新材料与工艺手册

[车身轻量化] 谈汽车车身涂装工艺的发展趋势

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发表于 2011-6-8 21:58:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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王锡春(中国一汽,长春130011)
    摘要:根据汽车涂装发展的历程、我国汽车涂装的现状、国际汽车涂装技术发展动态和作者在近年咨询活动中所遇问题,从涂装前处理、阴极电泳、中涂和面漆涂装工艺、涂膜固化、涂装管理5个方面介绍我国汽车车身涂装工艺的发展趋势。

    关键词:汽车车身涂装;环境保护;节能省资源;降成本

    在改革开放30年中,我国汽车工业得到超高速发展,汽车产量由1977年的12.5万辆增长到2007年的888.25万辆(增长71倍),其中尤其是轿车工业发展迅猛,轿车进入家庭。在近20年中,轿车产销量增长百倍以上。

    随着轿车工业的突飞猛进,带动汽车涂装技术和汽车用涂料飞跃式的进步,涂装技术产生质的飞跃,汽车用涂装材料实现了全面的更新换代,并已开始向新一代的环保型(低VOC化、水性化)方向发展。新建的几十条车身涂装生产线的装备世界一流,涂装工艺技术水平和涂装质量已与国际接轨。但与国外先进水平相比,我国汽车涂装在环保、节能减排和资源利用率方面尚存在较大的差距。

    基于发展不平衡,我国汽车工业至今所采用的涂料仍以有机溶剂型涂料为主,大部分涂装线的VOC排放量不达标(35g/m2),涂装公害严重。在单位涂装面积的能耗、水耗和涂装材料的消耗量方面也偏高很多。国家不断颁布“清洁生产”和“防止大气污染”等相关的法规,倡导建环境友好型、资源节约型、创新型社会和节能减排;市场的激烈竞争,迫切需要企业不断革新,提高质量竞争力,提高企业的生产效率;在确保高质量的基础上降低成本。德国制造业获得竞争力优势的奥秘是:用同等数量的原料,能加工出更多、更好的产品,从而创造出更高的产值。

    上述形势和潮流促使我国汽车涂装必须进一步提高技术水平和工艺质量,缩小上述差距,促使我们从科学发展观角度进一步审视和分析现有的汽车涂装工艺技术,在消化吸收引进技术的基础上自主创新、完善;在新建或改造涂装线工程中应选择和实现“环保、可靠、先进、经济”统筹兼顾的最佳工艺方案,确保涂装生产线运行能达到“优质、高产、低成本、少公害”。本文笔者根据汽车涂装发展的历程,我国汽车涂装的现况,所了解的国外汽车涂装技术发展和近年咨询活动中所遇问题,从科学发展观的角度剖析汽车车身涂装工艺及其发展趋向,供读者参考。
 楼主| 发表于 2011-6-8 21:59:00 | 显示全部楼层
1.涂装前处理工艺    汽车车身涂装前处理现今几乎100%采用低温低锌三元磷化处理工艺,并在低温少渣化、快速化、无铬钝化、表调剂长效化等方面都取得了较大的科技进步。可是从环保和节能省资源的角度考虑,锌盐磷化处理工艺仍存在以下问题:
    (1)磷化处理液中含有资源短缺的有害物质,如:Ni、Mn、P、F、NO2-等;
    (2)资源利用率低,几乎50%的药剂在处理过程中成为磷化沉渣(工业废弃物)。在处理过程中需及时清除磷化沉渣,否则将严重影响磷化膜和电泳涂膜的质量,因而需装备除渣过滤装置并需严控管理。
    为适应环保法规和省资源的时代要求,必须革新前处理工艺、解决上述问题。近年开发出的新一代环保型非磷酸盐涂装前处理工艺(氧化锆转化膜处理和硅烷处理技术)将是替代现用锌盐磷化处理的理想工艺,它们的环保和经济技术效果列于表1中。据报道,美国FordTwinCities(2007年12月)和巴西通用SaoJose(2008年4月)2条车身前处理线已采用新一代的环保型前处理工艺,通用汽车公司已决策在华推广这一新工艺。
    另外,前处理工艺的节水问题也应关注。一般前处理工艺用水量最大,约占涂装车间总用水量的90%,国内许多车身涂装前处理线的水洗工序尚未采用多次(段)化、逆工序补水、预清洗、清洗水综合利用和再生循环利用等节水技术,有的在脱脂和磷化后仅设1道水洗工序,造成耗水量成倍增大或水洗不干净(如在现场发现磷化渣增多、电泳涂膜颗粒弊病)。脱脂和磷化后的水洗清洁度以最终稀释倍数来表示,一般要求稀释500或1000倍,为节省水资源和减少污水排放处理量,希望达到同一水洗清洁度(稀释倍数),耗水量应尽可能小为好。通过清洗水综合利用和再生循环利用,实现零排放。

