尚俊虎 勾天生 侯穎 鄭旋 楊浪

（東風本田汽車有限公司，武漢430000）

1 前言

在車身涂裝領域，水性漆已有數十年的使用歷史，積累了豐富的生產經驗，并形成1套完善的技術開發(fā)和生產管理體系。但是在保險杠涂裝領域，保險杠水性涂裝和車身水性涂裝具有明顯的差異性，因此，不能全搬照抄車身水性漆技術開發(fā)和生產管理經驗。面向保險杠水性涂裝的普及趨勢，保險杠水性面漆技術開發(fā)和生產管理體系也急需完善。

保險杠涂裝和車身涂裝的差異主要體現在保險杠基材表面張力高、色漆膜厚高以及涂裝線整體投資受限等方面[1]。本文主要針對保險杠水性涂裝和車身水性涂裝的差異點進行定性分析，明確保險杠水性面漆開發(fā)過程中的評價方法以及涂裝線工藝布局的要點。

關于保險杠涂裝和車身涂裝共性點，車身領域已經有大量成熟的案例和文獻參考，本文不再贅述。

2 保險杠水性面漆涂裝工藝與車身水性面漆涂裝工藝差異

保險杠水性面漆涂裝工藝在基材類型、漆膜厚度、涂料成分等方面與車身涂裝存在顯著的差異，如圖1所示。

圖1 車身水性面漆工藝與保險杠水性面漆工藝對比

下文從保險杠水性涂裝工藝與車身水性涂裝工藝的差異點出發(fā)，淺析保險杠水性面漆涂裝工藝布局要點以及水性面漆開發(fā)測試的評價方法，供讀者參考。

2.1 基材的差異

2.1.1 基材表面張力的差異

在基材表面張力方面，由于塑料基材相對于金屬基材的表面張力低很多，且水性漆的表面張力又比溶劑型涂料高很多，因此水性漆對基材潤濕能力相對較差，在水性漆噴涂過程中容易出現對基材潤濕不良的問題。

2.1.2 基材邊緣形狀的差異

在基材的注塑成型過程中，由于模具本體固有的結構特性，導致基材邊緣出現90°直角（一般稱為段差），涂料在基材邊緣段差處比表面積大，揮發(fā)速度快，導致與正常面出現溶質的濃度差而產生定向流動。其次，在段差處，由于漆膜的收縮特性，也容易導致段差處的漆膜向平面收縮。

2.1.3 基材邊緣與平面的表面張力差異

由于PP樹脂在模具型腔的流動過程中，在遠離澆口的一端，壓力低、流速慢、溫度相對較低，PP樹脂拉伸變形相對較小。因此，遠離澆口端的樹脂內應力小，且PP樹脂的結晶度較高，表面張力相對于近澆口端低。

以上各種因素綜合在一起，導致了水性面漆在保險杠基材邊緣膜厚偏薄的問題，產生遮蔽不良。圖2是市場上已量產的保險杠水性涂裝線邊緣漏黒的實物圖。

圖2 廣州某合資公司產品保險杠段差漏黒

同時，調研市場上武漢某合資公司、天津某合資公司、廣州某合資公司保險杠水性漆商品車后保險杠均存在此不良。

2.2 色漆漆膜厚度的差異

車身水性涂裝的涂層中，一般有多種顏色的中涂。中涂在提供整體漆膜機械性能的同時，也對底層（電泳層）進行了遮蓋并賦予一定的顏色。因此針對遮蔽能力較差的顏色，如果配置合適的中涂顏色，則會有利于降低色漆的膜厚。以某一黃色素色漆為例，若涂在N8中涂上，要求厚為11μm。

保險杠涂裝受制于成本的約束，往往采用1種灰色顏色的底漆，一般為L40底漆。單一灰色底漆既可以降低基材輔料的使用成本，又可以節(jié)省設備投資和后期的維護成本（輸調漆系統(tǒng)/換色系統(tǒng)）。但其弊端也是很明確的，對于黑白遮蓋能力差的顏色，就需要較高的漆膜厚度來遮蔽底層進而呈現出所需要的顏色。同樣以某黃色素色漆為例，保險杠涂裝對應的色漆膜厚為24μm。

