浅析漆膜桔皮的影响因素及其控制

0 引言
随着我国汽车行业的快速发展,市场竞争也变得异常激烈,加之消费者对汽车外观要求的进一步提高。各汽车主机厂的涂装不仅集中在提高汽车表面的防腐性和环保性等方面的要求,还特别要求漆膜的装饰性,以进一步提高产品的竞争力。漆膜桔皮是评价涂装表面质量的一个重要指标,桔皮的产生将严重影响人们的视觉效果。因此,将漆膜桔皮列为audit(审查)检验的必检项目之一,也将成为各汽车主机厂的一种趋势。由于漆膜桔皮的影响因素较多,且控制难度大,因此如何有效地避免漆膜桔皮也是各汽车主机厂碰到的一个棘手的问题。

1 桔皮定义
车身涂层的颜色、光泽、雾影度和表面结构等影响着人们的视觉效果,光泽和影像的清晰度常用来衡量涂层的外观。当光线聚集在光泽度很高的漆膜表面时,其外观可以看到光亮区和非光亮区的反差,漆膜表面就会出现0.1~10 mm 大小凹凸不平的亮/ 暗波纹,光泽的变化不能控制漆膜表面凹凸不平波动的视觉效果,人们把这种效应称为“桔皮”,桔皮也可定义为高光泽表面的波状结构。

2 桔皮的测量方法
2.1 主观测量法
人眼在车身漆膜上找到反射光源(一般是在双管荧光灯下),进行主观定性分析反射光的清晰度就可以从视觉上评估漆膜外观效果。在外观差的情况下,两个荧光灯管看起来模糊,荧光灯的边界线有不同程度的扭曲,漆膜的桔皮就比较明显;外观好的漆膜,可获得清晰的反射,桔皮就不明显。对于漆膜桔皮较严重的车身,还可以通过用手在车身表面触摸的方式进行主观分析判定。
上述测量法受观测环境、人的主观意识及经验影响很大,且不能对数据进行有效的量化,为车身漆膜桔皮进行客观的判定带来很大不便。
2.2 桔皮仪测量法
为了生产出高质量的产品,应对车身漆膜桔皮进行客观、科学的质量判断,目前涂装行业普遍采用桔皮仪来测量桔皮的状况。按人眼远看物体和近看物体,桔皮分成长波和短波。人眼在50 cm 的距离能看到35 条0.1 mm 宽的线条,归纳为长波;人眼在2.5 m的距离看到35 条0.6 mm 宽的线条,归纳为短波。桔皮仪根据上述人眼的观测原理使用60° 的激光作为点光源照射被测表面,在缓慢均速推动10 cm 的距离内发射1 250 次激光照亮表面,读取1 250 个数据,每个读数之间的距离为0.08 mm,将被测物表面机械轮廓的结构尺寸> 0.6 mm 的测量数据定为长波,将结构尺寸< 0.6 mm 的数据定为短波。本试验采用BYK 4816 桔皮仪进行测量分析。

3 实验设计及分析
桔皮是车身表面最常见的漆膜缺陷之一,漆膜桔皮严重时,将直接影响到人的目视效果。漆膜桔皮的影响因素较多,主要受施工材料、喷涂设备、喷涂环境和喷涂工艺等方面的影响。对于特定的生产线,其喷涂设备及喷涂环境基本固定,要提高漆膜外观,主要取决于材料的选用与工艺的设计。对于材料而言,能否达到产品要求或者顾客满意,同样需要在合理的工艺规范之内。因此,在特定的条件下选出合适的工艺规范就成了我们的工作重点。为了找出合适的施工参数并将其量化,我们根据桔皮的严重程度,将外观用C&E 矩阵进行量化,然后采用DOE 进行实验设计及分析,找出合适的参数,并通过批量验证和确认后将参数固定下来。我们选择膜厚、旋杯转速、施工黏度、溶剂挥发速度、成型压力、喷漆室温度等6 个主要参数,以立邦公司生产的ORGA 500 灰色烘干中涂漆为例,结合长城汽车股份有限公司制造二部涂装车间中涂生产线进行实际的验证。
首先根据ORGA 500 灰色烘干中涂漆的产品要求和主要工艺参数,建立C&E 矩阵,通过DOE 实验的方法找到各个工艺参数对桔皮的影响关系,并对最重要的因素(主要因子)选出较优水平进行控制,这样既能优化工艺参数,还能找出它们之间的量化关系。ORGA 500 灰色烘干中涂漆为聚酯氨基烤漆,原漆固体分> 55% ;喷涂温度20~35℃ ;喷涂相对湿度60%~80% ;喷涂膜厚30~40 μm ;施工黏度(涂-4 杯)23~25 s ;湿膜固体分55%~65% ;最优烘烤固化条件140℃,20 min。
3.1 C&E 矩阵
根据现场经验通过头脑风暴的方法确定在涂料喷涂过程中影响长短波的主要因素,并以机器人喷涂为例,调整施工材料和喷涂工艺参数(表1)。

