油漆車間電泳灰粒控制及改進

周曄明，肖其弘，李博文，葉紫平，王祉彬

（上汽通用汽車有限公司，上海 201206）

伴隨中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車剛性需求急劇增加，各車企紛紛增建生產(chǎn)基地，提高產(chǎn)能以搶占市場份額。面對日趨激烈的競爭，油漆表面質(zhì)量作為汽車質(zhì)量最直觀的表現(xiàn)，發(fā)揮著重要作用。

油漆涂層在傳統(tǒng)工藝下一般可分為磷化/薄膜、電泳、中涂、色漆、清漆共5 層，其中前處理電泳是白車身進入油漆車間后的第一道全自動浸涂工藝。電泳漆廣泛應用于汽車行業(yè)，能達到滿意的耐腐蝕和防沖擊性能，然而電泳工藝后漆膜表面產(chǎn)生的灰粒雜質(zhì)數(shù)量最多，盡管后道電泳打磨可處理表面灰粒，但對后續(xù)漆膜質(zhì)量依然會造成較大影響。

電泳工藝在整車廠應用已有很長時間，技術不斷改進、優(yōu)化，從傳統(tǒng)電泳漆到高泳透力電泳漆，工藝已經(jīng)相當成熟，安全、環(huán)保、效率、質(zhì)量等方面都有很大提升，但電泳雜質(zhì)控制問題一直是困擾油漆車間的一大痛點，且這方面國內(nèi)外相關文獻資料偏少，缺乏系統(tǒng)性的分析和實踐論證。不管是在理論層面，還是在運用和推廣方面，對電泳灰粒控制的改進及研究具有重要意義。

1 電泳灰粒改進方向的研究

1.1 電泳灰粒的形成原因

在烘干后的電泳漆膜表面經(jīng)常會出現(xiàn)手感粗糙、較硬的顆粒，或肉眼可見的細小凸起，又或附著在車身表面的顆粒狀物質(zhì)，這種漆膜缺陷統(tǒng)稱為電泳灰粒。

根據(jù)電泳灰粒的形成原因，從以下幾個方面進行分析。

1.1.1 白車身潔凈度對電泳灰粒的影響

板材是油漆的基礎，白車身在焊接和表面打磨過程中會產(chǎn)生大量鐵屑、焊渣、焊球[1]，處理不干凈會被直接帶入油漆車間，進入前處理和電泳槽液中，部分殘留在車身內(nèi)外表面。經(jīng)現(xiàn)場測試，通過內(nèi)外表面灰粒擦拭后稱重的方式對白車身潔凈度進行評估，單臺車輛灰粒量可達30 g 以上。在對前處理槽體進行倒槽清洗時也發(fā)現(xiàn)預脫脂、脫脂、表調(diào)、磷化、水洗等槽底均存在大量鐵屑和焊渣，進一步確定目前白車身鐵屑、焊渣較多，潔凈度差，已經(jīng)超出了前處理的工藝處理能力。此外白車身潔凈度控制極不穩(wěn)定，不同車型波動幅度較大(15 ～ 35 g/臺)。采用電子顯微鏡對電泳車身表面的大顆粒雜質(zhì)采樣分析發(fā)現(xiàn)，絕大部分灰粒為金屬顆粒，小部分為電泳結塊(如圖1 所示)，說明電泳灰粒的根本源頭還是在車身車間。

圖1 電泳結塊 Figure 1 E-coat slag

1.1.2 前處理工藝對電泳灰粒的影響

在統(tǒng)油漆車間，前處理主要分為脫脂、磷化/薄膜、水洗三大類工序。

脫脂工序使用脫脂劑對車身表面防銹油、拉延油、切屑液、防銹蠟等工藝過程中使用的油脂類殘留物進行清洗，同時通過洪流沖洗，清除車身內(nèi)表面的金屬顆粒雜質(zhì)。磷化工序所產(chǎn)生的磷化渣會造成電泳灰粒，現(xiàn)出于升級與環(huán)保需要，大多已被鋯系薄膜代替。水洗工序一般分為噴淋水洗和浸水洗，通過反滲透水在脫脂及磷化/薄膜后采用多道噴淋、浸水洗對車身內(nèi)外表面的殘余化學品進行清洗，避免竄槽現(xiàn)象發(fā)生。

