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水性涂装,比激光焊接更厉害的汽车工艺?
发布:2017-3-23

第十二届广州国际表面处理、电镀、涂装展于2017年5月17-19日在广州•琶洲•保利世贸博览馆举行,欢迎参展参观!

 

       提起焊装车间,我们会想到汽车安全、想到激光焊接。对于车企和消费者而言,汽车安全最重要,于是激光焊接成了一些企业屡试不爽的营销手段。其实,和激光焊接一样,水性涂装也是汽车制造工艺中技术含量最高的工艺之一,虽然没有太多的营销噱头,但是水性涂装在汽车制造工艺上的重要性不亚于激光焊接。

 

 

 

涂料不等于油漆

 

      谈到水性涂装还得从涂料开始说,涂料是一个很宽泛的概念,一般来说,凡是能在物体表面干燥固化成硬膜的流体或者粉末状物质,不论其中是否含有颜料,都可以称为涂料。通俗一点说,涂料就是物体表面起装饰防护作用的物质。


      车漆是涂料家族中的一员,跟涂料一样,车漆也是由成膜物质、助剂、颜料、溶剂组成,四种物质按照不同比例混合就形成了各种各样的车漆。

 


      成膜物质可以使车漆附着于车身表面形成漆膜,由树脂类或者油脂类物质组成,比如松香琥珀或者植物类油,是车漆组成中最重要的部分。颜料在车漆中起着装饰作用,它分为天然颜料和人造颜料,我们看到的色漆便是颜料带来的效果。而助剂类似添加剂,用来改善涂料性能。


      溶剂用来溶解成膜物质和颜料,这是区分水性涂装的关键。所谓水性涂装,即车漆的溶剂是水,这样的漆被称作水性漆;使用可挥发性有机物作溶剂的漆,称为油性漆。相比油性漆,水性漆的涂装难度更大、标准更高,故称为水性涂装。

 

 

水性涂装与VOC

 

      何为VOC?涂料中易挥发的有机物被称作VOC,是涂装车间的主要污染物。VOC包括苯类物质、苯乙烯、甲醛、乙醛等,对人体有害,甚至有致癌风险。因此,进入涂装车间必须穿戴劳保用品,特别是呼吸用具。


      很多车企的涂装车间都竖着高高的烟囱,这是涂装车间的标志。这些烟囱用来排放有害气体,随着日益严格的环保法规对VOC的排放标准的提高,降低VOC排放成了车企面临的最重要的事。那么VOC排放主要来自哪里呢?

 


      涂装过程所用的原料只有漆,因此挥发性有机物VOC也主要来自于车漆。在涂装车间中,电泳、涂胶和面漆工序都需要把漆烘干,在200度左右的烘干炉内,有机溶剂和成膜物质中有害物质挥发进入空气中。在喷涂过程中,均匀的车漆喷雾也会伴随着VOC的挥发。


      根据VOC的排放过程不难发现,源头控制和末端治理是控制VOC比较合适的办法,并且国内很多车企在VOC的控制上体现了很高的水平:广本新工厂VOC的排放控制在15mg/m³左右,凯迪拉克CT6的涂装车间更是控制到了7mg/m³,远低于环保标准的50mg/m³。

 


      实际上,这些合资车间也是采用了源头+末端的方法控制VOC,水性涂装正是从源头上来控制VOC的排放,水性漆的使用减少了车漆中的有害物质,值得注意的是,水性漆只是降低了VOC,并没有完全杜绝VOC。针对水性漆,车漆开发了水性涂装工艺,在工艺过程中减少了VOC的产生。

 

 

水性涂装,又一个舶来品?

 

      和激光焊接技术一样,水性涂装技术也是舶来品,在水性技术的发展历程中,政府起到了推动作用。

 


      上世纪70年代,迫于环保压力,美国最先使用水性技术,后来传入欧洲;90年代初,水性色漆技术在北美开始普及,越来越多的车企建立水性涂装车间,这一时期的通用福特都是水性涂装的推动者。进入21世纪,随着环保要求的提高,德国80%以上的企业都在使用水性涂装技术。


       2005年,上海通用开始使用水性涂装技术,凯越成为第一辆水性涂装下线的车型,同期,广汽本田、北京奔驰等企业也开始使用水性涂装技术。根据PPG的统计,有超过四分之一的中国企业在使用水性涂装工艺,比如自主品牌中的荣威,中国水性漆的需求也加速了国外的涂料企业在中国建厂。

 


消费者能感受到吗?


