油漆車間電泳灰粒的控制及改進方向

周曄明，肖其弘，葉紫平，陳軍能，王祉彬

（上汽通用汽車有限公司油漆車間，上海 201200）

0 前 言

伴隨中國經濟的快速發展，汽車剛性需求急劇增加，各車企紛紛增建生產基地，提高產能以搶占市場份額。面對日趨激烈的競爭，油漆表面質量作為汽車質量最直觀表現發揮著重要作用。

油漆涂層在傳統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，能達到滿意的耐腐蝕、防沖擊性能，然而電泳工藝后漆膜表面產生的灰粒雜質數量最多，盡管后道電泳打磨對表面灰粒會進行打磨處理，但對后續漆膜質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、優化，從傳統電泳漆到高泳透力電泳漆，工藝已經相當成熟，無論是安全、環保、效率、質量方面都有很大提升。但電泳雜質控制問題一直是困擾油漆車間的一大痛點，且這方面國內外相關文獻資料也相對偏少，缺乏系統性分析和實踐論證。不管是在理論層面，還是在其應用和推廣方面，對電泳灰粒控制的改進及研究均具有重要意義。

1 電泳灰粒改進方向研究

電泳涂裝，是利用外加電場使懸浮于電泳漆中的顏料和樹脂等微粒定向遷移并沉積于基底表面的涂裝方法。電泳出槽后，經過超濾及水洗工藝，通過烘房加熱烘烤，高溫固化成膜。

1.1 電泳灰粒的基本概念

在烘干后的電泳漆膜表面上會出現手感粗糙、較硬的顆粒，或肉眼可見的細小凸起，附著在車身表面的顆粒狀物質，這種漆膜缺陷統稱為電泳灰粒。

根據電泳灰粒的形成原理，從以下幾個方向進行分析，并查找原因，制定改進方案：

（1）白車身潔凈度對電泳顆粒的影響：白車身內外表面灰粒較多且未擦拭干凈，直接帶入油漆車間污染前處理系統。

（2）前處理工藝對電泳灰粒的影響：前處理工藝過程中，通過噴淋、過濾系統對白車身進行清潔，由于白車身雜質灰粒過多，清潔效果有限，部分雜質進一步隨車身進入電泳系統，導致電泳表面灰粒增多。

（3）電泳工藝對電泳灰粒的影響：電泳槽循環不良，在電泳成膜過程中灰粒雜質沉積產生顆粒；電泳后水洗固體份過高，水壓過低，灰粒殘留在車身上。

1.2 電泳灰粒的產生因素

1.2.1 白車身潔凈度的影響

板材是油漆的基礎，白車身在焊接和表面打磨過程中，會產生大量鐵屑、焊渣、焊球，如果處理不干凈會直接帶入油漆車間。經過預處理工藝時，隨車身攜帶的鐵屑、焊渣、焊球等雜質進入前處理和電泳槽液中，部分殘留在車身內外表面。經現場測試，通過內外表面灰粒擦拭、稱重方式對白車身潔凈度進行評估，單臺車輛灰粒重量可達 30 g以上。在進行前處理槽體倒槽清洗時也發現，在預脫脂、脫脂、表調、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定，不同車型波動幅度較大（15～35 g/臺）。經過電子顯微鏡對電泳車身表面的大顆粒雜質采樣分析，發現絕大部分灰粒為金屬顆粒，部分為電泳結塊，說明電泳灰粒的根本源頭還是在車身車間。

圖1 焊球

圖2 焊渣鐵屑

圖3 電泳結塊

對車身車間的金屬雜質、焊渣飛濺問題，通常可通過以下幾點控制措施進行優化改善：

圖4 電泳灰粒缺陷分類

（1）利用伺服焊機，通過有效控制焊接電流，與電極壓力適當配合，避免電流過大，產生過多熱量。

（2）優化零件尺寸控制，避免點焊位置到板材邊緣距離過近、減少鈑金件搭接間隙。

（3）調整控制焊鉗與鈑金件的垂直度。

（4）焊接前對工件外表面雜質油污進行清潔，同時可通過涂抹防飛濺液減少飛濺的黏著，便于擦拭清除。

1.2.2 前處理工藝的影響

傳統油漆車間前處理工藝主要可分為脫脂、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污染物進行清洗，同時通過洪流沖洗，清除車身內表面金屬顆粒雜質。由于前處理通道內的噴淋系統大部分是針對車身外表面，因此針對內腔的大流量洪流噴淋更有利于車身內部的灰粒伴隨槽液帶出車身，并經過槽液過濾系統進行清除。

