74谈汽车车身涂装工艺的发展趋势

王锡春 中国一汽 130011

摘要：根据汽车涂装发展的历程，我国汽车涂装的现状、国际汽车涂装技术发展动态和作者在近年咨询活动中所遇问题从涂装前处理、阴极电泳、中涂·面漆涂装工艺、涂膜固化、涂装管理五个方面介绍我国汽车车身涂装工艺的发展趋势。

关键词：汽车车身涂装、环境保护、节能省资源、降成本。

在改革开放30年中，我国汽车工业得到超高速发展，汽车产量有1977年的12.5万辆增长到2008年的934.51万辆（增长74倍），其中尤其是轿车工业发展迅猛，轿车进入家庭。在近20年中轿车产销量增长百倍以上。

随轿车工业的突飞猛进，带动汽车涂装技术·汽车用涂料飞跃式的进步，涂装技术产生质的飞跃，汽车用涂装材料实现了全面的更新换代，并已开始向新一代的环保型（低VOC化、水性化）方向发展。新建的几十条车身涂装生产线的装备世界一流，涂装工艺技术水平和涂装质量已与国际接轨。但与国外先进水平相比，我国汽车涂装在环保、节能减排和资源利用率方面尚存在较大的差别。

基于发展不平衡，我国汽车工业至今所采用的涂料还是以有机溶剂型涂料为主，大部分涂装线的VOC排放量不达标（35g/m2），涂装公害严重。在单位涂装面积的能耗、水耗和涂装材料的消耗量方面也偏高很多。

2004年柏林国际汽车涂装会议预测每台汽车的VOC排出量如图1所示，另据IEA，IMF的报道：每百万美元GDP的能源消费（换算成石油）我国（840吨）是美国的（280吨）三倍，日本（90吨）九倍。

图1 每台汽车涂装的VOC排出量（预测）

注：汽车车身平均表面积100㎡（2000CC级）

国家不断颁布“清洁生产”和“防止大气污染”等相关的法规，倡导建环境友好型、资源节约型、创新型社会和节能减排；国内外两个市场的市场的激烈竞争，迫切需要企业不断革新，提高质量竞争力，提高企业的生产效率；在确保高质量的基础上降低成本。德国制造业获得竞争力优势的奥秘是用同等数量的原料，能加工出更多更好的产品，从而创造出更高的产值。

上述情势和潮流促使我国汽车涂装必须进一步提高技术水平和工艺质量，缩小上述差距，促使我们从科学发展观角度进一步审视和分析现有的汽车涂装工艺技术，在消化吸收引进技术的基础上自主创新、完善；在新建或改造涂装线工程中应选择和是实现“环保、可靠、先进、经济”等四方面都统筹兼顾的最佳的工艺方案，确保涂装生产线运行能达到“优质、高产、低成本、少公害“。

本文是作者根据汽车涂装发展的历程，我国汽车涂装的现况，所了解的国外汽车涂装技术发展和近年咨询活动中所遇问题，从科学发展观的角度剖析汽车车身涂装工艺及其发展趋向。供读者参考。

一、涂装前处理工艺：汽车车身涂装前处理现今几乎100%采用低温低锌三元磷化处理工艺，并在低温少渣化，快速化、无铬钝化、表调剂长效化等方面都取得较大的科技进步。可是从环保和节能省资源的角度考虑，锌盐磷化处理工艺存在以下问题。

1、磷化处理液中含有资源短缺的有害物质如：Ni、Mn、P、F、NO2-等；

2、资源利用率低，几乎50%的药剂在处理过程中成为磷化沉渣（工业废弃物）。在处理过程中需及时清除磷化沉渣，否则将严重影响磷化膜和电泳涂膜的质量，因而需装备除渣过滤装置和需严控管理。

图2 典型的磷化处理与新一代转化膜处理工艺流程的对比

为适应环保法规和省资源的时代要求，必须革新前处理工艺解决上述问题。近年开发成的新一代环保型非磷酸盐涂装前处理工艺（氧化锆转化膜处理和硅烷处理技术）将替代现用的锌盐磷化处理的理想工艺，它们的环保和经济技术效果列于表1中。据报道美国Ford Twin Cities（2007年12月）、巴西通用Sao Jose （2008年4月）、雷诺等多条车身前处理线已采用新一代的环保型前处理工艺；通用汽车公司已决策在华推广这一新工艺。

