保险杠喷涂前处理工艺浅析

叶晓天 王高坤 胡伟

摘 要：文章主要介绍汽车喷涂塑料件几种前处理工艺水洗、CO₂清洗、人工擦拭的主要特點。并从投资、运营能耗以及对上游工艺的影响等方面，对以上几种处理工艺进行了简单的分析及对比。

关键词：保险杠;前处理工艺;塑料件喷涂;运营能耗

中图分类号：U466  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）04-155-04

Analysis of Bumper Spray Pretreatment Process

Ye Xiaotian， Wang Gaokun， Hu Wei

（ Geely Changxing Energy Vehicle Co.， Ltd.， Zhejiang Huzhou 313100 ）

Abstract：Analyse different plastic pretreatment mode， mainly power wash， CO₂clean and manual wipe for bumper. Focus on investment， operation consumption， production quality from injection， and come to a summary at the end.

Keywords： Bumper; Pretreatment; Plastic paint; Operation consumption

CLC NO.： U466  Document Code： A  Article ID：1671-7988（2020）04-155-04

引言

随着汽车设计的成熟进步，塑料件在汽车上的应用趋多，保险杠、翼子板、门槛条等塑料外饰件需要喷涂成与车身主体相配的颜色，而对塑料件喷涂的工艺各厂商也有所差别，有传统的3C1B、有水性漆，漆前处理有较为传统应用较多的喷淋水洗到现代兴起的CO₂清洗，以及更为简洁的人工擦拭。各厂商根据自身的实际情况及当地环保相关政策作出不同的工艺路径规划。本文将主要介绍目前几种不同的塑料件漆前处理方式及其特点。

1 前处理工艺介绍

1.1 水洗前处理

水洗前处理是较为传统的塑料件喷涂前处理方式，目前国内80%以上的保险杠漆前处理都使用水洗工艺，如延锋、麦格纳、吉利汽车、长城汽车的大部分保险杠车间都使用水洗前处理工艺。在某些车间还有可能存在水洗前进行简单擦拭的情况。水洗前处理主要特点是清洗效果好，通常一次合格率能达到95%以上。设备投资及运营能耗较大。

1.1.1 水洗原理

通过利用一定压力的水对工件表面进行喷淋，来实现去除工件表面油污的目的，通常设5道喷淋，喷淋压力一般设计为1.0 bar，并可在现场根据情况对喷淋压力进行一定幅度的调节。前两个喷淋加热到55℃左右，并加入脱脂液，使用物理化学方法除掉表面脏污，而后3道常温水洗冲洗除掉工件表面的化学药剂成分，其中最后一道水洗使用纯水，达到表面无污物、无矿物离子的状态，一般最后一道纯水喷淋后，工件上的滴水电导率不大于10μs/cm。某些厂家还可能在最后一道水洗中加入助脱剂，来改变工件表面水的张力，更有利于水分脱离工件表面，有助于防止水分烘不干等情况。水洗之后设置抖水（可选）、自动及人工吹水来除掉工件表面的水膜，对后续水分烘干非常有利;人工吹水通常使用厂区统一供应的压缩空气，针对自动吹水不可达的边角这些容易兜水区域，看现场的水分残留情况，有些工厂仅规划预留人工吹水工位，生产阶段不设置操作工。常规水洗前处理的工艺流程如图1所示。

1.1.2 设备投资

以某40挂/小时节拍的保险杠生产线为例，水洗前处理工艺设置一套5序（包括预脱脂、脱脂及3道水洗）水洗和吹水设备，包括不锈钢槽体5个，通长的不锈钢室体，水泵6台，吹水风机一台，不锈钢导轨及链条输送机，另包括相应水管、风管、阀门仪表等附属设备，整体设备尺寸52*3.2*4.2m;水洗后水分烘干及强冷，室体使用不锈钢内板，外包保温岩棉及波纹板，烘干高温链条及导轨，耐热温度120℃以上，烘干线整体尺寸80*3.2*4m。综合下来水洗加烘干投资在数百万。

1.1.3 运行能耗

因设备种类多，水洗前处理在各种工艺中属于能耗较高的一类，主要表现在以下方面：电，用电设备较多，有水泵、吹水风机、烘干风机及照明等，综合装机功率320KW;水，前处理的主要介质是水，水的耗量主要来源于新鲜水喷淋，各工艺槽的补水等，计4t/h;天然气，烘干炉使用天然气燃烧加热工件，经计算为40Nm?/h;压缩空气，用于驱动气动阀，人工吹水工位用来吹干工件，计80Nm?/h;另使用蒸汽加热脱脂和预脱脂槽液。结合当地能源单价（浙江·湖州），综合计算能耗450元/小时。