由于膜厚過厚而產生的質量缺陷在車身領域雖然已有廣泛的經驗積累，但是依然是行業(yè)內最常發(fā)的棘手問題之一。由于保險杠涂裝的色漆膜厚要明顯高于車身涂裝，因此導致的涂裝缺陷會更加棘手。以下列舉幾個在保險杠水性色漆涂裝時由于厚膜引發(fā)的代表性問題。

2.2.1 針孔

水性面漆膜厚越高，越容易出現針孔，這是行業(yè)共識[2]。由于保險杠涂裝的色漆膜厚遠高于車身涂裝，針孔發(fā)生的概率更加大。在濕膜流平的過程中，漆膜中的水分、溶劑、氣體從底部逸出至表面的路徑變長。這些可揮發(fā)成分的排出分為2個過程，第1階段是受表面濃度控制的揮發(fā)階段；第2階段是受漆膜中空穴數量控制的擴散階段。對于擴散階段來說，漆膜就像無數層網將下層的揮發(fā)成分覆蓋和約束。有資料表明，漆膜中氣體的揮發(fā)難度與漆膜厚度成冪指數關系[3]。

2.2.2 鋁粉定向

由于漆膜的高膜厚且水性面漆涂著固體質量分數較低，一般在20%左右，因此，濕膜厚度有時可以達到甚至超過100μm。濕膜的流動時間和流動能力增加，金屬粉受重力方向的定向排列趨勢增加[4]。以某一金屬漆為例：在流動方向和相反方向使用色差儀測量，15°明度可以相差10個點以上。表1是某高明度鋁粉漆在不同方向的色相數據（如無特殊說明，采用以下條件進行色差數據收集：愛色麗MA-98Ⅱ色差儀，CIELab色度空間，D6510光源）。

表1 色差儀在不同方向采集的某鋁粉漆色相數據

由表1可以看出，對于高明度鋁粉漆，15°的明度正反方向已經相差20個點。同時也對其它金屬漆以及車身涂裝金屬漆進行了數據采集和分析，均表現出了以上規(guī)律。

2.2.3 霧化效果

保險杠涂著效率較車身更低，為了對應高的膜厚，保險杠涂裝時的流量會更大，同等條件下的霧化效果變差，不利于色相的展現和針孔的防止。

2.3 清漆種類的差異

車身清漆涂裝后可采用高溫烘烤，烘烤溫度可達到180℃，因此常采用單組分清漆。但是，由于保險杠的熱變形能力較差，因此采用低溫烘烤，一般為80℃，因此常使用雙組分清漆。在現場應用的過程中，雙組分清漆主要注意的是控制比例和混合。

當-OH基團和-NCO基團的比例失衡時，會帶來一些列的產品商品性問題（例如失光）和機能性問題（耐水耐濕等）。

雙組分清漆的混合過程控制2個關鍵點，第1是控制主劑和硬化劑的比例，第2是將主劑和硬化劑充分的混合。從微觀上講，混合的根本其實也是控制-OH和-NCO基團的比例。

2.4 產品形狀的差異

在產品形狀方面，一般情況下，保險杠的形狀較為復雜，如圖3所示。

圖3 某H品牌G機種后保與J機種前保

由于造型的差異，漆膜均一度會更差[5]。例如在凹槽部位，如圖4所示，槽寬約為80 mm，槽深度15 mm，A、B、C、D、E分別是平面處及凹槽處的5個點位。

圖4 某G機種后保凹槽部位

按照正常方式噴涂，旋杯直徑70 mm，轉速50 000 r/min，扇形半徑30 cm，電壓60 kV，軌跡間距10 cm，槍距20 cm進行噴涂。平面膜厚控制在基準范圍內，并重復噴涂3次以保證數據的準確性。

