周晔明，肖其弘，叶紫平，陈军能，王祉彬
（上汽通用汽车有限公司油漆车间，上海 201200）
伴随中国经济的快速发展，汽车刚性需求急剧增加，各车企纷纷增建生产基地，提高产能以抢占市场份额。面对日趋激烈的竞争，油漆表面质量作为汽车质量最直观表现发挥着重要作用。
油漆涂层在传统工艺下一般可分为磷化/薄膜、电泳、中涂、色漆、清漆共5层，其中前处理电泳是白车身进入油漆车间后的第一道全自动浸涂工艺。电泳漆广泛应用于汽车行业，能达到满意的耐腐蚀、防冲击性能，然而电泳工艺后漆膜表面产生的灰粒杂质数量最多，尽管后道电泳打磨对表面灰粒会进行打磨处理，但对后续漆膜质量依然会造成较大影响。
电泳工艺在整车厂应用已有很长时间，技术不断改进、优化，从传统电泳漆到高泳透力电泳漆，工艺已经相当成熟，无论是安全、环保、效率、质量方面都有很大提升。但电泳杂质控制问题一直是困扰油漆车间的一大痛点，且这方面国内外相关文献资料也相对偏少，缺乏系统性分析和实践论证。不管是在理论层面，还是在其应用和推广方面，对电泳灰粒控制的改进及研究均具有重要意义。
电泳涂装，是利用外加电场使悬浮于电泳漆中的颜料和树脂等微粒定向迁移并沉积于基底表面的涂装方法。电泳出槽后，经过超滤及水洗工艺，通过烘房加热烘烤，高温固化成膜。
1.1 电泳灰粒的基本概念
在烘干后的电泳漆膜表面上会出现手感粗糙、较硬的颗粒，或肉眼可见的细小凸起，附着在车身表面的颗粒状物质，这种漆膜缺陷统称为电泳灰粒。
根据电泳灰粒的形成原理，从以下几个方向进行分析，并查找原因，制定改进方案：
（1）白车身洁净度对电泳颗粒的影响：白车身内外表面灰粒较多且未擦拭干净，直接带入油漆车间污染前处理系统。
（2）前处理工艺对电泳灰粒的影响：前处理工艺过程中，通过喷淋、过滤系统对白车身进行清洁，由于白车身杂质灰粒过多，清洁效果有限，部分杂质进一步随车身进入电泳系统，导致电泳表面灰粒增多。
（3）电泳工艺对电泳灰粒的影响：电泳槽循环不良，在电泳成膜过程中灰粒杂质沉积产生颗粒；
电泳后水洗固体份过高，水压过低，灰粒残留在车身上。
1.2 电泳灰粒的产生因素
1.2.1 白车身洁净度的影响
板材是油漆的基础，白车身在焊接和表面打磨过程中，会产生大量铁屑、焊渣、焊球，如果处理不干净会直接带入油漆车间。经过预处理工艺时，随车身携带的铁屑、焊渣、焊球等杂质进入前处理和电泳槽液中，部分残留在车身内外表面。经现场测试，通过内外表面灰粒擦拭、称重方式对白车身洁净度进行评估，单台车辆灰粒重量可达 30 g以上。在进行前处理槽体倒槽清洗时也发现，在预脱脂、脱脂、表调、磷化、水洗等槽底均存在大量铁屑和焊渣，进一步确定目前白车身铁屑、焊渣较多、洁净度差，已经超出了前处理的工艺处理能力。此外白车身洁净度控制极不稳定，不同车型波动幅度较大（15～35 g/台）。经过电子显微镜对电泳车身表面的大颗粒杂质采样分析，发现绝大部分灰粒为金属颗粒，部分为电泳结块，说明电泳灰粒的根本源头还是在车身车间。
图1 焊球
图2 焊渣铁屑
图3 电泳结块
对车身车间的金属杂质、焊渣飞溅问题，通常可通过以下几点控制措施进行优化改善：
图4 电泳灰粒缺陷分类
（1）利用伺服焊机，通过有效控制焊接电流，与电极压力适当配合，避免电流过大，产生过多热量。
（2）优化零件尺寸控制，避免点焊位置到板材边缘距离过近、减少钣金件搭接间隙。