磷化工序是用磷酸及磷酸鹽對車身表面進行處理，生成致密、均勻的磷化膜。磷化的目的是在電泳前防止車身表面產生銹蝕，提高電泳漆膜的附著力和防腐蝕能力。生產中主要監控的參數有游離酸度、總酸度、酸比、促進劑濃度、槽液溫度等。磷化液或磷化渣處理不干凈，進入電泳槽液后，就成了雜質離子的主要來源。磷化液或磷化渣中的鋅離子和磷酸根離子會造成電泳漆膜粗糙、顆粒等弊病。隨著前處理工藝升級及環保需求，大部分車間的磷化前處理，已經更新升級成鋯系薄膜前處理，該工藝最大的優點是環保、節能、低排放，無磷化渣產生，大大消除了前處理工藝磷化渣對電泳灰粒的影響。

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、浸水洗對車身內外表面的殘余化學品進行清洗，避免竄槽現象發生，以免雜質離子帶入后道工序。適當提高水洗槽生產期間的更新率，以及停產期間的倒槽頻次，對前處理的灰粒控制也有一定積極作用。一般水洗槽更換頻次建議控制在1次/2周。

圖5 旋液分離器

停產期間，通過倒槽清洗，對整個前處理工藝系統進行深度清潔，而日常生產期間則通過每個槽的各類過濾系統對槽液進行循環清潔。整個前處理工藝的設備過濾系統一般有旋液分離器、紙袋過濾器、沉降槽、過濾袋、磷化除渣機（磷化工藝）等幾大類。為了實現更好的系統自清潔效果，一般建議：

（1）在脫脂段，由于從車身沖洗下來的顆粒雜質較多，通常可采用沉降槽結合紙袋過濾器的方式，低成本高效率的清除大部分顆粒雜質，此外結合炮筒式旋液分離器及過濾袋，更有效地過濾槽液中的金屬雜質及從車身沖下的部分車身膠。

（2）在水洗段，由于金屬顆粒數量的下降、粒徑的減小，一般過濾設備可采用管式旋液分離器及過濾袋相結合，進一步清除槽液中的細小顆粒雜質。

（3）根據不同槽體內的槽液潔凈程度，在不同工藝段可采用不同精度、不同材質的過濾袋。為保證清潔效率、同時不影響槽液中有效化學品成分、并且避免更換頻次過高，過濾袋精度一般按照前低后高原則，建議脫脂段采用50～100μm之間，脫脂后采用10～50μm之間。可根據過濾袋更換頻次及過濾袋容污量進行綜合評估濾袋選型。

前處理工藝的日常維護、優化能保證前處理工藝的有效運行，避免后道電泳系統受到污染，但對最后電泳灰粒的減少效果有限。

1.2.3 電泳工藝的影響

目前車間使用的為高泳透力陰極電泳漆。生產 中主要監控參數有固含量、顏基比、pH值、電導率、槽液溫度、電泳電壓等。電泳槽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量和電泳槽液的穩定性。電泳噴淋系統也是影響電泳成膜質量的重要因素之一。電泳噴淋系統又包括電泳入槽加濕噴淋、電泳出槽噴淋、超濾噴淋及水洗噴淋等。車身進入電泳槽體時，若車身存在雜質或車身部分表干等，入槽后會導致車身表面電流密度不均，從而成膜膜厚不均，影響漆膜表面的平整性。電泳出槽噴淋過程中，若沖洗液沖洗壓力不足，會導致漆膜粗糙、表面電泳結塊及顆粒無法沖洗干凈。車身在通道內行進過程中，應確保噴淋系統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生。

國內前處理電泳工藝輸送方式主要有旋轉式、擺桿式、C型懸掛等型式。我車間采用的為擺桿式輸送方式，因而電泳過程中顆粒雜質在水平面存在沉積現象，再加上白車身潔凈度較差，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全面沖洗干凈。而旋轉式輸送鏈在電泳過程中則消除了水平面的顆粒沉積問題，電泳表面灰粒狀態會有很大改善。

