硅烷配套車身電泳針孔問題的解決

王琳，鐘貺，吳純超, *，魯曉娟，王利

（1.上海金力泰化工股份有限公司，上海 201417；2.北汽福田汽車股份有限公司，北京 102206）

在汽車涂裝工藝中，電泳工藝[1-4]為車身防腐蝕提供了有力的保障。磷化前處理因其應(yīng)用穩(wěn)定、成本低廉而廣泛應(yīng)用于電泳涂裝前的轉(zhuǎn)化處理，提高電泳涂膜的附著力和對(duì)基材的防腐蝕保護(hù)。由于磷化過程需要加熱，長期運(yùn)行要進(jìn)行酸洗維護(hù)，反應(yīng)過程產(chǎn)生的磷化渣為固體危險(xiǎn)廢棄物，因此近年一些接近常溫施工、無需除渣的薄膜型硅烷前處理成為車身涂裝前處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用趨勢[5]。

相對(duì)于傳統(tǒng)磷化膜1 ～ 3 μm 膜厚的工藝要求，硅烷轉(zhuǎn)化膜僅有0.04 ～ 0.20 μm 厚。較低的膜厚導(dǎo)致硅烷膜自身阻抗較低，為滿足車身內(nèi)腔電泳涂層的有效涂覆厚度，電泳漆膜自身需提供更高的阻抗[6]，電泳槽液則需要提供更高的電導(dǎo)。由于這一矛盾，在硅烷配套的電泳涂裝過程中經(jīng)常受到漆膜針孔問題的困擾。

本文將結(jié)合國內(nèi)某知名乘用車涂裝線的案例，剖析硅烷配套電泳涂裝中針孔問題的形成原因和解決方案。

1 針孔問題的描述

該乘用車涂裝線采用擺桿懸鏈輸送，搭配MOS(場效應(yīng)管)模塊整流輸出系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 電泳涂裝示意圖 Figure 1 Sketch of electrodeposition coating process

前處理-電泳涂裝工藝流程如下：車身上線→洪流沖洗→預(yù)脫脂→脫脂→水洗1→水洗2→純水洗1→硅烷轉(zhuǎn)化→水洗3→水洗4→水洗5→純水洗2→電泳→超濾1→超濾2→超濾3→純水洗3→純水洗4→純水洗5→瀝水→烘干。

試生產(chǎn)調(diào)試階段，若單車過線，漆膜外觀正常；但多車連續(xù)過線時(shí)，第一臺(tái)車漆膜外觀正常，后續(xù)車身引擎蓋前端出現(xiàn)類縮孔狀密集針孔，如圖2 所示。

圖2 后續(xù)車身引擎蓋前端的針孔Figure 2 Pinhole on front hood

2 針孔問題的原因分析與解決方案

2. 1 材料與關(guān)鍵工序參數(shù)

對(duì)現(xiàn)場材料(硅烷前處理液、電泳槽液)和關(guān)鍵工序(車身滴水、陽極液)的工藝參數(shù)進(jìn)行檢測。從表1可見，排放超濾液前的電泳槽液參數(shù)中除pH 偏離工藝要求外，其他各項(xiàng)指標(biāo)均符合工藝要求。

表1 材料與關(guān)鍵工序的參數(shù) Table 1 Properties of materials and parameters of key procedures

電泳槽液pH 偏低表明電泳槽液受到了質(zhì)子酸的污染。如式(1)所示，在電沉積過程中，車身表面作為陰極將發(fā)生水的電解而釋放氫氣。過多質(zhì)子酸的引入將加劇這一反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致基材表面氫氣逃逸加劇，漆膜被沖破，便形成針孔。

基于此，現(xiàn)場進(jìn)行了電泳超濾液的排放，累計(jì)排放超濾液20%(按電泳槽液總量計(jì)算)。超濾液排放后，槽液的pH 提升至5.65，電導(dǎo)率下降至1 452 μS/cm。

2. 2 陽極系統(tǒng)

陽極系統(tǒng)作為導(dǎo)通整個(gè)電路的重要組成部分，在電泳涂裝工藝中至關(guān)重要。較高的陽極液電導(dǎo)率可顯著提升車身內(nèi)腔的電泳膜厚，但過高的陽極液電導(dǎo)率也會(huì)增加電泳過程中的電流密度，加劇電泳過程中車身表面的氫氣釋放程度，最終導(dǎo)致漆膜出現(xiàn)針孔。

另外，隨著電泳涂裝的進(jìn)行，陽極系統(tǒng)將會(huì)富集質(zhì)子酸，通過溢流控制實(shí)現(xiàn)多余質(zhì)子酸的有效排放，保持電泳槽液參數(shù)穩(wěn)定。如果陽極系統(tǒng)的溢流未得到嚴(yán)格管控，那么電泳槽液的pH 會(huì)持續(xù)下降，同樣會(huì)引發(fā)漆膜針孔。