（3）调整控制焊钳与钣金件的垂直度。
（4）焊接前对工件外表面杂质油污进行清洁，同时可通过涂抹防飞溅液减少飞溅的黏着，便于擦拭清除。
1.2.2 前处理工艺的影响
传统油漆车间前处理工艺主要可分为脱脂、磷化/薄膜、水洗三大类工序。
脱脂工序使用脱脂剂对车身表面防锈油、拉延油、切屑液、防锈蜡等工艺过程中使用的油脂类污染物进行清洗，同时通过洪流冲洗，清除车身内表面金属颗粒杂质。由于前处理通道内的喷淋系统大部分是针对车身外表面，因此针对内腔的大流量洪流喷淋更有利于车身内部的灰粒伴随槽液带出车身，并经过槽液过滤系统进行清除。
磷化工序是用磷酸及磷酸盐对车身表面进行处理，生成致密、均匀的磷化膜。磷化的目的是在电泳前防止车身表面产生锈蚀，提高电泳漆膜的附着力和防腐蚀能力。生产中主要监控的参数有游离酸度、总酸度、酸比、促进剂浓度、槽液温度等。磷化液或磷化渣处理不干净，进入电泳槽液后，就成了杂质离子的主要来源。磷化液或磷化渣中的锌离子和磷酸根离子会造成电泳漆膜粗糙、颗粒等弊病。随着前处理工艺升级及环保需求，大部分车间的磷化前处理，已经更新升级成锆系薄膜前处理，该工艺最大的优点是环保、节能、低排放，无磷化渣产生，大大消除了前处理工艺磷化渣对电泳灰粒的影响。
水洗工序一般分为喷淋水洗和浸水洗，通过反渗透水在脱脂及磷化/薄膜后采用多道喷淋、浸水洗对车身内外表面的残余化学品进行清洗，避免窜槽现象发生，以免杂质离子带入后道工序。适当提高水洗槽生产期间的更新率，以及停产期间的倒槽频次，对前处理的灰粒控制也有一定积极作用。一般水洗槽更换频次建议控制在1次/2周。
图5 旋液分离器
停产期间，通过倒槽清洗，对整个前处理工艺系统进行深度清洁，而日常生产期间则通过每个槽的各类过滤系统对槽液进行循环清洁。整个前处理工艺的设备过滤系统一般有旋液分离器、纸袋过滤器、沉降槽、过滤袋、磷化除渣机（磷化工艺）等几大类。为了实现更好的系统自清洁效果，一般建议：
（1）在脱脂段，由于从车身冲洗下来的颗粒杂质较多，通常可采用沉降槽结合纸袋过滤器的方式，低成本高效率的清除大部分颗粒杂质，此外结合炮筒式旋液分离器及过滤袋，更有效地过滤槽液中的金属杂质及从车身冲下的部分车身胶。
（2）在水洗段，由于金属颗粒数量的下降、粒径的减小，一般过滤设备可采用管式旋液分离器及过滤袋相结合，进一步清除槽液中的细小颗粒杂质。
（3）根据不同槽体内的槽液洁净程度，在不同工艺段可采用不同精度、不同材质的过滤袋。为保证清洁效率、同时不影响槽液中有效化学品成分、并且避免更换频次过高，过滤袋精度一般按照前低后高原则，建议脱脂段采用50～100μm之间，脱脂后采用10～50μm之间。可根据过滤袋更换频次及过滤袋容污量进行综合评估滤袋选型。
前处理工艺的日常维护、优化能保证前处理工艺的有效运行，避免后道电泳系统受到污染，但对最后电泳灰粒的减少效果有限。
1.2.3 电泳工艺的影响
目前车间使用的为高泳透力阴极电泳漆。生产 中主要监控参数有固含量、颜基比、pH值、电导率、槽液温度、电泳电压等。电泳槽对入槽车辆的要求很高，车身的清洗效果直接影响到电泳涂装的质量和电泳槽液的稳定性。电泳喷淋系统也是影响电泳成膜质量的重要因素之一。电泳喷淋系统又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，入槽后会导致车身表面电流密度不均，从而成膜膜厚不均，影响漆膜表面的平整性。电泳出槽喷淋过程中，若冲洗液冲洗压力不足，会导致漆膜粗糙、表面电泳结块及颗粒无法冲洗干净。车身在通道内行进过程中，应确保喷淋系统均匀喷淋到整车各个部位，避免喷淋不均导致车身粗糙及颗粒产生。
