轎車鋁件酸洗鈍化工藝

朱進 趙利紅 張博 胡齊 常曉亮

（一汽-大眾汽車有限公司，長春 130000）

1 前言

近年來，為實現車身輕量化、降低能耗，鋁合金被大量運用于汽車制造產業，為雙碳目標的實現提供了一種可行方案。鋁合金活潑性強、易氧化、易被酸堿腐蝕，因此，在實際生產中，鋁合金表面處理非常重要。另外，由于鋁合金導熱性強且比熱容高，在焊裝焊接時，會有大量熱能傳導到鋁合金內部被消耗，未被用于熔化金屬熔池，因此，為保證焊接質量，鋁合金表面電阻穩定非常重要[1]。某主機廠首次在國內建立酸洗鈍化工藝除去鋁件表面油污以及自然條件下形成的氧化層，并形成新的鈍化膜，保證了焊接前鋁件表面電阻穩定。介紹了焊裝前鋁件的酸洗-鈍化工藝，對常見問題進行分析，有效提升了該工藝的問題處理與管理能力。另外，對與該工藝配套的污水處理工藝進行了介紹，保證了生產全流程綠色環保化。

鋁的活潑性強，因此鋁件在焊裝裝車后，隨整車進入涂裝時需要對其磷化工藝實施特殊控制，保證涂裝質量。目前涂裝工藝中，高鋁比轎車的生產工藝控制已相對成熟[2]。

2 酸洗鈍化工藝

2.1 功能特點及原理

酸洗鈍化工藝是指在焊接前對沖壓后的鋁件表面進行特殊處理。首先，該工藝會去除生產及運輸過程中附著在鋁件表面的灰塵、潤滑油污等雜質，使鋁件表面干凈無污染；其次，在酸洗鈍化槽中，利用酸性溶液除去鋁件表面的氧化層，同時形成具備一定初始強度的鈍化膜，保證鋁件表面電阻穩定和焊接工藝的可實施性。

成膜過程包括：酸洗（去除表面氧化層）和鈍化（形成鈍化膜）。反應原理如下：

2.2 工藝流程

酸洗鈍化工藝流程為：脫脂1→脫脂2→水洗1→水洗2→酸洗鈍化→水洗3→水洗4→水洗5→烘干。脫脂使用表面活性劑及堿性介質，全浸式清洗除去鋁件表面油污；水洗使用工業水洗全浸式，除去鋁件表面脫脂液；酸洗鈍化使用酸除去鋁件表面氧化層，并在鋁表面形成新的鈍化膜；水洗使用工業水洗全浸式，除去鋁件表面酸液；烘干在烘爐中通過高溫除去鋁件表面工業水。

2.3 工藝參數

為保證鈍化工藝能夠形成質量穩定的鈍化膜，需要控制好各工藝參數，主要參數如表1所示。

表1 酸洗鈍化工藝參數

3 酸洗鈍化脫脂缺陷管理

3.1 問題描述

涂裝車間某三廂轎車行李箱蓋電泳后表面出現可見圓圈狀缺陷，該缺陷在噴涂面漆后不能被遮蓋，必須在電泳后打磨。如圖1 所示，該缺陷位置和焊裝焊接機器人抓舉吸盤印位置一致，且白車身狀態無可見缺陷。在白車身對應位置進行打磨，電泳后該缺陷消除，可初步判定該缺陷發生在涂裝工藝前，且與焊裝抓舉機器人吸盤有關，涂裝電泳涂層將該缺陷放大成可見狀態。

圖1 行李箱蓋吸盤印缺陷

3.2 缺陷排查

對焊裝吸盤進行清理，老化或者損壞部件進行新件替換。發現新批次的后蓋該缺陷并未消除，可進一步判定該缺陷與焊裝吸盤有關，但不是缺陷根源。

截取缺陷位置與非缺陷位置，使用溶劑浸泡去除表面電泳漆，對樣品表面進行X-射線能量色譜儀（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）分析，分析結果如表2 所示。

