汽车涂装材料及技术前沿

发布时间:2010-07-13
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减少涂装公害、降低涂装成本、提高涂装质量一直是涂装技术发展的主题。本文分别从涂装材料、涂装工艺、涂装设备、涂装管理四大方面简要介绍了国内外汽车涂装技术的发展动态。

涂装材料、涂装工艺、涂装设备、涂装管理是汽车涂装的四大要素,相互之间相辅相成,促进了涂装工艺和技术的进步与发展。21世纪被称为“面向环境的新世纪”,环境保护倍受全球关注,并已成为人类最迫切研究的课题。汽车及其零部件的涂装是汽车制造过程中能耗最高且产生三废最多的环节之一,因此,减少涂装公害、降低涂装成本、提高涂装质量一直是涂装技术发展的主题。

新涂装材料的应用

新涂装材料的应用是涂装技术进步的先导,在不断满足涂层性能要求的前提下,始终以应用可减少公害、降低涂装成本的材料为主要发展目标。

由生物可降解性活性剂配制的脱脂剂、无镍磷化液、无亚硝酸盐磷化液、无铬钝化剂、低温脱脂剂(处理温度43℃)、性能与常规相同的低温(35℃)少渣(比常规低10%~30%)磷化液、无铅无锡阴极电泳涂料及低温固化(160℃/10min)、低加热减量(4%以下)、低VOC挥发量(0.4%~0.8%)型阴极电泳涂料在欧美及日本已经推广应用多年。在北美和欧洲,可替代传统中涂的二次电泳涂料已经开始应用。

在欧洲,有些汽车公司已经在近几年新建的涂装线上全部采用水性涂料,VOC排放量已低于法规要求的35g/m2(德国TA-Luft,1995年)。从20世纪90年代开始,所有新建涂装线底漆全部采用了电泳底漆或粉末涂料,中涂采用水性涂料或高固体份材料,面漆采用水性底色加高固体份清漆。目前,粉末清漆也已经开始应用于轿车的车身涂装。继粉末罩光漆工业化应用后,粉末金属底色也已经商业化。在北美,粉末中涂已经工业化应用多年,同时,水性面漆底色近几年普及得非常快,高固体份中涂和面漆应用也相当普遍。欧美的紫外光(UV)固化涂料在汽车涂装中的应用技术已经接近成熟。日本也在积极开发和推广水性涂料、高固体份及超高固体份罩光漆。

随着全球环境的不断恶化,我们必须大幅度提高汽车涂层的耐酸雨性能和抗擦伤性能。近年来,减小车身内外表面电泳底漆膜厚差的高泳透力、低颜料份的电泳涂料、耐酸雨和抗擦伤面漆、多色中涂和采用粘度控制技术涂料等得到普遍应用。我国几大汽车公司在漆前处理材料和电泳漆的应用方面与国际水平相差不大,但由于应用水性中涂和水性面漆必须使用专用设备,因此提高了涂装成本。尽管国外独资及合资企业具备在国内生产水性中涂和水性面漆的能力,但目前汽车涂装中涂和面漆仍采用传统的中低固体份溶剂型涂料,因此,涂装VOC排放远落后于欧洲。

涂装工艺及设备

近10多年来,涂装工艺及设备的进步主要体现在环保型涂装材料的应用,减少废水、废渣的排放,降低成本,优化汽车生产过程等几个方面。由于涂装材料的进步,车身涂层体系的设计也有了革命性的进展,几种典型的新涂装体系及新技术已经或即将用于工业生产。我国目前的涂装工艺及设备总体相当于欧美10年前的水平,有些企业在新涂装线上采用了一些当今国际先进水平的新设备。

1.节水及废料回收技术

前处理和电泳是汽车涂装耗水量和废水排放量最大的环节。随着膜技术的不断成熟,采用膜分离技术(UF和RO)回收脱脂液、再生清洗水和前处理废水,使得实现真正意义的电泳闭路清洗成为可能。目前,膜分离技术已经开始应用。

