电泳粗糙度对水性紧凑型工艺的影响分析
1 前言
传统3C2B工艺中每一个工艺步骤均是经过长期的应用验证，确保工艺的合理性，但是其缺点也相当明显，它存在涂装生产线过长，是以高运行成本为代价来实现最大的工艺可靠性及满足产品所有质量要求。而水性紧凑型工艺是在传统工艺上取消了中涂层及中涂烘干，取消了在中涂层所投入的设备、人工及能源，实现了缩短工艺流程、降低污染排放、节约能源的目的。随着国家对环保的日益重视，节能减排绿色制造已经深入人心，水性紧凑型工艺技术以其显著的优点，被越来越多的汽车企业采用，如宝马、大众、江淮、雪铁龙、通用等均已采用此类工艺技术。
水性紧凑型工艺因取消中涂层，缺少中涂层的填充功能，要保证良好的面漆外观质量，就需要对电泳底层的外观质量进行控制。本文就电泳涂层的粗糙度对面漆外观质量的影响及解决措施进行探讨。
2 电泳粗糙度控制标准
2.1 电泳粗糙度的基本概念
在机械学中，粗糙度指加工表面上具有的较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性。电泳的表面粗糙度是指电泳漆膜在电泳漆膜形成及烘干中由于电泳漆性能、电泳设备、烘干温度等各方面原因最终导致电泳漆膜表面形成具有的较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性。表面粗糙度数值系列的表述方式多达 20余种。其中高度参数主要有3种：轮廓算术平均偏差Ra，微观不平度十点高度Rz，轮廓最大高度Ry。
为方便生产现场的管控，在电泳漆膜粗糙度的控制上，使用最多的是轮廓算数平均偏差Ra。Ra测量时使用的主要标准为DIN EN ISO 4287—1998、ISO 4287—1997和JIS B 0601—1994。Ra的计算公式为：Ra=1/l∫t0|Y(x)|dx或近似为Ra= 1/n∑|Yi|。式中，Y为轮廓线上的点到基准线(中线)之间的距离; l为取样长度，取样长度一般用0.8、2.5两种。
2.2 电泳粗糙度对面漆质量的影响
水性紧凑型工艺缺少中涂层在电泳与面漆之间的填充作用，导致电泳涂层的粗糙度会对面漆外观质量造成较大影响，主要体现为面漆长短波超标。通过对涂装车身的电泳粗糙度及面漆外观进行跟踪，验证电泳粗糙度对面漆质量的影响，经多次验证后，试验结果如表1。
表1 电泳粗糙度对面漆外观的影响
|
序号 |
电泳涂层 |
面漆外观质量 |
||
|
粗糙度/μm |
Lw |
Sw |
DOI |
|
|
1 |
0.21 |
2.6 |
8.4 |
90.9 |
|
2 |
0.24 |
4.2 |
9.8 |
90 |
|
3 |
0.26 |
5.4 |
10.4 |
89.5 |
|
4 |
0.28 |
8 |
12.6 |
88.7 |
|
5 |
0.31 |
8.4 |
14.9 |
88.1 |
|
6 |
0.35 |
10 |
18.6 |
88 |
注：Ra测量按2.5步长的取样长度进行测量，外观数据为多次验证的外观平均值。
根据上面的现场实验验证情况，电泳粗糙度对于涂膜的外观质量有一定影响，当Ra值在0.2μm～0.3μm，外观质量较为良好，Ra值≥0.35μm时面漆外观橘皮值将会超标。
2.3 电泳粗糙度控制范围
根据上述验证结果，对水性紧凑型工艺而言。电泳表面粗糙度推荐的控制范围如表2：
表2 水性紧凑型工艺下电泳粗糙度的控制范围
|
粗糙度 |
仪器 |
—— |
0.8mm量程 |
2.5mm量程 |
|
便携式粗糙度仪 |
水平面 |
Ra≤0.2 |
Ra≤0.25 |
|
|
垂直面 |
Ra≤0.25 |
Ra≤0.35 |
3 影响电泳漆膜粗糙度的因素
3.1 板材粗糙度及前处理对电泳粗糙度的影响
3.1.1 板材粗糙度的影响
板材是涂装的基础，其表面的粗糙度直接影响到电泳漆膜的粗糙度。根据对现场板材粗糙度及其对应的电泳粗糙度进行一段时间的跟踪测量和分析后，形成如下板材粗糙度与电泳粗糙度的对应关系，如图1所示，因此推荐汽车板材的粗糙度Ra控制范围为0.6μm～1.2μm 。
3.1.2 磷化质量的影响
磷化膜可以增加电泳漆膜涂层与底材之间的附着力,其磷化膜成膜状态对电泳漆膜表面质量也会产生影响。磷化膜质量一般从目视上要求均匀致密、无发花、露底等缺陷，结晶状态以粒状为佳，并且结晶尺寸越小越好，一般在2-5μm较佳。
3.2 电泳槽液参数对电泳粗糙度的影响
