微貨商用車前風擋玻璃膠裝配控制工藝研究

關鍵詞：前風擋玻璃；玻璃膠；底涂劑；清洗劑；基材

0引言

微貨商用車在整車下線淋雨檢驗和在市場用戶抱怨中，都有風擋玻璃位置漏水、前風擋裂紋的現象存在，對整車下線質量和用戶滿意度都有一定的影響，前風擋玻璃開裂嚴重情況下可能會引起安全事件。汽車前風擋玻璃是通過玻璃膠粘貼到車身封窗框上，其裝配過程工藝會直接影響到玻璃膠的粘接效果，本文主要闡述微貨商用車在現有設計結構下，如何通過研究前風擋玻璃裝配材料之間的化學反應機理，闡述潛在失效可能，從而辨識各工藝環(huán)節(jié)關鍵控制因素并制定措施，實現通過PFMEA預防前風擋玻璃在市場的漏水和開裂現象。

1前風擋玻璃固定結構

微貨商用車的風擋玻璃與車身固定和密封，主要是依靠玻璃膠和涂抹在基材接觸面上的底涂劑與清洗劑等三者產生的化學反應實現，其中清洗劑直接涂抹在基材（車身和前風擋玻璃）上，然后在清洗劑上方涂底涂劑，玻璃膠則在前風擋玻璃和車身之間的底涂劑上方連接（圖1）。而乘用車多數采用免底涂玻璃膠，但是成本相對較高。

2反應機理與控制要素識別

2.1清洗劑

清洗劑含有醇類溶劑和活化劑組合（不同廠家配方有所差異，有的廠家只有醇類溶劑），醇類溶劑的作用是對基材表面清潔，去除表面的灰塵、油污等，保證底涂劑與基材的反應。帶有活化劑的清洗劑，其作用除了清洗之外，還對基材表面進行活化處理，讓基材表面具有一定活性，促進底涂中的粘接促進劑與水和玻璃的反應[1]。如果清洗劑在涂抹底涂前沒有充分揮發(fā)，會與底涂劑中的活性成分發(fā)生化學反應，導致底涂性能失效，所以清洗劑的裝配過程，要保證涂底涂劑前在基材表面充分揮發(fā)。為了保證清洗的有效性，還要保證用來涂抹清洗劑涂抹工具自身的清潔度。

2.2底涂劑

底涂劑由聚氨酯預聚體、酯類溶劑、炭黑和粘接促進劑等組成，屬于懸濁液的一種混合物，處于玻璃膠與兩基材之間，并與兩者發(fā)生不同的化學反應而進行結合，因具有充分浸潤并快速滲透作用，起到前風擋玻璃與車身連接的橋梁作用。其中與車身側鈑金的反應為聚氨酯預聚體與車身鈑金表面油漆中的有機物、羥基化合物（HO-CH2-R）的反應。與前風擋玻璃側的反應為促粘劑遇到空氣中的水之后，與玻璃表面的Si-HO發(fā)生縮合反應，起到與玻璃膠產生反應后粘接更牢固、結合強度更高的作用。根據以上反應機理，其中水對反應的作用是很大的，但空氣中的水汽含量并不是越多越好，聚氨酯預聚體與水反應釋放出的CO2，會影響玻璃膠與基材接觸面的結合。因此，裝配過程，必須保證基材的干燥性，保證與空氣接觸時間的控制。此外，因聚氨酯預聚體在底涂劑液體中屬于固體顆粒，所以使用過程中不能沉淀，需要在涂抹前隨時保證底涂中相關成分的均勻性。

2.3玻璃膠

玻璃膠（單組分聚氨酯膠）的主要成分是聚氨酯預聚體（聚醚多元醇和二異氰酸酯合成）、增塑劑、固體填料和助劑等混合而成的膏狀物。既可以與基材表面的含活性氫基團發(fā)生化學反應，形成牢固粘接，也會在水汽的引發(fā)下發(fā)生聚合反應，其反應最終結構既有各種化學鍵的保持力，也有分子間的范德華力，也是這些力使其能夠保持非常高的粘接強度，保證其牢固粘貼在兩邊基材表面。也因為會與空氣中的水汽發(fā)生聚合反應，所以玻璃膠不能長期裸露在空氣中。

