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[车身benchmark] 车身电泳粗糙度问题改善措施探讨

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发表于 2020-5-27 09:37:19 | 显示全部楼层 |阅读模式

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车身电泳粗糙度问题改善措施探讨

蓝荣福

(广州汽车集团乘用车有限公司技术中心,广州511434)

【中国汽车材料网】摘 要:为解决电泳固化不良引发粗糙度高,影响车身外观品质的问题,本文通过下调现场电泳槽液颜基比、提高溶剂丙二醇苯醚(PPH)含量、降低烘干炉升温速率和导入新型溶剂的措施,对电泳粗糙度进行改善探讨。结果表明:调整颜基比、溶剂含量、升温速率均无法有效改善粗糙度;添加某新型溶剂至电泳槽,能将电泳粗糙度降低至0.26~0.28μm。研究表明:导入新型溶剂的措施彻底解决了电泳粗糙度的问题,同时车身外观也提升为光泽高、橘皮低的高品质水准,并且没有产生其他风险。
关键词:电泳;固化;粗糙度;车身涂装
汽车涂装技术日新月异,光泽高、橘皮低、光亮如镜的外观成为消费者、主机厂、涂料厂家的共同追求。研究表明3C2B工艺的电泳涂膜粗糙度一般情况下控制在Ra≤0.4μm,大部分主机厂根据实际生产经验认为Ra≤0.3 μm 才易获得高外观要求品质[1-2]。影响电泳涂膜粗糙度的因素很多,如车身板材、车身磷化膜、电泳槽液参数、电泳材料特性、现场管理、输送系统、烘烤条件等。已有研究表明降低车身板材粗糙度、细化磷化膜晶粒、调整电泳槽液参数(pH、颜基比、电导率、溶剂含量等)、使用新型电泳涂料、降低升温速率等措施可以改善电泳粗糙度,但因成本或现场生产条件等限制因素,其实际改善效果可能会被削弱[3-4]。本文由某次电泳粗糙度问题展开,详细探讨问题产生的原因和措施的有效性,从新的出发点解决电泳粗糙度高的问题,并取得良好的改善效果。

1 问题描述及原因分析
1.1 问题描述
某条涂装线为3C2B 工艺,在日常监控车身电泳品质时发现全车系车身电泳粗糙度Ra缓慢升高,持续发生2个多月后维持在高位,同期车身面漆层出现长波(LW)、短波(SW)数据超标、外观变差的现象。选择某A车型的机盖作为代表性区域进行分析,统计机盖平均粗糙度与LW、SW 随时间推移的变化趋势,如图1 所示;本文粗糙度Ra测量取样长度2.5 mm,取样5个,取平均值。
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图1 电泳粗糙度与面漆LW、SW随时间变化趋势

Fig.1 The trend between the electrophoresis roughness and the LW,SW


由图1 可知,随着时间的推移,粗糙度逐渐增大至0.45~0.50 μm,LW、SW 出现相同的趋势,最高值可达6.5、27.0;超过Ra≤0.3 μm、LW≤4、SW≤20 的管控标准,车身外观质量变差。
1.2 原因分析
在A车型试制过程中,发现铰链位置电泳固化不良,使用甲基异丁基酮擦拭,出现轻微掉漆现象,其余量产车型正常。对比各车型铰链的烘烤曲线,分析结果如表1所示。
表1 不同车型铰链的烘烤条件

Table 1 The baking conditions of different door hinges

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由表1 可知,A 车型铰链位置的保温时间在160 ℃以上仅6.8 min,无法满足电泳漆烘烤窗口160 ℃以上10 min的最低控制标准。
现场烘干炉烘烤能力已达到极限,无法继续提高炉温。考虑通过改良颜料配方,将颜料中催化剂含量提高了25%~35%,以解决A 车型铰链位置固化不良的问题。
随着改良颜料不断地添加置换,电泳湿膜中的异氰酸酯封闭剂解封速率和高分子交联固化速率加快,解决了固化不良的问题。但与此同时,引起烘烤过程中流平时间减少,不利于漆膜平滑化,对维持电泳合格粗糙度产生负面影响。图2 是改良颜料置换率(改良颜料占槽液总颜料的质量分数)与机盖电泳粗糙度的曲线,从图2可知随着改良颜料的不断添加置换,电泳粗糙度逐渐升高。
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图2 改良颜料置换率与电泳粗糙度曲线

