電泳氣泡缺陷探究

陳 磊,李映圖,陳桂林

(一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司,廣東佛山 528237）

汽車車身電泳生產(chǎn)線為降低設(shè)備投資及運(yùn)營成本等，普遍采用360°翻轉(zhuǎn)陰極電泳工藝，此過程容易在內(nèi)表面出現(xiàn)局部電泳漆膜表面凹陷現(xiàn)象[1]，影響防腐性能，返修需要磨平噴漆容易產(chǎn)生返修缺陷并影響員工健康。本文從設(shè)計(jì)及工藝角度分析電泳氣泡產(chǎn)生原因，并以工藝、設(shè)備及電泳材料等為切入點(diǎn)優(yōu)化電泳氣泡問題，為提升防腐質(zhì)量以及后序噴漆奠定良好基礎(chǔ)[2]。

1 電泳氣泡缺陷

1.1 缺陷描述

車身經(jīng)過翻轉(zhuǎn)入槽后開始電泳，四門開啟一定角度且車身可擺動助力內(nèi)腔成膜，能夠同時電泳多個車身滿足生產(chǎn)效率要求，車身電泳過程如圖1 所示。電泳時間根據(jù)膜厚標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)相應(yīng)硬件，決定通電起始時間。

圖1 車身電泳過程示意圖Fig.1 Car electrophoresis coat(E-coat)process in the tank

電泳烘干后，內(nèi)表門檻內(nèi)表面存在凹陷缺陷，如圖2 所示。電泳水洗后的缺陷烘干前可見，烘干后目視明顯；缺陷主要出現(xiàn)在四門內(nèi)表門檻內(nèi)表區(qū)域，如圖3 所示，電泳過程中門檻朝上，缺陷在門檻內(nèi)表面。

圖2 電泳烘干后凹陷缺陷Fig.2 Defect on the surface of car threshold after drying

圖3 電泳過程中凹陷缺陷位置Fig.3 Defect inside the surface of threshold

對缺陷用50 倍放大鏡進(jìn)行目視分析，部分缺陷直徑0.10~0.30 mm，呈現(xiàn)規(guī)則圓形；另一部分缺陷直徑0.25~0.60 mm，呈不規(guī)則圓形，如圖4 所示。對缺陷打磨分析，發(fā)現(xiàn)至板材表面缺陷消失。對缺陷切片進(jìn)行元素分析，發(fā)現(xiàn)無污染。

圖4 50倍放大鏡觀察缺陷的形態(tài)Fig.4 Defect analysis under 50 times magnifier

為評價措施效果，按面積等分缺陷區(qū)域，按有氣泡區(qū)域塊數(shù)量化評價每步措施結(jié)果，如圖5所示。

圖5 對門檻區(qū)域按面積等分評價措施效果Fig.5 Divide the evaluation measurements by dividing defect area evenly

1.2 電泳氣泡原因分析

陰極電泳過程如圖6所示，陰極電解過程中釋放出氫氣，并在車身表面形成高堿性界面，正離子與堿性界面相結(jié)合并放熱，不斷沉積成膜形成疏水性界面。

圖6 電泳原理示意圖Fig.6 Electrophoresis coat(E-coat)process

綜合材料、設(shè)備、電泳過程分析，應(yīng)為氣體附著在電泳濕膜表面，阻止電泳電沉積[3]成膜，導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生。氣泡缺陷形成過程如圖7所示。通電初期，分散后的氣泡被大分子樹脂包裹，泳向門檻表面；翻轉(zhuǎn)電泳時門檻內(nèi)表在液面表層，排氣時氣體上浮，小氣泡容易在門檻表面聚集。部分小氣泡附著在多孔的電泳濕膜表面，隨著電沉積過程，小氣泡無法及時排出，而影響成膜。

圖7 氣泡缺陷形成過程Fig.7 Hypothesis of the bubble stick on the surface of threshold during the E-coat process

這些氣體主要為車身內(nèi)腔原本存在的空氣、電泳反應(yīng)過程中釋放的氫氣[4]，經(jīng)槽液湍流循環(huán)而分散。因來源及排氣效果不同，缺陷大小及形狀各異。由于此缺陷為在電泳過程中氣體附著在濕膜表面影響成膜導(dǎo)致，因此定義為電泳氣泡[5]。

