汽车涂装生产设备及新工艺介绍

汽车涂装生产设备及新工艺介绍张辉（1）张亚飞（2）程为华（3）阳克付（4）【摘要】介绍了现代汽车涂装先进设备和涂装新工艺的发展应用情况，以及汽车涂料面临的新挑战。【关键词】电泳设备、喷涂设备、涂装工艺、汽车涂料前言随着经济的快速增长，现在中国汽车年产销量突破１３００万辆，一举跃居全球首位。与此同时，世界各大汽车公司及相关供应商纷至沓来，汽车生产新技术同台竞技。近20年内新建的涂装线引进了先进的、现代化的涂装设备及涂装工艺技术，尤其21世纪后新建的轿车涂装线基本上汇聚了世界各国汽车领域尖端技术。全球化、快速化、低成本化及环保成为汽车发展的主流。汽车涂装正朝着简化工序、减少设备投资和占地面积、提高生产效率、降低涂装和设备运行成本以及有利于环保等方向发展。1涂装设备1.1前处理－电泳设备1.11前处理电泳RODIP-3运输系统如图1所示，此系统是在摆杆式输送机的基础上演变出来的。首先车身是以翻转的方式进入槽液的，这样在车身入槽时，槽液能快速地进入车身，而且能够避免出现气囊现象。RODIP-3是直接以翻转的方式进入槽内，这样就能更节约工艺设备的长度，并且最大限度地避免了兜液现象，防止了槽液的相互影响。因为RODIP-3系统有效地降低了槽液的影响程度，使得槽液的使用寿命得到了延长，减少槽液更新及槽体清洗的频率，从而减轻了对环境的影响。合理设计RODIP-3链翻转运输系统的链速，确定工件出槽速度和在两槽体之间的滴滤时间。工件出槽速度的快慢会影响带出液的多少，出槽速度越快，越易在工件表面形成厚的水膜，使带出液增多。工件出槽后在两槽之间运行的时间越长，槽液滴滤越多。（图1）RODIP-3运输系统1.12EISENMANN公司的多功能穿梭式输送机该设备布置在槽体上方两外侧，车身紧固在两臂的转轴上。车身旋转出入槽,浸渍处理时车底面可朝上或朝下，喷射处理时车顶朝上。电泳处理时，由于车底朝上有克服“L”效应的功能，车身旋转出槽，不兜水，带液量极少，冲洗水量可以减少25%，废水排放和处理也相应减少25%，节约了污水处理费用，对环保有利。目前国内已有一汽、上海大众、奇瑞、江淮、广州丰田等汽车公司7条线投产应用。1.13电泳超滤装置与电泳槽配套的超滤装置，它具有如下作用：利用其超滤液闭路冲洗泳后工件,可以提高涂料利用率(据测算利用率可以从75%～80%提高至95%以上)；调整电泳槽液,使其保持长期稳定，为生产的正常进行创造条件；降低冲洗水耗；减少环境污染等。1.14自动监测设备有些设备在有车时需运行，没车时不需运行。如前处理、电泳部分喷淋系统可安装自动监测装置，设定为有车时喷淋；某些机械化运输系统滚床同样可设定为有车时运行。这样就有效地避免了能源的浪费。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建烘干设备高装饰性涂装用的烘干设备应符合清洁、节能和环保的要求。一般空气对流加热方式的烘干炉由以下几部分组成：废气回收式循环焚烧炉、加热段、保温段、废气循环风机、新鲜空气加热循环风机、入/出口气封段、强冷室等。从环保和节能的角度考虑，应选用具有废气处理功能、绝热密封性好和能充分利用废气燃烧的烘干室。德国杜尔公司设计的、以天然气或柴油为热源的轿车车身涂装用的“П”型烘干室比较先进，具备上述各项技术要求，它采用具有烘干室废气处理功能的燃烧炉、内壁整体焊接结构的烘干室壳体(俗称通道)、循环风机、过滤和换热器合为一体的三元体热交换室和自动控制系统等新装置、新结构。2喷涂设备根据油漆雾化原理，目前常见的油漆喷涂装置可分为空气喷枪和静电喷枪两大类，静电喷枪根据荷电方式又可分为直接荷电和外部荷电两类。目前使用较为广泛的空气喷枪有手工空气喷枪，手工高流量、低压力空气喷枪HVLP；静电喷枪有手工静电喷枪、自动喷涂机气喷枪、外部荷电高速旋杯（主要用于喷涂水性漆）、直接荷电高速旋杯（主要用于喷涂溶剂型漆）等。