基于此，調(diào)整現(xiàn)場陽極液的電導(dǎo)率至600 ～ 800 μS/cm。

2. 3 整流電源參數(shù)

現(xiàn)場兩側(cè)陽極各排布38 根，底部陽極排布8 根，如圖1 所示。為避免銅排帶電接觸打火，車身進(jìn)入電泳后沒有立刻通電，而是在行進(jìn)至第8 根陽極后同時(shí)導(dǎo)通雙側(cè)各前8 根陽極。圖3 即為現(xiàn)場單側(cè)陽極的設(shè)定電壓和額定電流。前10 根陽極升壓較快，額定電流設(shè)定偏高，車身初期電沉積反應(yīng)劇烈，導(dǎo)致大量氫氣逸出，成膜過快致使涂層疏松，形成針孔。

圖3 各陽極設(shè)定電壓和額定電流 Figure 3 Setting of voltage and current for individual anode

基于此，對(duì)現(xiàn)場整流系統(tǒng)各陽極的電壓、電流進(jìn)行優(yōu)化，如圖4 所示。

優(yōu)化方案一：降低雙側(cè)各前10 根陽極的電壓，額定電流不變。然而依照方案一試驗(yàn)，后續(xù)車身的引擎蓋前端仍存在密集針孔。

優(yōu)化方案二：緩慢升高雙側(cè)陽極電壓，降低雙側(cè)各前14 根陽極的額定電流。依照方案二試驗(yàn)，在未進(jìn)行任何其他變量調(diào)整的情況下，后續(xù)車身引擎蓋針孔問題大幅減少，僅有零星針孔可識(shí)別。

圖4 各陽極電壓、電流改進(jìn)方案 Figure 4 Improvement of voltage and current for individual anode

2. 4 前后車身間距

前后兩車在電泳槽中同時(shí)電泳時(shí)，其涂裝的等效電路如圖5 所示。其中，R槽液為陽極到車身之間的槽液電阻，R前車尾為前車尾部的電泳漆膜電阻，R后車頭為后車引擎蓋前端的電泳漆膜電阻，R車之間槽液為前后兩車間的槽液電阻，I2為前車尾部的電泳電流，I5為后車引擎蓋前端的電泳電流。

假設(shè)前后兩車的R槽液相等，依照基爾霍夫定律，I5以式(2)表示。當(dāng)前后兩車的間距變小時(shí)，R車之間槽液減小，I5增大，電沉積反應(yīng)加劇，容易造成針孔問題；反之亦然。

圖5 前后兩車同時(shí)電泳的等效電路 Figure 5 Equivalent circuit for simultaneous electrodeposition of front and back car bodies

由于R車之間槽液的存在，前后兩車在電泳涂裝時(shí)存在電橋，因此I5顯著高于單車通過時(shí)的電流[由式(2)簡單推導(dǎo)可知I5= E/(R槽液+R后車頭)]，而I2低于單車通過時(shí)的電流(因R前車尾＞R后車頭，故前車尾的電流分散到了后車頭)。該電橋的存在進(jìn)一步增大了后車引擎蓋前端的電流，導(dǎo)致連續(xù)過車時(shí)該區(qū)域的電沉積反應(yīng)更加劇烈，更容易出現(xiàn)電泳漆膜的針孔問題。

本電泳涂裝線前后車身間距為1 250 mm，鏈速5.44 m/min，屬于標(biāo)準(zhǔn)涂裝工藝設(shè)計(jì)。

基于此，將原水平放置的引擎蓋通過工裝進(jìn)行撐起處理，增大前車尾到后車引擎蓋前端的距離，從而增大了R車之間槽液，以降低I5，緩解電沉積的劇烈程度。

通過這一調(diào)整，在未進(jìn)行任何其他變量調(diào)整的情況下，后續(xù)車身引擎蓋針孔問題幾乎消失，僅有少量針孔從引擎蓋表面轉(zhuǎn)移至引擎蓋內(nèi)部。

3 結(jié)語

基于以上理論分析和方案驗(yàn)證，即通過排放電泳槽超濾液、降低陽極液電導(dǎo)率、調(diào)整整流電源參數(shù)、增加前后車身問題部位的距離，最終解決了該涂裝線因連續(xù)過車而出現(xiàn)的后車引擎蓋前端的電泳針孔問題，增加了薄膜硅烷前處理、電泳漆和MOS 模塊整流系統(tǒng)的參數(shù)配合經(jīng)驗(yàn)。