       涂装车间因为水性漆的使用而实现节能环保,受到车企的青睐。但在车辆外观上,通过肉眼并不能看出水性漆和油性漆的差距。车身的涂装水平也不能像发动机底盘一样,在驾驶过程中获得直观感受。

 


       一般来说,高端的水性漆采用先进的成膜技术,漆膜表面坚硬、耐磨、柔韧,漆膜经年保持清澈透明,而油性漆存在着易碰撞变白、易褪色的缺点。

内饰方面,选材和涂装直接影响车主的用车体验,新车中刺鼻的气味就是来自易挥发的有害气体。因此,内饰选用水性涂装可以减少内饰材料和表面的有害物质,改善车内环境。

 


水性涂装在中国


      随着环保概念的普及,水性涂料作为具有环保性能的产品得到越来越多的认可。但是水性涂料始终不能撼动油性涂料的市场地位,除市场认知度有限外,性价比以及企业转型成本也是阻碍其发展的重要因素。

 


      目前大部分涂料企业都以油性涂料作为主打产品,水性涂料的市场销售份额一直不高。国内水性涂料的发展也非常曲折,从兴起到现在的十几年间,国内不少企业先后涉足,但却难有属于中国的品牌。


      车企进行水性涂装的转变也面临着很大压力:油性向水性的转变不仅是产品转变,在油转水之后对涂装设备、涂装工艺提出了更高的要求,这必然带来高成本。从环保角度说,水性涂装极大降低了VOC的排放,符合大趋势。在利益至上的车企,不计成本地做环保,并不现实。

 

 

雅斯顿小结


      聊起中国汽车,我们的关注点常在产品本身:国内研发水平和制造水平距离外国品牌尚有距离,从制造业的角度看,我们还在工厂绿色化智能化的道路上亦步亦趋。像水性涂装这样的绿色技术,应当得到更多的应用,雏鹰在学着觅食的时候也在发育翅膀,追逐绿色,为时不晚。


焊接工艺


原理

 

预热

       预热能降低焊后冷却速度[1]  ,有利于降低中碳钢热影响区的最高硬度,防止产生冷裂纹,这是焊接中碳钢的主要工艺措施。预热还能改善接头塑性,减小焊后残余应力。通常,35和45钢的预热温度为150~250℃。含碳量再高或者因厚度和刚度很大,裂纹倾向大时,可将预热温度提高至250~400℃。


      若焊件太大,整体预热有困难时,可进行局部预热,局部预热的加热范围为焊口两侧各150~200mm。


焊条条件

      许可时优先选用酸性焊条。


坡口形式

       将焊件尽量开成U形坡口式进行焊接。如果是铸件缺陷,铲挖出的坡口外形应圆滑,其目的是减少母材熔入焊缝金属中的比例,以降低焊缝中的含碳量,防止裂纹产生。


工艺参数

      由于母材熔化到第一层焊缝金属中的比例最高达30%左右,所以第一层焊缝焊接时,应尽量采用小电流、慢焊接速度,以减小母材的熔深,也就是我们通常说的灼伤(电流过大时母材被烧伤)。


热处理

       焊后应在200-350℃下保温2-6小时,进一步减缓冷却速度,增加塑性、韧性,并减小淬硬倾向,消除接头内的扩散氢。所以,焊接时不能在过冷的环境或雨中进行。焊后最好对焊件立即进行消除应力热处理,特别是对于大厚度焊件、高刚性结构件以及严厉条件下(动载荷或冲击载荷)工作的焊件更应如此。焊后消除应力的回火温度为600~650℃,保温1-2h,然后随炉冷却。


      若焊后不能进行消除应力热处理,应立即进行后热处理。


焊接工艺基础知识

      焊接是通过加热、加压,或两者并用,用或者不用焊材,使两工件产生原子间相互扩散,形成冶金结合的加工工艺和联接方式。焊接应用非常广泛,既可用于金属,也可用于非金属。


操作方法

       金属焊接方法有40种以上,主要分为熔焊、压焊和钎焊三大类。


熔焊

       熔焊是在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态,不加压力完成焊接的方法。熔焊时,热源将待焊两工件接口处迅速加热熔化,形成熔池。熔池随热源向前移动,冷却后形成连续焊缝而将两工件连接成为一体。


