電泳爆孔/鼓包問題原因及對策

張軍鵬，李抗戰(zhàn)，劉少華 （寶雞吉利汽車部件有限公司，陜西寶雞 721000）

0 引言

電泳車身質(zhì)量是B1B2免中涂工藝的核心，爆孔/鼓包缺陷打磨處理后直露基材，嚴(yán)重影響車身的防腐性能。爆孔/鼓包問題通常是因板材污染而引起的［1］，而對于多因素導(dǎo)致的缺陷需要進(jìn)行分段排查。本研究通過對板材沖壓、前處理電泳線體、電泳烤爐進(jìn)行排查研究了板材沖壓裂紋、磷化結(jié)晶致密性及漆膜烘烤固化過程導(dǎo)致的爆孔/鼓包缺陷。

1 問題描述

電泳車身固定區(qū)域?qū)ΨQ出現(xiàn)密密麻麻的爆孔及鼓包缺陷（圖1），兩種缺陷共存。爆孔缺陷為漆膜呈火山口狀爆開，直徑達(dá)到0.8～1.2 mm；鼓包缺陷為漆膜在該位置起泡，形成鼓起狀氣泡。經(jīng)統(tǒng)計，缺陷主要集中在鋅鐵合金板（GA板）門把手凹坑、翼子板棱線板材形變量較大區(qū)域（圖2），呈不穩(wěn)定無規(guī)律狀態(tài)。

圖1 爆孔/鼓包缺陷Figure 1 Blasting/bulging defect

圖2 缺陷發(fā)生部位Figure 2 Defect locations

2 缺陷分析

根據(jù)缺陷狀態(tài)懷疑為底材存在油污或異物經(jīng)前處理線體引入其它雜質(zhì)導(dǎo)致漆膜爆孔/鼓包，采用SEM（Scanning Electron Microscope，掃描電子顯微鏡）和EDS（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，X光微區(qū)分析）分析缺陷部位表面特征及污染物情況，同時對電泳烤爐進(jìn)行了分析。

2.1 前處理電泳線體分析

2.1.1 脫脂工序

在預(yù)清理工位采用無紡布蘸取脫脂液進(jìn)行機(jī)械擦拭后，電泳爆孔/鼓包問題得到明顯改善，故對前處理脫脂工序槽液含油量及脫脂除油能力進(jìn)行檢測。

采用萃取法檢測脫脂槽液含油量，經(jīng)檢測，脫脂槽液含油量為0.8 g/L，小于標(biāo)準(zhǔn)值3 g/L；采用分光光度計檢測脫脂槽液活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為128 %，符合工藝范圍70 %～150 %，故脫脂槽液含油量合格。

對沖壓板材使用的清洗油wp-60和拉延油MU320分別進(jìn)行除油率檢測，經(jīng)檢測，脫脂槽液對清洗油wp-60的除油率為97 %，對拉延油MU320的除油率為97.5 %，均大于標(biāo)準(zhǔn)值95 %，故脫脂槽液除油能力合格（表1）。

表1 脫脂液的除油率Table 1 Degreasing rate of degreasing liquid

經(jīng)過對脫脂槽液含油量及槽液除油率進(jìn)行分析，脫脂槽液狀態(tài)正常，由于熱水洗→預(yù)脫脂→脫脂采用逆工序溢流工藝，熱水洗及預(yù)脫脂槽液狀態(tài)正常，排查熱水洗→預(yù)脫脂→脫脂工序相關(guān)噴淋狀態(tài)均正常，故判定爆孔/鼓包問題與脫脂工序無關(guān)。

2.1.2 磷化工序

經(jīng)統(tǒng)計分析，缺陷部位對稱分布于車身兩側(cè)呈線條狀態(tài)，磷化工序可能出現(xiàn)的問題包括：（1）磷化過程中產(chǎn)生的氫氣未及時排出，氣泡內(nèi)磷化液無法進(jìn)入，導(dǎo)致缺陷區(qū)域磷化膜薄或不成膜（圖3）；（2）板材為鋅鐵合金板，磷化后電泳針孔電壓約為230 V，由于氣泡區(qū)域磷化成膜不完整導(dǎo)致針孔電壓更低，故產(chǎn)生氫氣氣泡爆孔/鼓包。