新老两代涂装前处理工艺流程对比如图2所示。

表1 两代涂装前处理工艺特性及成本对比

注：以锌盐磷化处理为基准计

另外，前处理工艺的节水问题也应关注。一般前处理工艺用水量最大，约占涂装车间总用水量的90%，国内好多车身涂装前处理线的水洗工序尚未采用多次（段）化、逆工序补水、预清洗、清洗水综合利用和再生循环利用等节水技术，有的在脱脂和磷化后仅设一道水洗工序，造成耗水量成倍增大或水洗不干净（如在现场发现磷化渣增多、电泳涂膜颗粒弊病）。

脱脂和磷化后的水洗清洁度是以最终稀释倍数来表示，一般要求稀释500或1000倍，为节省水资源和减少污水排放处理量，希望达到同一水洗清洁度（稀释倍数），耗水量应尽可能小为好。通过清洗水洗综合利用和再生循环利用，实现“〇”排放。

在逆工序供水清洗场合水洗的供水量，可按以下Kushner近似公式计算：

n+1

最终稀释倍数＝（X- 1)/(X-1) n：为水洗次数；X：供水量/带出水量

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举具体例：在每小时被清洗面积200m，每小时带出液量为20L（即100ml/m）的场合，采用1次、2次、3次水洗所需要的供水量如表2所示。

表2 脱脂和磷化工序的水洗次数与供水量 最终稀释倍数 供水量 水洗次数（区段） 100倍 2500倍 21000倍 稀释倍供水量（L/h） 耗水量L/m 稀释倍数 供水量（L/h） 耗水量L/m 稀释 供水量（L/h） 耗水量数 倍数 L/m 2一次（道）水洗 100 二次（道）水洗 10 三次（道）水洗 4.7 2000 200 94 210 1 0.47 2

500 22 8 10000 450 160 50 2.25 0.8 1000 20000 32 10 0 200 2100 3.2 1 注：供水量系指每小时水洗200m面积达到稀释倍数所需的供水量（L/h）；耗水量系指水洗1m面积达到工艺要求稀释倍数所消耗的水量（L/m）。

从表2中可以看出，采用逆工序补水的2～3次水洗工艺的供水量（每平方米水洗面积

的耗水量)较1次水洗的供水量大幅度减少，大大地提高了水的利用效率。在采用2～3次水

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洗场合，实际经验数据供水量为1.5～2.0L/m。

二、阴极电泳涂装技术 汽车车身涂底漆工艺的发展历程为：手工刷涂或喷涂底漆→手工喷涂底漆→滚浸或拖式浸涂（Rotodip or slipperdip）底漆（有机溶剂型，后改为水性底漆）→阳极电泳涂装→1977年开始采用阴极电泳涂装。采用阴极电泳涂装已有30年历史，并取得较大的科技进步（如涂层的耐腐蚀性，槽液稳定性、作业性、泳透力、涂膜外观等方面）；通过一次涂布使车身所有表面获得均匀涂膜，从环保、资源利用和涂层质量等方面来评价现今仍是先进的车身涂底漆工艺，大量流水生产的汽车车身几乎100%都采用阴极电泳打底，至今尚无理想的工艺来取代它。

近年来为进一步提高车身及空腔结构内表面阴极电泳涂装质量和降成本，汽车厂与涂料厂联合开发提高电泳涂料的泳透力、控制涂膜厚度，改善电泳涂膜外观、降低涂装成本等方面的阴极电泳涂装技术。

轿车车身各部位的电泳涂装厚度分布的实际情况如图3所示，内表面≥10m，外表面希望控制在18～22m；实际车身的两侧和底板下表面都超厚，超值膜厚是阴极电泳涂装成本升高的因素之一。

