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如何改善汽車門蓋經涂裝涂膠烘烤后產生 PVC 膠泡的問題?

2021-03-01 16:14:58·  來源:旺材汽車輕量化
 
在汽車生產過程中,車門等開閉件為了防腐和美觀的需要,需要進行涂膠。在生產過程中,由于包邊壓力、折邊膠位置、內板切邊長度、涂裝密封膠質量和烘烤溫度等因素影響,會間接造成涂裝密封膠烘烤后表面形成氣泡,如圖 1所示,稱之為 PVC膠
在汽車生產過程中,車門等開閉件為了防腐和美觀的需要,需要進行涂膠。在生產過程中,由于包邊壓力、折邊膠位置、內板切邊長度、涂裝密封膠質量和烘烤溫度等因素影響,會間接造成涂裝密封膠烘烤后表面形成氣泡,如圖 1所示,稱之為 PVC膠泡。由于影響因素較多,工藝過程穩定性控制困難,很難徹底消除,往往反復發生,是汽車廠工藝控制的難題。
 
該文從膠泡產生的原因展開分析,研究膠泡產生的各項因素,建立膠泡問題的控制方法,通過相關工藝參數調整,減少膠泡產生的頻率。
 
圖 1 汽車門蓋 PVC 膠泡

膠泡產生的機理

汽車門蓋類零件一般采用包邊工藝,如圖 2 所示,通過包邊或滾邊方式將門蓋外板折彎壓實,為了防止門蓋內外板攢動,會在內板和外板結合部位涂折邊膠。涂裝電泳后,在外板和內板的結合部位涂 PVC密封膠,以防腐和保證美觀。
 
如圖 2 所示,門蓋包邊結構中的包邊面與內板之間存在間隙 ,內含空氣。涂裝前處理和電泳過程中,水和電泳液滲入到包邊間隙,一般情況經過電泳烘烤,液體能夠氣化排除,由于間隙過大或不均勻,可能殘留部分液體或PVC 膠中含有揮發性液體,當再烘烤時液體受熱氣化膨脹產生氣泡,也可能是包邊間隙內的空氣膨脹,將密封膠頂起,產生氣泡??梢酝ㄟ^控制折邊膠的位置、折邊膠的多少、內板切邊的長度、包邊的壓力等方式控制包邊間隙,保證工藝穩定性。但是,焊裝包邊面品質量也是一個比較難以控制的因素,包邊面品質量和包邊的角度、包邊軌跡、包邊壓力息息相關,所有通過控制包邊的參數解決膠泡問題時,需要兼顧包邊面品質量。這就給膠泡問題的解決增加了難度。

圖 2 門蓋膠泡產生的機理

影響因素分析與改善措施

針對外板包邊面與內板之間存在水和空氣問題,有兩種解決思路。一是留出排氣通道,使加熱膨脹的水蒸氣和空氣從排氣通道及時排除,避免腔體內氣壓升高,思路 1
如圖 3 所示。二是折邊膠完全填實內板與外板搭接的上下面,阻斷電泳液滲入包邊間隙內,形成無空腔的環境,思路 2 如圖 3 所示。下面我們沿著上述 2 種思路進行原因分析和措施優化。

圖 3 門蓋膠泡解決思路

按照思路 1 的方法,膠泡產生的原因主要是折邊膠涂膠位置、膠量不當,將包邊結構中的排氣通道堵塞。當對涂
 
完 PVC膠的車身進行烘烤時,有以下 2種情況會導致 PVC膠表面出現氣泡。
 
1、空氣膨脹
 
空腔內受熱膨脹的空氣,因受排氣通道阻塞的影響無法順利排出,將沿著內、外板非涂膠貼合面的縫隙進入 PVC膠的下面,隨著烘烤時間的加長和車身溫度的升高,使得進入 PVC膠下面氣體的體積不斷膨脹、氣壓不斷升高,最終使得 PVC膠表面出現氣泡。
 
根據查理定律,一定質量的氣體在體積不變時,溫度升高(或降低)1℃,壓強的增加量(或減小量)等于它在 0℃時壓強的 1/273。一定質量的氣體在體積不變時,它的壓強跟熱力學溫度成正比。如果氣體壓強用 p 表示,熱力學溫度用 T表示,查理定律可用以下公式表示 p1/p2 =T1/T2。涂裝 PVC膠烘烤溫度在 130℃ ~140℃,按照常溫 25℃,在130℃的環境下空腔內的空氣壓力將較常溫提升 1.35倍。
 
2、水分氣化膨脹
 
如果包邊間隙過大,電泳烘干后,不能使滲入包邊間隙的液體水分完全揮發,使得四蓋包邊結構中排氣通道或包邊間隙內殘留水分。當對涂完PVC膠的車身進行烘烤時,水分受熱氣化膨脹,進入 PVC膠下面,使得 PVC膠表面產生氣泡。水蒸氣溫度與壓力的關系見表 1,當烘烤溫度為140℃時,水蒸氣壓力達 3~4個大氣壓。

表 1 水蒸氣溫度與壓力的關系

 
按照思路   2   方法,將折邊膠完全填充包邊間隙,如圖 3 所示。這種情況下,不存在包邊間隙空腔,空氣和水無法進去包邊結合部位。經過涂裝電泳烘烤后,折邊 膠得到固化,PVC膠涂抹上后,內部壓力不會發生變化, 也就不會有升高的氣壓將PVC膠頂出氣泡。但是按照此方案會帶來溢膠的問題,采用機器人滾邊時,終滾邊時 可以將滾輪外縮,避免滾輪上面沾滿殘膠,影響后續滾 邊質量和造成二次污染。而采用壓機自動包邊時,溢出 來的膠會污染模具刀刃,影響包邊質量和模具潔凈度。因此此方案不建議在模具包邊工藝中使用,機器人包邊 可以采納。但溢出的包邊膠如果不擦除,經過烘烤硬化 后,將影響涂裝 PVC膠的涂膠質量,造成 PVC膠扭曲變形。

