汽車涂裝面漆縮孔缺陷排查模型及應(yīng)用

陳磊、陳桂林、賈亮、鄭曉旭、田剛、李映圖

0 引言

汽車涂裝生產(chǎn)過程中，車身漆膜在成膜過程中由于表面張力[1]差異而形成表面凹陷缺陷，定義為縮孔[2]?？s孔為汽車涂裝行業(yè)常見問題，排查難點有：能導(dǎo)致縮孔的物質(zhì)種類繁多；數(shù)量極少即可形成縮孔；驗證方法以批量噴車烘干后驗證，具有嚴(yán)重滯后性。因此，總結(jié)汽車涂裝縮孔缺陷排查模型，用于指導(dǎo)縮孔缺陷排查及預(yù)防，減少返修成本，提升過程管理水平，并持續(xù)推動工藝、物料革新具有意義。

汽車車身常見漆膜構(gòu)成如圖1 所示，普遍包含電泳、預(yù)噴涂層、色漆和清漆層，工藝通用設(shè)計為電泳烘干、色漆閃干和清漆烘干方式。不同的工藝標(biāo)準(zhǔn)決定了各涂層的厚度，從而決定了設(shè)備選型、工藝布局和物料選擇等。因此縮孔缺陷排查要根據(jù)生產(chǎn)線特點而開展[3]，具有很強的現(xiàn)場特殊性。

圖1 涂裝工藝過程其各涂層厚度要求示例

本文根據(jù)噴漆成膜共性梳理出影響縮孔的主要因素，從而針對性預(yù)防管理縮孔缺陷。由于在噴涂過程中，涂層是逐層覆蓋的過程，每層涂層在成膜及烘干過程中都會出現(xiàn)漆膜表面張力變化[4]，都可能在過程中形成縮孔缺陷。所以在每層涂料覆蓋過程中，需根據(jù)工位要素中可能導(dǎo)致縮孔的風(fēng)險因素進(jìn)行系統(tǒng)管控，從而規(guī)避縮孔風(fēng)險。同時，針對已經(jīng)出現(xiàn)的縮孔缺陷，采用逐層、逐一要素驗證方式，快速鎖定縮孔成因并解決問題。

1 縮孔問題原因分析

縮孔缺陷形成過程如圖2 所示。在涂料濕膜、表干和烘干過程中，漆膜表面張力逐步增加，涂層內(nèi)低表面張力物質(zhì)逐步遷移到涂層表面，并推動涂層向周圍遷移。漆膜烘干后在漆面上形成淺坑狀縮孔缺陷。

圖2 縮孔缺陷形成過程示意圖

根據(jù)縮孔缺陷形成過程進(jìn)行縮孔缺陷原因分析。首先對縮孔形態(tài)進(jìn)行50 倍放大分析，并結(jié)合紅外光譜分析縮孔中是否有污染物。

如污染物來自涂料外部，則根據(jù)污染物在涂層中的位置深度以及污染物表面包裹漆膜的厚度，判斷污染物在涂料循環(huán)、濕膜、表干和烘干哪個環(huán)節(jié)污染成膜[5]，進(jìn)而針對性驗證，并分析污染物污染漆膜的驅(qū)動力。驅(qū)動力為漆膜內(nèi)部表面張力差異，則縮孔及周邊形態(tài)均勻；污染物污染漆膜的驅(qū)動力如果來自漆膜外部，如循環(huán)風(fēng)裹挾污染物污染漆膜，則縮孔會在漆膜表面呈現(xiàn)出特定涂層、特定部位出現(xiàn)的空間特點，且形態(tài)不規(guī)則。如果污染物來自涂料內(nèi)部，則排查涂料生產(chǎn)到漆膜烘干全過程，針對性進(jìn)行極限條件模擬試驗。在實驗室對可疑物料采用升溫老化、高速剪切等方式處理后，再根據(jù)不同的老化時間制作噴板以模擬缺陷。

根據(jù)縮孔缺陷形成原因可以看出，關(guān)鍵在于對影響漆膜表面張力的物質(zhì)進(jìn)行查找并排除異常的過程?？梢姰愇锟s孔，便于以污染物為線索進(jìn)行溯源，鎖定過程異常；解決有異物縮孔后，縮小縮孔排查范圍，再解決無異物縮孔。