1.3 改進方向確認

針對以上3點分析，現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，分成兩組，每組5臺。第一組在前處理進口濕膜狀態下，前蓋表面完全打磨擦拭干凈，確保無雜質顆粒殘余；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臺試驗車輛前蓋進行灰粒雜質分析，發現實驗組與對照組前蓋灰粒數量基本沒有差別。經過試驗對比可以確認，電泳打磨處理的大部分灰粒，均在電泳工藝段成膜過程中顆粒沉降產生，且后續噴淋無法有效去除，經過烘烤，嵌在漆膜內部，形成電泳灰粒。

綜上所述，關于車間現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，可以從白車身灰粒改進、前處理工藝控制、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4個方面著手，對灰粒狀態進行改進。

車間現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，形成工廠內部協同管理機制；前處理經過設備工藝改進，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，對電泳灰粒的改善進行了嘗試。通過電泳主槽循環方向調整，電泳主槽出口高壓水噴淋改造，增加電泳濕膜自動濕打磨工藝，最終使得電泳打磨灰粒狀態得到了很大改善。

2 電泳灰粒的改進

2.1 電泳主槽循環方向調整

傳統電泳主槽循環工藝采用槽液層流與車輛行進方向同向的槽液循環工藝，通過槽液循環，將槽液表面產生的泡沫、雜質、電泳結塊等通過溢流板流入輔槽，進行循環過濾。

圖6 電泳主槽循環

由于白車身從車身車間進入油漆車間后，內外表面存在大量焊球、焊渣、油污、車身膠等污染物，經過前處理清潔工藝后，95%以上的污染物可被去除，但由于內表面清潔效果不如外表面，依然存在部分雜質污染物殘余在車身內腔。

電泳主槽槽液黏稠度大于前處理槽液，使得內腔雜質更容易伴隨槽液流動，帶出車身，污染電泳槽液。電泳過程中，由于車間采用的為擺桿式輸送鏈方式，前期已經論證，該工藝在電泳過程中，槽液中的雜質顆粒更容易沉積在車身三平面。從電泳車身表面灰粒質量狀態來看，垂直面顆粒明顯好于水平面。現場根據實際產量情況，對電泳主槽每半年會進行一次倒槽清洗，從倒槽后電泳車身灰粒表現的數據統計來看，隨著產量的增加，灰粒數量呈逐漸上升的趨勢。對現場電泳槽液取樣，在實驗室進行L泳板試驗，也發現槽液中已有一定顆粒雜質污染，證實了電泳槽液隨著生產產量的增加，被白車身帶入的雜質顆粒逐漸污染，在電泳過程中又由于顆粒沉降作用再次附著到車身三平面，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，現場考慮從電泳主槽自身循環著手，加大槽液與車身相對流動速度，減少電泳過程中三平面顆粒沉降問題。

經過前期方案的制定和研究，車間在電泳倒槽期間，對槽體底噴淋及側噴淋的角度調整，使得槽液整體循環方向從順時針循環變為逆時針循環，較車身行進方向，從順向變為逆向，使得旋擺鏈行進過程中，層流方向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量統計對比，較改造前狀態灰粒數量整體下降約28%，特別是前蓋、車頂區域。從灰粒成分分析可得知，焊球下降數量尤為顯著。

圖7 電泳主槽循環改進

從此次調整結果來看，進一步確定了白車身帶入的雜質顆粒對電泳槽液的影響和電泳打磨灰粒的影響。該工藝優化經過車間驗證后，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新建工廠項目的標準工藝，同時繼續對電泳槽液整體循環進行優化，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，降低后道工序槽液固體份。通道內供應的電泳超濾水，通過兩個并聯的泵，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1.5 bar。超濾出口噴淋的管徑要大于電泳槽出口噴淋管徑。

經過觀察發現，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，電泳班組打磨后產生大量的電泳灰。針對以上問題現場進行了管路硬件改進。