此時對以上5個點位使用光學顯微鏡進行膜厚數據的測量和數據統(tǒng)計，膜厚數據如表2所示。

表2 凹槽周邊位置膜厚分布 μm

由表2的數據可知，產品的平面處膜厚正常，凹槽棱邊部位的膜厚比平面部位膜厚高了30%左右，凹槽底部的膜厚比平面部位的膜厚降低了約50%，整體膜厚較不均勻。如果將凹槽底部的膜厚調整至滿足產品的機械性能以及遮蓋能力的最低要求，此時，凹槽棱邊部位的膜厚將大幅提高，施工性大幅下降，由厚膜厚度引起的一系列問題接踵而至。

產品造型不僅有如圖4所示的凹槽，有時也會有凸起，或者凸起與凹槽的連續(xù)性結合等，實際情況更為復雜。

3 保險杠水性面漆涂料開發(fā)及涂裝工藝布局的要點

在保險杠水性面漆開發(fā)過程中，由于與車身涂裝之間的差異，需要根據保險杠涂裝的特性，對部分的測試項目來進行重新設計。

3.1 保險杠水性面漆涂料開發(fā)測試要點

縮邊的評價：由于基材表面張力以及基材邊緣形狀的差異(保險杠基材在邊緣的直角現象)，特別容易發(fā)生邊緣漏黑的問題（市面上量產的保險杠水性涂裝線的產品均有不同程度的漏黑）。因此，需要在涂料開發(fā)階段進行充分測試，保證生產現場的穩(wěn)定。由于縮邊是遮蓋不足造成的產品缺陷且是在流動過程產生，因此測試時，膜厚設定于基準膜厚的下限處，溫濕度及霧化設定與極濕條件，晾置時間設定為MAX時間，噴涂次數采用1次噴涂。如表3是筆者梳理的在縮邊方面的測試方法。

表3 縮邊評價的方法

針孔的測試評價：如前文所述，保險杠涂裝由于膜厚更厚，霧化能力更差等原因，針孔問題更易發(fā)生更加棘手。因此，在開發(fā)階段需要對涂料的抗針孔能力進行重點關注。設定極限膜厚與噴房溫濕度、霧化參數、1站/2站晾置時間、色漆后晾置時間、烘烤時間、烘烤溫度、烘烤風速等變量要進行更大窗口性的組合測試，給生產現場留足夠的余量以保證生產質量的穩(wěn)定。表4是筆者梳理的在涂料開發(fā)階段的涂料抗針孔能力的測試方案和施工窗口目標。

表4 針孔評價的方法

需要注意的是，影響產品質量的涂裝生產要素較多，此處采用單要素變化的方式進行前期測試，即要素A作為變量時，要素B、C、D等按照STD（基準）條件進行噴涂。

3.2 保險杠水性面漆涂裝工藝布局要點

保險杠涂裝的色漆膜厚過厚對大部分顏色來說是普遍存在的現象，為防止/減少產品缺陷的發(fā)生率，不僅需要在涂料開發(fā)方面設定更嚴格的指標窗口，也需要在生產線工藝布局方面做出著重考慮。