表2 缺陷位置鋁板表面成分（質量分數） %

可見缺陷位置含有Cu 和Ca 2 種元素，這2 種元素在涂裝和焊裝工藝中均不涉及，且鋁板原材料也不包含這2 種元素。分析發現，這2 種元素是沖壓潤滑油的成份，進一步推斷該缺陷根源是沖壓油污殘留，即在沖壓工序和焊裝工序之間，酸洗鈍化的脫脂工藝鋁合金沖壓用油污去除不徹底，鋁合金表面殘留油污在焊裝吸盤壓力下滲入合金內部，涂裝電泳涂層后缺陷被放大成可見狀態。另外，由于氧元素質量分數增加，推斷可能存在氧化膜酸洗不徹底。但由于生產工藝中該類問題發生概率極低，可以排除：首先，酸洗過程是浸沒式，局部位置酸洗不充分的可能性較小；其次，酸洗鈍化工藝中清洗不徹底的氧化膜在后續脫脂和磷化工藝中會被消除。

3.3 缺陷消除

針對上述分析，設計試驗進行驗證。鋁件酸洗鈍化工藝前，使用表面活性劑擦拭缺陷位置，并使用純水清洗干凈，然后正常進行后續工藝，發現該批次試驗件缺陷完全消除。結果表明，上述推斷正確，即行李箱蓋電泳后出現的圓圈狀缺陷是由于沖壓潤滑油在酸洗鈍化的脫脂工藝中清洗不徹底，殘留油污在焊裝吸盤外力作用下滲入鈑金內部，在涂裝電泳后缺陷被放大形成。

3.4 質量管理和提升

針對上述缺陷以及風險，從工藝、設備管理以及日常維護角度制定保證鋁件質量的有效方案：

a. 化學藥劑：表面活性劑添加量優化，將現場活性劑的濃度按照工藝參數管理規定上限5.3 g/L控制；更換脫脂槽液后，每周二、周四對脫脂區補加表面活性劑10～20 kg。

b.槽液更新：增加脫脂一區槽液更新頻次，脫脂一區槽液由每兩周更換一次更改為每周更換，保證槽液藥劑有效性以及槽體和槽液清潔度，減少細菌的滋生，提升鋁件脫脂效果。

c. 槽液溢流：更改水洗區溢流量，水洗三區溢流量由200 L/h 增加到300 L/h；水洗六區溢流量由100 L/h 增加到200 L/h，增加溢流量，提升鋁件的清洗質量。

d.設備控制：優化除油設備運行計劃，將現場除油的三相分離器由每周五運行6 h，改為每天生產結束后運行3 h，增加除油頻率和除油總時間，降低脫脂液內油污含量。

通過以上措施，現場鋁件脫脂質量穩定，可完全消除電泳后油污造成的圓圈狀缺陷。結果表明，酸洗鈍化工藝中脫脂工藝對提高后續鋁板表面的漆膜質量非常重要。

4 鈍化涂層研究

4.1 油污缺陷

涂裝車間三廂轎車鋁板行李箱蓋的立面，電泳后出現肉眼可見的不規則“油污痕”缺陷，且白車身外觀無異常。排查前處理出口時發現，帶水膜車身行李箱蓋同樣位置有類似可見“油污痕”缺陷，與電泳后缺陷狀態完全一致，初步判定該缺陷和電泳無關。

進一步在前處理入口的白車身檢查工位使用純水擦拭缺陷位置，發現該“油污痕”缺陷在白車身上已存在，如圖2 所示。且該缺陷在白車身表面干燥時肉眼不可見，初步判定該缺陷是白車身自帶缺陷，在前處理過程無法消除，且在電泳后被放大。