在水性紧凑型工艺中为了获得良好的面漆外观，在选择电泳漆时必须慎重选择具有高性能的电泳漆。而在汽车涂装线中，即使选用再好的优良电泳漆，无法严格控制生产过程中的电泳槽液参数，也是徒劳的。因此，选用好的电泳漆，同时具备严格的现场工艺控制能力方可获得优良电泳漆膜外观，保证电泳粗糙度在控制范围内。电泳槽液参数中影响电泳粗糙度的因素有很多，电泳槽液固体分、槽液PH值、MEQ、颜基比、电导率、槽液助溶剂含量、槽液温度等均会影响电泳表面粗糙度。本文依据某汽车工厂涂装线生产调试过程中，所遇到的电泳粗糙度实际问题，分别从电泳槽液颜基比、槽液电导率、槽液助溶剂含量三个方面进行分析。
3.2.1 电泳槽液颜基比对电泳粗糙度的影响
颜基比是指电泳涂料、槽液干膜中颜料与树脂（基料）含量的比值。颜基比是影响表面粗糙度的一个重要因素。某汽车工厂涂装电泳线在实际调试及过线生产过程中，过线车身数量无法满足槽液的更新、涂料置换率较低，从而导致颜基比升高。颜基比偏高，会造成表面粗糙，因此，必须在满足遮盖率和不产生缩孔的情况下，将颜基比控制在一个适当的范围内，以保证漆膜表面光滑平整。一般汽车企业涂装线对电泳颜基比的控制要求在10%～16%。
3.2.2 槽液电导率对电泳粗糙度的影响
槽液电导率作为电泳成膜过程中的关键参数，对电泳漆膜粗糙度有着重要的影响。影响电泳槽液电导率的因素为电泳槽液中的杂质离子，在电泳过程中，杂质离子的积累既增加了电量的消耗，又改变了电泳槽液的特性，从而使电泳颜料分散性变差，进一步导致电泳漆膜粗糙度变差。前处理磷化液或磷化渣的处理不干净，进入电泳槽液，是产生杂质离子的主要来源，导致电泳漆膜粗糙，电泳漆膜颗粒等弊病。因此在电泳实际生产中，可通过控制电泳前的纯水洗电导率及车身的滴水电导率来减少杂质离子进入电泳槽液。
3.2.3 槽液助溶剂含量对电泳粗糙度的影响
槽液中的溶剂含量作为电泳涂装工艺中的主要工艺参数之一,也是需要严格控制的一个参数，而实际生产过程中由于大部分现场不具备检测条件,导致现场对此项指标关注度不够。槽液溶剂含量太低，则膜厚变薄，流平性变差，表面粗糙度增加；太高则会导致电泳漆膜过厚，产生桔皮及针孔现象。
电泳槽液中主要可以通过两类助溶剂改善电泳漆膜的流平性，经试验验证，分别添加溶剂821-6（助剂A）和流平润湿剂HG助剂（助剂B），其比例均为0.3%，电泳漆膜粗糙度的数据变化情况见表3，电泳粗糙度得到有效提升。因此，汽车涂装生产线中应严格控制电泳槽液中助溶剂的含量及各类溶剂的比例情况。
表3 添加助溶剂后电泳粗糙度的变化分析
|
序号 |
添加助剂前 |
添加助剂A后 |
添加助剂B后 |
|
1 |
0.21 |
0.15 |
0.19 |
|
2 |
0.23 |
0.17 |
0.2 |
|
3 |
0.26 |
0.21 |
0.23 |
|
4 |
0.28 |
0.23 |
0.22 |
|
5 |
0.28 |
0.24 |
0.23 |
|
6 |
0.32 |
0.25 |
0.27 |
|
7 |
0.32 |
0.25 |
0.29 |
|
8 |
0.34 |
0.28 |
0.3 |
注：电泳粗糙度Ra测量按2.5步长的取样长度进行测量
3.3 电泳设备状态对电泳粗糙度的影响
电泳设备是指所用于电泳生产有关的设备设施，如超滤、喷淋、循环及烘干其运行状态均对电泳的漆膜质量有着重要的影响，因此为保证电泳漆膜质量的良好，必须确保所有与电泳有关的设备保持最优良的运行状态下，保证电泳涂装设备具备相应最优功能。其中电泳喷淋系统及电泳烘干系统对电泳粗糙度影响相对较大。
3.3.1 电泳系统对电泳粗糙度的影响
电泳喷淋设备是影响电泳成膜质量的重要因素之一。电泳喷淋系统包括电泳入槽加湿喷淋、电泳出槽喷淋、超滤喷淋及水洗喷淋等。车身进入电泳槽体时，若车身存在杂质或车身部分表干等，入槽后会导致车身电流密度不均，从而导致成膜膜厚不均，表面会出现条纹。电泳出槽喷淋过程中，若冲洗液PH值过低及冲洗压力不足，会导致漆膜返溶及清洗不净引起的干斑，影响漆膜粗糙度。
根据现场验证，建议车身在入槽前采用雾化喷嘴进行喷淋加湿，保证车身外表面干湿均匀，入槽不带电，待车身完全入槽后再通电电泳，电泳出槽喷淋压力控制在0.07-0.12MPa之间，同时控制电泳出槽喷淋时间与车身离开液位时间不超过40s，以保证电泳后及时清洗及清洗效果。车身在生产过线中，应保证喷淋系统完好，均匀喷淋到整车各部位，避免喷淋不均导致的车身电泳漆膜粗糙。