當然,經過細致的參數控制,可以達到折邊膠即填充滿包邊間隙又不溢膠的狀態。但是影響溢膠的因素包括涂膠空氣壓力的穩定性、天氣溫度對膠黏度的影響、機器人滾邊壓力的影響等,因素變化大,情況復雜難以控制,即使有涂膠機器人視覺識別自我調整涂膠量的情況也難以滿足長時間的工藝穩定。

影響膠泡的因素還有一個是我們容易忽視的,即 PVC 膠內含揮發性物質。 如  PVC  膠自身含有揮發性物質超標, 當對涂完  PVC 膠的車身進行烘烤時,揮發氣化膨脹,使得 PVC 膠表面出現起泡。 一般情況下,我們可以在實驗室單 獨進行 PVC 膠氣泡試驗,對  PVC 模擬工藝參數烘烤,檢驗 PVC 膠是否會本身產生氣泡  。

根據上述影響因素分析,為了確保形成排氣通道,從涂膠位置、涂膠直徑均勻性、斷膠口進行優化。
 
首先,折邊膠位置優化 :控制涂膠位置距離外板翻邊面一定的距離,確保內外板壓合后被擠壓的折邊膠不會溢出至排氣通道,同時涂膠膠型分為螺旋膠和直線膠,螺旋膠的膠量相對直線膠多,因此在設定邊距的時候需距離增大。以螺旋膠為例,一般設定折邊膠距離外板翻邊(7±1)mm為宜,改善案例如圖 4所示。
 
圖 4 涂膠位置優化(螺旋狀膠型)
 
其次,涂膠直徑優化 :通過調整機器人軌跡和速 度,避免涂膠起點和收尾點由于膠槍的壓力發生突變, 形成堆積現象。膠堆積處內外板壓合后折邊膠會堵塞排 氣通道,形成密閉腔體??梢酝ㄟ^調整機器人涂膠速度 和涂膠設備壓力參數控制出膠速度。涂膠直徑優化如圖 5 所示。
 
再次,局部斷膠:涂膠直徑、位置同時受過程因素影響,如氣溫、折邊膠黏稠度、設備等諸多不穩定因素影響,為 此適當增加一些斷膠口以便空氣順利排出,特別是通過調 整涂膠位置和涂膠量的情況無法徹底解決的部位,可以適 當考慮折邊膠斷膠,或在容易起膠泡的尖角部位不涂 PVC 膠,如圖 5 所示。為了分析原因和判斷優化的結果,可以 將包邊后的門總成外板邊緣 R 角打磨切開檢查排氣通道是 否堵塞。
 
最后,涂裝溫度控制 :從膠泡形成的原因可以知,膠 泡是因為包邊間隙殘留液體水分或形成封閉空腔,受熱水 分氣化或空氣膨脹形成。因此提高電泳漆烘烤過程的溫度 和時間,可使門蓋包邊鈑金內的水分得到充分揮,降低門 蓋在車身涂 PVC 膠前的水分。同時,在 PVC 膠烘烤過程 中,采用低溫烘烤,降低空腔內的氣體壓力和 PVC 膠內揮 發氣體揮發速度。
通過對比 2 個不同工藝涂裝廠烘烤溫度條件下的結果,對 于采用同一套涂膠軌跡的機蓋和右前門進行驗證,烘烤溫 度對膠泡形成可以起到調節和優化的作用。不同涂裝的烘 烤溫度對比見表 2。
 
 
從表 2 我們可以發現涂裝二廠電泳烘干溫度高于涂裝 一廠,同時涂裝二廠的膠烘干、中涂閃干溫度和時間都低 于涂裝一廠,按照查理定律和水蒸氣溫度與壓力的關系表得知,涂裝二廠出來的車身門蓋膠泡會低于涂裝一廠產生 的車身門蓋膠泡,實際實驗結果見表 3。
 
因此,我們可以在條件允許的條件下,適當提高電泳 烘干的溫度,延長電泳烘干的時間,在保證油漆質量的前 提下,降低油漆烘干的溫度。但是,考慮到烘干溫度和時 間對油漆質量以及能耗的影響,可以調節的范圍有限。
 
除了以上因素,我們還需要考慮門蓋內板切邊與外板 翻邊距離以及包邊壓力的影響,一般情況下我們需要保證 2 mm~3 mm 的間隙,間隙過大,包邊后內外板的包邊間隙 過大,前處理和電泳液體容易進入,不易烘干,產生膠泡 概率增加。如果間隙過小,內板和外板容易干涉,影響門 蓋裝配尺寸。間隙過大或過小都會影響包邊的質量。同時 包邊壓力過小,也會造成包邊后內外板間隙過大,但如果 包邊壓力過大,又會影響包邊面品質量。一般情況下,我們優先調試焊裝包邊質量,可以在保證包邊質量的前提下, 小心謹慎地增加包邊壓力,但包邊壓力的調節不作為解決 膠泡問題的主要措施,因為包邊壓力對門蓋包邊質量影響 比較敏感,增加包邊壓力,系統穩定性不好,影響包邊設 備的使用壽命。
 
 
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