圖2 油污痕和正常狀態鋁板

繼續分析前道工序，包括焊裝、酸洗鈍化、沖壓，發現該缺陷是由板材缺陷造成的，在沖壓鈑金件表面就已存在。進一步對缺陷鈑金進行留樣，樣本表面元素分析結果如表3 所示。

表3 缺陷位置鋁板表面成份

結果顯示，該缺陷位置存在Ti 和Zr 2 種元素，結合鋁板材供應商生產工藝進行分析，發現“油污痕”缺陷成因為：生產缺陷鋁材卷前道工序為生產一卷涂Ti-Zr 涂層的鋁材卷，當前道工序鋁材卷生產完畢，退出Ti-Zr 噴淋工序后，管道內殘留的Ti-Zr 液體滴落至后道工序生產的鋁材卷表面，形成Ti-Zr 滴印，影響長度為100～200 m 的鋁材卷。

鋁材卷生產完成后肉眼很難發現干燥鋁板表面的Ti-Zr 滴印，因而缺陷流出，在涂裝電泳工藝后被放大為肉眼可見的不規則“油污痕”缺陷。鋁板供應商通過Ti-Zr 噴梁的改造，避免了噴淋關閉后管道內的殘留液體滴漏至鋁板表面，徹底消除了該缺陷。

4.2 Ti-Zr涂層對酸洗鈍化的影響

通過以上缺陷排查，繼續對比不同供應商提供的鋁板發現，在酸洗鈍化工藝前，部分鋁板表面本身存在Ti-Zr 涂層，因涂層均勻分布在鋁板表面，造成在涂裝工藝后目視表面沒有異常，且目視對涂裝各漆膜沒有影響，未被重點關注。但通過對比發現，理論上Ti-Zr 涂層和酸洗鈍化涂層功能有重疊，需要研究Ti-Zr 涂層對酸洗鈍化工藝的影響，保證酸洗鈍化工藝成膜質量。

首先對比公司標準，鋁板鈍化膜存在以下2 個維度的技術要求。首先，鋁板表面膜重及元素占比必須在規定范圍內，其中膜重以主要元素占比體現，表面元素的變化是鋁板表面處理過程中微觀角度的本質變化。其次，鋁板酸洗鈍化后表面電阻必須穩定在一定范圍，表面電阻穩定是鋁板表面處理的主要目的之一。

在Ti-Zr系鈍化工藝中，Ti含量標準范圍為1～7 mg/m2，Zr含量標準范圍為1～7 mg/m2。

在進行酸洗鈍化前，有Ti-Zr 涂層的鋁板表面Ti、Zr 含量如圖3 所示，分析可得鋁板表面Ti、Zr 含量相對穩定，且元素含量及表面電阻在標準范圍內；酸洗鈍化工藝后，Ti 元素含量增加明顯，而Zr元素含量相對降低，低于標準值。圖3 中各位置對應的表面電阻如表4 所示，分析可得酸洗鈍化前表面電阻滿足標準要求，酸洗鈍化后表面電阻增加且不均勻，超出標準范圍。

圖3 Ti-Zr涂層鋁板酸洗鈍化前后表面變化

表4 Ti-Zr涂層鋁板酸洗鈍化處理表面電阻 ×10-2 mm2/m

若鋁板表面自帶局部Ti-Zr 涂層，會在電泳工序后使鋁板表面形成“油污痕”缺陷及鋁板表面自帶均勻Ti-Zr 涂層造成鈍化后Ti-Zr 涂層被部分清除、鋁板表面電阻超標2 種缺陷。因此，需要進行酸洗鈍化處理的鋁板自帶Ti-Zr 涂層是冗余工藝，Ti-Zr 涂層和酸洗鈍化不應同時存在。因此對酸洗鈍化前的鋁板表面必須制定嚴格標準，并加強鋁板的日常檢查與管理；為保證酸洗鈍化的效果，鋁板表面不能存在Ti-Zr 涂層。

