鋁清洗工藝在裝焊車間的應(yīng)用

黃俊，魏玲，高勇，徐文歡，張海濱，王磊，趙增

北京奔馳汽車有限公司 北京 100176

節(jié)能環(huán)保已成為全球汽車工業(yè)發(fā)展的大趨勢，汽車輕量化儼然成為各大汽車企業(yè)提高產(chǎn)品競爭力的有效方式。使用輕質(zhì)材料不僅可以減輕白車身質(zhì)量，還可以提高汽車的燃油效率。世界鋁業(yè)協(xié)會指出：汽車所用燃料的60%消耗于汽車自重，整車每減輕10%，可降低油耗10%～15%[1]。其中，由于密度小、耐腐蝕、比剛度和比強(qiáng)度高、抗沖擊性能良好以及吸振性能好等優(yōu)良特性，近年來鋁合金已被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)。2013年北京奔馳引進(jìn)全新C-class車型，其白車身使用了11種鋁合金壓鑄、擠壓件。在車身加長加高的情況下，白車身質(zhì)量較上代車型反而降低了71kg。然而，隨著鋁合金在白車身上的大量使用，板材金屬的多樣性和組合變化給加工工藝帶來了一系列的問題。例如：鋁材與鋼材的焊接，鋁材的螺柱焊，鋁材的前處理及磷化等。本文將重點(diǎn)介紹鋁材的清洗工藝在白車身上的應(yīng)用分析及討論。

工藝流程及清洗的重要性

作為含鋁車身生產(chǎn)線的配套實施，北京奔馳新建了一條全自動化的鋁清洗生產(chǎn)線，該線主要由清洗和烘干強(qiáng)冷兩部分組成。如圖1所示為鋁清洗線工藝流程，清洗階段由預(yù)脫脂、脫脂、水洗1、水洗2等六個工藝槽組成，清洗采用全浸式處理方式。其中1號、2號為預(yù)脫脂槽，3號、4號為脫脂槽，5號、6號為水洗槽。該生產(chǎn)線節(jié)拍為9.08min，每托架運(yùn)行一個完整的工藝時間為136min。烘干室采用天然氣加熱，循環(huán)風(fēng)通過空氣循環(huán)單元加熱達(dá)到烘干零件的目的。

圖1 鋁清洗線工藝流程

鋁清洗線主要是針對裝配在白車身上的鋁件進(jìn)行表面處理。一方面，在焊接前把零件表面附著的各種異物（油污、銹蝕、灰塵等）去除；另一方面，剝離表面無規(guī)則的多孔型氧化鋁，繼而生成硅化膜，提供適合于焊接要求的良好基底，同時保證涂膠具有良好的附著力和耐蝕性。

鋁清洗系統(tǒng)組成

鋁清洗線主要由預(yù)脫脂處理、脫脂處理、水洗系統(tǒng)、油水分離系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、過濾循環(huán)系統(tǒng)、脫脂液補(bǔ)加系統(tǒng)、純水系統(tǒng)以及PLC系統(tǒng)等組成。

（1）預(yù)脫脂處理 采用全浸方式對工件進(jìn)行處理，初步去除工件表面附著的油污、鋁屑以及表面氧化層等。

（2）脫脂處理 采用全浸方式對工件進(jìn)行處理，除了預(yù)處理功能外，可形成規(guī)則且均勻的硅化膜。

（3）水洗系統(tǒng) 采用DI去離子水全浸方式對工件表面進(jìn)行處理，去除工件金屬表面殘留的脫脂液。通過液位計控制槽液位，當(dāng)液位下降時自動補(bǔ)加去離子水。

（4）油水分離系統(tǒng) 該系統(tǒng)可對預(yù)脫脂槽液進(jìn)行油水分離，槽液輸送到反乳化槽內(nèi)靜置，通過隔板和分離器使液體中的油收集起來，剩下合格的清洗水將通過重力或者是回程泵將其引回到脫脂槽。

（5）供熱系統(tǒng) 天然氣熱水鍋爐供熱系統(tǒng)為預(yù)脫脂和脫脂槽提供熱源，脫脂液的換熱通過板式熱交換器進(jìn)行，溫度控制采用電動調(diào)節(jié)閥自動控制。

（6）烘干系統(tǒng) 烘干室循環(huán)風(fēng)通過空氣循環(huán)單元加熱，它包含一個變頻循環(huán)風(fēng)機(jī)和一個熱交換器，在進(jìn)口和出口安裝補(bǔ)償器。此外在循環(huán)單元上安裝燃燒器，采用對流加熱零件以達(dá)到烘干零件的目的。

（7）冷卻系統(tǒng) 冷卻空氣從廠房外吸入，經(jīng)噴嘴吹到工件表面使其冷卻。

（8）過濾循環(huán)系統(tǒng) 預(yù)脫脂和脫脂槽循環(huán)管道采用兩級過濾——一級為籃式過濾器，二級為100μm的袋式過濾器，配置100m3/h的循環(huán)泵。水洗槽為50μm的袋式過濾器，配置80m3/h的循環(huán)泵。

（9）脫脂液補(bǔ)加系統(tǒng) 當(dāng)預(yù)脫脂、脫脂槽液的游離堿點(diǎn)、總堿點(diǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)時，需要通過該系統(tǒng)補(bǔ)加藥液。預(yù)升溫且攪拌均勻后方可加入預(yù)脫脂、脫脂槽。