国内前处理电泳工艺输送方式主要有旋转式、摆杆式、C型悬挂等型式。我车间采用的为摆杆式输送方式，因而电泳过程中颗粒杂质在水平面存在沉积现象，再加上白车身洁净度较差，进一步加重了水平面颗粒的堆积，而水平面槽上喷淋无法保证全面冲洗干净。而旋转式输送链在电泳过程中则消除了水平面的颗粒沉积问题，电泳表面灰粒状态会有很大改善。
1.3 改进方向确认
针对以上3点分析，现场安排两组车辆进行对比试验验证。选取10台相同车型车辆，分成两组，每组5台。第一组在前处理进口湿膜状态下，前盖表面完全打磨擦拭干净，确保无杂质颗粒残余；
第二组不做任何表面处理，做好标识，正常进入电泳工艺。车辆出烘房后，对10台试验车辆前盖进行灰粒杂质分析，发现实验组与对照组前盖灰粒数量基本没有差别。经过试验对比可以确认，电泳打磨处理的大部分灰粒，均在电泳工艺段成膜过程中颗粒沉降产生，且后续喷淋无法有效去除，经过烘烤，嵌在漆膜内部，形成电泳灰粒。
综上所述，关于车间现场电泳漆膜灰粒问题，主要由白车身的铁屑、焊球，以及电泳结块组成，可以从白车身灰粒改进、前处理工艺控制、改善电泳主槽三平面颗粒沉降、提高电泳出槽后道水洗能力4个方面着手，对灰粒状态进行改进。
车间现场白车身洁净度已通过每周擦拭称重，定期反馈车身车间进行控制，形成工厂内部协同管理机制；
前处理经过设备工艺改进，薄膜工艺的升级从根本上消除了磷化渣对电泳灰粒的影响。后续车间对改善电泳主槽三平面颗粒沉降、提高电泳出槽后道水洗能力等方面展开工作，结合理论研究，对电泳灰粒的改善进行了尝试。通过电泳主槽循环方向调整，电泳主槽出口高压水喷淋改造，增加电泳湿膜自动湿打磨工艺，最终使得电泳打磨灰粒状态得到了很大改善。
2.1 电泳主槽循环方向调整
传统电泳主槽循环工艺采用槽液层流与车辆行进方向同向的槽液循环工艺，通过槽液循环，将槽液表面产生的泡沫、杂质、电泳结块等通过溢流板流入辅槽，进行循环过滤。
图6 电泳主槽循环
由于白车身从车身车间进入油漆车间后，内外表面存在大量焊球、焊渣、油污、车身胶等污染物，经过前处理清洁工艺后，95%以上的污染物可被去除，但由于内表面清洁效果不如外表面，依然存在部分杂质污染物残余在车身内腔。
电泳主槽槽液黏稠度大于前处理槽液，使得内腔杂质更容易伴随槽液流动，带出车身，污染电泳槽液。电泳过程中，由于车间采用的为摆杆式输送链方式，前期已经论证，该工艺在电泳过程中，槽液中的杂质颗粒更容易沉积在车身三平面。从电泳车身表面灰粒质量状态来看，垂直面颗粒明显好于水平面。现场根据实际产量情况，对电泳主槽每半年会进行一次倒槽清洗，从倒槽后电泳车身灰粒表现的数据统计来看，随着产量的增加，灰粒数量呈逐渐上升的趋势。对现场电泳槽液取样，在实验室进行L泳板试验，也发现槽液中已有一定颗粒杂质污染，证实了电泳槽液随着生产产量的增加，被白车身带入的杂质颗粒逐渐污染，在电泳过程中又由于颗粒沉降作用再次附着到车身三平面，形成电泳灰粒。因此，在白车身金属灰粒问题得到彻底解决前，现场考虑从电泳主槽自身循环着手，加大槽液与车身相对流动速度，减少电泳过程中三平面颗粒沉降问题。