Fig.2 The curve between the improved pigment conversion rate and the electrophoresis roughness


2 对策验证与效果确认
在烘干炉烘烤能力已达极限的情况下,流平时间与固化效率成为一对矛盾体,改善流平效果、降低粗糙度可能会影响固化效率,固化效率的不足会严重影响电泳涂膜的附着力、耐腐蚀性、耐崩裂性、耐石击等性能,零件可能因腐蚀而丧失功能,导致汽车发生交通事故等不良后果[5]。故在对策验证过程中必须高度关注固化效果。
2.1 调整烘干炉炉温
在解决固化的前提下,尝试通过降低电泳烘干炉炉温从而延缓升温速率,增加电泳湿膜流平时间来改善粗糙度。将电泳烘干炉升温一区炉温从155 ℃降至145 ℃,验证发现A 车型铰链固化不良问题重新出现,机盖粗糙度改善不明显。
2.2 调整电泳槽液参数
分析电泳槽液参数发现,颜基比为16.8%,接近电泳涂料厂家提供的10%~17%范围的上限值;溶剂丙二醇苯醚(PPH)含量为0.38%,处于厂家提供的0.2%~0.8%范围内的较低水平。一般来说,槽液的颜基比和溶剂含量会影响电泳涂膜粗糙度。实验考察了降低颜基比和提高溶剂PPH 含量,对粗糙度的影响,结果如图3所示。
由图3(a)可知,随着颜基比逐渐降低,机盖粗糙度由0.45~0.50降低至0.40~0.45。但当颜基比降低至12.6%时,A车型出现固化不良。因此宜将颜基比控制在13.0%~13.5%,既能保证固化效果,又能改善涂膜粗糙度。由图3(b)可知,提高PPH 溶剂含量对粗糙度改善效果不明显。同时提高PPH 溶剂含量会增加单台耗量,提升成本。
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图3 颜基比、PPH溶剂含量对电泳粗糙度的影响

Fig.3 Influence of the pigment/binder ratio and PPH content on electrophoresis roughness


2.3 添加新型溶剂,提高流平效率
由上述验证措施可知调整烘干炉和电泳槽液参数都无法彻底解决粗糙度问题。同时车身板材粗糙度控制在0.9~1.2μm、磷化结晶尺寸控制在2~5μm,均处于较好的管控水平,改善空间微弱。结合涂料厂家在全球主机厂的应用实绩,探索各类新溶剂对粗糙度的改善效果,规避固化不良的风险是主要对策方向[6]。
2.3.1 实验室模拟
实验室取现场电泳槽液,参照产品说明书,将验证含量设定为指导含量范围的中间值分别添加A、B、C、D 4 种溶剂,溶剂成分分别为丙二醇丁醚、2-丁氧基乙醇、丙二醇甲醚、二甲基-3-羟丙基甲基(硅氧烷与聚硅氧烷)+聚乙二醇单甲醚的醚化物。充分搅拌24 h 后,进行电泳制板,在170 ℃条件下烘烤20 min,保证膜厚在17~18μm范围内。对比添加溶剂前后粗糙度改善数据。结果如表2 所示。从表2 可知,初步确定添加D 溶剂后电泳粗糙度可降低至0.3 μm 以下,添加其余溶剂后粗糙度变化较小。
继续探讨D 溶剂对粗糙度的改善效果。取现场槽液,以原槽液(不添加)、0.02%、0.05%(上限值)浓度梯度添加D溶剂,充分搅拌后,制取电泳实验板,模拟现场烘烤条件,贴于车身不同位置随车烘烤,结果如图4所示。
表2 添加不同溶剂对粗糙度的改善效果

Table 2 The improvement of roughness with the different solvents

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注:(1)——质量分数。


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图4 添加不同浓度D溶剂对电泳粗糙度的改善

Fig.4 The improvement of the electrophoresis roughness by adding different concentrations of solvent D