（10）純水系統(tǒng) 設(shè)計反滲透純水裝置制水量約3 m3/h，穩(wěn)態(tài)輸出純水電導(dǎo)率不大于20μm/cm。

（11）PLC系統(tǒng) PLC是鋁清洗線自動化的大腦，控制行車、收集各種信號、工序等，采用Siemens的S7-319F-3PN/DP PLC，總線方式ProfiNET。

清洗效果的影響因素

脫脂質(zhì)量的好壞主要取決于脫脂溫度、脫脂時間、機(jī)械作用和脫脂劑四個因素。

1）一般說來，溫度越高，脫脂越徹底。這是因為溫度使油污的物理性能發(fā)生變化，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，加速表面活性劑分子的運(yùn)動，從而促進(jìn)浸潤、乳化、分散等作用。隨著溫度的升高，溶液對污物的溶解能力也提高。

2）增加脫脂時間，即延長脫脂液與油污的接觸時間，從而提高脫脂效果。油污越多，脫脂時間越長。但是在流水線作業(yè)中，往往需要考慮實際情況。

3）在脫脂中，借助于壓力噴射或攪拌等機(jī)械作用是非常有效的。對于浸漬脫脂也不能認(rèn)為是靜止浸漬，必須裝備循環(huán)泵，使溶液不停地攪動。

4）脫脂劑的脫脂效果與濃度并不是直線上升的關(guān)系，脫脂劑濃度適當(dāng)才能保證最佳效果。使用過程中，脫脂劑會不斷地被消耗，使?jié)舛冉档?，因此，必須定期補(bǔ)加脫脂劑，以保持必要的濃度。

鋁清洗工藝參數(shù)檢測、控制

鋁清洗生產(chǎn)線為保證清洗質(zhì)量，必須嚴(yán)格地控制工藝參數(shù)。在清洗運(yùn)行時，每托架分別走1號和4號槽或走2號和3號槽，然后統(tǒng)一到5號和6號槽進(jìn)行水洗。整個鋁清洗線工藝參數(shù)由人工監(jiān)控和設(shè)備在線監(jiān)控組成。其中，脫脂槽的游離堿點(diǎn)、總堿點(diǎn)、槽液壽命與水洗槽的電導(dǎo)率及溢流量由人工日常檢測監(jiān)控，其他參數(shù)由設(shè)備在線監(jiān)控，各工藝槽的工藝參數(shù)見表1。

表1 鋁清洗線工藝參數(shù)

清洗質(zhì)量要求

清洗后的零件檢測分為日常檢測及定期檢測。日常生產(chǎn)主要是進(jìn)行表面外觀質(zhì)量的檢測，定期檢測主要是采用標(biāo)準(zhǔn)試驗板進(jìn)行表面硅化膜重的檢測。

清洗后的零件要求表面無油漬、無堿漬殘留，清洗零件采用目視、達(dá)因筆（表面張力筆）進(jìn)行檢測。如圖2所示，當(dāng)表面殘留油漬，達(dá)因筆畫線將收縮成珠點(diǎn)狀，而清洗合格零件畫線逐漸擴(kuò)散，分布均勻，無任何珠點(diǎn)形成。當(dāng)表面殘留堿漬時，零件表面出現(xiàn)不同程度的白色花斑，嚴(yán)重時觸摸可見白色粉末狀，而清洗合格零件表面光潔，觸摸無異物感。

圖2 質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)

在穩(wěn)定的系列化生產(chǎn)中，要求每3個月進(jìn)行一次硅化膜檢測。如圖3所示，檢測采用德國Chemetall公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)鋁板GRADOBOND/AA6104進(jìn)行檢測。同時，為保證與正常生產(chǎn)的一致性，實驗鋁板清洗需掛在零件框內(nèi)隨零件一同清洗，清洗后的鋁板需保證表面清潔、無劃痕，硅化膜重采用XRF測試，標(biāo)準(zhǔn)為2～7mg/m2。

圖3 測試硅化膜重的標(biāo)準(zhǔn)鋁板GRADOBOND/AA6104

脫脂常見問題及對策

脫脂處理涉及到的參數(shù)較多，各工藝參數(shù)之間存在一定的關(guān)聯(lián)性，在實際生產(chǎn)過程中對技術(shù)人員及現(xiàn)場操作人員往往要求較高。該鋁清洗線已運(yùn)行4年有余，現(xiàn)總結(jié)部分日常生產(chǎn)常見的問題及對策以供參考，見表2。

表2 脫脂常見問題及對策

展望與未來

隨著汽車行業(yè)對輕量化的追逐，鋁合金的應(yīng)用越來越廣。然而，鋁合金的運(yùn)用對白車身的焊接必然帶來新的挑戰(zhàn)，如何解決在鋁合金上的螺柱焊、涂膠等工藝成為汽車行業(yè)的一大難題。本文闡述的鋁清洗線（即堿性脫脂處理線）是解決這一問題的有效方法，但是，該脫脂處理方法在高堿度、高工作濃度的條件下進(jìn)行，以至于消耗藥劑量大，同時水洗需要消耗大量的DI去離子水。隨著環(huán)保要求的提高，目前行業(yè)研究比較熱門的是應(yīng)用生物可降解表面活性劑，對清洗劑提出的要求是無磷、無硅和低COD/BOD排放。目前雖然已研究出經(jīng)濟(jì)環(huán)保的清洗劑，但成本高，在工業(yè)上廣泛應(yīng)用仍有一定的困難。