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表1两代涂装前处理工艺特性及成本对比
    注:以锌盐磷化处理为基准计。
    在逆工序供水清洗场合,水洗的供水量可按以下Kushner近似公式计算:
    最终稀释倍数=(Xn+1-1)/(X-1)
    式中:n——水洗次数;X——供水量/带出水量。
    如:在被清洗面积200m2/h,带出液量为20L/h(即100mL/m2)的场合,采用1次、2次、3次水洗所需要的供水量如表2所示。

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表2脱脂和磷化工序的水洗次数与供水量
    注:供水量系指每小时水洗200m2面积达到稀释倍数所需的供水量(L/h);耗水量系指水洗1m2面积达到工艺要求稀释倍数所消耗的水量(L/m2)。
    从表2中可以看出:采用逆工序补水的2~3次水洗工艺的耗水量(每平方米水洗面积的耗水量)较1次水洗的耗水量大幅度减少,大大地提高了水的利用效率。在采用2~3次水洗场合,实际经验数据耗水量为1.5~2.0L/m2。
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唐山钢铁
 楼主| 发表于 2011-6-8 22:00:00 | 显示全部楼层
2.阴极电泳涂装技术    汽车车身涂底漆工艺的发展历程为:手工刷涂或喷涂底漆→手工喷涂底漆→辊浸或拖式浸涂(Rotodiporslipperdip)底漆(有机溶剂型,后改为水性底漆)→阳极电泳涂装→1977年开始采用阴极电泳涂装。采用阴极电泳涂装已有30余年历史,并取得较大的科技进步(如涂层的耐腐蚀性,槽液稳定性、作业性、泳透力、涂膜外观等方面);通过一次涂布使车身所有表面获得均匀涂膜,从环保、资源再利用和涂层质量等方面来评价,现今仍是先进的车身涂底漆工艺,大量流水生产的汽车车身几乎100%都采用阴极电泳打底,至今尚无理想的工艺来取代它。近年来,为进一步提高车身及空腔结构内表面阴极电泳涂装的质量和降低成本,汽车厂与涂料厂联合开发提高电泳涂料的泳透力、控制涂膜厚度、改善电泳涂膜外观、降低涂装成本等方面的阴极电泳涂装技术。轿车车身各部位电泳涂装厚度分布的实际情况如图1所示,内表面≥10mm,外表面希望控制在18~22mm;实际车身的两侧和底板下表面超厚,超值膜厚是阴极电泳涂装成本升高的因素之一。

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图1车身各部位的电泳涂膜厚度分布(电泳涂装的泳透力)
    车身及其空腔结构内表面的电泳涂装需靠提高泳透力来保证,泳透力越高,内表面涂膜就越厚。在车身电泳涂装场合,影响泳透力的关键因素有以下3个方面:
    (1)电泳涂料的特性:湿涂膜的电阻(控制板外表面膜厚)和电泳漆槽液电导率(增加空腔内的膜厚)。
    (2)涂装工艺参数:电泳时间、槽液温度、电泳电压和阳极布置状况等。
    (3)车身结构:缝隙、孔数和孔径等。
    日本丰田和德国大众两大汽车公司在提高泳透力方面所走的技术路线不同。日本丰田是委托涂料公司研制开发采用超高泳透力阴极电泳涂料(SuperThrowingPowerED),目标是控制盒内、外表面的涂膜分布,削减涂料消耗量大于20%(即较大幅度地降低成本),具体目标是新开发的阴极电泳涂料的耐腐蚀性、表面平滑度(Ra<0.2μm)和涂装作业性与原用的阴极电泳涂料相同,泳透力要求达到盒内/外表面膜厚G/A=10μm/15μm(即67%);最终希望达到100%。丰田公司评价泳透力的方法是四盒法(4BOX),如图2所示。

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图2泳透力评价法

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华阳碳纤维
 楼主| 发表于 2011-6-8 22:01:00 | 显示全部楼层
当初第一代阴极电泳涂料的泳透力虽较阳极电泳涂料高一些,但相对来说还较低,丰田公司2005年用的高泳透力阴极电泳涂料的泳透力为G/A=10μm/23μm(43.5%)。

    超高泳透力阴极电泳涂料现已开发成功,并已投产使用,取得涂料消耗量削减22%(降低成本10%)的成果。

    德国大众公司为提高轿车车身内表面和空腔结构内的涂装质量采用了延长电泳涂装时间的工艺,其工艺规范由3.0min延长到5.0min。在生产能力为60台/h(输送链速度≥6.0m/min)场合,电泳时间延长2.0min,则将使电泳槽延长12m多,电泳槽液增加100多立方米,造成1次投槽漆量增大,更新期延长,循环搅拌量增大(500m3以上/h),能耗增大,造成投资和运行费用大幅度增大,另外涂料不改进,仅延长电泳时间,能否控制车身外表面的膜厚也有待商榷。笔者认为:延长电泳时间来提高泳透力不是先进、经济的办法,尤其是在大量流水生产的场合。