1.2 CO₂清洗

CO₂清洗是近期兴起的一项清洗技术，在国内外已开始应用在一些保险杠生产线上。CO₂清洗效果一般，特别是表面油脂较重的时候;优点是节省成本，和水洗相比污染排放物较少。

1.2.1 清洗原理

CO₂清洗主要依靠固态二氧化碳颗粒通过喷嘴喷洒到工件表面，利用干冰的低温（-60℃～-80℃），使工件表层形成极低温度，使表面的油脂等赃物冷冻， CO₂在工件表面气化过程中体积急剧膨胀约700倍，油污灰尘皲裂成碎片，失去粘性;同时从喷嘴喷出高速气流，气流的冲击力将皲裂后的碎片从工件表面吹落，随后被工位排风管带走并做过滤处理。对于保杠等外形不规则曲面的产品，通常需要将喷嘴安装到机器人手臂上，使用机器人对工件表面做仿形，从而形成更好的均匀一致的清洗效果。

CO₂清洗通常可细分为雪花清洗和干冰颗粒清洗，两者都需要在室外放置一个液态CO₂储存罐，常温高压的液态CO₂从管道进入喷嘴瞬间压力减小，体积膨胀，变成固态雪花状CO₂，被压缩空气吹向工件表面，雪花清洗的喷嘴接近液态喷嘴，喷嘴数量排布在设计阶段均可调整。雪花清洗喷嘴结构如图2所示。

对于CO₂干冰清洗，需要在CO₂储存罐后后面增加了压缩装置，将极为细小的CO₂雪花压缩成大块的干冰冰块，随后将干冰切割成为设定好大小的颗粒，粒径大小从0.5～3mm不等，可在根据需要在设备设计阶段设定好。由于是细小颗粒，干冰清洗的喷嘴会大一些，可根据需要将喷嘴设计成相应的形状。

干冰挤出及干冰清洗如图3所示。

干冰洗较雪花清洗颗粒较大，干冰颗粒以极快速度冲击到工件表面，冲击力较强，对一些粘度较大的油污具有很好的清洗效果，同时也应注意到，干冰颗粒对产品表面的冲击会对表面粗糙度产生影响，特别是选择的干冰颗粒较大、工件表面较软的时候。

和水洗一样，CO₂清洗后通常也设置人工检查，火焰处理以及3道喷漆等工序，由于清洗过程中环境会比较干燥，在喷漆前去静电作用的等离子风是非常有必要设置的。鉴于CO₂对油污的清洗能力比水洗处理要弱，需要在注塑工序使用免脱模剂的塑料粒子，并在日常生产中做好模具保养等工作，杜絕保险杠等产品表面存在重油污、难以清洗的脂类等赃物，否则清洗不干净会在喷漆过程中引起缩孔、附着力不良等缺陷。在产线规划阶段，应充分考虑来件的洁净程度以及最终产品的表面状态要求，有条件的情况下经过适当的实验测试论证，再选择适合产品的处理方式。

1.2.2 设备投资

CO₂清洗的包含的主要设备有室外液态储存罐、雪花（干冰）制取设备、仿形机器人、送风空调厢、其它喷嘴管路等附件。综合下来设备投资低于水洗前处理约30%的水平，而干冰颗粒工艺由于多了一个将大干冰切割成小干冰的工序，所以设备成本会略高于雪花清洗一点。

1.2.3 运营能耗

CO₂清洗的能耗主要来源于压缩空气的使用，室体内的空气送风以及各个设备的耗电量。为避免从工件上清洗下来的灰尘飘扬二次污染工件，通常设置CO₂清洗室的沉降风速为0.3～0.4m/s左右，湿度在40～70%之间。按照40挂每小时，双边3层的产能计算，规划清洗室相关的设备电功率不超过200Kw，每小时大约400Nm³/h的压缩空气耗量。

同时也应注意到，以单位平方计算，根据长三角地区的工业CO₂价格，CO₂的单耗成本远高于水洗药品，但CO₂综合运营成本仍然低于传统水洗一截。由于各地区CO₂价格存在差异，本文暂不考虑原材料对的影响，只考虑运营能耗。