將兩個并聯泵管路單獨分開，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。

電泳出口噴淋主要目的為清洗電泳表面的浮漆，所以設計的時候噴淋壓力很低。通過實驗驗證，發現噴淋壓力的提高能有效提升電泳表面質量，沖洗電泳浮漆的同時可以沖走表面殘余的電泳結塊，一定程度減少電泳灰粒的產生；同時能提高電泳后超濾水槽結凈度，減少電泳流掛。圖8：電泳噴淋壓力改造通過對噴淋水流量、壓力反復進行實驗驗證，不斷篩選，最終將泵的壓力從1.5 bar提升至3 bar，并同時將出口噴淋噴嘴型號從6004更換為高壓噴嘴5020，能夠達到最佳的噴淋效果。從電泳打磨統計的整車電泳灰粒數據來看，整體數量下降17%，能有效減少電泳打磨工作量。同時經過管路改造后，前后兩道噴淋更易于流量、壓力控制，使得液位更加平衡。同時電泳后水洗浸槽的固體分能夠穩定的控制在0.5%以下，整車電泳流掛下降20%，可減少每天10立方去離子水水的更新以及相應廢水的排放，在提升質量的同時也實現了節能減排目標。

圖8 電泳噴淋壓力改造

2.3 電泳濕膜濕打磨工藝

在電泳濕膜觀察區對車身外表面狀態進行觀察，發現可以看到很多小顆粒在電泳表面凸起，由于經過電泳烘烤后，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下，對車身三平面做打磨處理，以去除大部分金屬顆粒，則可以進一步減少電泳打磨整拉過程中產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，對濕膜電泳車身，使用電泳打磨網格砂片，捆綁無纖維抹布，在電泳前蓋表面輕輕打磨擦拭，在不影響機運速度的前提下，連續打磨5臺實驗車輛，并用純水對外表面沖洗干凈。電泳烘房出口后對實驗車輛前蓋顆粒數量進行統計，見表1。并對電泳膜厚及粗糙度進行測試，評估濕打磨對漆膜影響。

表1 濕打磨前蓋實驗車輛

通過數據發現，經過濕打磨后的車輛前蓋顆粒數明顯下降，同時對電泳表面粗糙度及電泳膜厚基本沒有影響。可以確定，濕打磨對減少電泳灰粒是很有效的改進途徑，但對于電泳濕膜觀察區工作環境惡劣，且不便于打磨后進行表面清洗，不適合長期人工操作，人工打磨可行性較低。

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，即可對電泳濕膜三平面進行打磨，打磨后及時進行沖洗，又可避免人工打磨存在的問題。

圖9 濕打磨工藝改造流程

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。在電泳入口安裝有車型識別系統，當車身即將到達濕打磨位置時，通過室體側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對車身三平面進行水平方向的往返式打磨運動，當完成一輛車的打磨后該裝置自動回到最高的安全位置。

該設備共有三套控制系統組成，打磨裝置、運動裝置以及噴淋系統。

打磨裝置：車身在運行過程中，由1795 × 525 ×1（LxW × H mm）的砂網幕簾對車身進行擦拭，砂網網格的粒度通過試驗，反復驗證、篩選，選用P 600型號，既能獲得良好的打磨效果，又能避免砂紙過硬對車身表面造成的劃傷、碰傷。幕簾通過蝶形螺母鎖緊，方便拆卸更換砂網。根據現場實際運行狀態，砂網每月更換一次，即可保證現場實際打磨效果。

圖10 濕打磨裝置（1）

運動裝置：系統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，垂直方向根據車型信息制定打磨仿形，進行相應豎直運動；配合電泳車身的勻速行進，在車身表面實現打磨效果。

圖11 濕打磨裝置（2）

噴淋系統：在幕簾上方安裝有純水噴淋系統，當濕打磨設備開始運動的同時噴淋系統接收信號并啟動，對幕簾進行噴淋，使幕簾保持濕潤的狀態；噴淋系統共五個噴嘴，單個噴嘴流量為2 L/min，壓力0.6 bar，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，對打磨后掉落的雜質顆粒進行第一時間的沖洗，以避免雜質再次黏附與車身表面。

改造后，通過一定時間的仿形優化，確保幕簾與車身達到一個合適貼合度，電泳車三平面灰粒也在穩定下降，最終經過統計，直徑大于1 mm的電泳灰粒數量減少58%，降低至個位數，平均單車打磨灰11個/臺，使得電泳打磨灰粒數量達到質的改變，對后道中涂打磨、精飾打磨雜質數量均達到改善效果。

3 結 語

針對電泳質量改進，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，通過現場幾次電泳工藝的不斷優化，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，整體灰粒數量下降75%，對油漆車間的質量控制發揮了積極的作用，同時大大降低人工打磨操作工作量，取消了電泳打磨班組三平面整拉工序操作，每班可減少班組操作員工2名。

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