噴漆過程為先噴色漆，再噴清漆。色漆層與清漆層縮孔有時難以區(qū)分。相比于色漆縮孔，清漆縮孔在形成過程中無色漿、填料干擾，清漆烘干后透明，更容易準(zhǔn)確判斷縮孔缺陷中心是否有可見異物，有利于根據(jù)污染物進(jìn)行溯源，從而快速解決問題。所以對縮孔缺陷詳細(xì)觀察后優(yōu)先排查有異物、清漆層縮孔，從而鎖定過程異常，縮小變量，并帶動無異物縮孔缺陷下降；然后再排查色漆層縮孔，從而建立縮孔缺陷排查模型及預(yù)防體系。

2 縮孔問題管控方案

從縮孔形成原因分析，導(dǎo)致表面張力差異的物質(zhì)最終作用于涂料成膜過程。以涂料為核心，對涂料制備運輸、涂料循環(huán)、濕膜、表干、烘干全過程導(dǎo)致涂料及成膜表面張力差異的物質(zhì)進(jìn)行排查及排除，從而實現(xiàn)縮孔問題解決及預(yù)防管理。

根據(jù)涂裝車間工藝特點，總結(jié)縮孔缺陷排查模型如圖3 所示。首先，需要明確涂料各層厚度及工藝標(biāo)準(zhǔn)，掌握工藝全過程及可能導(dǎo)致縮孔問題的影響因素。其次，對于縮孔進(jìn)行分層管控，電泳層縮孔在噴漆前處理避免與色漆層縮孔混淆；利用清漆透明、僅有一種以及過程變化容易觀察等特點優(yōu)先排除清漆層縮孔，大幅度縮小色漆層縮孔排查范圍。最后，每層涂層噴涂過程中以涂料為核心，驗證工位要素對于涂料制備與運輸、循環(huán)、濕膜、表干以及烘干成膜過程的影響，從而鎖定各要素對于縮孔的影響大小，并積累縮孔問題解決經(jīng)驗，完善縮孔缺陷監(jiān)控與排查模型。

圖3 縮孔缺陷排查模型

2.1 縮孔缺陷排查

2.1.1 材料風(fēng)險排除

縮孔缺陷是漆膜表面張力差異導(dǎo)致，所以首先需要排除物料風(fēng)險，避免缺陷批量風(fēng)險。涂料生產(chǎn)全過程及關(guān)鍵檢測點如圖4所示。物料縮孔過程檢測是通過出口噴板及使用前噴板檢測，以避免縮孔；結(jié)果驗證則根據(jù)批量噴車烘干，驗證材料有無縮孔。為避免物料風(fēng)險，一方面對材料制備全過程進(jìn)行縮孔管控；另一方面，一旦噴車出現(xiàn)縮孔，需要對整個物料生產(chǎn)、檢測和操作過程進(jìn)行追溯分析。

圖4 材料縮孔缺陷排查范圍及關(guān)鍵檢測點

物料循環(huán)系統(tǒng)為一個整體（圖5），一旦材料受污染，則整個系統(tǒng)的物料及硬件都受影響，且難以查找原因。另外，加料、過濾袋更換、潤滑和清洗系統(tǒng)等操作過程，都可能導(dǎo)致縮孔污染風(fēng)險。停產(chǎn)期間物料仍需要持續(xù)循環(huán)，涂料中溶劑、助劑隨著循環(huán)及材料剪切而揮發(fā)，所以需要對輸漆系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測。因此，有必要根據(jù)硬件及操作過程系統(tǒng)排查全過程風(fēng)險，并針對性采取風(fēng)險預(yù)案，從而實現(xiàn)輸漆系統(tǒng)縮孔問題快速驗證（表1）。

表1 物料輸漆系統(tǒng)風(fēng)險及應(yīng)對舉措

圖5 輸漆系統(tǒng)循環(huán)及噴漆示意圖

為進(jìn)一步排除物料及系統(tǒng)縮孔風(fēng)險，可取現(xiàn)場材料進(jìn)行老化實驗。取系統(tǒng)中物料，在實驗室通過40 ～50℃水浴模擬材料老化、高速攪拌模擬循環(huán)剪切，然后用不同高溫及剪切時間的物料進(jìn)行噴板烘干，觀察漆膜表面縮孔及光澤度。升溫及攪拌剪切過程中溶劑、助劑隨時間揮發(fā)，部分樹脂隨溫度升高而逐步老化，材料流平效果變差，而污染物含量不變，因此同等條件下更容易模擬出縮孔。模擬出縮孔后，以此方法為基準(zhǔn)排查來料，從而鎖定縮孔原因。

