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(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(yīng)用于汽車行業(yè)，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(chǎn)生的灰粒雜質(zhì)數(shù)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(xù)漆膜質(zhì)量依然會造成較大影響。

電泳工藝在整車廠應(yīng)用已有很長時間，技術(shù)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，無論是安全、環(huán)保、效率、質(zhì)量方面都有很大提升。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(guān)文獻資料也相對偏少，缺乏系統(tǒng)性分析和實踐論證。不管是在理論層面，還是在其應(yīng)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(jīng)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(xiàn)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(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(nèi)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(tǒng)。

（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(tǒng)對白車身進行清潔，由于白車身雜質(zhì)灰粒過多，清潔效果有限，部分雜質(zhì)進一步隨車身進入電泳系統(tǒng)，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(huán)不良，在電泳成膜過程中灰粒雜質(zhì)沉積產(chǎn)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(chǎn)生因素

1.2.1 白車身潔凈度的影響

板材是油漆的基礎(chǔ)，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，如果處理不干凈會直接帶入油漆車間。經(jīng)過預處理工藝時，隨車身攜帶的鐵屑、焊渣、焊球等雜質(zhì)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、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(fā)現(xiàn)，在預脫脂、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）。經(jīng)過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，部分為電泳結(jié)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(jié)塊

對車身車間的金屬雜質(zhì)、焊渣飛濺問題，通常可通過以下幾點控制措施進行優(yōu)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(chǎn)生過多熱量。

（2）優(yōu)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(diào)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(zhì)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(tǒng)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(nèi)表面金屬顆粒雜質(zhì)。由于前處理通道內(nèi)的噴淋系統(tǒng)大部分是針對車身外表面，因此針對內(nèi)腔的大流量洪流噴淋更有利于車身內(nèi)部的灰粒伴隨槽液帶出車身，并經(jīng)過槽液過濾系統(tǒng)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(chǎn)生銹蝕，提高電泳漆膜的附著力和防腐蝕能力。生產(chǎn)中主要監(jiān)控的參數(shù)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(zhì)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(huán)保需求，大部分車間的磷化前處理，已經(jīng)更新升級成鋯系薄膜前處理，該工藝最大的優(yōu)點是環(huán)保、節(jié)能、低排放，無磷化渣產(chǎn)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(nèi)外表面的殘余化學品進行清洗，避免竄槽現(xiàn)象發(fā)生，以免雜質(zhì)離子帶入后道工序。適當提高水洗槽生產(chǎn)期間的更新率，以及停產(chǎn)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(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，而日常生產(chǎn)期間則通過每個槽的各類過濾系統(tǒng)對槽液進行循環(huán)清潔。整個前處理工藝的設(shè)備過濾系統(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）等幾大類。為了實現(xiàn)更好的系統(tǒng)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(zhì)較多，通常可采用沉降槽結(jié)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(zhì)，此外結(jié)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(zhì)及從車身沖下的部分車身膠。

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

（3）根據(jù)不同槽體內(nèi)的槽液潔凈程度，在不同工藝段可采用不同精度、不同材質(zhì)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(jù)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(yōu)化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，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(chǎn) 中主要監(jiān)控參數(shù)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(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。電泳噴淋系統(tǒng)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(zhì)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(jié)塊及顆粒無法沖洗干凈。車身在通道內(nèi)行進過程中，應(yīng)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)前處理電泳工藝輸送方式主要有旋轉(zhuǎn)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(zhì)在水平面存在沉積現(xiàn)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(zhuǎn)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(tài)會有很大改善。

1.3 改進方向確認

針對以上3點分析，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，分成兩組，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臺試驗車輛前蓋進行灰粒雜質(zhì)分析，發(fā)現(xiàn)實驗組與對照組前蓋灰粒數(shù)量基本沒有差別。經(jīng)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(chǎn)生，且后續(xù)噴淋無法有效去除，經(jīng)過烘烤，嵌在漆膜內(nèi)部，形成電泳灰粒。

綜上所述，關(guān)于車間現(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(jié)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(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(shè)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(jié)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(huán)方向調(diào)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(tài)得到了很大改善。