圖3 磷化不良導(dǎo)致缺陷形成Figure 3 Poor phosphating leads to defect formation

針對磷化循環(huán)不良導(dǎo)致磷化成膜不良，檢查磷化噴淋管道狀態(tài)正常，對層流管道進(jìn)行機(jī)械疏通，增大層流循環(huán)進(jìn)行驗證，缺陷無明顯改善；將磷化總酸和促進(jìn)劑逐步進(jìn)行提高，增加磷化膜致密性，缺陷有所改善。

經(jīng)上述分析驗證，爆孔/鼓包缺陷與磷化膜致密程度有關(guān)，磷化膜越致密，缺陷數(shù)量越少；磷化膜越稀疏，缺陷數(shù)量越多。

2.1.3 電泳工序

陰極電泳過程中工件作為陰極，在外加電場作用下電流從兩極間通過，同時在電泳槽內(nèi)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，最終在工件上形成電泳漆膜，具體電化學(xué)反應(yīng)如下：

陰極反應(yīng)：

陽極反應(yīng)：

電泳涂裝一般包括電解、電泳、電沉積、電滲4個同時進(jìn)行的過程，電泳過程導(dǎo)致爆孔/鼓包出現(xiàn)的原因有：（1）電泳過程反應(yīng)劇烈，導(dǎo)致缺陷部位產(chǎn)生大量氫氣造成氫氣鼓包；（2）電滲過程中水分子未及時透過電泳漆膜，導(dǎo)致濕膜含水量大，經(jīng)烘烤后形成鼓包。電泳過程中電滲速率與pH關(guān)系如下［2］：

當(dāng)pH＜3時，電滲速率隨pH的增大而減??；

當(dāng)3＜pH＜7時，電滲速率隨pH的增大而增大；

當(dāng)pH＞7時，電滲速率隨pH的增大而減小。

將采用E-coat Film Voltage & Temp Vs Time IPM測試缺陷部位的電勢圖與正常狀態(tài)電勢圖進(jìn)行對比，如圖4所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，發(fā)生缺陷時該位置電勢較大，接近于鍍鋅板極限電壓210 V。在不改變磷化膜致密性的情況下，將電泳電壓由200 V/260 V/310 V降低至120 V/180 V/ 260 V進(jìn)行極限電壓試驗，以減緩電泳過程的劇烈程度，減少電泳反應(yīng)中的氫氣釋放，經(jīng)試驗驗證，缺陷部位電泳膜厚由26 μm降低至18 μm，缺陷數(shù)量明顯減少但未得到徹底改善。

圖4 缺陷部位電泳電勢圖對比Figure 4 The comparison of electrophoretic potentials of defect locations

排放80T超濾液后補(bǔ)加純水，將電泳槽液pH由5.62提高至6.12，從而提高電泳后電滲效果，盡可能減少電泳濕膜含水量，經(jīng)現(xiàn)場驗證，缺陷未得到改善。

經(jīng)驗證，電泳過程中電泳反應(yīng)的劇烈程度與缺陷的形成有關(guān)，減小反應(yīng)劇烈程度在一定程度上可改善爆孔/鼓包缺陷；電泳濕膜電滲過程狀態(tài)正常，濕膜含水量正常，故缺陷形成與電滲過程無關(guān)。

2.2 沖壓板材分析

采用原位分析法對爆孔缺陷部位進(jìn)行脫電泳層處理，然后采用SEM掃描電鏡對缺陷對應(yīng)的磷化層進(jìn)行形貌觀察以及成分分析。

缺陷部位對應(yīng)區(qū)域磷化層可見局部黑色斑跡（圖5），斑跡內(nèi)的磷化層有密集裂紋（圖6），對應(yīng)的磷化結(jié)晶完整均勻，黑色斑跡內(nèi)存在大量的裂紋，尺寸或數(shù)量明顯高于斑跡外的區(qū)域，如圖中藍(lán)色箭頭所示。對缺陷區(qū)域成分分析發(fā)現(xiàn)，斑跡內(nèi)C元素偏高，Zn和Fe元素降低（表2），推測黑色斑跡處為零件表面裂紋存儲的油污殘留，在電泳烘烤時滲出污染磷化結(jié)晶，并導(dǎo)致電泳漆膜爆孔［3］。