從材料配方角度，核查可能導(dǎo)致縮孔的助劑。對助劑進(jìn)行含量梯度實驗，然后噴板核查縮孔，對材料本身抗縮孔性能進(jìn)行評價?？刹捎么朔绞胶Y選抗縮孔助劑并評價其貢獻(xiàn)；同時模擬現(xiàn)場極限工況，對各種助劑的穩(wěn)定性評估，從而保障材料本身抗縮孔性能、抗縮孔助劑的效果以及長期剪切的穩(wěn)定性。最終通過現(xiàn)場小批量噴車驗證方式，評價抗縮孔助劑實驗室與現(xiàn)場貢獻(xiàn)差異，從而明確材料本身抗縮孔性及抗縮孔助劑有效性。

2.1.2 環(huán)境排查及驗證

涂裝噴涂過程為霧化噴涂，烘干為空氣換熱交聯(lián)固化過程，所以環(huán)境溫度、濕度、潔凈度；風(fēng)速、風(fēng)向、各區(qū)風(fēng)溫度都需要根據(jù)成膜表干及烘干要求而設(shè)定及維護(hù)，此過程中避免表面張力不同的物質(zhì)污染漆膜而導(dǎo)致縮孔。

噴漆及表干過程，空調(diào)送風(fēng)流程如圖6 所示，空氣溫濕度通過冷水除濕、升溫、細(xì)水霧加濕實現(xiàn)對于溫濕度控制；潔凈度通過初效、中效、頂棉過濾實現(xiàn)潔凈度逐級提升；風(fēng)速風(fēng)向通過風(fēng)機頻率實現(xiàn)控制。噴涂成膜、表干、烘干過程需要對環(huán)境因素進(jìn)行嚴(yán)格管控，環(huán)境穩(wěn)定助力漆膜表干及烘干過程穩(wěn)定，避免漆膜表面張力差異，獲得均勻穩(wěn)定成膜。

圖6 工藝空調(diào)流程及關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)

根據(jù)噴漆及工藝設(shè)計過程，可采用逐級放板進(jìn)行縮孔檢測?？稍谶^濾頂棉前后放板進(jìn)行縮孔測試，確保接觸車身空氣無污染物；同時由于噴板具有面積局限性及缺陷概率低的缺點，可以采用車身噴涂清漆后超標(biāo)準(zhǔn)時間（不出其他漆面質(zhì)量問題前提下最長停留時間）停留的方式來驗證環(huán)境中有無污染物，從而實現(xiàn)對于工位環(huán)境的預(yù)防管理。

同時也累積經(jīng)驗，如雨季廠房外空氣濕度超標(biāo)、模擬中間閃干爐濕度超標(biāo)、空氣過濾器更換前后觀察有無缺陷、缺陷的形態(tài)及數(shù)量，從而實現(xiàn)對于環(huán)境的預(yù)防管理。

2.2 設(shè)備預(yù)防縮孔管理

設(shè)備導(dǎo)致縮孔特點如圖7 所示，固定位置縮孔的具有空間特點；非固定位置縮孔，優(yōu)先排查能夠持續(xù)污染漆膜的相關(guān)因素?？砂凑赵O(shè)備空間順序通過逐一元器件驗證非金屬材料（潤滑油、墊圈、空氣過濾輔材等）縮孔是否合格、元器件保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)及實際是否滿足縮孔管控需求，從而逐個排除設(shè)備導(dǎo)致的縮孔風(fēng)險。

圖7 設(shè)備導(dǎo)致縮孔缺陷排查方向

2.3 縮孔其他相關(guān)影響因素預(yù)防管理

由于涂裝車間環(huán)境的溫度、濕度、潔凈度會隨時間及外界環(huán)境變化而變化；物料在停產(chǎn)期間長時間循環(huán)也會變化；縮孔監(jiān)控方法需要根據(jù)每個工位風(fēng)險點進(jìn)行檢測，并同時做好變化點驗證，并不斷更新縮孔檢測點及頻率。如更新物料后，跟進(jìn)更新率與縮孔缺陷率對應(yīng)關(guān)系。烘干爐內(nèi)部清潔、風(fēng)循環(huán)管路清潔、輸漆系統(tǒng)定期清洗等都根據(jù)實際建立結(jié)果及過程檢測點，從而預(yù)防縮孔。

