运用Deltalyze法分析涂装生产过程中r缩孔产生的原因及优化

运用Deltalyze法分析涂装生产过程中r缩孔产生的原因及
优化
李玉杰;王玉涛;韩虎;李阳;张涛
【摘要】本文总结了缩孔的产生原理、分类及来源,介绍了显微分析、红外光谱、模拟实验等缩孔评价手段的应用,运用Deltalyze方法结合北京奔驰汽车施工现场,通过分析缩孔产生的原因,采取相关措施,减少了缩孔发生频次,降低了返工车数,为降低和预防涂装生产过程中缩孔的产生提供了分析解决流程及措施.
【期刊名称】《汽车工艺与材料》
【年(卷),期】2018(000)003
【总页数】8页(P14-21)
【关键词】涂装;Deltalyze分析方法;缩孔
【作者】李玉杰;王玉涛;韩虎;李阳;张涛
【作者单位】北京奔驰汽车有限公司,北京 100176;PPG涂料(天津)有限公司,天津300457;PPG涂料(天津)有限公司,天津 300457;北京奔驰汽车有限公司,北京100176;北京奔驰汽车有限公司,北京 100176
【正文语种】中文
【中图分类】TH18
1 前言
在工业涂装生产过程中常产生涂膜缺陷，造成车身点补或返工，不仅造成生产成本的增加，而且部分缺陷修复后漆膜表面平整度及光泽度也受影响。

其中缩孔是涂装行业中常见也无法完全消除的缺陷，如何发挥油漆材料的性能同时根据各汽车厂生产设备、生产工艺不同，适时提高施工水平减少缩孔的产生，成为涂装行业的一门重要研究课题。

2 面漆涂装目的及主要缺陷
2.1 面漆涂装的目的
汽车面漆具有赋予汽车色彩装饰及对整个涂装系统保护的功能。

a.关于装饰：面漆涂装不仅给予汽车车身色彩，最大限度地表现车体的设计构思，实现各种色彩和图案，还大幅提高其外观装饰性，实现汽车的商品价值。

b.关于保护：面漆涂装兼有对底涂层（中涂层和电泳涂膜）和面漆涂层自身的保护作用。

对底层涂膜的保护指防止紫外线透过和水透过，面漆涂膜自身的保护主要指“保色性”、“耐候性”、“耐污染性”、“耐酸雨性”和“抗划伤性”等性能
[1]。

2.2 面漆主要缺陷种类
涂装缺陷有上百种，一般可分为漆膜缺陷和漆膜的破坏状态。

所谓漆膜缺陷是指漆膜的质量与规定的技术指标相比所存在的缺陷，一般产生于涂装过程；漆膜的破坏状态是漆膜在腐蚀介质的作用下或在特定使用条件下产生的综合性能变化的外观表现。

涂装过程中常见的几种缺陷如表1所示。

涂装现场缺陷种类如图1所示。

3 Deltalyze分析方法介绍
Deltalyze分析方法是利用本身的逻辑原理和样本统计，通过对比评价合格样本和不合格样本，查找问题产生的根本原因，然后通过实验测试进行论证，并采取相关措施解决问题。

表1 涂装过程中常见的几种缺陷举例编号缺陷名称图片1缩孔2颗粒缺陷说明涂
面产生涂膜被压扁的凹状；涂面在烤干之前，附着有与涂料不相容的异物，涂料不能均匀附着，产生抽缩而漏出被涂面，形成缩孔状态涂膜表面存在凸起物；在烤干之前涂膜附着异物成凸起3起泡涂膜后产生无数大小水胀状隆起4杂漆涂膜喷涂过程中混入异色油漆，漆膜表面平整5流挂垂直面涂膜成局部过厚，产生不均一的条文和流痕6失光漆膜表面平整光滑，但缺少光泽7漆片涂膜中混入片状固体漆，漆膜表面不平整
图1 涂装现场缺陷种类
3.1 Deltalyze方法应用的主要工具及核心原则
Deltalyze方法主要用到的分析工具有对比图、三相图、柏拉图、树图、统计过程控制、控制计划、MSA等。