    为改善轿车车身外表面装饰面的电泳涂装质量,前处理和阴极电泳涂装线选用旋转输送机是发展方向。它能保持车身在电泳过程中顶盖朝下(即车底板朝上),因而能大幅度减少车身外表面的颗粒弊病;基于车身能旋转和翻转出入槽,能使车身面积100%处理和涂装完善,消除一般输送方式存在的“气泡”质量问题,而且使沥水(液)较干净,车身带液量减少90%以上,因而可提高材料利用率和减少清洗水量。开展电泳无颗粒化和颗粒不良率“零”化(废止电泳涂膜的打磨作业)活动。有厂家通过加强前处理、阴极电泳涂装各槽污染度(在一定量的液体中所含异物量)的管理和设备及处理方式的改进,电泳涂膜的颗粒已改善到可取消电泳涂膜打磨工序的水平。

    开发采用省搅拌型阴极电泳涂料是节能减排的好措施之一。历来电泳涂装规范要求无论是作业时间还是停产时间,槽液一直要循环搅拌,为防止停电还要设置备用电源。日本关西开发成功省搅拌型阴极电泳涂料,作业时为使槽液均匀和排除电泳过程中产生的气体进行搅拌,停产时和节假日可停止搅拌,仅需在作业(生产)开始时提前搅拌。这种阴极电泳涂料不易沉淀或沉淀凝聚物很容易搅拌分散开,因而不需设置备用电源,并能较大幅度地削减循环搅拌槽液的能耗。
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唐山钢铁
 楼主| 发表于 2011-6-8 22:01:00 | 显示全部楼层
3.中涂和面漆喷涂工艺的发展趋向

    中涂、底色漆水性化,罩光清漆高固体化;杯式静电喷涂机器人替代往复式自动静电喷涂机(ESTA);“湿碰湿”工艺(即3C1B或2C1B替代3C2B)的实施。为适应环保法规,防止大气污染,降低VOC的排放量,欧美汽车工业在20世纪末就采用低VOC含量的环保型涂料(水性涂料、高固体分涂料、粉末涂料)替代了传统的有机溶剂型的中涂和底色漆,实现了汽车涂料第3次大的更新换代。日本汽车工业也在近5~6年中迎头赶上,实现了中涂、底色漆的水性化。国内在近4年中已有10多条新建的车身涂装线采用了水性底色漆和水性中涂,约占轿车产量的10%左右。预计在今后的5~10年中,汽车用涂料将全面实现低VOC化。中涂、面漆涂布工艺的发展历程如下:刷涂→空气喷涂(适应硝基汽车喷漆施工和外观装饰性需要)→静电喷涂+手工喷涂→车身内表面手工喷涂,外表面采用往复式自动静电喷涂机(ESTA)→采用机器人静电喷涂机的全自动喷涂(实现无人化)或车身内表面仍可手工喷涂(空气喷枪或空气静电喷枪),外表面采用机器人静电喷涂(国内有多条线采用后一种方式)。

    机器人静电喷涂机已淘汰了往复式自动静电喷涂机(ESTA)。两者相比,机器人静电喷涂机的优点是:涂装效率高,用3~4台机器人就能承担侧喷机和顶喷机组成的9杯式ESTA的喷涂任务;适用于多品种的柔性化生产;压缩空气和清洗溶剂耗量及维修工作量仅为9杯ESTA的35%左右,运行成本低;喷涂质量优且稳定。每台机器人静电喷涂机可在线外按最佳的喷涂程序及参数示教,能克服人为因素带来的喷涂质量问题。

    为节能减排和降低运行成本,应推广以下3种中涂、面漆喷涂简化工艺:3C1B(即中涂+底色漆+罩光漆3层一起烘干)、双底色工艺(即第一道底色涂层兼有中涂层的功能)和无中涂工艺(即在具有耐候性阴极电泳底漆层上直接喷涂面漆)。适应上述3种工艺的中涂和面漆有溶剂型和水性体系涂料,它们的配方、作业配套性及各层膜厚要作较大的调整改进。有机溶剂型本色面漆现今还有用单涂层工艺(即不罩光);在罩光漆方面,现今配套还是以有机溶剂型涂料为主。
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华阳碳纤维
 楼主| 发表于 2011-6-8 22:03:00 | 显示全部楼层
4.涂膜的固化(干燥)工艺的发展