停產(chǎn)期間，通過倒槽清洗，對整個前處理工藝系統(tǒng)進行深度清潔，日常生產(chǎn)期間則通過每個槽的過濾系統(tǒng)對槽液進行循環(huán)清潔。整個前處理工藝的過濾系統(tǒng)一般有旋液分離器、紙袋過濾器、沉降槽、過濾袋、磷化除渣機(磷化工藝適用)等幾大類，能保證前處理工藝的有效運行，避免后道電泳系統(tǒng)受到污染[1]。但如果白車身雜質(zhì)灰粒過多，那么以上措施對最終電泳灰粒的減少效果還是有限，部分雜質(zhì)會進一步隨車身進入電泳系統(tǒng)。

1.1.3 電泳工藝對電泳灰粒的影響

目前車間使用的是高泳透力陰極電泳漆。生產(chǎn)中主要監(jiān)控的參數(shù)有固含量、顏基比、pH、電導率、槽液溫度、電泳電壓等。電泳對入槽車輛的要求很高，車身的清洗效果直接影響到電泳涂裝的質(zhì)量和電泳槽液的穩(wěn)定性。電泳噴淋系統(tǒng)也是影響電泳成膜質(zhì)量的重要因素之一。該系統(tǒng)包括電泳入槽加濕噴淋、電泳出槽噴淋、超濾噴淋、水洗噴淋等。車身進入電泳槽體時，若車身存在雜質(zhì)或車身部分表干，入槽后會導致車身表面電流密度不均勻，繼而造成膜厚不均，影響漆膜表面的平整性。另外，若電泳槽循環(huán)不良，在電泳成膜過程中灰粒雜質(zhì)會沉積在漆膜中。電泳出槽噴淋過程中沖洗壓力不足會導致漆膜粗糙，表面電泳結塊及顆粒無法被沖洗掉。車身在通道內(nèi)行進過程中，應確保噴淋系統(tǒng)均勻噴淋到整車各個部位，避免噴淋不均導致車身粗糙及顆粒產(chǎn)生。

國內(nèi)前處理電泳工藝的輸送方式主要有旋轉(zhuǎn)、擺桿、C 型懸掛等。對于擺桿式輸送鏈，電泳過程中顆粒雜質(zhì)在水平面存在沉積現(xiàn)象，再加上白車身潔凈度較差的話，就進一步加重了水平面顆粒的堆積，而水平面槽上噴淋無法保證完全沖洗干凈。改用旋轉(zhuǎn)式輸送鏈則可在電泳過程中消除水平面的顆粒沉積問題，電泳表面灰粒狀態(tài)會有很大改善。

1.2 改進方向的確認

根據(jù)以上分析，現(xiàn)場安排兩組車輛進行對比試驗驗證。選取10 臺相同車型車輛，分成2 組，每組5 臺。第一組在前處理進口濕膜狀態(tài)下，前蓋表面完全打磨擦拭干凈，確保無雜質(zhì)顆粒殘余；第二組不做任何表面處理，做好標識，正常進入電泳工藝。車輛出烘房后，對10 臺試驗車輛的前蓋進行灰粒雜質(zhì)分析，發(fā)現(xiàn)實驗組與對照組基本沒有差別。由此可以確認，電泳打磨處理的大部分灰粒在電泳工藝段的成膜過程中就已沉降，且后續(xù)噴淋無法有效去除，烘烤后嵌在漆膜內(nèi)部，形成電泳灰粒。

綜上所述，車間現(xiàn)場電泳漆膜灰粒問題主要由白車身的鐵屑、焊球以及電泳結塊組成，可以通過改進白車身灰粒、控制前處理工藝、改善電泳主槽三平面顆粒沉降、提高電泳出槽后道水洗能力等4 個方面著手，對灰粒狀態(tài)進行改進。