2.1空气喷枪空气喷枪的工作原理是通过大流量的雾化空气把油漆雾化成小液滴，通过调整压缩空气的流量和压力，控制油漆雾化程度的大小和喷涂扇面的形状，以达到精确控制喷涂质量的目的。常用的空气喷枪的喷嘴结构见图２。（图2）空气喷枪的喷嘴结构2.2静电旋杯静电喷涂装置中的高速旋杯的工作原理是通过压缩空气驱动高速气电机，驱动杯口有齿纹的旋杯来雾化油漆，同时通过控制旋杯整形空气的压力来调整漆雾的喷涂幅度，防止由于漆雾飞散而污染旋杯和导向的电晕电极环。旋杯的结构见图３，不同旋杯的边缘状态见图４，雾化后的油漆液滴在旋杯边缘的状态见图５。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建（图3）旋杯结构示意图（图4）不同旋杯的边缘状态（图5）雾化后的油漆液滴在旋杯边缘的状态通过实际应用各类喷涂设备，得到不同喷涂设备的上漆效率见表1。表1不同喷涂设备的上漆效率喷涂设备上漆效率/%手工普通空气喷枪30～40自动喷涂机上的空气喷枪40～50手工高流量、低压力空气喷枪HVLP50～65静电空气喷枪45～60高速旋杯外部荷电65～85高速旋杯直接荷电70～90（表1）由表1可见，旋杯的上漆效率明显高于空气喷枪的上漆效率。无论从提高产品质量和生产效率的角度，还是从节省涂料和减少环境污染的角度，旋杯式静电喷涂已成为现代汽车涂装的主要手段之一。2.3机器人静电喷涂机进入21世纪以来，随着机器人和电控技术的进步，智能化程度的提高，小型轻量化的杯式静电喷枪开发成功，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，机器人喷涂机的优点是：涂装效率高，3～4台机器人就能承担由侧喷机和顶喷涂机组成的车身用9杯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，维修工作量仅为9杯ESTA的35%左右，运行成本低。机器人静电喷涂的喷涂质量优且稳定，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。2.4直接(内部)荷电旋杯随着中国对ＶＯＣ排放的控制以及对汽车清洁生产的重视，国内有越来越多的汽车制造厂家开始采用水性涂料。因为水性涂料有导电性，所以传统的水性涂料喷涂的荷电方式为外部荷电。随着技术的发展，目前可转为直接(内部)荷电，与外部荷电旋杯相比，直接(内部)荷电旋杯的涂料传输效率有所提高，内部电极不易受到污染。静电旋杯喷涂的2种传输方式对比见图６。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建（图６）静电旋杯喷涂的2种传输方式示意图目前，一些公司针对喷涂机器人应用越来越广泛的状况，开发了可安装在机器人上，既适用于传统的溶剂型涂料，又适用于水性涂料的旋杯系统，使效率更高，生产更流畅。3涂装新工艺3.1环保型表面处理工艺由德国汉高公司开发的磷化前处理工艺被取代——环保型新一代非磷酸盐表面处理工艺(氧化锆转化膜处理或硅烷处理工艺)，又称之为无磷纳米皮膜技术，是一种基于纳米氧化锆溶液与氟锆酸等组成的溶液，能在金属表面凝聚沉积转化成一种锆盐膜的防护层。此工艺取消了表调、磷化和钝化工序。采用新一代环保型表面处理工艺，可较彻底地解决漆前处理的环保问题(消除了Ni、Mn、P、F等有害物质)，且能提高资源利用率，消除磷化沉渣的危害。简化工艺和节能，降低处理成本。环保型新一代非磷酸盐表面处理工艺的环保和经济技术效果如表2所示。表2两代涂装前处理工艺特性及成本对比对比内容磷化盐处理新一代非磷酸盐处理氧化锆转化膜硅烷处理膜质量/（g.m-2）1-30.10.060~0.120膜厚/nm1-24050~500处理温度/℃35-5545室温-40处理时间/min1-31.50.5-2.0沉渣1-2g/m2减少90%以上无沉渣有害物质（P，Ni，Mn,F)有无无表调、钝化工序必须可简化、取消可简化、取消设备投资10090-9570-80转化膜工序成本10090左右75-80（表2）3.23C1B涂装系统技术(溶剂型向水性转变)所谓3C1B涂装工艺，就是从中涂层漆开始，金属底色漆、罩光清漆“湿碰湿”涂装（Threecoatoneback），取消中涂漆烘干工序的工艺。