3.2.1 閃干工藝布局

涂膜越厚越容易產生針孔不良，其根本原因在于濕膜流平和閃干的過程中不能均勻且充分的揮發(fā)。針孔的防止需要對噴涂線進行更加嚴格的揮發(fā)控制。

關于噴房溫濕度以及噴涂完成之后的流平長度的控制行業(yè)內有詳細的案例和論文參考，主要是投資和工藝窗口的平衡,本文不再贅述。

在閃干工藝方面，保險杠涂裝線受制于投資成本的約束，往往采用一段閃干的工藝布局以節(jié)省涂裝線的整體投資，這給涂料開發(fā)增加了難度。如前文所示，濕膜揮發(fā)分為2個階段，自由揮發(fā)階段和空穴擴散階段。自由揮發(fā)主要是發(fā)生在漆膜依然具有流動性的階段，可揮發(fā)成分的揮發(fā)速率主要受該成分固液界面的蒸汽壓差決定。隨著揮發(fā)的進行，由于漆膜表干，可揮發(fā)份無法自由通過已經表干的漆膜達到漆膜表面，此時，揮發(fā)受漆膜的中空穴大小和數量的影響，即進入空穴擴散階段。針孔的產生雖然是在空穴擴散階段，但是其根本原因是由于自由揮發(fā)階段不足導致大量可揮發(fā)成分在空穴擴散階段溢出，空穴被迫長大且漆膜失去流動性無法回縮，產生針孔缺陷。

控制針孔缺陷產生，應增加自由揮發(fā)階段的能力（自由揮發(fā)的時間和揮發(fā)速度）。從工藝布局方面來說，閃干工藝布局的設定方向為保證可揮發(fā)份自由擴散的充分。此時，雖然低溫低風速可以抑制漆膜表干速度進而增加自由揮發(fā)的時間，但是同時會降低自由揮發(fā)速率而導致閃干時間延長，增加設備投資和后期能耗成本。故需要在前期設計中，對閃干溫度、閃干風速及閃干時間進行充分測試，尋找合適的廠房投資、生產能耗以及產品質量的平衡。

在成本有限的情況下，可以通過調節(jié)閃干爐的前端、后端、上端以及下端的風口的出風和回風面積來間接的調整閃干的風速和產品的升溫速度，從而控制溶劑揮發(fā)速率，因此建議將風口設定成可調節(jié)式樣。

當然，在條件許可的情況下，設定為多段可調風速/溫度的閃干工藝布局是目前最行之有效的辦法。

3.2.2 產品噴涂姿態(tài)

水性面漆濕膜的固體成份低，流平時間增加，鋁粉受重力方向的定向性增加，如圖5所示為部分生產線保險杠以及車身在噴涂時的姿態(tài)。

圖5 保險杠及車身在噴涂時的姿態(tài)

保險杠和車身漆膜鋁粉都按照重力的方向進行定向，沿著重力方向的色差測量數據基本一致（15°L值：車身112.17，保險杠111.89）。

但是在產品裝車之后，車身鋁粉定向的方向和保險杠鋁粉定向的方向并不一致，有時相差較大（不同造型的車身/保險杠不一致），如圖6所示，裝車后，車身和保險杠鋁粉定向的方向角度相差＞45°。

圖6 保險杠裝車后的姿態(tài)

由于此時光源方向一致，保險杠與車身均按照客戶目視的方向進行色差數據采集（一般光源從上部射入，采用D65光源），結果如表5所示。

表5 保險杠與車身色差L數據-某種金屬漆

客戶日常使用時多數時間觀察到的是25～75°的范圍，這也就是很多廠家選用25°、45°、75°作為管理范圍的原因，在此種角度下，并不能明顯的看出顏色的差異，這種結果與數據采集的結果也是一致的。但是在極端的條件下，例如在太陽的反射角去看車身（俯身）還是能夠明顯的看到顏色的差異，從15°的數據上也可以得到同樣的結論。這種由于水性面漆在重力特定方向的定向引起的差異不能完全改善，只能夠進行精度的少許提升。

為了防止此問題的產生，在涂裝線設計時，將保險杠涂裝和車身涂裝設定成一致的噴涂和流平方向，這樣才能實現真實的各角度相同性，如圖7所示。

圖7 與車身流平一致的涂裝方向

此時，需要對噴涂時產品的支撐工具以及涂裝線的尺寸進行充分檢證，保證滿足噴涂過程的空間布局、干涉、靜電檢測等一些列要求。

3.2.3 需要定置橫向噴涂

前期較多日系的涂裝線噴涂方式和軌跡如圖8所示。

圖8 日系車常規(guī)的保險杠噴涂布局

對于保險杠的中部位置，相對面的2臺機器人在噴涂的過程中有疊槍的現象，并且由于線體是流動的原因，在噴涂過程中需要設置等待點以保證停線時噴涂機器人能夠及時停止噴涂。

對于色漆來說，疊槍時容易導致產品疊槍位置膜厚更厚，開關槍的一瞬間由于設備的轉速、流量等重復起動也容易出現霧化不良的情況而導致產生品質缺陷，這在涂裝過程中是常發(fā)的品質不良。