2 電泳氣泡解決措施

2.1 增加缺陷處槽液循環(huán)減少氣體附著

2.1.1 缺陷區(qū)域噴淋數(shù)量增加

通過增加門檻區(qū)域噴嘴數(shù)量加強(qiáng)循環(huán)，如圖8所示，其中增加的噴淋裝置截止位置根據(jù)成膜厚度調(diào)整。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電泳300 s 過程中，于電泳初始40 s 內(nèi)門檻區(qū)域增加6 個側(cè)噴嘴，合計(jì)增加流量 24 m3/h；每個噴嘴增加 2 個 90°彎管，配合車身行進(jìn)曲線，對噴嘴角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)整噴嘴角度直接指向門檻區(qū)域，可加快缺陷區(qū)域液體循環(huán)，幫助氣體排出。

圖8 電泳槽側(cè)噴嘴改進(jìn)前后對比Fig.8 Side spray modification for the bubble problem inside the E-coat tank

優(yōu)化后的效果如表1 所示，可以看出，在成膜初始階段增加18 個側(cè)噴嘴對氣泡缺陷優(yōu)化貢獻(xiàn)[（未改進(jìn)時氣泡數(shù)量-改進(jìn)后氣泡數(shù)量）/未改進(jìn)時氣泡數(shù)量×100%]達(dá)76%；隨著電泳膜厚增加，無法再通過增加側(cè)噴嘴消除已經(jīng)形成的電泳氣泡缺陷，需要在電泳初始階段徹底排氣，避免電泳氣泡缺陷形成。

表1 滿產(chǎn)時增加的側(cè)噴嘴數(shù)量對氣泡優(yōu)化的貢獻(xiàn)Table 1 Side spray effect on E-coat bubble problem during full production

2.1.2 抬起底噴嘴形成湍流進(jìn)行排氣

通電初始階段，電阻最小，氫氣產(chǎn)生速度最快；且車身縱梁、鈑金孔內(nèi)部殘留的氣體由于液體擠壓排出，并經(jīng)過槽液循環(huán)分散，形成小氣泡，容易附著在濕膜表面，循環(huán)不暢時，影響成膜，如圖9所示。當(dāng)車身即將通電釋放大量氣體時，根據(jù)車身在槽體內(nèi)位置，抬起底噴嘴#3和#4（入槽后底噴嘴#2無法噴淋到車身），分別朝向前后門檻氣泡缺陷起始位置，加快排氣。根據(jù)氣泡優(yōu)化結(jié)果，抬起底噴嘴#5朝向剩余氣泡起始位置，滿產(chǎn)時能夠?qū)崿F(xiàn)有氣泡區(qū)域從5塊降低至2塊。繼續(xù)抬起底噴嘴#6，有氣泡區(qū)域數(shù)量無變化，底噴嘴抬起需要在電泳初始階段氣泡形成之前。底噴嘴抬起時需要兼顧槽液整體循環(huán)，避免滿負(fù)荷生產(chǎn)時，循環(huán)阻力增加，導(dǎo)致其他位置出現(xiàn)氣泡。

2.1.3 車身行進(jìn)曲線配合噴淋排氣

為增加車身排氣時間，并借助槽體前端噴淋增加排氣效果，如圖9 所示，入槽點(diǎn)前移31 cm，實(shí)現(xiàn)最短距離（再短則與槽體干涉），減少前端噴淋與車身距離，增加排氣效果。入槽點(diǎn)前移后，噴淋根據(jù)新的車身行進(jìn)曲線進(jìn)行調(diào)節(jié)，單車生產(chǎn)時有氣泡區(qū)域從13塊降低至11塊。再通過電泳初始階段底噴嘴和側(cè)噴嘴管路增壓30 kPa，單車生產(chǎn)時有氣泡區(qū)域從11塊降低至8 塊。車身行進(jìn)曲線與噴淋配合排氣能有效減少氣泡。

圖9 電泳槽底噴嘴與車身行進(jìn)曲線配合助力循環(huán)排氣Fig.9 The bottom spray volume cooperate with the car curve to max the circulation on the surface of threshold area to diminish the bubble defect

2.2 電泳涂料優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)室模擬氣泡產(chǎn)生過程，通過電泳板結(jié)果指導(dǎo)涂層優(yōu)化，再應(yīng)用于現(xiàn)場。參考模型如圖10所示。優(yōu)化方向?yàn)樘岣唠娪就苛匣旌衔锉旧硐菪阅躘6]和增加電泳濕膜疏水性從而加強(qiáng)氣泡排出能力。