2 電泳灰粒的改進

2.1 電泳主槽循環(huán)方向調(diào)整

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

圖6 電泳主槽循環(huán)

由于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，依然存在部分雜質(zhì)污染物殘余在車身內(nèi)腔。

電泳主槽槽液黏稠度大于前處理槽液，使得內(nèi)腔雜質(zhì)更容易伴隨槽液流動，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(jīng)論證，該工藝在電泳過程中，槽液中的雜質(zhì)顆粒更容易沉積在車身三平面。從電泳車身表面灰粒質(zhì)量狀態(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，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(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，證實了電泳槽液隨著生產(chǎn)產(chǎn)量的增加，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(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度，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)噴淋的角度調(diào)整，使得槽液整體循環(huán)方向從順時針循環(huán)變?yōu)槟鏁r針循環(huán)，較車身行進方向，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(shù)量統(tǒng)計對比，較改造前狀態(tài)灰粒數(shù)量整體下降約28%，特別是前蓋、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7 電泳主槽循環(huán)改進

從此次調(diào)整結(jié)果來看，進一步確定了白車身帶入的雜質(zhì)顆粒對電泳槽液的影響和電泳打磨灰粒的影響。該工藝優(yōu)化經(jīng)過車間驗證后，與油漆技術(shù)部門進行了充分溝通交流，從設(shè)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(nèi)供應(yīng)的電泳超濾水，通過兩個并聯(lián)的泵，分別供應(yīng)到電泳出口噴淋和超濾出口噴淋，噴淋壓力設(shè)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(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進。

將兩個并聯(lián)泵管路單獨分開，分別供應(yīng)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(shè)計的時候噴淋壓力很低。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可以沖走表面殘余的電泳結(jié)塊，一定程度減少電泳灰粒的產(chǎn)生；同時能提高電泳后超濾水槽結(jié)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(tǒng)計的整車電泳灰粒數(shù)據(jù)來看，整體數(shù)量下降17%，能有效減少電泳打磨工作量。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(wěn)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(yīng)廢水的排放，在提升質(zhì)量的同時也實現(xiàn)了節(jié)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(qū)對車身外表面狀態(tài)進行觀察，發(fā)現(xiàn)可以看到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(jié)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(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，對濕膜電泳車身，使用電泳打磨網(wǎng)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(xù)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(shù)量進行統(tǒng)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(shù)據(jù)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(qū)工作環(huán)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(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(guān)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(yīng)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(shè)備共有三套控制系統(tǒng)組成，打磨裝置、運動裝置以及噴淋系統(tǒng)。

打磨裝置：車身在運行過程中，由1795 × 525 ×1（LxW × H mm）的砂網(wǎng)幕簾對車身進行擦拭，砂網(wǎng)網(wǎng)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(wǎng)。根據(jù)現(xiàn)場實際運行狀態(tài)，砂網(wǎng)每月更換一次，即可保證現(xiàn)場實際打磨效果。

圖10 濕打磨裝置（1）

運動裝置：系統(tǒng)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)車型信息制定打磨仿形，進行相應(yīng)豎直運動；配合電泳車身的勻速行進，在車身表面實現(xiàn)打磨效果。

圖11 濕打磨裝置（2）

噴淋系統(tǒng)：在幕簾上方安裝有純水噴淋系統(tǒng)，當濕打磨設(shè)備開始運動的同時噴淋系統(tǒng)接收信號并啟動，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(zhì)顆粒進行第一時間的沖洗，以避免雜質(zhì)再次黏附與車身表面。

改造后，通過一定時間的仿形優(yōu)化，確保幕簾與車身達到一個合適貼合度，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%，降低至個位數(shù)，平均單車打磨灰11個/臺，使得電泳打磨灰粒數(shù)量達到質(zhì)的改變，對后道中涂打磨、精飾打磨雜質(zhì)數(shù)量均達到改善效果。

3 結(jié) 語

針對電泳質(zhì)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(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)量控制發(fā)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(guān)，作為現(xiàn)場尋找改進機會的一大突破口，對行業(yè)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(zhì)量要求也在不斷提升，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。