蔡林宏，彭代強(qiáng)，劉世梁

（中國(guó)兵器裝備集團(tuán)自動(dòng)化研究所有限公司，四川 綿陽(yáng) 621000）

某型軍用電子設(shè)備箱體作為某車載終端系統(tǒng)控制設(shè)備組件，其“三防”環(huán)境的適應(yīng)能力對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性有著重要意義[1]。該型電子設(shè)備箱體的“三防”措施采用化學(xué)鍍覆和涂料涂裝相結(jié)合的工藝設(shè)計(jì)，但在涂裝過(guò)程中，涂膜常有不規(guī)則的凹坑出現(xiàn)。涂裝結(jié)束后按GJB 150.9A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第9部分：濕熱試驗(yàn)》進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為：溫度30 ～ 60 °C，相對(duì)濕度(95 ± 5)%，試驗(yàn)周期240 h。結(jié)果發(fā)現(xiàn)涂膜凹坑中心位置出現(xiàn)起泡等質(zhì)量缺陷(如圖1所示)，不能滿足三防設(shè)計(jì)要求，只能返工處理，箱體涂裝單日返工率高達(dá)20%。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者所在單位成立了工藝技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了深入分析，提出整改措施并反復(fù)驗(yàn)證，最終令該問(wèn)題得以解決。

圖1 涂膜凹坑缺陷Figure 1 Pit defect of coating

1 原因分析

涂裝過(guò)程出現(xiàn)的涂膜瑕疵通常與涂料的選用、待涂物表面狀態(tài)、涂裝工藝、涂裝方法、涂裝設(shè)備、涂裝操作人員技藝水平等有較大關(guān)系。本文采用5M1E分析法，從人員、機(jī)器、材料、方法、測(cè)量、環(huán)境等6個(gè)方面對(duì)涂膜凹坑加以分析。

1.1 操作人員的技能水平

目前，筆者所在單位從事涂裝的操作人員均有20年以上工齡，實(shí)際操作水平完全可以達(dá)到技能要求，不僅經(jīng)驗(yàn)豐富，質(zhì)量意識(shí)強(qiáng)，能穩(wěn)妥地處理各種細(xì)小問(wèn)題，勝任該設(shè)備箱體的涂裝加工，而且在日常的工藝紀(jì)律檢查中未發(fā)現(xiàn)違規(guī)操作，在以往產(chǎn)品的涂裝過(guò)程中也沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)涂膜凹坑問(wèn)題。因此，可以排除是操作人員技能水平不高和質(zhì)量意識(shí)不強(qiáng)的原因所造成的。

1.2 涂裝設(shè)備

涂裝設(shè)備由水簾式噴涂柜、無(wú)油循環(huán)空氣壓縮機(jī)、油水分離器、Prona牌R-71型噴槍及氣體管線等組成。其中由空氣壓縮機(jī)、油水分離器、氣體管線組成的壓縮空氣供應(yīng)系統(tǒng)對(duì)于涂層質(zhì)量而言至關(guān)重要，壓縮空氣中含有的水分、顆粒等雜質(zhì)對(duì)涂裝工藝帶來(lái)較大的危害。

將被壓縮氣體看成近似理想氣體，可用道爾頓公式[即式(1)]來(lái)分析。空氣被壓縮機(jī)壓縮后，總壓力p將升高，混合氣體中各種氣體(以B表示，包括水蒸氣)的摩爾分?jǐn)?shù)(以yB表示)之和其分壓力(以pB表示)之和等于總壓力[2][如式(2)所示]。

式中nB表示B組分氣體的物質(zhì)的量(單位：mol)，R表示摩爾氣體常數(shù)[即8.31447 J/(mol·K)]，T表示該狀態(tài)下的溫度(單位：K)。