3.3.2 电泳烘干状态对电泳粗糙度的影响
电泳烘干过程是电泳成膜过程中重要因素之一。烘干温度过高、过低均对电泳成膜不利，不同厂家电泳漆对烘干窗口的要求均不同。电泳烘干升温过快、升温梯度过陡会导致漆膜表面形成针孔，表面漆膜不够平整，一般而言升温时间保证在15min以上，以保证电泳漆膜中溶剂的挥发及漆膜的充分流平。经对某种电泳漆在不同烘干条件下的粗糙度变化情况进行试验验证，实验数据如表4。其中水平面因颜料和催化剂含量偏高，过快的固化速度造成微观平整度下降，漆膜表面粗糙度增加。
表4 电泳烘干温度优化调整分析电泳粗糙度的变化状态
|
膜厚（um） |
烘干条件 |
|||
|
155℃/20’ |
165℃/20’ |
175℃/20’ |
||
|
立面 |
22.4 |
0.22 |
0.221 |
0.23 |
|
水平面 |
21.2 |
0.259 |
0.281 |
0.293 |
说明：H板粗糙度 Ra /um ；λC=0.8mm（静置3分钟，施工条件：200V/30℃）
此项性能与涂料本身的L板效应性能关系较大，因此建议采用紧凑型工艺是需关注所配套电泳涂料的L板效应及烘干条件对粗糙度的影响。
4 提升电泳粗糙度的有效措施
4.1 控制板材及白车身粗糙度
汽车厂使用的板材，在生产下线后要求能够长期存放，存放过程中，板材表面状态会产生变化；同时，板材在冲压成型制作白车身过程中，板材受到挤压成型，表面状态也会发生变化。最终板材及白车身通过前处理电泳处理后，直接影响车身电泳漆膜粗糙度。
建议措施定期检测板材及白车身的粗糙度Ra，推荐控制范围为0.6μm～1.2μm，确保良好的面漆漆膜外观。
4.2 严格控制电泳槽液参数
电泳槽液工艺参数的控制是涂装车间现场日常管理中最重要的环节，是保证电泳漆膜质量的基本控制措施。在汽车工业中，工艺上制定严格的现场槽液参数控制要求是最基础也是最重要的工作。工艺参数的技术指标由企业技术部门与各材料厂家协商，并依据国家检测标准及企业检测标准进行测量，对于技术指标的控制范围依据材料的基本特性及实验室试验确定的指标范围给予确定，同时于现场工艺调试过程中加以优化，最终形成现场实际的工艺参数控制范围。如某条生产线为例，电泳槽液参数的日常控制要求如下表5。
表5 某汽车工厂涂装电泳槽液工艺参数控制范围
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项目 |
技术指标 |
检测方法 |
|
|
槽液施工 |
槽液温度 |
29±2℃ |
|
|
固体份 |
21.0±2% |
120℃*1h |
|
|
PH |
5.6-6.6 |
GB/T 9724 |
|
|
电导率 |
1400±400μs/cm |
HG/T 3335 |
|
|
MEQ |
25-30 |
ISO15880 |
|
|
灰分 |
15-20% |
GB/T 1747-79 |
|
|
溶剂含量 |
0.8-1.5% |
气相色谱仪 |
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施工电压 |
150-300V |
28℃，通电3min |
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击穿电压 |
＞300V |
HG/T 3952 |
在日常生产过程中，还建议定期检查电泳漆膜的膜厚、光泽度及粗糙度数据，及时发现偏差。
4.3 确保电泳线设备最优化运行
电泳线设备的正常运行是决定电泳漆膜质量的重要因素之一。电泳超滤系统、喷淋系统、输送系统、电控系统等设备的不良运行都可能造成电泳漆膜质量变差，同时电泳设备故障也会进一步影响到电泳槽液各工艺参数超出控制范围，造成因槽液不良导致的电泳漆膜粗糙等弊病。因此建议定期检查设备状态，作好设备点检，尤其喷淋系统等，同时定期对设备进行保养，避免因设备损坏导致的电泳质量降低的危险。
5 结 论
本文通过采用水性紧凑型工艺时，分析电泳粗糙对面漆质量的影响，并根据试验验证及生产线实际运行情况，重点介绍了影响电泳漆膜粗糙度的因素及提升电泳粗糙度的有效措施。从材料、工艺、设备三方面中分析，选择质量优良的电泳漆材料、严谨的工艺管理以及严格的设备管理，方可得到外观优良的电泳漆膜满足水性紧凑型工艺的质量标准要求。
详情见《现代涂料与涂装》2016年第9期
