客车车身机器人喷涂水性中涂漆应用研究

罗磊 曹祖军 孙颖 龙浪 冯鹏 张友粮

（中车时代电动汽车股份有限公司，常德 415001）

1 前言

目前，涂料生产及其应用每年向大气释放约1 100×104t 有机溶剂，这是仅次于汽车尾气的第二大VOCs（挥发性有机物）污染源[1]，这些挥发性溶剂可与大气中的物质反应，形成粒径为2.5 μm 的颗粒。此外，这些挥发性有机物还造成温室效应、酸雨等现象，它们不仅对自然环境造成极大的破坏，还会引起各种疾病[2]，例如刺激眼睛、皮肤、呼吸道，引起中枢神经系统异常、头痛、支气管炎等。

《中华人民共和国大气污染防治法》指出，在重点区域排放挥发性有机化合物的新项目应进行污染物排放替代[3]。由于水取代了涂料中的有毒有机溶剂，VOCs 的排放量大大减少。该类涂料施工环境安全环保，无火灾隐患，施工机械无需重大改造即可使用，可在很大程度上节约成本。因此，加快水性涂料的应用研究，推广溶剂型涂料向水性涂料的转型是行业的发展方向。我国客车水性涂料的喷涂尚处于探索阶段，尚未形成统一的生产模式。由于漆膜质量和成本问题，很少有客车厂商尝试采用水性涂料，客车水性涂料还有很大的应用和推广空间。

2 水性涂料应用中存在的问题

目前，水性涂料广泛应用于乘用车生产中，但以下问题仍然制约着水性涂料在客车生产中的应用。

2.1 涂层性能

根据烘烤温度的不同，涂层可分为高温漆和低温漆。在乘用车制造中，通常使用高温涂料，而在客车制造中，通常使用低温涂料。目前，市场上水性高温涂料的性能已经非常成熟，漆膜外观、耐腐蚀性、耐候性等指标可与传统溶剂型涂料媲美，且环保性能优异，广泛应用于轿车涂装。然而，水性低温涂料可能存在以下问题：光泽较低、桔皮现象严重、耐老化性能差、成本偏高。

2.2 水性涂料的储存和运输

水性涂料中的某些成分不稳定，在储存过程中，很多成分都会发生物理变化和化学反应。比如，高分子树脂缓慢聚合和降解，色素颗粒絮凝、沉淀[4]，在温度和湿度发生重大变化的情况下，这些变化会加速。因此，水性涂料储存期间应保持一定的温度和湿度。溶剂型涂料的贮存温度相对较宽，但由于水的冰点高于大多数有机溶剂，在低于0 ℃时，水性涂料会结冰，其理化性能会被破坏。此外，如果温度过高，水性涂料将产生明胶，呈现果冻状态，因此，在储存和运输过程中必须采取适当的温度控制措施，确保涂料的温度在允许范围内。

2.3 温度和湿度控制

水性涂料的组成决定了水性涂料的设计方法不同于溶剂型涂料。表1 所示为水和有机溶剂的部分物理化学性质。

表1 有机溶剂与水部分特性对比

水的蒸发热是一般有机溶剂的5~7 倍、沸点高、蒸发慢、表面张力高、润湿性差，易出现流挂、缩孔现象。由于不同溶剂（如醇、醚和苯）的沸点不同，通过调整不同溶剂比例，可以调节溶剂的挥发速率，增强涂料的流平性能。而水的沸点固定，因此水性涂料的施工温度范围比溶剂型涂料窄。为了获得良好的涂层外观，对喷涂区域的温度、湿度、风速等参数的要求应该更加严格。水蒸发成蒸汽，其体积膨胀1 244 倍，增加了喷漆室内的湿度。如果相对湿度＞80%或温度＜15 ℃时，水的挥发速度非常慢，很容易产生流挂，影响外观质量。水性涂料的施工温度通常为23~30 ℃；相对湿度为50%~70%。因此，有必要确保喷漆室的通风系统功能正常，以便在涂装过程中及时排出水蒸汽，当温度超过施工温度范围时，应打开空调。