图3 车身各部位的电泳涂膜厚度分布（电泳涂装的泳透力）

车身及其空腔结构内表面的电泳涂装需靠提高泳透力来保证，泳透力越高，内表面涂膜就越厚。在车身电泳涂装场合，影响泳透力的关键因素有以下三方面：

1电泳涂料的特性：湿涂膜的电阻（控制板外表面膜厚）和电泳漆槽液电导度（增加空○

腔内的膜厚）。

2涂装工艺参数：电泳时间、槽液温度、电泳电压和阳极布置状况等。 ○

3车身结构：缝隙、孔数和孔径等。 ○

日本丰田和德国大众两大汽车公司在提高泳透力方面所走的技术路线不同。日本丰田是委托涂料公司研制开发采用超高泳透力阴极电泳涂料（Super throwing power ED），目标是控制盒内、外表面的涂膜分布，削减涂料消耗量大于20%（即较大幅度的降低成本），具体目标是新开发的阴极电泳涂料的耐腐蚀性、表面平滑度（smoothness Ra<0.2m）和涂装作业性与原用的阴极电泳涂料相同，泳透力要求达到盒内/外表面膜厚G/A=10m/15m；（即67%）最终希望达到100%。

丰田公司评价泳透力的方法是四盒法（4BOX），如图4所示。

图2 泳透力评价法

当初第一代阴极电泳涂料的泳透力虽较阳极电泳涂料高一些，但相对来说还较低，丰田公司2005年用的高泳透力阴极电泳涂料的泳透力为G/A=10m/23m（43.5%）。

超高泳透力阴极电泳涂料已开发成功，并已投产使用，取得涂料消耗量削减22%（降低成本10%）的成果。

德国大众公司为提高轿车车身内表面和空腔结构内的涂装质量是延长电泳涂装时间，其工艺规范由3.0min延长到5min。在生产能力为60台/h（输送链速度≥6.0m/min）场合，

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电泳时间增长2min，则将使电泳槽增长12米多，电泳槽液增加100多m，造成一次投槽漆

3

量增大，更新期延长，循环搅拌量增大（500m以上/h），能耗增大，另外涂料不改进，延长电泳时间，能否控制车身外表面的膜厚有待商榷，造成投资和运行费用大幅度增大。作者分析认为延长电泳时间来提高泳透力不是先进、经济的办法，尤其是在大量流水生产的场合。

为改善轿车车身外表面装饰面的电泳涂装质量，前处理和阴极电泳涂装线选用旋转输送机是发展方向。它能保持车身在电泳过程中顶盖朝下（即车底板朝上），因而能大幅度减少车身外表面的颗粒弊病；基于车身能旋转和翻转出入槽，能使车身面积100%处理和涂装完善，消除一般输送方式存在的“气泡”质量问题，而且使沥水（液）较干净，车身带液量减

少90%以上，因而可提高材料利用率和减少清洗水量。

开展电泳无颗粒化和颗粒不良率“〇”化（废止电泳涂膜的打磨作业）活动。有厂家通过加强前处理、阴极电泳涂装各槽的污染度（在一定量的液体中所含异物量）的管理和设备及处理方式的改进，电泳涂膜的颗粒已改善到可取消电泳涂膜打磨工序的水平。

开发采用省搅拌型阴极电泳涂料是节能减排的好措施之一。历来电泳涂装规范要求无论是作业时间还是停产时间槽液一直要循环搅拌，为防止停电还要设置备用电源。日本关西开发成功省搅拌型阴极电泳涂料，作业时为使槽液均匀和排除电泳过程中产生的气体进行搅拌，停产时和节假日可停止搅拌，仅需在作业（生产）开始时提前搅拌。这种阴极电泳涂料不易沉淀或沉淀凝聚物很容易搅拌分散开。因而就不需设置备用电源和能较大幅度削减循环搅拌槽液的能耗。

三、中涂·面漆喷涂工艺的发展趋向：中涂、底色漆水性化，罩光清漆高固体化；杯式静电喷涂机器人替代往复式自动静电喷涂机（ESTA）；“湿碰湿”工艺（即3C1B或2C1B替代3C2B）化。

为适应环保法规，防止大气污染，降低VOC的排放量的要求，欧美汽车工业在上世纪末就采用低VOC含量的环保型涂料（水洗涂料、高固体份涂料、粉末涂料）替代了传统的有机溶剂型的中涂和底色漆，实现了汽车涂料第三次大的更新换代。日本汽车工业也在近5～６年中迎头赶上实现中涂、底色漆的水性化。国内在近4年中已有10多条新建的车身涂装线采用了水性底色漆和水性中涂，约占轿车产量10%左右。预计在今后的5～10年中，汽车用涂料全面实现低VOC化。

