汽車涂裝面漆縮孔缺陷排查模型及應用

陳磊 陳桂林 賈亮 鄭曉旭 田剛 李映圖

摘要：縮孔為汽車涂裝行業(yè)常見問題，而且導致縮孔的物質種類繁多，某些物質極少量即可形成縮孔，只能通過批量生產烘干漆膜驗證縮孔原因。根據(jù)噴涂膜厚目標及工藝過程，需要通過逐層漆膜、逐個工位以及逐一要素來排查導致漆膜表面張力變化因素，并針對性采取預防措施。本文通過對干膜縮孔缺陷形態(tài)進行詳細分析，確定排查優(yōu)先級。物料噴涂前采用物料升溫老化降低流平效果來模擬缺陷；噴涂后采用車身濕膜極限暴露來驗證過程中縮孔影響因素。在此模型指導下發(fā)現(xiàn)，面漆烘干爐入口溫差導致冷凝物析出形成縮孔問題，通過對烘干爐風平衡調節(jié)實現(xiàn)車身均勻升溫溶劑均勻揮發(fā)，從而避免在烘干爐入口段形成冷凝物，解決縮孔問題，并完善縮孔缺陷排查模型。

關鍵詞：面漆縮孔；漆膜；表面張力；溫差

中圖分類號：U463.82+1 文獻標識碼：A

0 引言

汽車涂裝生產過程中，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]。縮孔為汽車涂裝行業(yè)常見問題，排查難點有：能導致縮孔的物質種類繁多；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，具有嚴重滯后性。因此，總結汽車涂裝縮孔缺陷排查模型，用于指導縮孔缺陷排查及預防，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成如圖1 所示，普遍包含電泳、預噴涂層、色漆和清漆層，工藝通用設計為電泳烘干、色漆閃干和清漆烘干方式。不同的工藝標準決定了各涂層的厚度，從而決定了設備選型、工藝布局和物料選擇等。因此縮孔缺陷排查要根據(jù)生產線特點而開展[3]，具有很強的現(xiàn)場特殊性。

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)工位要素中可能導致縮孔的風險因素進行系統(tǒng)管控，從而規(guī)避縮孔風險。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，涂層內低表面張力物質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。

根據(jù)縮孔缺陷形成過程進行縮孔缺陷原因分析。首先對縮孔形態(tài)進行50 倍放大分析，并結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]，進而針對性驗證，并分析污染物污染漆膜的驅動力。驅動力為漆膜內部表面張力差異，則縮孔及周邊形態(tài)均勻；污染物污染漆膜的驅動力如果來自漆膜外部，如循環(huán)風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部，則排查涂料生產到漆膜烘干全過程，針對性進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，關鍵在于對影響漆膜表面張力的物質進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)污染物進行溯源，從而快速解決問題。所以對縮孔缺陷詳細觀察后優(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防體系。

2 縮孔問題管控方案

從縮孔形成原因分析，導致表面張力差異的物質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、烘干全過程導致涂料及成膜表面張力差異的物質進行排查及排除，從而實現(xiàn)縮孔問題解決及預防管理。

根據(jù)涂裝車間工藝特點，總結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準，掌握工藝全過程及可能導致縮孔問題的影響因素。其次，對于縮孔進行分層管控，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。

2.1 縮孔缺陷排查

2.1.1 材料風險排除

縮孔缺陷是漆膜表面張力差異導致，所以首先需要排除物料風險，避免缺陷批量風險。涂料生產全過程及關鍵檢測點如圖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。為避免物料風險，一方面對材料制備全過程進行縮孔管控；另一方面，一旦噴車出現(xiàn)縮孔，需要對整個物料生產、檢測和操作過程進行追溯分析。

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，都可能導致縮孔污染風險。停產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)排查全過程風險，并針對性采取風險預案，從而實現(xiàn)輸漆系統(tǒng)縮孔問題快速驗證（表1）。

為進一步排除物料及系統(tǒng)縮孔風險，可取現(xiàn)場材料進行老化實驗。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，以此方法為基準排查來料，從而鎖定縮孔原因。

從材料配方角度，核查可能導致縮孔的助劑。對助劑進行含量梯度實驗，然后噴板核查縮孔，對材料本身抗縮孔性能進行評價?？刹捎么朔绞胶Y選抗縮孔助劑并評價其貢獻；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；風速、風向、各區(qū)風溫度都需要根據(jù)成膜表干及烘干要求而設定及維護，此過程中避免表面張力不同的物質污染漆膜而導致縮孔。