3 水性涂料输送和混合系统的工艺要求

3.1 水性涂料输送和混合器的要求

由于水性涂料和溶剂型涂料的不同理化特性，对混合系统有不同的要求。

a.水性涂料管道必须由不锈钢组成，且必须经过钝化处理，包括管道材料、阀门、密封等，具有耐酸、耐碱和耐有机溶剂性；

b.当剪切力不同时，水性涂料的粘度变化很大，过高的剪切力会影响涂料的稳定性，因此必须使用低剪切装置来保持涂料性能的稳定性；

c.确保油漆的稳定供应并避免干燥。水性涂料对流体控制有很高的要求，因为在钢瓶中的涂料液位下降后，附着于钢瓶壁的涂料很容易干结，并且不会由于液位上涨而溶解，从而影响涂层质量；

d.水性涂料中的水是1种分散剂和稀释剂，对水质要求很高。去离子水的电导率必须＜5 μS/cm。此外，应控制pH值在6.8~7.2，因为酸性或碱性物质会破坏水性涂层的乳液状态，降低流平性和填充性，甚至影响膜的固化反应。此外，应测试水中的细菌含量；

e.对于水性涂料，混合容器中的温度必须高于混合室中的环境温度。此时，钢瓶中的蒸汽在钢瓶内壁凝结成水，返回涂料系统，避免涂料干结。

3.2 水性涂料的混合参数和工艺要求

粘度是1 个非常重要的施工参数。对于水性涂料，粘度测量不同于传统的溶剂型。剪切力的变化几乎不会影响溶剂型涂料的粘度。通常使用粘度杯来测量粘度。在剪切力变化的影响下，水性涂料的粘度变化很大。在低剪切力下，如在容器中，粘度较高，而在管道中高速循环或喷射时，粘度大幅降低，使用粘度杯测定的粘度数据具有不可再现性。只有通过使用旋转粘度计测量不同剪切速度的数据点的流变曲线才可以确定流变行为的完整特征。鉴于现场涂装工艺的条件，不可能使用旋转粘度计测量每次调漆，因此仍然使用粘度杯进行测量。根据流动时间，控制同一输送和混合系统中的涂料保持稳定性，并评估不同涂料批次之间的粘度差异。

4 水性涂料的喷雾成膜特性

静电旋杯水性涂料的成膜过程可分为4 个阶段，雾化、充电、移动粘附、收缩和微调整[5]。

第1 阶段：雾化，由于高速转动的旋杯，水性涂料在强大的离心力作用下会形成无数的小液滴和颗粒。

第2 阶段：充电过程，涂料液滴被高压发生器充电。

第3 阶段：移动粘附，在旋杯的离心力作用下，带电子的颗粒飞到物体表面并均匀地粘附在物体表面。

第4 阶段：收缩和微调整，随着溶剂的蒸发，涂料颗粒容易收缩和微调整，导致浓缩、聚集、重叠、挤压等现象，并逐渐形成薄膜。

水性涂料的大多数溶剂是水。与有机溶剂相比，水的蒸发速度较慢，干燥时间相对较长，颗粒移动过程中水的挥发较低，漆膜的固体含量不易增加，第4 阶段的收缩和微调整不明显，而成膜质量主要取决于第3 阶段的均匀附着。因此，高质量的外观要求有合适的喷涂距离、移枪速度、涂料流量、气压、旋杯速度、静电电压、喷幅重叠和喷涂路径。

5 机器人喷涂工艺开发

5.1 路线的开发

常用的机器人喷涂速度为300~800 mm/s。喷幅重叠通常为1/3~2/3，以兼顾漆膜均匀性和喷涂效率。图1 显示了车身前围的喷涂路线，图2 显示了车身左侧的整个喷涂路线。根据车身的外观为车辆每个部件分别编制轨迹程序。轨迹要求垂直于喷涂部位表面，路线间距均匀。为保证效率，应减少空枪运动时间，使运行路线顺畅。