車間現(xiàn)場白車身潔凈度已通過每周擦拭稱重，定期反饋車身車間進行控制，形成工廠內(nèi)部協(xié)同管理機制；前處理經(jīng)過設備工藝改進，薄膜工藝的升級，從根本上消除了磷化渣對電泳灰粒的影響。后續(xù)車間對改善電泳主槽三平面顆粒沉降、提高電泳出槽后道水洗能力等方面展開工作，結合理論研究，嘗試了多種改善方案。

2 電泳灰粒改進的措施

2.1 電泳主槽循環(huán)方向的調(diào)整

傳統(tǒng)電泳主槽采用槽液層流與車輛行進方向同向的槽液循環(huán)工藝(見圖2)。通過循環(huán)后，槽液表面產(chǎn)生的泡沫、雜質(zhì)、電泳結塊等經(jīng)溢流板流入輔槽，將其過濾去除。

圖2 電泳主槽循環(huán) Figure 2 E-coat tank circulation

白車身從車身車間進入油漆車間后，內(nèi)外表面存在大量焊球、焊渣、油污、車身膠等污染物，經(jīng)過前處理清潔工藝后，95%以上的污染物可被去除，但由于內(nèi)表面清潔效果不如外表面，依然有部分雜質(zhì)污染物殘留在車身內(nèi)腔。

電泳主槽的槽液黏度大于前處理槽液，使得內(nèi)腔雜質(zhì)更容易伴隨槽液流動，被帶出車身，污染電泳槽液。由于試驗車間采用擺桿式輸送鏈，前期已經(jīng)論證過，該工藝在電泳過程中更容易令槽液中的雜質(zhì)顆粒沉積在車身三平面。從電泳車身表面灰粒狀態(tài)來看，垂直面顆粒明顯好于水平面。現(xiàn)場根據(jù)實際產(chǎn)量情況，每半年會對電泳主槽進行一次倒槽清洗，從倒槽后電泳車身灰粒表現(xiàn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計來看，隨著產(chǎn)量的增加，灰粒數(shù)量呈逐漸上升的趨勢。對現(xiàn)場電泳槽液取樣，在實驗室進行L 泳板試驗，也發(fā)現(xiàn)槽液中已有一定顆粒雜質(zhì)污染，證實了隨著生產(chǎn)量的增加，電泳槽液會被白車身帶入的雜質(zhì)顆粒逐漸污染，在電泳過程中又由于顆粒沉降作用而再次附著在車身三平面，形成電泳灰粒。因此，在白車身金屬灰粒問題得到徹底解決前，現(xiàn)場考慮從電泳主槽自身循環(huán)著手，加大槽液與車身相對流動速率，減少電泳過程中三平面顆粒沉降問題。

經(jīng)過前期方案的制定和研究，車間在電泳倒槽期間，對槽體底噴淋及側(cè)噴淋的角度進行調(diào)整，使得槽液整體循環(huán)方向從順時針變?yōu)槟鏁r針(如圖3 所示)，即相較于車身行進方向，從順向變?yōu)槟嫦颍沟眯龜[鏈行進過程中，層流與車體表面形成對沖，因此槽液中懸浮的顆粒不容易在車身三平面沉積。改造完成后通過外表面灰粒數(shù)量統(tǒng)計對比，較改造前整體下降約28%，特別是前蓋和車頂區(qū)域。從灰粒成分分析可得知，焊球下降數(shù)量尤為顯著。

圖3 改進前(a)后(b)電泳主槽的循環(huán)情況 Figure 3 Circulation in e-coat tank before (a) and after (b) modification

此次調(diào)整的結果進一步確定了白車身帶入的雜質(zhì)顆粒對電泳槽液和電泳打磨灰粒都有顯著的影響。該工藝優(yōu)化經(jīng)過車間驗證后，與油漆技術部門進行了充分溝通交流，從設計角度正式將此工藝作為后續(xù)新建工廠項目的標準工藝，同時繼續(xù)對電泳槽液整體循環(huán)進行優(yōu)化，效果顯著，可在汽車涂裝工藝中借鑒推廣。