圖5 缺陷區(qū)域磷化膜狀態(tài)Figure 5 State of phosphating film in defect area

圖6 磷化層密集裂紋Figure 6 Intensive cracks in the phosphating layer

表2 底材異物元素含量Table 2 Foreign matter element content of substrate %

采用掃描電鏡分別對沖壓后缺陷部位裸板（圖7）和磷化板（圖8）表面進(jìn)行檢測，結(jié)果如下：

圖7 裸板表面大小不一的裂紋Figure 7 Cracks of various sizes on the surface of a bare plate

圖8 磷化板表面大小不一的裂紋Figure 8 Cracks of varying sizes on the surface of phosphating plates

（1） 磷化膜膜重3.512 g/m2，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求≤5.0 g/m2；結(jié)晶尺寸滿足標(biāo)準(zhǔn)要求≤15 μm。

（2） 裸板表面存在明顯裂紋，經(jīng)磷化后磷化膜在一定程度可以改善較小的裂紋，較大裂紋仍無法改善。

故針對沖壓后板材裂紋進(jìn)行原因排查：

（1） 壓機(jī)工藝參數(shù)設(shè)置，壓機(jī)參數(shù)無異常，合格。

（2） 模具表面硬度，模具鍍鉻周期為每年1次，缺陷前模具未進(jìn)行鍍鉻，模具狀態(tài)正常。

（3） 沖壓過程油品使用，車身外板件在沖壓過程中采用沖壓油wp-60，經(jīng)檢測其運動黏度為13.72 mm2/s，遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)要求（≤10.0 mm2/s），不合格。

沖壓油的作用主要是在金屬表面形成極薄的潤滑油膜，利用油膜超凡的潤滑性和抗極壓性，有效防止工件“拖花”、“拉爆”，提高產(chǎn)品質(zhì)量和模具壽命［4］。其中運動黏度是表征油品之間相對摩擦大小的參數(shù)，當(dāng)油品運動黏度超標(biāo)時，金屬表面油膜容易破裂，引起模具與板材接觸，從而導(dǎo)致沖壓后板材表面細(xì)小裂紋。

結(jié)合2.1和2.2，分析結(jié)果表明：缺陷原因為沖壓油運動黏度超標(biāo)導(dǎo)致沖壓形變量較大的位置產(chǎn)生了表面裂紋，油污進(jìn)入表面裂紋，脫脂工序無法完全將其除去，經(jīng)烘烤后裂紋中的油污滲出形成爆孔和部分鼓包缺陷。

2.3 電泳烤爐分析

經(jīng)改善板材裂紋后，仍存在部分輕微電泳鼓包現(xiàn)象，于是對缺陷位置取樣做缺陷俯視圖（圖9），SEM分析缺陷呈規(guī)則圓圈泡狀，EDS分析未發(fā)現(xiàn)明顯異常元素。

圖9 缺陷俯視圖Figure 9 Top view of the defect

對缺陷部位采樣進(jìn)行SEM剖視分析，發(fā)現(xiàn)該鼓包缺陷（圖10）與板材裂紋缺陷（圖11）不同，缺陷處板材鍍鋅層完整，缺陷呈中空結(jié)構(gòu)，缺陷底部存在一層電泳漆膜。

圖10 氣泡鼓包缺陷剖面圖Figure 10 Defect section of bubble bulge

圖11 板材裂紋鼓包剖視Figure 11 Section view of plate crack bulge

經(jīng)過對缺陷采用SEM俯視和剖視分析，斷定該鼓包缺陷為氣泡鼓包。判斷因烤爐升溫過快，導(dǎo)致漆膜中的水分無法及時揮發(fā)掉，在高溫時形成氣泡鼓包。結(jié)合技改期間為改善電泳車身底部烘烤不良問題，對電泳烤爐部分風(fēng)嘴進(jìn)行封堵，通過提高循環(huán)風(fēng)風(fēng)速改善了電泳車身底部位置烘烤不良問題，故對烤爐風(fēng)速和烤爐升溫速率進(jìn)行測量。

電泳烤爐升溫區(qū)上下兩排風(fēng)嘴進(jìn)行了加長（圖12中藍(lán)色區(qū)域），中間區(qū)域風(fēng)嘴整體封堵（圖12灰色區(qū)域）?？緺t升溫區(qū)風(fēng)嘴出口風(fēng)速分別為17.41 m/s和15.29 m/s，遠(yuǎn)大于設(shè)計風(fēng)速10 m/s。采用BYK爐溫跟蹤儀測試爐溫，室溫升溫至80 ℃過程中，升溫速率達(dá)到18.33 ℃/min（圖13），大于電泳漆承受極限值15.0 ℃/min，導(dǎo)致漆膜迅速表干經(jīng)后續(xù)烘烤起泡。