中涂、面漆涂布工艺方法的发展历程是当初的刷涂→空气喷涂（适应硝基汽车喷漆施工和外观装饰性需要）→静电喷涂+手工喷涂→车身内表面手工喷涂，外表面采用往复式自动静电喷涂机（ESTA）→采用机器人静电喷涂机的全自动喷涂（实现无人化）或车身内表面仍用手工喷涂（空气喷或空气静电喷），外表面采用机器人静电喷涂（国内有多条线采用后一种方式）。

机器人静电喷涂机已淘汰了往复式自动静电喷涂机（ESTA）。两者相比，机器人静电喷涂机的优点是：涂装效率高（参见图5），用3～4台机器人就能承担侧喷机和顶喷机组成的9杯式ESTA的喷涂任务；适用于多品种的柔性化生产；压缩空气和清洗溶剂耗量及维修工作量仅为9杯ESTA的35%左右，运行成本低；喷涂质量优且稳定。每台机器人静电喷涂机可在线外按最佳的喷涂程序及参数示教，能克服人的因素带来的喷涂质量问题。

图5 机器人和ESTA静电喷涂机的涂装有效率和涂着效率

轿车车身的涂层体系可归纳为如图6所示的A（3C3B）、B（4C3B）、C（4C2B）三种。它们的涂装工艺：电泳底漆、烘干工艺相同，而中涂和面漆涂装工艺部分不同。A为中涂加单涂层面漆，每层都烘干；B为中涂（烘干）+底色漆+罩光+烘干的3C2B体系；C为中涂（在面漆喷漆室中喷涂）+底色漆+罩光+烘干（即三层湿涂膜一起烘干），称为“三湿涂装”（3C1B）。三湿涂装现今所用涂料：中涂、底色漆和罩光漆都是有机溶剂型的；和水性中涂+水性底色漆+溶剂型罩光涂料是两个体系。2008年7月柏林汽车车身涂装国际策略会议一致认为中涂、底色漆、面漆的3C1B涂装工艺是除高档轿车外普通经济型轿车车身涂装的主流工艺。

图6 涂层的结构

汽车车身的水性涂装技术。水性涂装必须同时掌握涂料、喷涂机、设备和工程等多方面的技术知识。水性涂装是削减汽车车身涂装的VOC量的核心技术，已是毫无疑意，可是要达到同时降低VOC、CO2和成本，就必须创新开发，同时能达到工艺缩短合理化，省资源（节减涂料）、节能减排（取消中涂烘干室等）的有贡献的技术。在这方面已取得工业应用和正在开发的技术有：

1、涂料方面。要开发选用3C1B工艺专用的中途（水性或溶剂型），如采用一般的中途，不烘干而实施“湿碰湿”喷涂底色漆，两者之间产生混溶现象。直接影响涂膜外观和闪光感（参见图7）。水性底色漆的作业性也需作大的改良，如选用具有高结构粘性的芯壳型树脂结构，使底色漆持有不易受喷漆室湿度左右影响的特性。

某汽车公司的水性三湿喷涂所采用的涂料具有以下特性；

中涂：聚酯和丙烯酸树脂，三聚氰胺树脂，高固体份-45～52%体积固体份 底色漆：聚酯和丙烯酸树脂，按聚氰氨树脂；高固体份-39～45%体积固体份 罩光清漆：丙烯酸硅烷树脂/三聚氰胺树脂-®；高固体份-52%体积固体份

图7 混溶效果的断面显微镜照片

2、喷涂机方面。例如探索热喷涂和热空气喷涂，在喷涂机侧来积极控制水性涂料的涂着固体份和粘性，加速水份挥发。假如试验成功达到实用化，则可减轻喷漆室空调和晾干的负荷，有可能使设备简化。

喷涂金属闪光底色漆采用高速旋杯的经典涂装已渐渐标准化。采用弹匣杯式高压电铸件系统（Cartridge Bell Voltage Block System），简称弹匣式静电涂装法，能使换色时间、涂料损失和洗的溶剂耗量极小化。还有改良外部电极，能使电极和喷的污染大幅度降低；使用可变喷幅的告诉旋杯能使涂着效率更高。