針對人員技能，培訓(xùn)到人員縮孔檢測標(biāo)準(zhǔn)及檢測點設(shè)定依據(jù)，日常監(jiān)控檢測結(jié)果趨勢并針對性溯源分析，不斷驗證縮孔影響因素及程度，實現(xiàn)縮孔預(yù)防管理。

2.4 縮孔管控方案

綜上所述，噴漆過程為逐層覆蓋，每層漆膜厚標(biāo)準(zhǔn)決定物料、設(shè)備、噴涂方法和環(huán)境參數(shù)要求，所以需要確定每層噴涂為零縮孔風(fēng)險后再進(jìn)行下一層噴涂。要根據(jù)物料、環(huán)境和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計物料來源，針對噴涂全鏈路進(jìn)行預(yù)防，并檢查同類工位導(dǎo)致縮孔的影響因素。

縮孔形成原因為漆膜表面張力變化導(dǎo)致，因此要從涂料制備、運輸、循環(huán)、噴涂、濕膜、表干和烘干等全過程排查影響漆膜表面張力的因素?？赏ㄟ^對缺陷樣品紅外、切片等試驗分析鎖定污染物來源。

外部污染可分為噴涂前和噴涂后。噴涂前排查，可對材料進(jìn)行升溫攪拌加速老化、溶劑揮發(fā)來降低涂料流平效果，從而模擬缺陷；噴涂后排查可通過漆膜極限暴露來模擬缺陷。如果表面張力差異物質(zhì)來自材料內(nèi)部，需梳理配方中能導(dǎo)致縮孔的物質(zhì)，對其進(jìn)行溶劑含量梯度試驗及老化試驗，通過模擬及實車噴涂結(jié)合，鎖定縮孔原因。然后以污染物為基準(zhǔn)驗證抗縮孔助劑效果，并結(jié)合實際生產(chǎn)，實現(xiàn)縮孔預(yù)防管理。

3 縮孔缺陷排查案例

某車型噴涂中發(fā)現(xiàn)存在縮孔問題。目視為清漆層縮孔，顯微鏡下無異物（圖8）。縮孔位置分布在前蓋、頂蓋，縮孔車缺陷率1%。缺陷件剖面分析為清漆層厚度變薄，色漆層完整。

圖8 無異物縮孔缺陷圖片及形態(tài)

3.1 縮孔原因分析

（1）缺陷涂層分析。逐層打磨缺陷，到色漆層上缺陷能消失。目視檢查電泳車前蓋頂蓋無異常，在前蓋頂蓋缺陷位置打磨電泳表面并擦凈，噴涂面漆后仍能發(fā)現(xiàn)縮孔，排除電泳層缺陷。

（2）色漆層分析。統(tǒng)計缺陷，與顏色無規(guī)律。缺陷位置分布在前蓋、頂蓋區(qū)域，車門立面及內(nèi)表未發(fā)現(xiàn)。切片分析顯示，色漆層完整，清漆層變薄，交界面無異常，排除色漆層問題。

（3）清漆輸漆系統(tǒng)排查。缺陷非連續(xù)性出現(xiàn)，車門立面區(qū)域及清漆內(nèi)表合格。加料及操作過程記錄排查無異常；目視檢查攪拌槳及清漆液體表層狀態(tài)無異常；安全批次物料驗證結(jié)果無改善。

（4）清漆噴涂機器人排查。缺陷出現(xiàn)位置涉及4 個機器人。目視檢查缺陷對應(yīng)的機器人旋杯及清漆混合管狀態(tài)，無顆粒及異常。

（5）噴涂環(huán)境排查。同時對各工位清漆噴涂后的車輛放置15 min，極限模擬缺陷，發(fā)現(xiàn)在面漆烘干爐入口區(qū)域能模擬出縮孔缺陷。重復(fù)驗證3 次，均能在烘干爐入口復(fù)現(xiàn)缺陷。對烘干爐入口區(qū)域壁板采用白色無紡布擦拭，能發(fā)現(xiàn)有黃色油狀物。

面漆烘干爐烘干流程如圖9 所示。車身通過熱風(fēng)循環(huán)換熱進(jìn)行漆膜烘干固化，同時部分排風(fēng)并補充新鮮空氣。烘干爐出入口有風(fēng)幕及整個烘干爐負(fù)壓，防止熱風(fēng)及溶劑外溢。烘干爐內(nèi)逐漸升溫滿足材料烘干溫度要求。