采用3C1B中涂、面漆喷涂工艺(又称“3-湿涂装”)替代传统的3C2B工艺已成为世界涂装技术的发展趋势。例如日本马自达的3C1B溶剂型中涂、底色漆、罩光的喷涂工艺；还有水性双底色漆(BC1、BC2)紧凑型面漆喷涂工艺,也是属于3C1B涂装技术；其中BC1具有中涂和底色漆的功能，也是BC1、BC2和罩光“三道漆”湿碰湿后一起烘干，德国大众已有两条轿车车身涂装线采用了这种工艺，称之为“2010工艺”。3C1B与3C2B涂装工艺对比见图7。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建(a)3C2B涂装系统(b)湿碰湿3C1B涂装系统（图7）3C1B涂装系统与3C2B涂装系统的工艺对比3.3集成工艺设备投入少，材料用量省，运营成本低，提高能源利用率和符合生态环保——这些就是集成工艺的优点。近几年，各公司都报道了自己集成工艺技术的优点，现根据报道介绍以下几种：在DuPont公司称为EcoConceptFinishingSystem或EcoConceptProcess，图8是其涂层结构示意图，底层是水性Basecoat+稳定化的聚氨酯体系，中层是水性Basecoat，上层是双组分清漆。（图8）EcoConcept涂层结构示意图图9为其工艺示意图，传统工艺的中涂层及其烘房被取消，它的功能都合并到水性Basecoat中，这必然带来了诸多好处。（图9）EcoConceptProcess示意图2003年，Volkswagen（大众公司）在Wolfsburg试涂了800辆，2005年在墨西哥的Puebla和西班牙的Pamplona启用，至报道时已经涂装了20多万辆，2008年在俄罗斯的一个新工厂使用。2007年4PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建月，Volkswagen与DuPont以其EcoConcept工艺，被授予PACE（产品及周期优化工程）合作者奖。在BASF公司该工艺被称为IntegratedProcessⅡ，于10多年前就着手试验，2005年7月就绪。采用此工艺，涂装线变得更短，用ColorProⅠ(吸收紫外辐射)和ColorProⅡ涂层的组合来实现中涂的所有功能，从抗石击性到最终成膜奠定一个最佳的基础。IntegratedProcessⅡ取消了中涂，然后在传统的色漆喷涂工艺段，第一道先喷ColorProⅠ，第二道喷ColorProⅡ。现有的设备仍可继续使用，只需在目前第一道色漆的喷房增加第2个喷涂工位（包含3或4条循环管路）。ColorProⅠ和ColorProⅡ的设计能确保实现现有颜色的正常应用。2006年夏在BMW位于英国牛津的MINI工厂推广应用并取得成功。在PPG公司该工艺被称为CompactPaintSystems或CompactPaintProcesses，Basecoat分2层，B1层提供底漆、填充、抗石击和耐久性，B2层提供颜色和附加的耐久性，B1和B2可以是水性或溶剂型涂料。2009年3月，刘继华等人报道了该工艺在奇瑞汽车公司的试涂情况。4结语改革开放30年以来，我国轿车工业的突飞猛进,带动了我国汽车涂装行业的飞速发展。只有树立科学发展观,不断提高环保意识，重视涂装工艺设计工作，引进、吸收国际先进涂装技术，学习先进的科学管理知识及经验,加强和提高涂装管理水平，才能跟上世界发展潮流，实现汽车涂装行业的持续发展。作者简介：张辉，男，现任奇瑞公司涂装工程师；联系方式：电话：[phone]，传真：[phone]，EMAIL：[e-mail]张亚飞，男，杜邦中国汽车涂料事业部驻芜湖技术组程为华，男，现任奇瑞公司涂装二车间涂装工程师阳克付，男，现任奇瑞公司涂装二车间质量室主任参考文献：[1]周杰,陈慕祖,中国汽车涂装生产线