2.2 電泳出口高壓水噴淋的改造

電泳出槽噴淋是電泳后的第一道清洗工藝，利用超濾水對電泳后附著在車身的浮漆進行清洗，去除車身表面電泳殘液，可降低后道工序槽液的固體分。通道內(nèi)供應的電泳超濾水通過2 個并聯(lián)的泵分別供應到電泳出口噴淋和超濾出口噴淋，噴淋壓力設定為150 kPa。超濾出口噴淋的管徑要大于電泳槽出口噴淋管徑。

經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)，電泳出槽口噴淋壓力和流量明顯不足，電泳出槽后表面的殘余電泳漆沖洗不干凈，被帶到后續(xù)工序中，導致電泳漆利用率低；同時電泳后超濾水洗槽較渾濁，固體分含量高，導致電泳流掛多，電泳班組打磨后產(chǎn)生大量的電泳灰。針對以上問題，現(xiàn)場進行了管路硬件改造，將2 個并聯(lián)的泵管路單獨分開，分別供應電泳出口噴淋和超濾出口噴淋，減少噴淋壓力和流量的波動。

電泳出口噴淋的主要目的為清洗電泳表面的浮漆，所以設計時噴淋壓力很低。通過實驗驗證，發(fā)現(xiàn)噴淋壓力的提高能有效提升電泳表面質(zhì)量，沖洗電泳浮漆的同時還可以沖走表面殘余的電泳結塊，在一定程度上減少了電泳灰粒的產(chǎn)生，同時能提高電泳后超濾水槽的潔凈度，減少電泳流掛。

通過對噴淋水流量、壓力反復進行實驗驗證，不斷調(diào)整，最終將泵的壓力從150 kPa 提升至300 kPa(如圖4 所示)，并同時將出口噴淋噴嘴的型號從6004 更換為5020(高壓噴嘴)，達到了最佳的噴淋效果。從電泳打磨統(tǒng)計的整車電泳灰粒數(shù)據(jù)來看，改進后灰粒數(shù)量整體下降17%，有效減少了電泳打磨工作量。同時經(jīng)過管路改造后，前后兩道噴淋更易于流量、壓力的控制，使得液位更加平衡。電泳后水洗浸槽的固體分被穩(wěn)定地控制在0.5%以下，整車電泳流掛下降20%，可減少每天10 m3去離子水的更新以及相應的廢水排放，在提升質(zhì)量的同時也實現(xiàn)了節(jié)能減排目標。

圖4 改造前(a)后(b)的電泳噴淋壓力 Figure 4 Pressure of sprinkler before (a) and after (b) modification

2.3 電泳濕膜的濕打磨工藝

在電泳濕膜觀察區(qū)對車身外表面狀態(tài)進行觀察，可以發(fā)現(xiàn)很多小顆粒在電泳表面凸起。由于經(jīng)過電泳烘烤后金屬顆粒與電泳漆膜會結合得更牢固而不利于去除，如能在電泳濕膜狀態(tài)下對車身三平面打磨，去除大部分金屬顆粒，則可進一步減少電泳打磨整拉過程中產(chǎn)生的打磨灰粒以及打磨工作量。

在電泳工藝段出口安排實驗人員，使用捆綁了無纖維抹布的電泳打磨網(wǎng)格砂片在電泳前蓋表面輕輕打磨擦拭。在不影響機運速率的前提下，連續(xù)打磨5 臺實驗車輛，并用純水將外表面沖洗干凈。出電泳烘房后對實驗車輛前蓋顆粒數(shù)量進行統(tǒng)計，并對電泳膜厚及粗糙度進行測試，從而評估濕打磨對漆膜的影響，結果見表1。可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過濕打磨后的車輛前蓋顆粒數(shù)明顯下降，同時電泳表面粗糙度及電泳膜厚基本沒受影響。由此確定，濕打磨對于減少電泳灰粒而言是很有效的改進途徑，但電泳濕膜觀察區(qū)工作環(huán)境惡劣，且打磨后表面清洗不便，不適合長期人工操作，人工打磨的可行性較低。因此考慮在電泳后水洗噴淋工序槽體之間增加自動濕打磨裝置，對電泳濕膜三平面進行打磨，打磨后及時進行沖洗，從而避免人工打磨存在的問題。