5 污水處理

酸洗鈍化工藝過程會產生大量廢水，其中脫脂工藝會產生大量含油脂廢水，酸洗鈍化工藝會產生含少量金屬離子的廢水，這些廢水均需處理后排入市政管道。

儲存脫脂廢水的槽體將脫脂廢水按照0.25 m3/h的流量排入絮凝反應槽1 中，向絮凝反應槽體添加濃度為3%～9%的NaOH 溶液，將pH 值調整至10～12后，再加入濃度為6%～15%的CaCl 溶液以及濃度為0.3%～1.5%的聚丙烯酰胺高分子聚合物（Polyacrylamide，PAM），添加至產生鞏花，通過絮凝作用對廢水中的雜質進行吸附，并流入沉淀池。廢水進入沉淀池后，吸附雜質的絮凝劑在沉淀池中進行沉淀，達到泥水分離的目的，分離后的廢水流入絮凝反應槽2；沉淀槽采用斜管設計，增加泥水分離面積，提高分離效率。沉降的污泥在重力作用下進入濃縮池1，進一步降低污泥中的含水量，但濃縮后的污泥含水量仍較高，呈流動稀泥狀態，最后通過壓濾機壓盤加壓和壓盤上的濾布過濾進一步減少污泥中的含水量，并將污泥壓成泥餅狀后排入泥斗中。

存儲酸洗鈍化產生廢水的槽體向絮凝反應槽2 中以0.15 m3/h 的流量排出廢液，絮凝反應槽2 中加入濃度為3%～9%的HCl 溶液以及濃度為0.3%～1.5%的PAM 至產生鞏花，然后流入氣浮池，在氣浮池中注入大量氣泡，使污水中顆粒度減小，密度接近水的懸浮物上浮，這些污染物很難通過沉淀方式去除，氣浮池中分離的污染物會通過刮渣機排入濃縮池2。

經過氣浮池處理的污水進入pH 值調節槽，通過加入HCl 溶液將pH 值調整至3.0～4.0。調整穩定后的污水排入微電解池中，微電解池利用鐵和炭構成原電池的正極和負極，以酸洗廢水為電解質溶液，通過氧化還原反應處理污水中溶解度高、難以生化降解的有機污染物，進而降低廢水中的有機污染物濃度。微電解后的污水排入絮凝池3中，添加NaOH 溶液、硫酸亞鐵（PFS）溶液和PAM至產生鞏花，排入沉淀池2 中，分離出的污泥排入污泥濃縮池2，污泥經壓濾后進入集渣漏斗；廢水排入pH 值調節池2 中，然后加入HCl 溶液，將pH值調整至6～8 左右，穩定后通過石英砂過濾除去固體物，最后排入清水池中，通過在線監測系統檢測清水池中水質情況，水質檢測標準如表5 所示。滿足標準后的清水排入市政污水管道，如檢測不合格，污染物超標的污水會回流進入集水坑并重新抽回到廢液槽中。

表5 水質檢測標準

針對酸洗鈍化工藝特點設計的污水處理工藝，能有效處理污水中的油污和金屬離子，降低化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD），使廢水滿足排放標準后排放，達到環保的目的。

6 結束語

鋁件具有活潑性強以及導熱性好的特點，當其用于汽車車身制造時，需要進行特殊的表面處理。本文介紹了鋁件在焊接前的酸洗鈍化工藝以及常見的質量問題，并從實際生產角度出發，提供了針對性解決方案，提升了酸洗鈍化工藝的質量。

酸洗鈍化前的脫脂工藝可以通過增加表面活性劑提升脫脂效果。通過增加槽液更換頻次、溢流量、除油設備的啟停計劃3 項措施有效減少了脫脂液中油脂的含量。通過以上措施可去除鋁件表面油脂，有效提升鋁件在后續涂裝電泳質量。鋁件初始的表面質量對酸洗鈍化工藝也存在很大影響，需要進行酸洗鈍化的鋁件表面不能有Ti-Zr 涂層。若鋁件表面Ti-Zr 涂層分布不均勻，容易導致鋁件表面在后續涂裝電泳后出現油污狀缺陷。即使Ti-Zr 涂層均勻分布，也容易導致鋁件表面在酸洗鈍化后電阻超標，無法滿足焊接要求。同時，酸洗鈍化產生的廢水也必須進行物化處理，滿足污水排放標準后排放。