    涂膜的固化(干燥)工艺的发展趋向是节能减排(低温化、快速化、“湿碰湿”工艺),提高能源利用率(降低每台车身的涂装耗能量)。汽车车身涂膜固化过程随所采用涂料的成膜性能的演变而变化,其发展历程为:自然干燥(油性漆)→自干或低温(100℃以下)烘干(以硝基漆为代表的热塑性汽车涂料)→中温(100~120℃)烘干(以氧化聚合固化的醇酸树脂涂料为代表的热固性汽车涂料,每道漆都需要烘干,且__膜厚不能大于25μm,也能自干,则干燥时间长达24h以上)→高温(120℃以上)烘干(以氨基醇酸树脂烤漆为代表的热固性合成树脂系汽车涂料,且适应较厚涂膜的烘干和“湿碰湿”涂装工艺)。在工业涂装中,涂膜固化成膜是耗能较大的工序之一。按传统的观点及计算方法,一般将被涂制品及输送设备的部件加热所消耗的热量都算作为烘干室的热能有效利用率,并且认为达到30%以上已是较先进的指标。可是涂膜的固化真正所需的热量是涂膜中所含溶剂的蒸发所需的热量和将涂布在车身表面的几十微米厚的涂膜加热到固化工艺所要求的温度(含升温和保温段)所需的热量(即为了几公斤重的湿涂膜的固化,需同时将几百公斤重的车身及输送部件加热到所需的工艺温度),相比之下,涂膜固化所需的热量很小(≤1%)。由此可见,在改进所选用涂料的成膜固化性能的基础上开发新的涂膜固化方法和涂膜固化工序的节能减排的潜力很大。

    涂膜固化成膜工序的节能减排技术途径有以下几方面:(1)低温化、快速化。在改进涂料的成膜性能或利用化学能的基础上降低烘干温度或缩短烘干时间。如,现今大客车、塑料件、汽车修补所用的双组分聚氨酯丙烯酸树脂系涂料就属于低温烘烤系列的汽车用涂料,其固化工艺为:60~80℃,30~40min。又如阴极电泳涂料的成膜烘干工艺一般为:170~180℃,30min,改进后可降到150~160℃。如选用双组分的合成树脂涂料,则又可使车身中涂、面漆烘干工艺回归到低温烘干体系。

    (2)在改进涂料配套性和固化性能的基础上,采取多涂层一起烘干的措施——“湿碰湿”工艺。已成熟的实例有:PVC车底涂层及密封胶不单独烘干,而与中涂或面漆一起烘干;又如3C1B(中涂、底色漆、罩光漆三涂层一起烘干),有机溶剂型体系的3C1B工艺已成为日本马自达汽车公司的轿车车身的标准涂装工艺,与原工艺相比,可节能减排15%(CO2)。水性涂料体系的3C1B工艺,也已获得工业应用。

    (3)开发采用紫外线(UV)固化法和UV、热双固化法革新汽车车身涂膜固化工艺,则将大幅度缩短固化时间和降低固化温度,节能减排效果特别显著。UV固化涂料和UV、热双固化涂料已商品化。

    5.涂装管理走专业化、社会化之路

    涂装材料、涂装工艺(含涂装设备及器具)、涂装管理是涂装三要素,要想获得优良的涂装效果,必须选择符合产品涂层标准的涂装体系(良好的材料)、采用适当的涂装工艺(良好的设计)和充分的作业管理(良好的管理)。现今我国轿车车身涂装工艺水平已与国际接轨,很多新建的车身涂装线所装备的设备已堪称世界一流,可是在涂装管理的水平、对涂装管理重要性的认识、治理涂装漆膜弊病要以防为主的认识等方面,还存在较大差距。涂装工艺技术和涂装管理技巧是创建“零”涂装缺陷的汽车涂装线(或称绿化涂装车间,即1次合格率达到或接近100%的涂装线)系统工程的两个车轮。国外,先进的汽车车身涂装线通过各工序的污染度管理和各工位的防尘措施的不断改进,1次合格率已由90%提升到98%以上。国内好多厂,涂装管理跟不上,设备有效利用率低,生产效率低,一次合格率低,靠拼设备、延长工时来完成产量。粗放经营,材料、能源、水等消耗考核不到位。应加强人员培训,提高员工的素质和技术熟练度。环境和设备保洁工作、废品(质量事故)分析应由专业队伍或委托专业公司来承包。涂装材料的管理和现场监管也可委托材料供应厂商或专业公司来承包管理,即CPU(按每台合格车身的涂装价格)供货结算法,相对来说可提高资源利用率,降低涂装成本。另外,应建立严格的涂装质量考核制度(如建立Audit检查评分站)和严肃工艺纪律。以上是笔者对今后5~10年我国汽车车身涂装工艺发展的一点见解及建议,不一定全面确切,仅供同行结合国情创新和领导决策参考,并请多提宝贵意见。
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发表于 2011-6-11 08:32:00 | 显示全部楼层
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 楼主| 发表于 2013-2-16 08:24:36 | 显示全部楼层
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