Deltalyze方法的核心原则-V模型如图2所示。

图2 Deltalyze方法的核心原则-V模型
3.2 Deltalyze方法问题解决步骤
第一步定义：项目的定义及细节；
第二步问题描述：描述/测量缺陷，并给出对比图；
第三步分析：判定缺陷的成因；
第四步证明：确认该缺陷的成因和改善措施；第五步提高：实施改善措施（产品或过程）；第六步案例学习：在产品和生产过程中分享此改善。

3.3 Deltalyze方法与六西格玛方法的不同点
六西格玛：X已知且X的影响等级已区分时，该方法用来寻找Y。

Deltalyze：评价合格样本和不合格样本，查找问题产生的根本原因，通过实验测试进行论证，并采取相关措施解决问题。

Deltalyze方法和六西格玛方法的不同点如图3所示。

图3 Deltalyze方法和六西格玛方法
4 缩孔产生的原理、分类、来源及危害
4.1 缩孔的定义及原理
4.1.1 缩孔缺陷描述
缩孔是由于涂膜产生被压扁的凹状，呈现出圆形的小坑，有的漏底材，有的中心有异物，有时呈分散状，有时呈聚集状，有时很深有时很浅，习惯有时也称中心有异物的缩孔为鱼眼。

缩孔的宏观及微观形貌如图4所示。

图4 缩孔的宏观及微观形貌
4.1.2 缩孔产生的原理
a.缩孔产生过程
涂膜表面凹陷有两种情况，一种是圆形凹陷，一种是六角多边型凹陷。

漆膜凹陷是由于表面张力梯度造成的，由于涂料组成的变化和温度变化导致表面张力不均匀，流体由低表面张力处流向高表面张力处，结果在流体表面形成凹陷，也称为Maragoni效应，最终出现边缘隆起、中心下陷成圆形的缩孔，或边缘隆起、中心下陷为六边形槽的贝纳尔多漩涡。

缩孔产生的原理是由于缩孔中心有低表面张力的物质存在，其与周围的涂料存在表面张力差，这个差值就是缩孔形成的动力。

缩孔产生的原理是由于缩孔中心有低表面张力的物质存在，其与周围的涂料存在表面张力差，这个差值就是缩孔形成的动力。

缩孔形成示意图如图5所示。

图5 缩孔形成示意图
b.固-液-汽界面力的平衡方程
根据杨氏方程在固-液-汽界面力的平衡可以用以下方程来表示：
式中，γsv为表面自由能；γsl为固液界面能；γlv为表面张力；θ为接触角。

用另一个方程来表示展布系数S：
其中，θ=90°可作为展布的界限；θ≤90°可展布；θ≥90°不可展布，产生缩孔。

固-液-汽界面力的平衡示意图如图6所示，接触角与展布的关系如图7所示，常用
涂层表面张力和表面自由能数值如表2所示。

图6 固-液-汽界面力的平衡示意图
图7 接触角与展布的关系
表2 常用涂层表面张力和表面自由能数值 dynes/cm材料水电泳层中涂层清漆层
表面自由能/4 1-4 5 4 4-4 8 3 8-4 5表面张力7 2.3/3 0-3 4 2 9-3 3
4.2 缩孔的分类
4.2.1 形状特征
有核心——缩孔中间有一个核心质点，呈毛絮状或颗粒状。

有核缩孔如图8所示。

图8 有核缩孔
无核心——缩孔中间无质点[2]。

无核缩孔如图9所示。

图9 无核缩孔
4.2.2 分布特征
均匀分布——缩孔均匀的分布车身各处。

特种分布——局部非常集中，甚至表现为彗星状。

各项异性——车身水平面和垂直面，缩孔比例差异较大[2]。

4.2.3 工序发生位置
深缩孔——缩孔位置较深，多位于色漆层及以下。

深缩孔如图10所示。

图10 深缩孔
浅缩孔——缩孔位置较浅，多位于清漆表层，通过逐层打磨法可消除。

浅缩孔如
图11所示。

图11 浅缩孔
4.3 缩孔的来源
涂装过程中缩孔的来源大致可以分为油漆制造方和车厂使用方[2，3]两大部分。

缩孔成因鱼骨分析图如图12所示。

油漆制造方产生缩孔的原因又可分为两部分：
a.配方问题，如消泡剂本身存在相容性欠佳或分散性差；硅类流平剂引发缩孔，造成涂层难涂覆；颜料分散不均匀造成结块等。

图12 缩孔成因鱼骨分析图
b.涂料生产过程问题，在涂料制造过程中，流平剂、消泡剂等助剂用量不够或分散不均匀或由于涂料设备不洁净，造成涂料制作过程中调配不均匀或有杂质污染。