玻璃膠是濕固化類型粘接劑，通過接觸空氣，與空氣中的水分反應而形成彈性體，是一種由外至內的緩慢固化過程，受溫度、濕度影響比較大，所以在冬季溫度低、濕度低，聚氨酯膠正常固化速度很慢。整車下線前車輛振動，可能會引起玻璃下滑，出現玻璃滑落位移的風險。

3過程工藝控制

根據以上化學反應闡述，前風擋固定和密封的過程，也是聚氨酯膠、底涂劑和清洗劑之間，以及與車身鈑金、玻璃等基材之間產生化學反應的過程。根據以上反應機理分析和控制要素識別，制造過程按照PFMEA原則，對裝配過程應控制的關鍵點制定預防措施進行控制。首先按照以上反應機理和技術條件，確定與裝配過程相關的可能失效模式，評估影響因素；然后找出預防失效的過程控制關鍵點，制定對應的預防措施；最后輸入PFMEA和作業(yè)指導書中，進行動態(tài)評估優(yōu)化和過程控制。并最終通過日常監(jiān)控玻璃膠的關鍵技術性能要求，跟蹤裝配過程控制的有效性，并根據需要實時更新預防措施。

3.1時間控制

清洗劑中的水分充分揮發(fā)需要約3min，所以底涂需滯后清洗劑3min后再涂；沒有活化劑的清洗劑，可采用擦拭方式縮短與底涂的時間間隔，需注意擦拭布始終保持清潔?？諝鉂穸容^大時，需注意觀察擦拭后表面是否已充分揮發(fā)后再涂底涂。底涂與基材充分反應需要約5min，時間過長也會與空氣中的水分反應釋放過多CO2，底涂涂抹后6h內，必須裝配前風擋玻璃，所以底涂涂抹后裝配風擋玻璃時間需要控制在5min以后，6h以內。

以上清洗劑和底涂的時間控制要素，可根據總裝的線速計算出工位間隔，合理安排間隔工位的數量，實現從工藝布置上進行時間控制。針對底涂后6h內必須完成玻璃裝配的要求，可將玻璃打膠工位設置成孤島工位，放在與涂底涂工位間隔5min后的工位旁邊，且在玻璃打膠孤島工位設置時，清洗劑可采用擦拭方式，縮短底涂與清洗劑時間間隔。再將涂底涂劑與打玻璃膠兩道工序中間設置成流水線，中間間隔一定數量的前風擋玻璃零件，就可以保證底涂后5min到機器人打膠工序，這樣就可以保證玻璃膠與車身、前擋風玻璃兩側底涂時間同步控制。

3.2軌跡控制

因清洗劑、底涂和玻璃膠三者存在極高的相關性，所以三者的軌跡必須保持一致，才能保證粘貼范圍內發(fā)生相關的化學反應。因此，需制定涂抹寬度和定位的保證策略。一般玻璃膠寬度8～10mm，為了防止軌跡錯位，根據三者與基材接觸的先后順序，將清洗劑寬度定為18～20mm，底涂寬度定為12～15mm，使其存在一定的容錯率，且將清洗劑和底涂劑涂抹工裝采用同一定位策略，就可以保證軌跡的一致性。玻璃膠打膠軌跡是由機器人程序保證，將底涂和清洗的定位輸入打膠程序中，從整車數模中確定玻璃膠軌跡，就可以保證前風擋裝配后三者軌跡的完全重合。

3.3底涂控制

底涂在涂抹過程要保證內部物質均勻，需每次倒出少量底涂放在自備容器中使用（容器容積要根據線速和單臺用量計算出20min內涂完）。開包裝后的其他底涂劑采用專用設備時時進行振蕩搖擺，保證下次倒出使用時是均勻充分的狀態(tài)。當設備出現故障時，用手進行大幅度搖晃，直到聽到內部有滾珠響聲后再倒出使用。涂抹底涂劑的毛刷頭，在＞6h內不使用時，需報廢處理，更換全新的容器和刷頭使用，防止時間過長凝固，引起在基材表面涂抹不均。

3.4玻璃膠打膠控制

玻璃膠一般是由機器人打膠，主要控制機器人軌跡和膠型，特別是拐角處和打膠起止點等位置，要保證軌跡一致，不變形、不缺膠、不堆積、不倒膠等，膠型控制由膠嘴切割、運槍方法進行控制，如微貨車型的玻璃膠要求底部膠寬8～10mm，高度12～14mm的三角膠型，需要選擇直徑8～10mm的膠嘴，在其側面開寬5～8mm，深度10～12mm的三角切口進行膠型控制（圖2）。另玻璃膠打出后，需要在15min內完成玻璃裝配，防止與空氣中的水會發(fā)生反應，控制方式在3.1節(jié)已說明。