注:其它影响因素,如喷漆室相对湿度、喷漆室垂直平均风速、车身接地电阻、喷涂涂料类型、机器人喷幅,烘烤温度等均采用固定值。相对湿度采用自然湿度(记录数值,并从其它实验中得到湿度的大致影响),垂直平均风速采用0.4 m/s,接地电阻≤ 100 Ω。
3.2 评分方法
评分方法见表2~4,总分采用3个指标的得分之和。

3.3 制定DOE因素水平表
DOE 因素水平表见表5。
表5 DOE 因素水平表

注:溶剂挥发速度通过测定ORGA 500 灰色烘干中涂漆喷涂完成后4 min 时的湿膜固体分来确定。
3.4 DOE 方案及结果
由于实验中为6 因子3 水平,采用L27(313)正交表,见表6。

注:每组进行3 台实验,并在每台测量所有的实验数据(测量2 次,取平均值)。实验数据为左前门数据。
正交实验结果见表7。
表7 正交试验结果

通过分析,因子的重要程度依次为溶剂挥发速度(D)>漆膜厚度(A)>漆膜厚度(A)与旋杯转速(B)的交互>施工黏度(C),第13 列体现成型压力(E)与喷漆室温度(F)之间的交互作用或系统的误差。通过实验我们发现:二者之间的交互作用并不明显,视为系统误差(注:同一产品,只有采用相同因子和同样水平时才能得到同一结论)。
通过以上实验可以得出这样的结论:溶剂挥发速度(湿膜固体分)、漆膜厚度(A)是影响漆膜外观的最主要因素(对于不同的产品,主因可能不同,或者主因相同而适宜的参数不同,需要通过实验来验证),应该选取较优水平并进行控制,对于ORGA 500灰色烘干中涂漆而言,湿膜固体分、漆膜厚度的变化对桔皮的影响趋势分别见图1、2。

图1 湿膜固体分的影响

图2 中涂漆膜厚度的影响

4 控制方法
4.1 湿膜固体分的控制方法
对于同一产品而言,由于实际的湿膜固体分与施工温度、喷漆室及闪干室的风速、稀释剂的挥发速度、旋杯的转速、成型空气压力有关,且施工温度、风速和旋杯的转速对其影响很大。我们一般要将其参数相对固定。一般旋杯的转速和风速可以相对固定(旋杯的转速可以通过程序设定,风速通过每周测量并进行风阀的调节来实现),而施工温度往往难以控制,这就需要定期测量湿膜固体分(一般1 次/ 月),通过调整稀释剂种类来调整涂料的湿膜固体分。一般通过1 年的摸索就可以找出稀释剂与对应温度的关系。对于同种产品,湿膜固体分的最佳值应相同,与生产环境无关。
4.2 膜厚的控制方法
对于自动喷涂而言,膜厚的控制比较简单。对于确定的涂料,调试并设定好程序(含静电电压、旋杯转速、成型空气、喷幅、搭接宽度、枪距等参数)、工件的接地电阻。一般程序不作大的调整,日常主要通过定期测量接地电阻和本工序的膜厚来实现对膜厚的控制。

5 结语
此次的工艺优化是我们在进行漆膜外观提升过程中的一个典型案例,通过对各涂层外观的测量及对比(钢板、磷化膜、电泳膜测量粗糙度,中涂漆、面漆测量长短波)发现:中涂漆后的长短波对面漆后的长短波有着明显的影响,通过实验设计,我们解决了中涂漆外观不良的问题。同时,我们也通过实验,验证得出了各个工艺参数对产品外观的影响程度。以往,我们靠表干(或指触干)来检测并控制溶剂的挥发速度,结果误差很大,往往起不到相应的作用,使用湿膜固体分来进行控制就简单多了。

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