      在熔焊过程中,如果大气与高温的熔池直接接触,大气中的氧就会氧化金属和各种合金元素。大气中的氮、水蒸汽等进入熔池,还会在随后冷却过程中在焊缝中形成气孔、夹渣、裂纹等缺陷,恶化焊缝的质量和性能。


       为了提高焊接质量,人们研究出了各种保护方法。例如,气体保护电弧焊就是用氩、二氧化碳等气体隔绝大气,以保护焊接时的电弧和熔池率;又如钢材焊接时,在焊条药皮中加入对氧亲和力大的钛铁粉进行脱氧,就可以保护焊条中有益元素锰、硅等免于氧化而进入熔池,冷却后获得优质焊缝。


压焊

       压焊是在加压条件下,使两工件在固态下实现原子间结合,又称固态焊接。常用的压焊工艺是电阻对焊,当电流通过两工件的连接端时,该处因电阻很大而温度上升,当加热至塑性状态时,在轴向压力作用下连接成为一体。


      各种压焊方法的共同特点是在焊接过程中施加压力而不加填充材料。多数压焊方法如扩散焊、高频焊、冷压焊等都没有熔化过程,因而没有象熔焊那样的有益合金元素烧损,和有害元素侵入焊缝的问题,从而简化了焊接过程,也改善了焊接安全卫生条件。同时由于加热温度比熔焊低、加热时间短,因而热影响区小。许多难以用熔化焊焊接的材料,往往可以用压焊焊成与母材同等强度的优质接头。


钎焊

      钎焊是使用比工件熔点低的金属材料作钎料,将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于工件熔点的温度,利用液态钎料润湿工件,填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散,从而实现焊接的方法。


       焊接时形成的连接两个被连接体的接缝称为焊缝。焊缝的两侧在焊接时会受到焊接热作用,而发生组织和性能变化,这一区域被称为热影响区。焊接时因工件材料、焊接材料、焊接电流等不同,焊后在焊缝和热影响区可能产生过热、脆化、淬硬或软化现象,也使焊件性能下降,恶化焊接性。这就需要调整焊接条件,焊前对焊件接口处预热、焊时保温和焊后热处理可以改善焊件的焊接质量。


注意事项


      焊接是一个局部的迅速加热和冷却过程,焊接区由于受到四周工件本体的拘束而不能自由膨胀和收缩,冷却后在焊件中便产生焊接应力和变形。重要产品焊后都需要消除焊接应力,矫正焊接变形。


      现代焊接技术已能焊出无内外缺陷的、机械性能等于甚至高于被连接体的焊缝。被焊接体在空间的相互位置称为焊接接头,接头处的强度除受焊缝质量影响外,还与其几何形状、尺寸、受力情况和工作条件等有关。接头的基本形式有对接、搭接、丁字接(正交接)和角接等。

 

      对接接头焊缝的横截面形状,决定于被焊接体在焊接前的厚度和两接边的坡口形式。焊接较厚的钢板时,为了焊透而在接边处开出各种形状的坡口,以便较容易地送入焊条或焊丝。坡口形式有单面施焊的坡口和两面施焊的坡口。选择坡口形式时,除保证焊透外还应考虑施焊方便,填充金属量少,焊接变形小和坡口加工费用低等因素。


       厚度不同的两块钢板对接时,为避免截面急剧变化引起严重的应力集中,常把较厚的板边逐渐削薄,达到两接边处等厚。对接接头的静强度和疲劳强度比其他接头高。在交变、冲击载荷下或在低温高压容器中工作的联接,常优先采用对接接头的焊接。


      搭接接头的焊前准备工作简单,装配方便,焊接变形和残余应力较小,因而在工地安装接头和不重要的结构上时常采用。一般来说,搭接接头不适于在交变载荷、腐蚀介质、高温或低温等条件下工作。


      采用丁字接头和角接头通常是由于结构上的需要。丁字接头上未焊透的角焊缝工作特点与搭接接头的角焊缝相似。当焊缝与外力方向垂直时便成为正面角焊缝,这时焊缝表面形状会引起不同程度的应力集中;焊透的角焊缝受力情况与对接接头相似。