圖10 實(shí)驗(yàn)室模擬氣泡缺陷產(chǎn)生并指導(dǎo)材料優(yōu)化Fig.10 Simulation of the bubble in the lab to guide the material optimization

實(shí)驗(yàn)室采用80 mm×150 mm 鍍鋅板模擬生產(chǎn)工況（通電時間300 s，膜厚20~24 μm）進(jìn)行電泳，泳板后等分區(qū)域，評價有氣泡區(qū)域的數(shù)量，指導(dǎo)助劑尋找及添加。根據(jù)電泳涂料特性，最終添加一種疏水性難揮發(fā)溶劑，提升了電泳涂料本身消泡能力及電泳濕膜疏水性，溶劑含量（以槽液總質(zhì)量計(jì)）對電泳板氣泡缺陷區(qū)域的影響如圖11所示。

由圖11可知，疏水性溶劑含量0.30%時，能顯著降低有氣泡區(qū)域數(shù)量。實(shí)車生產(chǎn)中，溶劑含量由0.2%增加至0.3%，有氣泡區(qū)域數(shù)量從2優(yōu)化到1，如圖12中批次10。但增加疏水性溶劑含量會導(dǎo)致電泳涂料電導(dǎo)率下降，進(jìn)而影響內(nèi)腔成膜。為滿足內(nèi)腔膜厚要求，最終溶劑含量確定為0.30%~0.34%。

圖11 疏水性溶劑含量對電泳板有氣泡缺陷區(qū)域數(shù)量的影響Fig.11 Effect of hydrophobic solvent on the E-coat panel bubble

2.3 優(yōu)化生產(chǎn)過程，減少氣泡缺陷

根據(jù)電泳涂料應(yīng)用范圍，在電泳生產(chǎn)時將溫度提高2 ℃，可加快濕膜表面交聯(lián)從而提升濕膜疏水性及排氣能力。停產(chǎn)期間，低溫低循環(huán)速度保存，減少循環(huán)對電泳涂料高分子碳鏈破壞；更新率（電泳涂料加料的質(zhì)量/整個電泳槽體電泳涂料的質(zhì)量）低的電泳涂料，電泳超濾液更新30%，排除小分子樹脂，保持濕膜表面疏水性能有利于減少氣泡數(shù)量。

2.4 氣泡優(yōu)化措施及效果

氣泡缺陷優(yōu)化措施（根據(jù)條件滿足順序）及效果如圖12所示。

由圖12 可知，增加側(cè)噴嘴數(shù)量及調(diào)節(jié)角度配合車身曲線調(diào)整對消除門檻氣泡貢獻(xiàn)最大，但無側(cè)噴嘴覆蓋區(qū)域容易出現(xiàn)氣泡缺陷。底噴嘴抬起在通電初期整體排氣，能夠減少氣泡。曲線調(diào)節(jié)、延長噴淋、管路增壓都能輔助加強(qiáng)循環(huán)。

圖12 門檻氣泡缺陷優(yōu)化效果Fig.12 Bubble defect measurements and result

噴淋循環(huán)對于氣泡解決起到重要作用；輔助涂料及生產(chǎn)過程優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)0缺陷。

3 結(jié) 語

電泳氣泡常見于翻轉(zhuǎn)線車身內(nèi)表循環(huán)不暢區(qū)域，原因在于設(shè)計(jì)時涂料和設(shè)備獨(dú)立評估，對于設(shè)備、涂料、車身大小結(jié)構(gòu)互相兼容考慮不全，進(jìn)而出現(xiàn)電泳初始階段排氣不及時，可通過加強(qiáng)電泳初始階段氣泡缺陷位置的槽液循環(huán)及優(yōu)化涂料本身解決。

設(shè)備方面，設(shè)計(jì)時需要考慮電泳初始階段側(cè)噴嘴及底噴嘴的分布、數(shù)量、流量和角度，以實(shí)現(xiàn)車身內(nèi)部各點(diǎn)充分循環(huán)，提升對不同涂料、車身的適用性，助力成本優(yōu)化；涂料方面，借鑒內(nèi)表等弱循環(huán)區(qū)域的電泳后成膜狀態(tài)，指導(dǎo)電泳漆體系設(shè)計(jì)及助劑選擇以滿足氣泡要求，減少返修成本。