近几年来,随着发达国家环保涂料的工业化应用,一些涂料的循环利用技术(如粉末浆再循环利用技术,粉末底色及清漆回收技术,废漆絮凝干燥器技术,超滤法、冷却法和静电吸附法回收水性漆技术,过喷漆雾的水性漆回收技术等)也得以应用,从而使涂装线的涂料利用率进一步提高,最大限度地减少了废漆渣的排放。

目前,我国在涂装节水及三废综合利用方面重视程度不够,在新技术应用方面也相对落后。

2.几种新的车身涂装工艺

逆过程工艺:在车身外表面先喷涂粉末涂料,待热熔融后再进行电泳涂装,随后粉末/电泳涂膜一起烘干。使用这种工艺可减少约60%的电泳涂料用量,用厚度为70μm的粉末涂层替代车身外表面的电泳底漆和中涂层,取消了中涂及烘干工序,从而节省了材料和能源费用,降低了VOC排放量。二次电泳工艺:采用两涂层电泳材料,用第二层电泳(35~40μm)替代中涂。电泳工艺自动化施工稳定可靠性高,一次合格率高,材料利用率高,设备投资少(不需空调系统),因此可节省48%的费用,减少了维修频次及传统中涂的漆渣和VOC排放。一体化涂装工艺(三涂层概念):采用与面漆同色的功能层(15μm)替代中涂,功能层与面漆底色间不需烘干,取消中涂线,在提高生产效率的同时,大幅降低了VOC排放量。

3.敷膜技术替代塑料覆盖件涂装

敷膜技术是预制一种适应于热成形的面漆涂膜,其经热成形后的产品的面漆性能和外观与传统的烘烤喷涂涂膜非常相近。该技术主要应用于塑料件生产,采用“夹物模压”或“内模”工艺将预制好的复合涂膜在塑料件浇注成形的同时完成成形并与塑料件熔为一体,得到无缺陷的涂装覆盖件。车身骨架采用传统冲压焊装工艺制造,涂装车间只对车身骨架进行涂装,面漆采用粉末喷涂技术。由于车身骨架外露面积较小,所以面漆颜色不必与覆盖件相同,深浅各1种即可。由于大面积的覆盖件都是采用敷膜技术制造的塑料件,颜色有上千种,因此大大简化了车身涂装工艺,在降低涂装成本的同时,使涂装的VOC排放达到7g/m2左右,远低于欧洲排放法规的要求。

4.车身涂装P2 Zero概念

所谓P2 Zero概念就是零排放油漆车间。其主导思想是在满足苛刻的环保要求和用户质量要求的前提下,减少三废处理的成本,减少油漆车间操作成本和简化油漆工艺。车身钢板的防腐底漆在制成零件前进行涂覆,进入油漆车间的车身不需再涂底漆,只喷涂一道粉末底色和一道粉末罩光。目前,P2 Zero概念已经实破了传统的概念,不仅彻底解决了汽车涂装造成环境污染的难题,而且在不降低汽车功能的前提下大幅度降低了汽车的制造成本,因此可最大限度地减少工艺等待时间,取消了传统的调漆间,工艺调整更加灵活,从钢板到涂漆前车身的生产过程取消了防锈工艺,彻底消除了传统涂装焊缝及空腔结构防腐性差的问题、节省了涂装车间面积,降低三废处理费用,无需漆渣系统及废漆处理系统,无喷漆室排气,空气污染和固体废料趋于零,无液体排放,涂料制造及使用效率大于95%。

5.底盘类零件的涂装

在发达国家,底盘类零件涂装普遍采用磷化、阴极电泳或粉末喷涂工艺,大总成一般是零件先进行电泳或粉末喷涂,然后装配,根据需要再对总成喷涂低温或室温固化面漆。由于阴极电泳和粉末涂层具有良好的机械性能,有些零件的机械加工可以在涂装后进行,这样可以避免零件在涂装前因加工时间长而锈蚀。车架、底盘类零件毛坯多是热轧板和铸件,成形前或涂装前多采用喷丸或喷砂处理,酸洗处理已经逐渐被淘汰。目前,我国的零部件涂装生产规模普遍较小,总体上工艺相对落后,轿车及其他小型乘用车相对较好,载货车、客车、农用运输车的涂装工艺和使用的涂料水平都不高。