图1 车身前围部位喷涂运动轨迹

图2 车身左侧整体喷涂运动轨迹

5.2 程序的调试

路线编制完成后，导入现场机器人控制台。使用样车车身测试程序，进行示教和优化。确认喷涂路线、运行距离、旋杯的喷涂方向、喷枪之间的连接等参数是否合适。示教结束后，将结合工件的特性，预设电压、气压、速度、喷涂幅度和流量等参数。参考之前的涂装工艺经验以及样板喷涂的测试和评定，表2中给出了喷涂参数的最佳设置。

表2 机器人喷涂参数设定

6 水性中涂喷涂步骤

6.1 供漆系统的投料

在集中供漆室投料，首先将水性中涂原漆加入容器，再将稀释剂加入原漆，在储罐中开启机械搅拌，待完全混合均匀后，调整至相应粘度。固化剂加入固化剂罐体，并用氮气保护。

6.2 手动预喷涂

用压缩空气配合除尘布清洁车身表面。由于角度限制，一些边角无法由机器人喷涂，需要手动预喷涂，对车顶流水槽、底部裙边、舱门边缝蒙皮上沿止口、大灯安装孔等位置进行人工喷涂中涂。喷边角时减小喷幅和气压，防止产生流挂。

6.3 机器人喷涂

在车身的特定部位粘贴随车试板，便于随后性能测定。将车身移动到机器人喷涂工位的限定位置。打开控制台计算机上的机器人控制软件，确认机器人处于原点位置。确认所有自检状态正常，喷涂区域内不得有人员或障碍物，避免发生事故。检查车型，确认与实际车型相符。检查喷漆室内的送风和排风是否正常，温度和湿度是否在允许范围内。启动喷涂程序，机器人自动开始在车身上喷涂。

6.4 流平和干燥

由于水性涂料在喷涂后的挥发性比溶剂型涂料小，因此工件在喷涂后到达流平室后，流平时间应相应延长，以确保大量的水蒸发并及时排出，形成外观良好的漆膜，然后进入烘房烘烤。

7 溶剂型面漆配套施工

7.1 中涂漆打磨

将车身移至中涂打磨室，用P400 砂纸对前后灯孔、左右转角、窗框边缘、保险杠边缘等尖角棱边处进行手工打磨，对前后围、侧围、舱门等大面积部位用打磨机进行机械打磨。

7.2 面漆喷涂

将打磨、吹灰好的车身移至面漆喷漆室，用除尘布将车身擦拭一遍，去除表面灰尘、纤维等杂物。按适当的喷涂顺序对车顶、前后围、侧围、舱门等部位均匀喷涂2 遍面漆。

7.3 流平和干燥

面漆喷涂完成后车身移至流平室，静置15 min，然后进入烘房烘烤。

8 评审和试验记录

组织生产、质量、工艺、采购人员分别对中涂后和面漆后2 个阶段的喷涂样车进行评审，观察漆膜外观。并对随车试板进行测定，性能测定结果如表3所示。

表3 车身和样板测定结果记录（温度/湿度为28 ℃/67%）

通过对水性中涂和配套溶剂型面漆的性能测定，可以确定其性能满足标准要求，表明水性中涂的施工工艺合理、可靠，符合产品的使用条件。

9 结论

随着喷漆机器人的使用越来越多，使用机器人喷涂高质量的漆膜已成为一个重要课题。工艺开发和调试是结合各种因素进行的，如涂层性能、生产线硬件条件、机器人性能和工件特点。在机器人喷涂水性中涂过程中，通过涂层管理和工艺探索，实现了水性涂层性能与溶剂涂层相当。使用水性涂料不仅可以显著减少VOCs 排放，降低环境污染，还可以改善喷房的空气质量，降低职业健康风险，实现了产品质量和环境效益兼顾兼得。