隨著空氣不斷被壓縮，空氣總壓力持續(xù)升高，當(dāng)水蒸氣分壓逐漸大于該溫度下的飽和蒸汽壓時(shí)，水蒸氣冷凝成細(xì)微的液態(tài)水蒸氣，并與壓縮空氣混合后在管線中傳輸，經(jīng)油水分離器分離后，供R-71噴槍使用。該套涂裝線體于2015年建成投產(chǎn)，其間未出現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品性能影響較大的故障。查設(shè)備維修記錄得知，油水分離器濾芯有定期更換。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分析，公司2019年新建的水冷卻塔位于空壓機(jī)附近，造成空氣濕度較高，壓縮空氣系統(tǒng)的油水分離器的過(guò)濾效率可能降低。對(duì)分離后的壓縮空氣進(jìn)行濕度測(cè)量，發(fā)現(xiàn)含水量超標(biāo)，需進(jìn)一步驗(yàn)證分析。又根據(jù)相似相溶原理可知，水屬于極性溶劑，而涂料屬于非極性物質(zhì)，極性溶劑難以溶于非極性物質(zhì)，當(dāng)含有微量水分的壓縮氣體與涂料接觸后，將對(duì)涂膜凹坑的形成產(chǎn)生直接影響。

1.3 材料狀態(tài)

對(duì)涂裝材料而言，一方面指使用的涂料、輔料等原材料，另一方面指待涂裝的零(組)件基材。

氟聚氨酯涂料因具有超強(qiáng)的耐候、耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕等性能，近年來(lái)逐漸被運(yùn)用于軍用電子設(shè)備表面涂裝。筆者所在單位于2015年引進(jìn)某型軍用氟聚氨酯涂料，在驗(yàn)證及初期使用過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)涂膜出現(xiàn)凹坑的質(zhì)量缺陷。為滿足客戶需求，其間間歇性使用道康寧1-2577印制板三防漆(簡(jiǎn)稱DC1-2577)，其主要成膜物質(zhì)為八甲基三硅氧烷，屬于有機(jī)硅酮化合物。王錫春教授曾指出有機(jī)硅化合物對(duì)涂膜凹坑的危害最大，也最敏感，即使被稀釋至10-10的濃度時(shí)也會(huì)造成影響[3]。因此，DC1-2577的不當(dāng)使用是造成面漆涂膜凹坑的主要原因之一。

本項(xiàng)目軍用電子設(shè)備箱體采用鑄鋁銑削加工，為滿足電磁兼容要求，采用鉻酸鹽導(dǎo)電化學(xué)氧化工藝進(jìn)行前處理，處理后的箱體經(jīng)烘烤老化，直接在膜層上涂漆，全過(guò)程要求佩戴細(xì)紗手套，基本無(wú)異物附著，能較好地滿足涂裝表面的要求。

1.4 工藝合理性分析

為保證軍用產(chǎn)品的耐蝕性和穩(wěn)定性，其涂裝工藝按2A2B涂層體系設(shè)計(jì)，即噴涂2道底漆，并刮補(bǔ)膩?zhàn)?，打磨修整至?guī)定的厚度后噴涂2道面漆，涂層總厚度達(dá)到120 μm以上。該工藝路線已運(yùn)用多年，在實(shí)際使用中未出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量事故，因此可以繼續(xù)使用。

1.5 涂膜測(cè)量

根據(jù)產(chǎn)品制造驗(yàn)收規(guī)范，該型箱體表面涂裝結(jié)束后，需按GJB 150.9A-2009進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)設(shè)備為HSL-04KA高低溫(濕熱)試驗(yàn)箱。濕熱試驗(yàn)結(jié)束后，涂膜凹坑中心部位出現(xiàn)起泡缺陷。查看試驗(yàn)記錄后發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)操作均按要求進(jìn)行，試驗(yàn)箱定期點(diǎn)檢，無(wú)異常。由此可見(jiàn)，涂膜凹坑中心部位抵御濕熱的性能較差。

1.6 環(huán)境可行性分析

根據(jù)氟聚氨酯涂料產(chǎn)品手冊(cè)的施工要求，涂裝車間的溫度、相對(duì)濕度是主要的環(huán)境參數(shù)，它們對(duì)稀釋劑揮發(fā)、漆膜固化有著重要的影響[4]。該氟聚氨酯涂料是一種羥基固化雙組分聚氨酯涂料，涂裝施工時(shí)將含羥基的氟樹(shù)脂與另一組分──含多異氰酸酯的固化劑按比例調(diào)配，兩組分發(fā)生逐步加聚反應(yīng)并固化成膜[5]，如式(3)所示。在相對(duì)濕度較大或水汽較重的環(huán)境下會(huì)進(jìn)一步生成CO2副產(chǎn)物[見(jiàn)式(4)]，微小的CO2氣泡在流平表干過(guò)程中向涂膜較薄的部位運(yùn)動(dòng)，氣泡聚集達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)逸出而造成涂膜凹坑。