车厂使用方生产过程中产生缩孔的原因可以分为以下几部分：
a.在混漆间，漆罐清洗及加料过程中人员污染。

b.油漆输送管路污染及压缩空气油水含量超标。

c.在喷涂之前车身表面污染，基材表面清洁不够，如有油、脂、脱模剂、手汗等。

d.喷涂过程中机器人有溶剂泄露或轨迹设置不合理在喷涂油漆之前涂膜较干，润湿性差。

e.喷漆室、闪干及烤箱滴油或其他污染源，车间内空气的温湿度低。

f.若喷涂部件100%都有缩孔说明表面张力匹配有问题，如表面张力过低（塑料基材）。

4.4 缩孔的危害
a.影响车身外观：当缩孔又大又深时，严重影响车身外观。

b.造成停产：连续批量的缩孔造成停产。

c.成本增加：额外的人工、物料来进行返修和返工，造成车身报废，若缩孔深且数量较多，无法返修则会造成车身或部件报废。

d.喷漆系统污染需要进行系统清洗，增加了系统清洗处理费。

e.由于对油漆原料的嫌疑不能及时排除，需要更换新的批次油漆进行验证，造成原
料浪费，增加了废漆处理费。

5 缩孔评价手段
5.1 显微分析法
在线通过逐层打磨结合微观技术手段观测缺陷消失于哪一涂层，从而对哪一生产过程进行重点关注，其优点是不破坏车身，可查找缺陷来自哪一工序，缩小成因查找区域。

缩孔逐层打磨分析法如图13所示。

图13 缩孔逐层打磨分析法
5.2 切片截面显微分析法
进行在线取样、制样并通过显微截面观察，直观判定缺陷来自哪一涂层，由哪一工序造成，优点是较逐层打磨分析法更直观判定缺陷产生哪一图层，并可以对缩孔形状进行判定，还可检测各涂层的膜厚是否合格，但需破坏部件取样分析。

缩孔截面分析法如图14所示。

图14 缩孔截面分析法
5.3 红外光谱分析法
红外光谱是将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，某些特定波长的红外射线被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱。

每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，据此可以对分子进行结构分析和鉴定，可以利用此技术通过对比缺陷的红外光谱与标准化合物的红外光谱做分析鉴定。

缩孔样件显微红外图谱如图15所示。

显微红外谱图结果分析表明，样件正常清漆漆膜还有残余异氰酸酯（NCO，
2264cm-1），羰基与生成的氨酯键（1727：1690cm-1）比例为1：1.12；缩孔位置清漆没有残余NCO，羰基与生成的氨酯键比例为1：0.86；缩孔位置清漆中
的NCO全部反应完全，但生成的氨酯键却很少，说明有一部分NCO并没有参与。

图15 缩孔样件显微红外图谱
比较缩孔与正常清漆谱图可以看到，缩孔多出1551cm-1的酰胺谱带，而NCO 与H2O反应可生成酰胺，建议检测喷涂现场是否存在水汽污染。

5.4 缩孔模拟实验法
缩孔模拟实验法是涂料在选用的适当的测试底板上喷涂，评估所产生的缩孔数量及程度，也可模拟判定生产现场的可疑污染源是否会产生缩孔，常用的缩孔监测方法有现场挂板、MST、污染物喷涂法。

5.4.1 现场挂板法
根据现场情况在怀疑有污染物产生的区域挂马口铁板，放置大约1天左右，取下铁板进行喷涂、烘烤，观测实验板是否有缩孔，验证此区域是否有污染源，此方法常用于验证烤箱区域及喷漆室顶部是否有冷凝油及其他污染物。