      角接头承载能力低,一般不单独使用,只有在焊透时,或在内外均有角焊缝时才有所改善,多用于封闭形结构的拐角处。


       焊接产品比铆接件、铸件和锻件重量轻,对于交通运输工具来说可以减轻自重,节约能量。焊接的密封性好,适于制造各类容器。发展联合加工工艺,使焊接与锻造、铸造相结合,可以制成大型、经济合理的铸焊结构和锻焊结构,经济效益很高。采用焊接工艺能有效利用材料,焊接结构可以在不同部位采用不同性能的材料,充分发挥各种材料的特长,达到经济、优质。焊接已成为现代工业中一种不可缺少,而且日益重要的加工工艺方法。


      在近代的金属加工中,焊接比铸造、锻压工艺发展较晚,但发展速度很快。焊接结构的重量约占钢材产量的45%,铝和铝合金焊接结构的比重也不断增加。


      未来的焊接工艺,一方面要研制新的焊接方法、焊接设备和焊接材料,以进一步提高焊接质量和安全可靠性,如改进现有电弧、等离子弧、电子束、激光等焊接能源;运用电子技术和控制技术,改善电弧的工艺性能,研制可靠轻巧的电弧跟踪方法。


      另一方面要提高焊接机械化和自动化水平,如焊机实现程序控制、数字控制;研制从准备工序、焊接到质量监控全部过程自动化的专用焊机;在自动焊接生产线上,推广、扩大数控的焊接机械手和焊接机器人,可以提高焊接生产水平,改善焊接卫生安全条件。 (来源:焊接资讯)


主要器材

      1、手工焊条电弧焊焊机

      2、二氧化碳保护焊机

      3、氩弧焊机

      4、电阻焊焊机

      5、埋弧焊机

      6、焊丝

      7、焊剂

      8、焊接辅助材料等


温度控制

       熔池温度,直接影响焊接质量,熔池温度高、熔池较大、铁水流动性好,易于熔合,但过高时,铁水易下淌,单面焊双面成形的背面易烧穿,形成焊瘤,成形也难控制,且接头塑性下降,弯曲易开裂。熔池温度低时,熔池较小,铁水较暗,流动性差,易产生未焊透,未熔合,夹渣等缺陷。  熔池温度与焊接电流、焊条直径、焊条角度、电弧燃烧时间等有着密切关系,针对有关因素采取以下措施来控制熔池温度。


直径

       焊接电流与焊条直径:根据焊缝空间位置、焊接层次来选用焊接电流和焊条直径,开焊时,选用的焊接电流和焊条直径较大,立、横仰位较小。如12mm平板对接平焊的封底层选用φ3.2mm的焊条,焊接电流:80-85A,填充,盖面层选用φ4.0mm的焊条,焊接电流:165-175A,合理选择焊接电流与焊条直径,易于控制熔池温度,是焊缝成形的基础。


方法

       运条方法,圆圈形运条熔池温度高于月牙形运条温度,月牙形运条温度又高于锯齿形运条的熔池温度,在12mm平焊封底层,采用锯齿形运条,并且用摆动的幅度和在坡口两侧的停顿,有效的控制了熔池温度,使熔孔大小基本一致,坡口根部未形成焊瘤和烧穿的机率有所下降,未焊透有所改善,使乎板对接平焊的单面焊接双面成形不再是难点。


角度

      焊条角度,焊条与焊接方向的夹角在90度时,电弧集中,熔池温度高,夹角小,电弧分散,熔池温度较低,如12mm平焊封底层,焊条角度:50-70度,使熔池温度有所下降,避免了背面产生焊瘤或起高。又如,在12mm板立焊封底层换焊条后,接头时采用90-95度的焊条角度,使熔池温度迅速提高,熔孔能够顺利打开,背面成形较平整,有效地控制了接头点内凹的现象。


时间

       电弧燃烧时间,φ57×3.5管子的水平固定和垂直固定焊的实习教学中,采用断弧法施焊,封底层焊接时,断弧的频率和电弧燃烧时间直接影响着熔池温度,由于管壁较薄,电弧热量的承受能力有限,如果放慢断弧频率来降低熔池温度,易产生缩孔,所以,只能用电弧燃烧时间来控制熔池温度,如果熔池温度过高,熔孔较大时,可减少电弧燃烧时间,使熔池温度降低,这时,熔孔变小,管子内部成形高度适中,避免管子内部焊缝超高或产生焊瘤。


(来源:汽车工程之家)

 

“2017广州国际表面处理、电镀、涂装展览会(SF EXPO)”

, 时间:2017年5月17—19日

地点:广州保利世贸博览馆

★微信公众号:SFEXPO

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