噴漆及表干過程，空調送風流程如圖6 所示，空氣溫濕度通過冷水除濕、升溫、細水霧加濕實現(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；風速風向通過風機頻率實現(xiàn)控制。噴涂成膜、表干、烘干過程需要對環(huán)境因素進行嚴格管控，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。

根據(jù)噴漆及工藝設計過程，可采用逐級放板進行縮孔檢測?？稍谶^濾頂棉前后放板進行縮孔測試，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準時間（不出其他漆面質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)境的預防管理。

同時也累積經(jīng)驗，如雨季廠房外空氣濕度超標、模擬中間閃干爐濕度超標、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)境的預防管理。

2.2 設備預防縮孔管理

設備導致縮孔特點如圖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)污染漆膜的相關因素?？砂凑赵O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)標準及實際是否滿足縮孔管控需求，從而逐個排除設備導致的縮孔風險。

2.3 縮孔其他相關影響因素預防管理

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)每個工位風險點進行檢測，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，跟進更新率與縮孔缺陷率對應關系。烘干爐內部清潔、風循環(huán)管路清潔、輸漆系統(tǒng)定期清洗等都根據(jù)實際建立結果及過程檢測點，從而預防縮孔。

針對人員技能，培訓到人員縮孔檢測標準及檢測點設定依據(jù)，日常監(jiān)控檢測結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，每層漆膜厚標準決定物料、設備、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險后再進行下一層噴涂。要根據(jù)物料、環(huán)境和設備標準設計物料來源，針對噴涂全鏈路進行預防，并檢查同類工位導致縮孔的影響因素。

縮孔形成原因為漆膜表面張力變化導致，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來自材料內部，需梳理配方中能導致縮孔的物質，對其進行溶劑含量梯度試驗及老化試驗，通過模擬及實車噴涂結合，鎖定縮孔原因。然后以污染物為基準驗證抗縮孔助劑效果，并結合實際生產，實現(xiàn)縮孔預防管理。

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。

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。重復驗證3 次，均能在烘干爐入口復現(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。車身通過熱風循環(huán)換熱進行漆膜烘干固化，同時部分排風并補充新鮮空氣。烘干爐出入口有風幕及整個烘干爐負壓，防止熱風及溶劑外溢。烘干爐內逐漸升溫滿足材料烘干溫度要求。

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，冷凝物析出量與進入烘干爐內空氣含水量及每小時過車數(shù)有關，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，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。

3.2 優(yōu)化與改進措施

針對引起缺陷的原因，提出以下改進措施：減少離開爐體熱量，增加入口新鮮風熱風風量，同時也減少從爐口進入烘干爐內的風量，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致縮孔的現(xiàn)象。

改進后爐溫從6 000 mm 處開始計算，達到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。

烘干過程為高溫熱風循環(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向、風量和爐溫曲線，避免因閥門松動、過濾器堵塞以及風機異常等因素，導致各工位溫度及風平衡變化，進而引起車身噴涂的質量變化。同時，還需要周期性采用車身過度停留方式對縮孔缺陷進行預防管理。

4 結束語

縮孔為涂裝面漆噴涂常見頑疾。本文根據(jù)膜厚目標及工藝標準，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，并針對性采取預防管理措施。文章還結合已出現(xiàn)的縮孔問題，在分析解決過程中不斷完善檢測標準及頻率，從而實現(xiàn)縮孔預防管理。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致縮孔的主要因素，最終通過優(yōu)化溫差及風平衡，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管控標準。此外縮孔管理模型也可以擴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、提質和綠色方向發(fā)展。

【參考文獻】

[1] 洪雨. 表面張力在油漆成膜過程中的作用及影響[J]. 全面腐蝕控制，2014，28（03）：47-49.

[2] 張金山. 汽車面漆縮孔成因的理論淺析及排除方法[J]. 涂料工業(yè)，1997（01）：28-29+3.

[3] 丁太節(jié)， 方浩霖， 黃家平. 面漆縮孔缺陷分析與防治[J]. 上海涂料，2021，59（05）：54-57.

[4] 周菲， 張慧， 肖杰. 涂層表面形貌形成過程模擬與分析[J]. 化工學報，2017，68（11）：4208-4220+3986.

[5] 賈召喜， 王少丹， 李新宇. 一次面漆縮孔問題的解決[J]. 現(xiàn)代涂料與涂裝，2021，24（07）：70-72.

作者簡介：

陳磊，碩士，工程師，研究方向為涂裝工藝設計及生產質量成本優(yōu)化。