5.4.2 磁力搅拌喷涂测试法
磁力搅拌是一种行之有效的检验添加剂的方法，常用于润滑油、喉封液等液体与清漆的兼容性匹配测试。

实验过程如下，
a.制样：将样品加入干净的烧杯，搅出一个大约5mm深的漩涡，持续3-24h，选择合适的时间从漩涡中取浓缩样。

b.喷涂：将实验板用酒精擦拭干净，模拟现场喷涂参数，喷涂在干净的实验板上。

c.湿膜检查：检查湿膜是否有缩孔产生，若有标记缩孔的位置及个数。

d.烘烤检查：随车进烤箱，烘烤后，检查外观，并判定是否有缩孔产生。

5.4.3 过滤装置污染模拟法
该方法常用于验证室体顶棉是否有污染，实验过程取室体上正在使用的顶棉及新顶棉作参照，分别放置实验板上方，先用压缩空气隔着过滤棉吹实验板，然后在吹过的板子上进行正常喷涂、烘烤，并察看湿膜及干膜后是否有缩孔产生。

污染物喷涂实验法如图16所示。

图16 污染物喷涂实验法
6 缩孔问题解决流程
对于缩孔问题，初步判定问题来自外部或涂料本身至关重要。

a.部件是否100%产生缩孔，若100%产生缩孔则说明表面张力匹配有问题，或基材表面张力过低，或基材表面清洁度不够。

b.是否喷涂后即产生缩孔，即缩孔来源湿膜还是干膜，初步判定缩孔的产生工序。

c.缩孔位置是否固定，是否与基材污染、特定机器人、特定区域污染有关。

d.缩孔类型判定，浅缩孔和深缩孔比例。

深缩孔：可能来自基材或色漆表层污染、喷涂室体污染或清漆材料污染；浅缩孔：可能来自喷涂后烤箱污染。

7 案例分析——运用Deltalyze方法解决现场缩孔问题
7.1 案例背景
正常情况下缩孔数量可控制在10/天左右，6月中旬缩孔车数成倍增加最高达35
辆/天。

7.2 缩孔解决流程
7.2.1 缩孔初步分析
a.逐层打磨法确定缺陷类型，在线缩孔种类划分如图17所示。

图17 缩孔种类划分
b.Deltalyze方法对比图分析结果如图18所示。

图18 对比图
c.缩孔分布图如图19所示。

图19 缩孔分布图
统计发现缩孔分布位置比较离散，机盖、车顶、后备箱盖水平方向，门、侧围、翼子板垂直方向都有缩孔的产。

通过对缺陷种类、对比图、分布图分析，初步判定：此次缩孔发生在清漆层，大部分为无核缩孔更换清漆材料批次验证，油漆材料本身的影响较小，1、2线都爆发可能与材料施工污染、管路污染、压缩空气油水含量、
温湿度等有关，浅缩孔可能与清漆烤箱有关，深缩孔可能与基体或色漆表层污染、清漆材料施工污染、喷漆室污染有关。

7.2.2 涂装现场缩孔成因分析
针对缩孔问题对涂装线上的缩孔来源排查如图20所示。

图20 涂装线上的缩孔来源
a.检查混漆间清漆泵发现，润滑油缺少引流装置，清漆泵上方缺少保护装置，润滑油有滴落清漆系统造成污染的风险，取润滑油进行MST模拟实验，实验结果显示润滑油会导致缩孔。

装喉封液的瓶子浑浊，取使用中的喉封液进行MST模拟实验，实验结果显示，现场喉封液会导致缩孔，进行新喉封液与清漆的匹配测试结果显示，新喉封液不会产生缩孔，综合实验结果表明，现场清漆泵使用的喉封液被润滑油污染，喉封液失去密封功能，清漆往外渗漏，清漆系统中存在空气及其他污染源进入的风险。