经过前期方案的制定和研究，车间在电泳倒槽期间，对槽体底喷淋及侧喷淋的角度调整，使得槽液整体循环方向从顺时针循环变为逆时针循环，较车身行进方向，从顺向变为逆向，使得旋摆链行进过程中，层流方向与车体表面形成对冲，因此槽液中悬浮的颗粒不容易在车身三平面沉积。改造完成后通过外表面灰粒数量统计对比，较改造前状态灰粒数量整体下降约28%，特别是前盖、车顶区域。从灰粒成分分析可得知，焊球下降数量尤为显著。
图7 电泳主槽循环改进
从此次调整结果来看，进一步确定了白车身带入的杂质颗粒对电泳槽液的影响和电泳打磨灰粒的影响。该工艺优化经过车间验证后，与油漆技术部门进行了充分沟通交流，从设计角度正式将此工艺作为后续新建工厂项目的标准工艺，同时继续对电泳槽液整体循环进行优化，效果显著，可在汽车涂装工艺中借鉴推广。
2.2 电泳出口高压水喷淋改造
电泳出槽喷淋是电泳后的第一道清洗工艺，利用超滤水对电泳后附着在车身的浮漆进行清洗，去除车身表面电泳残液，降低后道工序槽液固体份。通道内供应的电泳超滤水，通过两个并联的泵，分别供应到电泳出口喷淋和超滤出口喷淋，喷淋压力设定为1.5 bar。超滤出口喷淋的管径要大于电泳槽出口喷淋管径。
经过观察发现，电泳出槽口喷淋压力和流量明显不足，电泳出槽后表面的残余电泳漆冲洗不干净，被带到后续工序中，导致电泳漆利用率低；
同时电泳后超滤水洗槽较浑浊，固体分含量高，导致电泳流挂多，电泳班组打磨后产生大量的电泳灰。针对以上问题现场进行了管路硬件改进。
将两个并联泵管路单独分开，分别供应电泳出口喷淋和超滤出口喷淋，减少喷淋压力和流量的波动。
电泳出口喷淋主要目的为清洗电泳表面的浮漆，所以设计的时候喷淋压力很低。通过实验验证，发现喷淋压力的提高能有效提升电泳表面质量，冲洗电泳浮漆的同时可以冲走表面残余的电泳结块，一定程度减少电泳灰粒的产生；
同时能提高电泳后超滤水槽结净度，减少电泳流挂。图8：电泳喷淋压力改造通过对喷淋水流量、压力反复进行实验验证，不断筛选，最终将泵的压力从1.5 bar提升至3 bar，并同时将出口喷淋喷嘴型号从6004更换为高压喷嘴5020，能够达到最佳的喷淋效果。从电泳打磨统计的整车电泳灰粒数据来看，整体数量下降17%，能有效减少电泳打磨工作量。同时经过管路改造后，前后两道喷淋更易于流量、压力控制，使得液位更加平衡。同时电泳后水洗浸槽的固体分能够稳定的控制在0.5%以下，整车电泳流挂下降20%，可减少每天10立方去离子水水的更新以及相应废水的排放，在提升质量的同时也实现了节能减排目标。
图8 电泳喷淋压力改造
2.3 电泳湿膜湿打磨工艺
在电泳湿膜观察区对车身外表面状态进行观察，发现可以看到很多小颗粒在电泳表面凸起，由于经过电泳烘烤后，金属颗粒与电泳漆膜会结合得更牢固而不利于去除，如能在电泳湿膜状态下，对车身三平面做打磨处理，以去除大部分金属颗粒，则可以进一步减少电泳打磨整拉过程中产生的打磨灰粒以及打磨工作量。
在电泳工艺段出口安排实验人员，对湿膜电泳车身，使用电泳打磨网格砂片，捆绑无纤维抹布，在电泳前盖表面轻轻打磨擦拭，在不影响机运速度的前提下，连续打磨5台实验车辆，并用纯水对外表面冲洗干净。电泳烘房出口后对实验车辆前盖颗粒数量进行统计，见表1。并对电泳膜厚及粗糙度进行测试，评估湿打磨对漆膜影响。