1.3 人工擦拭前处理

1.3.1 清洗原理

相较与传统水洗以及CO₂清洗，人工擦拭相对简单，即通过人工采用黏性抹布去擦拭产品需要喷涂的外表面，根据产品来件的清洁程度，可能还需要沾取一些溶剂去擦拭，常用的溶剂有酒精、异丙醇等。此类擦拭工艺在日系保险杠车间应用较多，日系产品在注塑阶段就已经充分考虑影响后续喷涂质量的因素。从塑料粒子的控制、注塑机设计、模具设计加工、及车间日常洁净度等方面做好管控，杜绝油以及灰尘对产品表面的污染，保证注塑后产品表面的洁净度，从而提升产品漆后质量及一次合格率。

擦拭方式对进入喷涂线的产品的表面洁净度要求比干冰清洗更高。特别是塑料件表面不能有油污，一旦油污染到保险杠表面，通过擦拭很难根除，会在喷漆后造成漆面缩孔、附着力不良等缺陷;在排产过程中，注塑完的零件设置尽可能少的库存，库存等待时间越长灰尘污染工件表面的概率越大，连续拉动生产时以半小时左右库存量为宜，并将库存区设置洁净区，生产期间开启送风加湿功能，尽可能减少灰尘污染，若灰尘污染传递到喷漆工序，会产生颗粒等缺陷。可见在需要设置批量毛坯件库存的地方不太适用于擦拭前处理工艺。建议在规划阶段进行相关的油漆配套性实验测试，根据情况综合考虑加以选择。

1.3.2 设备投资

人工擦拭对设备的要求也比较简单，主要就擦净室及照明送风，根据需要可能配备静电吹尘枪，用压缩空气吹去产品表面的静电浮尘。由于涉及到溶剂，室体内排出的气体可能含有部分废溶剂，废溶剂的含量与来件表面洁净度以及溶剂的挥发速度有关，根据各地环保政策的差别，可能需要对擦净的废气做过滤处理，消除掉溶剂后再外排。此处我们对设备投资的比较暂不考虑空气中的废气净化装置。

1.3.3 运营能耗

人工擦拭的运营能耗相对较小，仅室体送风和照明耗能，以及少量的压缩空气。正常送风满足人员工作舒适度即可，夏季不高于28℃，冬季不低于18℃，湿度保证不结露即可，不做严格控制，综合能耗功率约50Kw，压缩空气耗量100Nm³/h。

对于擦拭方式进行的表面处理，对进入喷涂线的产品表面洁净度存在较高的要求。特别是塑料件产品表面不能有油污，一旦油污染到保险杠表面，通过擦拭很难根除，会在喷漆后造成漆面缩孔、附着力不良等缺陷;在排产过程中，注塑完的零件设置尽可能少的库存，连续拉动时以半小时左右库存量为宜，并将库存区设置洁净区，具备送风加湿功能，尽可能减少库存过程中灰尘对工件表面的污染。可见在需要设置批量毛坯件库存的地方不太适用于擦拭前处理工艺。建议在规划阶段进行相关的油漆配套性实验测试，根据情况综合考虑加以选择。

2 投资能耗对比

综合上述3种前处理的描述，结合相关经验数据，得出各工艺成本关系如下，假设水洗前处理的投资为100，运营能耗为100。投资对比如图4所示，运营能耗如图5所示。

可见，不管是从设备投资上还是运营能耗上，传统水洗、二氧化碳清洗、人工擦拭三者的成本均以降序排列，特别是人工擦拭，投资和能耗节省很多。同时我们也应看到，对国内目前存在的大部分保险杠等塑料件生产车间，喷涂来件的洁净度较难达到简单擦拭或吹扫就能喷漆的水平，如此必然要增加较多人工来擦拭，而这样会带来人工成本的上升以及潜在的返修等不一致质量成本。

水洗前处理往往在冲洗后需要人工吹水，在喷漆前也需要人工检查，需要一定的人工干预;由于处理效果较好，对各种来件洁净度都能适应，目前国内应用较广发还是水洗前处理工艺。而干冰清洗至喷漆全程几乎无需人工干预，属于自动化程度最高的一种清洗工艺;鉴于目前其对重油污的处理能力有限，相信将来随着CO₂清洗技术的改进发展以及注塑洁净度的提高，在可见时间段内，CO₂清洗这种绿色清洗技术会得到较大范围的应用。而随着注塑洁净度的进一步提高，以及涂料适用性范围的提高，从节能降耗角度出发，免前处理应是塑料件喷涂的终极目标。

参考文献

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[2] 王圣.東风日产花都工厂保险杠涂装二线的工艺设计及实施[J].汽车工艺与材料， 2010（7）.

[3] 李文刚，周胜兰，宫金宝.汽车塑料件涂装的绿色工艺技术[J].汽车工艺与材料，2013（10）.