圖9 面漆烘干爐烘干流程及風(fēng)平衡

車身在入口區(qū)域停留出現(xiàn)縮孔，檢查過程發(fā)現(xiàn)為了節(jié)能，需要對烘干爐進(jìn)行降頻運行，因此必須在節(jié)能模式下解決縮孔問題。

檢測車身在烘干爐內(nèi)運行到不同位置時的爐溫變化（圖10），可以看到，在烘干過程中，60 ～100℃是溶劑及水快速揮發(fā)的過程，在此過程中烘干爐內(nèi)溫差變化為4.93℃/1 000 mm。由此判斷在此區(qū)域，因溫差變化較大出現(xiàn)冷凝，從而影響清漆成膜導(dǎo)致縮孔。冷凝物為水及可揮發(fā)溶劑混合物，冷凝物析出量與進(jìn)入烘干爐內(nèi)空氣含水量及每小時過車數(shù)有關(guān)，所以縮孔缺陷呈現(xiàn)無異物以及部分車有缺陷狀態(tài)。觀察爐體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)在烘干爐在7 000 ～11 000 mm 烘干爐壁板有冷凝殘留物。

圖10 車身在烘干爐內(nèi)行進(jìn)位置與溫度關(guān)系

3.2 優(yōu)化與改進(jìn)措施

針對引起缺陷的原因，提出以下改進(jìn)措施：減少離開爐體熱量，增加入口新鮮風(fēng)熱風(fēng)風(fēng)量，同時也減少從爐口進(jìn)入烘干爐內(nèi)的風(fēng)量，從而縮小在漆膜烘干初始階段溫差（表2）。通過以上措施，能夠避免在成膜過程中出現(xiàn)冷凝物附著在車身漆膜表面導(dǎo)致縮孔的現(xiàn)象。

表2 烘干爐風(fēng)量調(diào)節(jié)減少成膜初始段溫差

改進(jìn)后爐溫從6 000 mm 處開始計算，達(dá)到100℃時，溫差優(yōu)化至3.45℃/1 000 mm，而且入口段升溫平緩（圖11）。車身過度停留15 min，多次檢驗結(jié)果均為零縮孔。優(yōu)化方案能夠解決縮孔問題，并且在烘干的同時實現(xiàn)降頻節(jié)能運行。

圖11 風(fēng)量調(diào)節(jié)前后升溫過程對比

烘干過程為高溫?zé)犸L(fēng)循環(huán)，溫差均勻逐步提升能夠減少冷凝物析出，也能讓漆膜穩(wěn)定成膜，避免縮孔缺陷的同時獲得更加均勻的外觀。因此需要周期性檢測烘干爐風(fēng)向、風(fēng)量和爐溫曲線，避免因閥門松動、過濾器堵塞以及風(fēng)機異常等因素，導(dǎo)致各工位溫度及風(fēng)平衡變化，進(jìn)而引起車身噴涂的質(zhì)量變化。同時，還需要周期性采用車身過度停留方式對縮孔缺陷進(jìn)行預(yù)防管理。

4 結(jié)束語

縮孔為涂裝面漆噴涂常見頑疾。本文根據(jù)膜厚目標(biāo)及工藝標(biāo)準(zhǔn)，整理出面漆縮孔缺陷排查模型。通過逐層、逐個工位以及逐一要素排查導(dǎo)致漆膜表面張力變化因素，系統(tǒng)性梳理出縮孔形成的影響因素，并針對性采取預(yù)防管理措施。文章還結(jié)合已出現(xiàn)的縮孔問題，在分析解決過程中不斷完善檢測標(biāo)準(zhǔn)及頻率，從而實現(xiàn)縮孔預(yù)防管理。在實際解決縮孔問題中發(fā)現(xiàn)，面漆烘干爐入口溫差造成冷凝物析出是導(dǎo)致縮孔的主要因素，最終通過優(yōu)化溫差及風(fēng)平衡，實現(xiàn)烘干溫度穩(wěn)步提升，使漆膜均勻固化避免縮孔。

目前已經(jīng)開發(fā)新一代低厚度清漆，新材料帶來噴涂參數(shù)、烘干過程變化，同樣需要更新縮孔相關(guān)管控標(biāo)準(zhǔn)。此外縮孔管理模型也可以擴(kuò)展到涂裝工位的臟點缺陷管理，從而持續(xù)降低成本、提升管理水平，實現(xiàn)汽車涂裝噴涂向著降本、提質(zhì)和綠色方向發(fā)展。