b.利用过滤装置污染模拟法测试，喷漆室顶棉及加料滤芯均未被污染，不会导致缩孔。

c.进行现场压缩空气水含量测试，实验结果为150g/m3，超标（标准
〈100g/m3）。

d.色漆烤箱检查发现，风嘴周围有较多冷凝油，喷完色漆进行闪干时，冷凝油可能污染色漆表层，引起深缩孔产生。

e.清漆烤箱检查发现，风慕、烤箱入口及夹层有较多冷凝油存在，可能污染清漆表层，引起浅缩孔的产生。

烤箱过滤器到更换频次，烤箱入口顶部使用透明胶带，经测试此类胶带会导致缩孔的产生。

7.2.3 相关措施
a.将清漆泵上方安装润滑油引流装置，防止润滑油滴入清漆系统，更换新的清漆泵，并对设备进行除油保养，清洗装喉封液的瓶子，更换新喉封液。

b.对闪蒸烤箱、清漆烤箱及流平区进行深度清洁，更换烤箱过滤器，排查烤箱其他区域是否存在容易引起缩孔的透明胶带。

c.在开班前对混漆间、喷漆室进行压缩空气空排，对压缩空气水含量进行检测。

7.2.4 结果验证
相关措施采取之后缩孔数量减少1倍，但1线缩孔比例仍较高，对1线缺陷进行再统计发现，左侧车顶部位发生比例较高。

每天缩孔数量统计结果如图21所示。

图21 每天缩孔数量统计结果
7.2.5 运用Deltalyze对比图再次分析1线缩孔产生的原因
分析发现，1线左侧车顶为高发区域，通过湿膜观测，此部位湿膜后就有缩孔的产生。

1线对比图分析结果如图22所示。

图22 1线对比图
对比1、2线机器人喷涂轨迹发现，1线机器人在喷涂过程中车顶左侧会空排30s 的压缩空气，造成色漆表层润湿性能变差，导致缩孔产生，通过优化机器人轨迹，将等待点从车顶外板移至风挡区域，后统计此部位未有缩孔再次产生。

轨迹调整前如图23所示，轨迹调整后24所示。

图23 轨迹调整前
图24 轨迹调整后
7.3 改善结果评定
在采取措施前每天平均有25辆车由于缩孔问题需要返修，从6月26开始通过混期漆间泵、更换烤箱过滤装置，闪干烤箱重点清油等措施，两条线由于缩孔问题导致的返修车数降为平均每天13辆左右，从6月30号开始，通过调整1线机器人轨迹参数，由于缩孔问题导致的返修车数降为平均每天8辆左右，一次交验合格率（FTC）从83%升为86%，提升3个百分点。

改善前后缩孔数量对比如图25
所示，改善前后FTC对比如图26所示。

图25 改善前后缩孔数量对比
图26 改善前后FTC对比
8 预防建议
8.1 引起缩孔的污染物
引起缩孔的主要物质有硅类物质、氟化合物、磺酸盐类。

硅类物质如聚二甲基硅氧烷(PDMS)等，氟化合物如特氟隆密封胶等，磺酸盐类如清洗剂和表面活性。

研究表明，聚二甲基硅氧烷（PDMS）是典型的引起缩孔的化学物质，用途非常广泛，常应用于阀门和泵的润滑油、清洁剂、防污剂、防水剂、发胶、护手霜，甚至食品。

8.2 生产过程中如何预防缩孔
8.2.1 人手
a.进入工作区域前必须使用正确方法洗手。

b.工作区域不要涂抹护手霜。

c.进行电泳或中涂干膜观察等操作时，手不要接触车身，必须带手套。

d.所有直接接触油漆的操作如过滤介质的更换、加料等，必须遵照要求带手套。

8.2.2 着装
a.进入工作区域必须穿防静电服，同时防静电服保持洁净，至少每周清洗一次。

b.穿着合身的防静电服，避免干膜观察等操作时防静电服接触车身。

8.2.3 汗水
夏季气温高时，注意避免操作时汗水滴落。

8.2.4 个人用品
工作区域不允许喷洒香水、发胶。

9 结束语
本文介绍了Deltalyze分析方法，缩孔的产生原理、分类及来源，总结了显微分析、红外光谱、模拟实验等缩孔评价手段的应用，及现场挂板法、磁力搅拌喷涂测试法及过滤装置污染模拟法等缩孔模拟方法，并在实践中运用Deltalyze方法分析了缩孔产生的原因，为降低和预防涂装生产过程中缩孔的产生提供了具体的分析解决流
程及相应的措施。

参考文献：
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[2]王戈.涂装生产中缩孔原因的分析[J].电镀与精饰,2005.
[3]龙国军.汽车涂装工艺中缩孔原因分析及解决措施[J].中国科技博览,2013.
[4]许可.汽车涂装电泳投产调试中缩孔缺陷查找和预防方法研究[J].吉林大学,2014.。