對于清漆來說，開關槍也意味著主劑和固化劑按照要求瞬間提升到設定比例進行充分的混合。這一看似簡單的過程實際上充滿著不確定性。啟動的瞬間，首先，要求主劑和固化劑的計量單元必須同時按照比例要求從0瞬間升到設定值，其上升過程要求是同步的；其次，主劑和固化劑必須同時到達混合單元進行混合；最后，主劑和固化劑要在旋杯上進行充分混合。設備廠家往往通過各種試驗來證明他們的設備符合各項要求，但是在各個生產現場使用的過程中還是經常發(fā)生由于開關槍過程中比例不準確和混合不均導致的產品缺陷。

為了解決以上的問題，可以參考的做法是定置橫向噴涂，如圖9所示。定置噴涂的好處是可以不設置等待點，也就意味著不設置開關槍。橫向噴涂的好處是起槍位置可以在產品邊緣的任意點位上，且整個噴涂過程中沒有交槍位置。

圖9 橫向定置的噴涂布局

3.2.4 空氣噴涂和靜電旋杯噴涂的結合由于保險杠一般作為整車的造型面，造型相對復雜。凹凸位置相對車身會更多且面積更小，如果單獨使用大尺寸靜電旋杯進行整個產品的噴涂，由于水性面漆電阻較油性漆電阻更低，導致法拉第籠效應更加嚴重，疊加大旋杯噴幅較大，容易導致凹槽位置的膜厚不足，其相鄰的凸起位置的膜厚很厚，膜厚均一性較差。

為了應對小的造型面的噴涂問題，采用（空氣噴槍）加大槍（靜電旋杯）的噴涂布局。小的空氣噴槍用來對應造型面，如圖10a所示。由于扇形較小，針對造型的小面積位置噴涂時不會影響到其他的位置；由于無電壓的存在，不容易出現凹槽無法上漆而凸起位置容易吸附的問題，避免了由于法拉第籠效應而產生的不良。同時，空氣噴槍的設備投資和后期維護成本相對較低。

圖10 大小槍噴涂部位示意

大尺寸靜電旋杯依然遵循管理對應大的平面的噴涂，如圖10b所示。其大扇形可以提高涂裝的效率進而縮短節(jié)拍，提高生產效率，其靜電效果又可以提高涂料的上漆率以節(jié)省成本。

4 結論

保險杠水性化色漆涂裝工藝處于起步階段，隨著對環(huán)境污染事件的重視，水性化色漆涂裝工藝在后續(xù)新建的保險杠涂裝線上會成為標配，并且現行溶劑型涂裝線的水性化改造也必然呈現出雨后春筍的景象。

保險杠水性化色漆涂裝工藝導入過程中，需要注意到保險杠涂裝與車身涂裝的差異點，對涂料設計和產線工藝布局作出針對性的對策，不能全套照抄車身領域的做法和經驗。在涂料設計時，要著重做好厚膜下的產品缺陷的防止，以及針對保險杠低表面張力的特性，提高涂料的潤濕性能。在產線工藝布局設計時，設定合適的閃干工藝、與車身一致的噴涂姿態(tài)、定點噴涂、橫置噴涂以及空氣噴涂和靜電噴涂結合的方式，可以減少后期生產過程中產品缺陷發(fā)生的幾率。

與將來保險杠水性化色漆涂裝線對涂料技術、生產技術的大量需求相比，目前的保險杠水性化色漆的涂裝經驗尚不足夠，僅就本文在進行的保險杠水性化色漆工藝改造過程中遇到的材料問題及生產線工藝布局問題進行淺要的分析，僅供讀者參考。