結(jié)合目前的環(huán)境條件來(lái)看，涂裝車間缺少溫濕度控制手段，在溫度變化的臨界點(diǎn)會(huì)對(duì)涂裝施工產(chǎn)生影響，進(jìn)而造成涂膜凹坑。

綜上分析，造成涂膜凹坑的因素有設(shè)備不達(dá)標(biāo)、材料管理與使用不當(dāng)及環(huán)境條件不穩(wěn)定三大因素。于是制定了整改措施，見(jiàn)表1。

表1 整改措施Table1 Rectification measures

2 解決措施

2.1 加裝干燥器，降低水汽含量

根據(jù)1.2節(jié)和1.6節(jié)分析結(jié)果可知，壓縮空氣管線的水含量超標(biāo)是造成涂膜凹坑的主要原因之一，降低管線出口的水汽含量是主要目標(biāo)。在壓縮氣體管線上加裝干燥器，與原有干燥裝置組成二級(jí)干燥系統(tǒng)，使得壓縮氣體經(jīng)過(guò)兩次干燥，氣體改造管線流程如圖2所示。經(jīng)分析，采用熱循環(huán)吸附再生干燥器效果較好，該裝置能加熱壓縮氣體，氣體中的水分遇熱加速揮發(fā)，后被裝置內(nèi)的物質(zhì)吸附。

圖2 壓縮氣體管線改造前(a)、后(b)的流程圖Figure 2 Flowchart of compressed gas pipeline before (a) and after (b) reformation

2.2 隔離有機(jī)硅酮化合物

對(duì)硅酮化合物進(jìn)行全面排查，更換氣體管線連接處的含硅生膠帶，投入專項(xiàng)資金修建印制板三防噴涂車間。在新涂裝車間規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中，要求兩涂裝車間的直線距離大于1 km。另外，新建車間地處原車間上風(fēng)口位置，以減少硅酮化合物揮發(fā)飄逸的影響。同時(shí)對(duì)含硅涂料的使用管理提出新的要求，如涂料分類分庫(kù)存放，原涂裝車間嚴(yán)禁噴涂DC1-2577有機(jī)硅三防涂料，等等。經(jīng)過(guò)一系列隔離整改，基本杜絕硅酮化合物對(duì)涂裝車間的影響。

2.3 安裝防爆空調(diào)

涂裝操作間物理隔離良好，可以借助外界裝置改變室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，使之達(dá)到恒溫恒濕的條件，不至于受外界溫濕度的影響。但由于噴漆室處于密封狀態(tài)，噴漆操作中漆液以霧化形式均勻分布在產(chǎn)品之上，而在高濃度的霧化環(huán)境中，如采用普通電器設(shè)備，易產(chǎn)生靜電，很容易達(dá)到爆炸燃點(diǎn)，從而引發(fā)安全事故?；诎踩a(chǎn)方面的考慮，必須安裝防爆空調(diào)[6]。安裝防爆空調(diào)后，涂裝操作的環(huán)境參數(shù)能滿足不同廠家、不同規(guī)格涂料的施工要求。

3 整改效果

上述3點(diǎn)措施整改到位后，經(jīng)過(guò)6個(gè)月的工藝驗(yàn)證和生產(chǎn)觀察，涂裝過(guò)程因涂膜凹坑質(zhì)量缺陷而返工的情況大為減少。截取半個(gè)月時(shí)間的驗(yàn)證情況分析，涂膜表面凹坑返工次數(shù)降低至20%，單日返工率降低至5%。

4 結(jié)語(yǔ)

在本次工藝研究的過(guò)程中，筆者所在團(tuán)隊(duì)通過(guò)理論分析和工藝驗(yàn)證提取要因，找到了氟聚氨酯涂料涂裝后涂膜形成凹坑的原因，實(shí)施相應(yīng)對(duì)策后極大降低了涂膜凹坑返工率。該問(wèn)題的成功解決可為其他類似質(zhì)量問(wèn)題的解決提供借鑒。