汽車門蓋膠泡問題研究

高建軍 付慶達(dá) 楊一昕

（北京汽車股份有限公司株洲分公司，湖南 株洲 412007）

0 引言

在汽車生產(chǎn)過程中，車門等開閉件為了防腐和美觀的需要，需要進(jìn)行涂膠。在生產(chǎn)過程中，由于包邊壓力、折邊膠位置、內(nèi)板切邊長(zhǎng)度、涂裝密封膠質(zhì)量和烘烤溫度等因素影響，會(huì)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(wěn)定性控制困難，很難徹底消除，往往反復(fù)發(fā)生，是汽車廠工藝控制的難題[1]。

該文從膠泡產(chǎn)生的原因展開分析，研究膠泡產(chǎn)生的各項(xiàng)因素，建立膠泡問題的控制方法，通過相關(guān)工藝參數(shù)調(diào)整，減少膠泡產(chǎn)生的頻率。

圖1 汽車門蓋PVC 膠泡

1 膠泡產(chǎn)生的機(jī)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(shí)，為了防止門蓋內(nèi)外板攢動(dòng)，會(huì)在內(nèi)板和外板結(jié)合部位涂折邊膠。涂裝電泳后，在外板和內(nèi)板的結(jié)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(jié)構(gòu)中的包邊面與內(nèi)板之間存在間隙[2]，內(nèi)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(jīng)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(fā)性液體，當(dāng)再烘烤時(shí)液體受熱氣化膨脹產(chǎn)生氣泡，也可能是包邊間隙內(nèi)的空氣膨脹，將密封膠頂起，產(chǎn)生氣泡?？梢酝ㄟ^控制折邊膠的位置、折邊膠的多少、內(nèi)板切邊的長(zhǎng)度、包邊的壓力等方式控制包邊間隙，保證工藝穩(wěn)定性。但是，焊裝包邊面品質(zhì)量也是一個(gè)比較難以控制的因素，包邊面品質(zhì)量和包邊的角度、包邊軌跡、包邊壓力息息相關(guān)，所有通過控制包邊的參數(shù)解決膠泡問題時(shí)，需要兼顧包邊面品質(zhì)量。這就給膠泡問題的解決增加了難度。

圖2 門蓋膠泡產(chǎn)生的機(jī)理

2 影響因素分析與改善措施

針對(duì)外板包邊面與內(nèi)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(shí)排除，避免腔體內(nèi)氣壓升高，思路1如圖3 所示。二是折邊膠完全填實(shí)內(nèi)板與外板搭接的上下面，阻斷電泳液滲入包邊間隙內(nèi)，形成無空腔的環(huán)境，思路2 如圖3 所示。下面我們沿著上述2 種思路進(jìn)行原因分析和措施優(yōu)化。

圖3 門蓋膠泡解決思路

按照思路1 的方法，膠泡產(chǎn)生的原因主要是折邊膠涂膠位置、膠量不當(dāng)，將包邊結(jié)構(gòu)中的排氣通道堵塞。當(dāng)對(duì)涂完P(guān)VC 膠的車身進(jìn)行烘烤時(shí)，有以下2 種情況會(huì)導(dǎo)致PVC膠表面出現(xiàn)氣泡。

2.1 空氣膨脹

空腔內(nèi)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(nèi)、外板非涂膠貼合面的縫隙進(jìn)入PVC膠的下面，隨著烘烤時(shí)間的加長(zhǎng)和車身溫度的升高，使得進(jìn)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(xiàn)氣泡。

根據(jù)查理定律，一定質(zhì)量的氣體在體積不變時(shí)，溫度升高（或降低）1℃，壓強(qiáng)的增加量（或減小量）等于它在0℃時(shí)壓強(qiáng)的1/273。一定質(zhì)量的氣體在體積不變時(shí)，它的壓強(qiáng)跟熱力學(xué)溫度成正比。如果氣體壓強(qiáng)用p 表示，熱力學(xué)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(huán)境下空腔內(nèi)的空氣壓力將較常溫提升1.35 倍[3]。