圖12 烤爐風(fēng)嘴分布示意圖Figure 12 Air nozzles distribution diagram of the oven

圖13 改善前后烤爐升溫速率Figure 13 Oven heating rate before and after improvement

經(jīng)分析，確認(rèn)封堵烤爐部分風(fēng)嘴和延長風(fēng)嘴導(dǎo)致升溫段風(fēng)速過大，升溫速率過快，漆膜在升溫段發(fā)生表干，其中的水分無法及時揮發(fā)掉，在高溫時形成氣泡鼓包。

3 改善方案

結(jié)合爆孔/鼓包問題原因分析，改善方向如下：

磷化膜結(jié)晶致密性改善；板材沖壓裂紋改善；電泳烤爐升溫速率改善。

3.1 磷化膜結(jié)晶致密性改善

在板材裂紋改善前，臨時將磷化總酸由19.0 pt提高至24.0 pt，促進(jìn)劑由3.5 pt提高至5.0 pt，磷化結(jié)晶致密性提高，能夠有效填充到板材裂紋中，從而一定程度上改善了爆孔/鼓包缺陷。采用掃描電鏡觀察其表面形貌發(fā)現(xiàn)，磷化后板材裂紋明顯變?。▓D14）。

圖14 磷化結(jié)晶致密性對比Figure 14 Comparison of density of phosphating crystals

3.2 板材沖壓裂紋改善

通過更換沖壓油使其運動黏度達(dá)標(biāo)［5］，保證沖壓過程中在板材表面產(chǎn)生化學(xué)吸附和物理吸附，形成連續(xù)的潤滑油膜，從而避免了模具與板材直接接觸形成表面裂紋。

3.3 電泳烤爐升溫速率改善

對于“側(cè)上送側(cè)下回”形式烤爐將烤爐截面進(jìn)行抽象簡化（圖15），圖中的細(xì)線均表示不可透過的墻體［6］。將噴嘴2、噴嘴3由原先封堵狀態(tài)改為打開，噴嘴1由外置加長風(fēng)嘴改為外置短風(fēng)嘴，經(jīng)測量，烤爐風(fēng)速由17.41 m/s降至10.95 m/s，升溫速率由18.329 ℃/min降至13.525 ℃/min，滿足電泳漆升溫速率要求（≤15 ℃/min），從而保證了漆膜中的水分在表干前及時揮發(fā)，經(jīng)驗證，氣泡鼓包消失。

圖15 烤爐截面簡化圖Figure 15 Simplified section of oven

經(jīng)分析，噴嘴5、噴嘴6的氣體采用平流出風(fēng)，除部分支持工件底部加熱以外，大部分通過回風(fēng)口回流，未與工件表面接觸，導(dǎo)致烤爐熱利用效率低下，車身底部門檻烘烤不良。故可將底部噴嘴5方向調(diào)整為斜向上30°、噴嘴6方向調(diào)整為斜向上45°，集中對底部門檻部位進(jìn)行烘烤，經(jīng)實施，該位置烘烤不良問題也得以解決。

圖16 烤爐風(fēng)嘴改造圖Figure 16 Air nozzles reconstruction drawing of oven

4 結(jié)語

通過上述分析及改善，電泳車身翼子板棱線、四門門把手位置爆孔/鼓包問題得到有效解決，漆膜外觀狀態(tài)正常。通過改善過程得出如下結(jié)論：

（1） 板材沖壓裂紋中存儲的油污會導(dǎo)致電泳烘干后出現(xiàn)爆孔/鼓包缺陷。

（2） 提高磷化膜致密性有利于彌補(bǔ)板材沖壓裂紋，改善爆孔/鼓包缺陷。

（3） 電泳烤爐風(fēng)速過大、升溫速率過快會導(dǎo)致漆膜迅速表干從而形成氣泡鼓包。

（4） 采用調(diào)節(jié)風(fēng)嘴角度的方式可提高烤爐循環(huán)風(fēng)熱利用率，解決局部烘烤不良問題。