6.新型涂装运输机

目前国内车身涂装线前处理和电泳采用的典型运输机有推杆悬链、摆杆链和程控葫芦,它们各有优缺点,共同的缺点是都不能解决车身内部诸多空腔结构体内的有效排气问题,尤其是车顶盖内的气袋问题使这些部位不能得到磷化和电泳处理。新型的多功能穿梭机(Vario-Shuttle)和旋转浸渍输机(RoDip)诞生后,不仅解决了这些问题,而且继承了前述运输机的所有优点,多功能穿梭机还具备在一条生产线上实现多品种不同工艺的功能,完全符合自动化柔性涂装生产的要求。这两种运输机在我国新建车身涂装线上已经开始应用,目前在全世界范围内有11条涂装线在应用。

7.其他涂装设备的结构和功能改进

在欧洲,涂装设备的结构材料以不锈钢为主,设备的电气线路均设计在设备结构中,取消了电气管路,设备的模块化设计和车间的立体分区布置最大限度地保证了涂装的高清洁度要求和安全防火要求,无外部风管及内部辐射强化对流的新一代烘干室大幅度提高了热效率和烘干温度的均匀性。随着机器人技术的进步,车身自动涂装机逐渐被多自由度的喷涂机器人所取代,喷涂和密封大量采用机器人自动操作,比涂装机更适应柔性化生产。机械化传动链条普遍采用非金属材料,大幅度降低了传动噪音。

涂装管理

涂装管理包括涂装材料的订货、材料质量控制和施工过程的控制等方面。由于汽车涂装使用的材料品种繁多、在储运过程中易变质、工艺流程长、需要控制的参数多等原因,其在汽车生产管理中复杂程度最高。在汽车工业发达国家,为了降低涂装成本,供货方式从单一的材料供货过渡为系统供货。系统供货方式始于20世纪90年代初,目前在欧美已经基本普及。世界各大汽车制造企业历来对涂装管理极为重视,由涂料厂商直接负责涂装生产的技术管理大大简化了汽车生产厂的涂装管理,提高了涂装一次合格率,同时降低了生产成本。目前,这种管理方式在我国各汽车公司仍处于尝试阶段。

近几年,部分有实力的涂装材料公司和涂装设备公司又推出了BOT服务模式,即汽车公司的涂装车间由涂装材料公司或涂装设备公司投资建设,并负责生产管理,根据汽车公司的整车生产计划进行涂装生产,供给汽车公司的是合格的涂膜。汽车公司只需制定技术标准和监督验收涂装产品质量。今后这种模式将成为涂装管理的一大发展趋势。

结束语

我国汽车涂装技术与国际水平的差距在不断缩小,但发展仍不均衡。就涂装质量的保证而言,几大轿车生产企业已经达到国际水平,但综合比较起来仍有10年左右的差距,主要体现在清洁生产技术方面。就汽车涂装生产的 关键装备技术而言,可能在今后相当长的时间内仍然会主要依赖进口。预计在未来10~15年内,我国的汽车涂装水平将全面与国际接轨,加快节省资源和环保技术的应用。

作者简介

吴涛,毕业于吉林工学院化学工程专业,研究员级高工,曾负责、主持或指导他人完成30余条大型汽车及零部件油漆涂装线的工艺设计并调试投产,组织多项新技术、新材料试验研究课题。现任一汽技术中心材料部部长、吉林大学兼职副教授、中国汽车工程学会特聘专家、中国汽车工程学会涂装专业委员会主任、中国汽车工程学会非金属材料分会主任、中国表面工程协会副理事长、涂装分会副理事长、中国腐蚀与防护学会涂料涂装与表面防护专业委员会委员、全国涂装标准化分技术委员会委员、全国涂装作业安全标准化技术委员会委员等。

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