2.2 水分氣化膨脹

如果包邊間隙過大，電泳烘干后，不能使?jié)B入包邊間隙的液體水分完全揮發(fā)，使得四蓋包邊結(jié)構(gòu)中排氣通道或包邊間隙內(nèi)殘留水分。當(dāng)對(duì)涂完P(guān)VC膠的車身進(jìn)行烘烤時(shí)，水分受熱氣化膨脹，進(jìn)入PVC 膠下面，使得PVC 膠表面產(chǎn)生氣泡。水蒸氣溫度與壓力的關(guān)系見表1，當(dāng)烘烤溫度為140℃時(shí)，水蒸氣壓力達(dá)3～4 個(gè)大氣壓。

表1 水蒸氣溫度與壓力的關(guān)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(jìn)去包邊結(jié)合部位。經(jīng)過涂裝電泳烘烤后，折邊膠得到固化，PVC 膠涂抹上后，內(nèi)部壓力不會(huì)發(fā)生變化，也就不會(huì)有升高的氣壓將PVC 膠頂出氣泡。但是按照此方案會(huì)帶來溢膠的問題，采用機(jī)器人滾邊時(shí)，終滾邊時(shí)可以將滾輪外縮，避免滾輪上面沾滿殘膠，影響后續(xù)滾邊質(zhì)量和造成二次污染。而采用壓機(jī)自動(dòng)包邊時(shí)，溢出來的膠會(huì)污染模具刀刃，影響包邊質(zhì)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(jī)器人包邊可以采納。但溢出的包邊膠如果不擦除，經(jīng)過烘烤硬化后，將影響涂裝PVC 膠的涂膠質(zhì)量，造成PVC 膠扭曲變形。

當(dāng)然，經(jīng)過細(xì)致的參數(shù)控制，可以達(dá)到折邊膠即填充滿包邊間隙又不溢膠的狀態(tài)。但是影響溢膠的因素包括涂膠空氣壓力的穩(wěn)定性、天氣溫度對(duì)膠黏度的影響、機(jī)器人滾邊壓力的影響等，因素變化大，情況復(fù)雜難以控制，即使有涂膠機(jī)器人視覺識(shí)別自我調(diào)整涂膠量的情況也難以滿足長(zhǎng)時(shí)間的工藝穩(wěn)定。

影響膠泡的因素還有一個(gè)是我們?nèi)菀缀鲆暤?，即PVC膠內(nèi)含揮發(fā)性物質(zhì)。如PVC 膠自身含有揮發(fā)性物質(zhì)超標(biāo)，當(dāng)對(duì)涂完P(guān)VC 膠的車身進(jìn)行烘烤時(shí)，揮發(fā)氣化膨脹，使得PVC 膠表面出現(xiàn)起泡。一般情況下，我們可以在實(shí)驗(yàn)室單獨(dú)進(jìn)行PVC 膠氣泡試驗(yàn)，對(duì)PVC 模擬工藝參數(shù)烘烤，檢驗(yàn)PVC 膠是否會(huì)本身產(chǎn)生氣泡[4]。

根據(jù)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(jìn)行優(yōu)化。

首先，折邊膠位置優(yōu)化：控制涂膠位置距離外板翻邊面一定的距離，確保內(nèi)外板壓合后被擠壓的折邊膠不會(huì)溢出至排氣通道，同時(shí)涂膠膠型分為螺旋膠和直線膠，螺旋膠的膠量相對(duì)直線膠多，因此在設(shè)定邊距的時(shí)候需距離增大。以螺旋膠為例，一般設(shè)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(yōu)化（螺旋狀膠型）

其次，涂膠直徑優(yōu)化：通過調(diào)整機(jī)器人軌跡和速度，避免涂膠起點(diǎn)和收尾點(diǎn)由于膠槍的壓力發(fā)生突變，形成堆積現(xiàn)象。膠堆積處內(nèi)外板壓合后折邊膠會(huì)堵塞排氣通道，形成密閉腔體?？梢酝ㄟ^調(diào)整機(jī)器人涂膠速度和涂膠設(shè)備壓力參數(shù)控制出膠速度。涂膠直徑優(yōu)化如圖5 所示。

