和水洗效果影響[3]，降低了板材粗糙度與電泳粗糙度的皮爾森相關系數。統計結果表明，當板材粗糙度小于1.00 μm 時，電泳粗糙度可控制在0.32 μm 以下。

圖1 電泳粗糙度與短波的皮爾森相關性曲線 Figure 1 Pearson correlation curve of electrophoretic coating roughness and short wave value

圖2 板材粗糙度與電泳粗糙度的皮爾森相關性曲線 Figure 2 Pearson correlation curve of metal sheet roughness and electrophoretic coating roughness

2.1.4 板材微觀形貌對面漆微觀形貌的影響

采用掃描電鏡觀察面漆與板材橫截面時發現，涂層的微觀起伏波紋與板材基本一致(見圖3)。當涂層膜厚為100 μm 左右，涂層結構尺寸在0.6 mm 以下的微觀平整度與板材微觀平整度呈正相關，正相關程度與涂層厚度有關，涂層越厚，相關性越差。而水性3C1B 涂裝工藝整體膜厚較小，涂料的填充性較差，因此板材微觀平整度越差，涂層平整度就越差，涂層短波也就越高。

圖3 涂層與板材橫截面的微觀形貌 Figure 3 Cross-sectional micro-morphology of metal sheet and coating

2.2 改善短波的措施

在確認面漆短波受板材粗糙度影響較大后，通過與板材供應商溝通，明確了要令涂層短波低于20，板材粗糙度需小于1.00 μm 的要求。但由于板材供貨周期有3 個月，在更換板材前為保證產品質量，技術團隊嘗試通過調整中涂、清漆膜厚等措施來改善面漆短波。

2.2.1 中涂膜厚對短波的影響

中涂的填充性對板材微觀平整度有改善作用。從表4 可知，中涂越厚，涂層短波越小，但中涂膜厚超過22 μm 后，改善效果不明顯。中涂主要起填充的作用，但對尺寸較大的微觀形貌填充不足，膜厚超過20 μm 后，提高中涂膜厚對降低短波的貢獻變小；且由于水性漆的特性，中涂過厚會伴隨針孔、邊角起泡等涂膜弊病的發生，增大涂料使用量，增加生產成本。綜合考慮，中涂膜厚控制在22 μm 效果最好。

表4 中涂膜厚對涂層短波的影響 Table 4 Effect of midcoat thickness on short wave value of coating

2.2.2 清漆膜厚對短波的影響

由于涂層越厚，板材粗糙度對短波的影響就越小，因此擬通過增大清漆膜厚來提高涂層整體膜厚，改善涂層的短波。從表5 可知，清漆越厚，涂層短波越低，且改善效果越來越明顯。增加清漆膜厚能有效提高涂層整體填充性，減輕板材粗糙度對涂層的影響，從而降低涂層的短波。在確保不產生流掛等涂膜弊病，以及綜合考慮成本的情況下，將清漆膜厚控制在50 μm 效果最好。

表5 清漆膜厚對涂層短波的影響 Table 5 Effect of varnish thickness on short wave value of coating

3 結語

在不進行人工干預的情況下，板材粗糙度越大，涂層短波越高，降低板材粗糙度能有效改善涂層短波。在使用超高泳透力電泳漆與水性3C1B 涂裝工藝的情況下，要將涂層短波控制在20 以內，板材粗糙度需控制在1.00 μm 以內。為改善涂層短波，細砂紙打磨電泳層能有效改善電泳層的微觀平整度，但該法不適用于自動化程度較高的生產線。提高涂層整體膜厚能有效降低底材粗糙度對涂層短波的影響，但會增加涂料成本。總體來說，控制板材粗糙度是一個改善涂層短波很好的方法。