微貨商用車使用玻璃膠的使用環(huán)境條件一般為溫度15℃～30℃、相對濕度40%～65%RH，技術要求表干時間≤45min、固化速度≥3mm/24h，在冬季車玻璃膠至少需要60min才可以完成表干。不能滿足技術要求，生產過程需要在打膠設備上增加對打膠筒的加溫功能，當環(huán)境溫度低于15℃時，對玻璃膠實施加溫[2]。同時，為了降低玻璃下滑的風險，在生產線至車輛入庫期間，可用兩條布基膠帶粘住車身頂蓋與前擋風玻璃進行固定，在入庫前再進行拆卸。

3.4材料匹配控制

清洗劑、底涂和玻璃膠三者的需要匹配使用，因不同供應商的成分存在差異，所以三者必須保證同一輛車使用同一供應商的材料，才能保證相互充分地發(fā)生化學反應。另因清洗劑、底涂與基材側的油漆發(fā)生活化反應，來促進與玻璃膠的粘連牢固，所以首次生產時，需要制作樣片進行基材與清洗劑、底涂和玻璃膠的剝離粘接性試驗。當生產過程任一方的工藝發(fā)生變化時，都必須重新進行樣片剝離試驗驗證。當驗證存在問題時，需進行對應清洗劑和底涂的配方調整，便于化學反應為最佳狀態(tài)。玻璃膠更換供應商時，打膠設備需要充分進行清洗，將設備、管路中的膠全部清洗干凈后才能開始使用另一家供應商的玻璃膠，防止換膠初始階段，玻璃膠在設備內產生混用。

3.5風窗框鈑金結構設計與過程關鍵控制

風窗框是裝配前風擋玻璃的車身空間，由左/右A柱、頂蓋和前隔板等車身鈑金折邊形成，車身側基材就是指風窗框的鈑金折邊。所以在設計封窗框時，需留出足夠的玻璃膠作用面積，根據前面識別的為了保證清洗劑、底涂和玻璃膠三者軌跡，清洗劑工藝寬度為18～20mm，那么封窗框折邊寬度一般控制在20～22mm[3]。前風擋玻璃與封窗框周邊配合間隙保證在5～6mm內，兩者不能出現干涉和擠壓現象，所以封窗框的焊接過程中必須保證前風窗的尺寸精度，鈑金折邊平整，避免破壞前風擋玻璃邊緣力和行駛時受到振動扭曲而產生裂紋[4]。

4玻璃膠剝離粘接性能效果監(jiān)控

玻璃膠有表干時間、固化速度、撕裂強度、拉伸強度、剝離粘接性等13項性能技術指標[5]，其中與玻璃膠脫膠故障模式關聯的性能要求為剝離粘接性項目，此項目在商用貨車的技術要求為95%以上內聚破壞。因此，生產過程應對此項技術要求每月進行試驗驗證，監(jiān)控玻璃膠粘貼工藝控制的效果。

首先選擇在整車車身使用中的鋼材上裁剪尺寸為200mm×200mm鈑金試片，然后再在照車身涂裝正常工藝在進行鈑金表面的油漆噴涂，按照總裝裝配前風擋工藝的順序、時間等要求，進行清洗劑、底涂劑、玻璃膠打膠，一般試片上打3～5道、厚4±0.2mm的膠即可。打完膠后，試片放在溫度（23±2）℃，相對濕度（50±5）%的條件下，放置168h，然后進行切割玻璃膠，切割時要從膠帶端拿起密封膠，以90°角用力拉扯。用刀片在膠層和基材界面之間用鋸齒形切割輔助剝離，切割后觀察和測量密封膠和界面的破壞面積，計算合格和不合格面所占比例，最終評價其是否滿足玻璃膠與基材的粘貼面積≥95%的要求。

5結束語

本文通過玻璃膠、底涂劑和清洗劑的反應機理進行理論分析，從而識別出過程應控制的因素。通過將相關控制因素輸入到粘接裝配工藝中進行預防和控制，這個過程也是PFMEA的過程，預先評價過程因素變化可能產生的潛在失效或后果，找到預防措施，最大限度地滿足產品設計和制造一致性，從而滿足顧客要求。