圖5 涂膠直徑優(yōu)化

再次，局部斷膠：涂膠直徑、位置同時(shí)受過程因素影響，如氣溫、折邊膠黏稠度、設(shè)備等諸多不穩(wěn)定因素影響，為此適當(dāng)增加一些斷膠口以便空氣順利排出，特別是通過調(diào)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(dāng)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(yōu)化的結(jié)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?yàn)榘呴g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(shí)間，可使門蓋包邊鈑金內(nèi)的水分得到充分揮，降低門蓋在車身涂PVC 膠前的水分。同時(shí)，在PVC 膠烘烤過程中，采用低溫烘烤，降低空腔內(nèi)的氣體壓力和PVC 膠內(nèi)揮發(fā)氣體揮發(fā)速度。通過對(duì)比2 個(gè)不同工藝涂裝廠烘烤溫度條件下的結(jié)果，對(duì)于采用同一套涂膠軌跡的機(jī)蓋和右前門進(jìn)行驗(yàn)證，烘烤溫度對(duì)膠泡形成可以起到調(diào)節(jié)和優(yōu)化的作用。不同涂裝的烘烤溫度對(duì)比見表2。

圖6 涂膠斷口優(yōu)化

表2 不同涂裝廠的烘烤溫度對(duì)比

從表2 我們可以發(fā)現(xiàn)涂裝二廠電泳烘干溫度高于涂裝一廠，同時(shí)涂裝二廠的膠烘干、中涂閃干溫度和時(shí)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(guān)系表得知，涂裝二廠出來的車身門蓋膠泡會(huì)低于涂裝一廠產(chǎn)生的車身門蓋膠泡，實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同烘烤工藝條件下膠泡試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

因此，我們可以在條件允許的條件下，適當(dāng)提高電泳烘干的溫度，延長(zhǎng)電泳烘干的時(shí)間，在保證油漆質(zhì)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(shí)間對(duì)油漆質(zhì)量以及能耗的影響，可以調(diào)節(jié)的范圍有限。

除了以上因素，我們還需要考慮門蓋內(nèi)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(nèi)外板的包邊間隙過大，前處理和電泳液體容易進(jìn)入，不易烘干，產(chǎn)生膠泡概率增加。如果間隙過小，內(nèi)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(huì)影響包邊的質(zhì)量。同時(shí)包邊壓力過小，也會(huì)造成包邊后內(nèi)外板間隙過大，但如果包邊壓力過大，又會(huì)影響包邊面品質(zhì)量。一般情況下，我們優(yōu)先調(diào)試焊裝包邊質(zhì)量，可以在保證包邊質(zhì)量的前提下，小心謹(jǐn)慎地增加包邊壓力，但包邊壓力的調(diào)節(jié)不作為解決膠泡問題的主要措施，因?yàn)榘厜毫?duì)門蓋包邊質(zhì)量影響比較敏感，增加包邊壓力，系統(tǒng)穩(wěn)定性不好，影響包邊設(shè)備的使用壽命。

3 結(jié)論

針對(duì)涂裝PVC 膠膠泡問題，采用以上措施后得到有效的改善，可以將膠泡問題控制在質(zhì)量允許的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。系統(tǒng)地分析與優(yōu)化監(jiān)控措施，可以幫助我們快速分析和判斷問題產(chǎn)生的原因，并實(shí)施改善措施。同時(shí)將上述因素及相關(guān)參數(shù)納入工藝監(jiān)控范圍，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，膠泡問題很難百分之百消除。由原理可知，通過產(chǎn)品設(shè)計(jì)增加排氣孔、增大排氣通道等措施也能有效降低膠泡產(chǎn)生，有待進(jìn)一步分析驗(yàn)證。