从图4分析可知,原槽液制作的实验板粗糙度为0.42~0.45μm;当D 溶剂浓度为200 mg/L 时,粗糙度降低至0.28~0.30 μm;浓度为500 mg/L 时,粗糙度达到0.26~0.28 μm,均满足Ra≤0.3 μm 的标准;同时确认贴于各区域的实验板固化效果良好。由上述试验可知,D 溶剂对电泳粗糙度的改善效果非常显著。
2.3.2 添加新溶剂风险评估
新型溶剂可以提高电泳湿膜流平效率,但也可能造成其他品质风险,如力学性能、泳透力、与面漆的润湿性等,需要试验检测添加该溶剂对电泳槽液及漆膜性能的影响。表3 为添加不同浓度D 溶剂的各项性能实验结果。
表3 添加不同浓度D溶剂的性能检测结果

Table 3 The performance test of adding different concentrations of solvent D into electrophoresis bath

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注:(1)—润湿性和表面张力测试使用涂料厂家内部标准,其余项目均是参考我司自行制定的企业标准,胶流动性/胶附着参考TC PCA 0010/0011,电泳性能参考TC PCA 005;(2)—干燥性验证方法是在烘干炉前,将实验板贴于车身A柱下方、B柱内、车身铰链附近,随车烘烤后用甲基异丁基酮擦拭确认。


从表3 可知,当D 溶剂的浓度达到200 mg/L、500 mg/L 时,电泳涂膜的表面张力分别降低5.7%、13.6%,但均未影响电泳涂膜与车身胶的流动性、附着性、电泳涂膜与中面涂的润湿性、电泳涂膜的物理化学性能和电泳漆的泳透力。综合以上试验结果初步判定,添加D溶剂至电泳槽液中不会对电泳槽液及漆膜性能造成其他已知风险。
2.3.3 改善效果
经上述大量实验室研究和现场试验探讨得出,当前D 溶剂可以较为完善地解决车身电泳粗糙度问题,且不产生其他品质风险。在非生产日添加200 mg/L 的D 溶剂至电泳槽,充分循环搅拌24 h进行生产,确认A 车型机盖粗糙度降低至0.26~0.28μm,LW、SW 分别降低到2.0~4.0、14~18,整车其余位置粗糙度均达标,同时持续监控现场车身粗糙度、膜厚、附着力、固化效果和泳透力等品质数据均无异常。目视车身外观提升为光泽高、橘皮低的高品质水准,完全能满足客户对C级高端车的严苛要求。


3 结 语
提高颜料中催化剂浓度以解决电泳固化不良的问题,却引发了电泳粗糙度升高的新困境。提高PPH溶剂含量、降低颜基比和烘干炉升温速率,对粗糙度改善均没有明显效果,甚至还会影响电泳固化。经大量实验验证,导入新型溶剂可将电泳粗糙度由0.40~0.45μm 降低至0.26~0.28μm,同时不会产生其他风险,完美地解决了车身电泳粗糙度问题,有效保证了车身外观卓越及其品质的稳定。目前,随着电泳涂料的发展,高平滑性、高泳透力电泳材料已逐渐成熟应用,开发并导入低温固化型阴极电泳涂料或许也是未来的一条可行的解决途径[7]。


参考文献
[1]胡旭东.浅析轿车车身涂装外观质量影响因素及对策[J].现代涂装,2012,15(9):33-36.
[2]陈慕祖.电泳涂膜粗糙度的测定与改善[J].现代涂料与涂装,2004,7(1):20-23.
[3]吴有高,刘金萱,欧阳春林,等.浅谈降低电泳漆膜外观粗糙度的改善方向[J].现代涂装,2016,19(6):45-47.
[4]王毅,石延青,薛江段,等.电泳涂膜粗糙度影响因素研究[J].涂料工业,2015,45(10):65-68.
[5]王锡春.汽车涂装工艺技术[M].1 版.北京:化学工业出版社,2005.
[6]陈慕祖,陈卫华,周彪.油漆橘皮的测定原理、方法与评价[J].涂料工业,1998,28(6):41-43.
[7]甘宇,李敏,陈火平.阴极电泳涂料的发展趋势[J].广州化工,2012,40(24):22-24.




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