表1 電泳濕膜濕打磨與否的前蓋測試數(shù)據(jù) Table 1 Test data for e-coated front hoods with and without wet sanding prior to baking

濕打磨裝置安裝于電泳后最后一道超濾噴淋水洗與第一道純水噴淋水洗之間，如圖5 所示。在電泳入口安裝有車型識別系統(tǒng)，當車身即將到達濕打磨位置時，通過室體側(cè)壁安裝的光電開關對車身進行再次識別，確認車型無誤后豎直方向電機開始啟動，根據(jù)不同的車型仿形進行相應的垂直升降運動，同時水平運動裝置帶動砂網(wǎng)對車身三平面進行水平方向的往返式打磨。當完成一輛車的打磨后，該裝置自動回到最高的安全位置。該設備由3 套控制系統(tǒng)組成(見圖6)，包括打磨裝置、運動裝置及噴淋系統(tǒng)。

圖5 濕打磨工藝的改造 Figure 5 Application of wet sanding process

圖6 濕打磨裝置構成示意圖 Figure 6 Sketch of wet sanding equipment

打磨裝置：車身在運行過程中，由1 795 mm(長)× 525 mm(寬)× 1 mm(高)的砂網(wǎng)幕簾對車身進行擦拭(如圖7 所示)，砂網(wǎng)網(wǎng)格的粒度通過試驗反復驗證、篩選，確定選用P600 型，既起到良好的打磨效果，又能避免砂網(wǎng)過硬而對車身表面造成劃傷、碰傷。幕簾通過蝶形螺母鎖緊，方便拆卸更換砂網(wǎng)。根據(jù)現(xiàn)場實際運行狀態(tài)，砂網(wǎng)每月更換一次，即可保證打磨效果良好。

運動裝置：由水平運動裝置和豎直運動裝置組成，水平方向為往復式運動，垂直方向根據(jù)按車型制定的打磨仿形作上下運動。配合電泳車身的勻速行進，便可在車身表面實現(xiàn)打磨效果。

圖7 濕打磨現(xiàn)場照片 Figure 7 Photo of wet sanding in painting line

噴淋系統(tǒng)：在幕簾上方安裝純水噴淋系統(tǒng)，當濕打磨設備開始運行時，噴淋系統(tǒng)接收到信號并啟動，對幕簾進行噴淋，使幕簾保持濕潤的狀態(tài)。噴淋系統(tǒng)共5 個噴嘴，單個噴嘴流量為2 L/min，壓力60 kPa，總純水消耗量為600 L/h。

完成濕打磨后的車輛直接進入后道純水噴淋，第一時間對打磨后掉落的雜質(zhì)顆粒進行沖洗，以避免雜質(zhì)再次黏附于車身表面。

改造后通過一定時間的仿形優(yōu)化，確保幕簾與車身達到合適的貼合度，電泳車三平面灰粒也在穩(wěn)定下降。最終經(jīng)過統(tǒng)計，直徑大于1 mm 的電泳灰粒數(shù)量減少58%，最低只有個位數(shù)，平均單車打磨灰11 個，電泳打磨灰粒數(shù)量有了質(zhì)的改變，對后道中涂打磨和精飾打磨的雜質(zhì)數(shù)量均有改善效果。

3 結語

針對電泳質(zhì)量的改進，從最初的功能性要求，進一步向外觀灰粒控制目標拓展。此次研究，通過現(xiàn)場幾次電泳工藝的不斷優(yōu)化，從理論到試驗，再進行改造、驗證，最后形成標準化，使得車間電泳打磨車輛表面灰粒得到重大改善，整體灰粒數(shù)量下降75%，對油漆車間的質(zhì)量控制起到了積極的作用，同時大大降低了人工打磨操作的工作量，取消了電泳打磨班組三平面整拉工序，每班可減少2 名操作員工。

隨著私車普及度越來越高，客戶對外觀質(zhì)量要求也在不斷提升，通過此次對電泳灰粒的研究攻關，作為現(xiàn)場尋找改進機會的一大突破口，對同行具有一定的參考價值。一線制造質(zhì)量的精細化過程管理必將是未來提升產(chǎn)品質(zhì)量的必要手段。