表1 湿打磨前盖实验车辆
通过数据发现，经过湿打磨后的车辆前盖颗粒数明显下降，同时对电泳表面粗糙度及电泳膜厚基本没有影响。可以确定，湿打磨对减少电泳灰粒是很有效的改进途径，但对于电泳湿膜观察区工作环境恶劣，且不便于打磨后进行表面清洗，不适合长期人工操作，人工打磨可行性较低。
因此考虑在电泳后水洗喷淋工序槽体之间增加自动湿打磨装置，即可对电泳湿膜三平面进行打磨，打磨后及时进行冲洗，又可避免人工打磨存在的问题。
图9 湿打磨工艺改造流程
湿打磨装置安装于电泳后最后一道超滤喷淋水洗与第一道纯水喷淋水洗之间。在电泳入口安装有车型识别系统，当车身即将到达湿打磨位置时，通过室体侧壁安装的光电开关对车身进行再次识别，确认车型无误后竖直方向电机开始启动，根据不同的车型仿形进行相应的垂直升降运动，同时水平运动装置带动砂网对车身三平面进行水平方向的往返式打磨运动，当完成一辆车的打磨后该装置自动回到最高的安全位置。
该设备共有三套控制系统组成，打磨装置、运动装置以及喷淋系统。
打磨装置：车身在运行过程中，由1795 × 525 ×1（LxW × H mm）的砂网幕帘对车身进行擦拭，砂网网格的粒度通过试验，反复验证、筛选，选用P 600型号，既能获得良好的打磨效果，又能避免砂纸过硬对车身表面造成的划伤、碰伤。幕帘通过蝶形螺母锁紧，方便拆卸更换砂网。根据现场实际运行状态，砂网每月更换一次，即可保证现场实际打磨效果。
图10 湿打磨装置（1）
运动装置：系统由水平运动装置和竖直运动装置组成，水平方向为往复式运动，垂直方向根据车型信息制定打磨仿形，进行相应竖直运动；
配合电泳车身的匀速行进，在车身表面实现打磨效果。
图11 湿打磨装置（2）
喷淋系统：在幕帘上方安装有纯水喷淋系统，当湿打磨设备开始运动的同时喷淋系统接收信号并启动，对幕帘进行喷淋，使幕帘保持湿润的状态；
喷淋系统共五个喷嘴，单个喷嘴流量为2 L/min，压力0.6 bar，总纯水消耗量为600 L/h。
完成湿打磨后的车辆直接进入后道纯水喷淋，对打磨后掉落的杂质颗粒进行第一时间的冲洗，以避免杂质再次黏附与车身表面。
改造后，通过一定时间的仿形优化，确保幕帘与车身达到一个合适贴合度，电泳车三平面灰粒也在稳定下降，最终经过统计，直径大于1 mm的电泳灰粒数量减少58%，降低至个位数，平均单车打磨灰11个/台，使得电泳打磨灰粒数量达到质的改变，对后道中涂打磨、精饰打磨杂质数量均达到改善效果。
针对电泳质量改进，从最初的功能性要求进一步向外观灰粒控制目标拓展。此次研究，通过现场几次电泳工艺的不断优化，从理论到试验，再进行改造、验证，最后形成标准化，使得车间电泳打磨车辆表面灰粒得到重大改善，整体灰粒数量下降75%，对油漆车间的质量控制发挥了积极的作用，同时大大降低人工打磨操作工作量，取消了电泳打磨班组三平面整拉工序操作，每班可减少班组操作员工2名。
此次对电泳灰粒的研究攻关，作为现场寻找改进机会的一大突破口，对行业具有一定参考价值。随着私车普及度越来越高，客户对外观质量要求也在不断提升，一线制造质量的精细化过程管理必将是未来提升产品质量的必要手段。
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