3、喷漆室方面。采用水性涂料后供风需调湿调温，能耗较喷涂溶剂型涂料的喷漆室高，为节能减排和降成本，最近创新开发出节能型干式喷漆室，除去喷漆室排风的漆雾由现用水洗方式被干法分离技术（如粉体洗净和静电除尘）替代。这一技术实用化后，喷漆室的排风循环应用就非常容易，可实现90%以上的排风循环应用的超节能型的喷漆室。还有，排风循环使排气中的VOC浓缩可使燃烧处理法对VOC进行后处理容易些。

4、水性底色漆的晾干（或层预加热）。水性金属闪光涂装场合，喷涂底色漆工序与喷涂罩光清漆之间需设置晾干段（设备）达到指触干（挥发掉90%以上水份），使水性底色涂膜收缩（使金属铝片平行于被涂面），装备有红外线干燥·热风干燥·冷却等设备。现今推广采用低温高风速（室温或中温）循环+冷却工序缩短型的装置。

5、罩光清漆涂装。为重视罩光涂层的耐划伤性、自修复性、耐酸雨性等涂膜性能，现今还未水性化，还是以溶剂型涂料为主流。双组份的水性清漆和粉浆涂料还处在开发试验试用阶段。

为节能减排和降低运行成本，推广以下三种中涂·面漆喷涂简化工艺：3C1B（即中涂+底色漆+罩光漆三层一起烘干）、双底色工艺（即第一道底色涂层兼有中涂层的功能）和无中涂工艺（即在具有耐候性阴极电泳底漆层上直接喷涂面漆）。

适应上述三种工艺的中涂和面漆有溶剂型和水性体系涂料，它们的配方、作业配套性及各层膜厚要作较大调整改进。有机溶剂型本色面漆现今还有用单涂层工艺（即不罩光）；在罩光漆方面现今配套还是用有机溶剂型涂料为主。

四、涂膜的固化（干燥）工艺的发展趋向是节能减排 （低温化、快速化、“湿碰湿”工艺），提高能源利用率（降低每台车身的涂装耗能量）。汽车车身涂膜固化过程随所采用涂料的成膜性能的演变而变化，其发展历程为：自然干燥（油性漆）→自干或低温（100℃以下）烘干（以硝基漆为代表的热塑性汽车涂料）→中温（100～120℃）烘干（以氧化聚合固化的醇酸树脂汽车涂料为代表的热固性汽车涂料，每道漆都需要烘干，且膜厚不能大于25m，也能自干，则干燥时间长达24h以上）→高温（120℃以上）烘干（以氨基醇酸树脂烤漆为代表的热固性合成树脂系汽车涂料，且适应较厚涂膜的烘干和“湿碰湿”涂装工艺）。

在工业涂装中涂膜固化成膜是耗能较大的工序之一。按传统的观点及计算方法一般将被涂制品及输送设备的部件加热所消耗的热量都算作为烘干室的热能有效利用率，并且认为达到30%以上已是较先进的指标。可是涂膜的固化真正所需的热量是涂膜中所含溶剂的蒸发所需的热量和将涂布在车身表面的几十微米厚的涂膜加热到固化工艺所需要求温度（含升温和保温段）所需的热量（即为了几公斤重的湿涂膜的固化，需同时将几百公斤重的车身及输送部件加热到所需的工艺温度），相比之下，涂膜固化所需的热量很小（≤1%）。由此可见，在改进所选用涂料的成膜固化性能的基础上开发新的涂膜固化方法和涂膜固化工序的节能减排的潜力很大。

涂膜固化成膜工序的节能减排技术途径有以下几方面：

1、低温化、快速化。在改进涂料的成膜性能或利用化学能的基础上降低烘干温度或缩短烘干时间。如现今大客车、塑料件、汽车修补所用的双组份聚氨酯丙烯酸树脂系涂料就属于低温烘烤系列的汽车用涂料，其固化规范为60～80℃×30～40min。又如阴极电泳涂料的成膜烘干规范一般为170～180℃×30min，改进后可降到150～160℃。

如选用双组份的合成树脂涂料，则又可使车身中涂、面漆烘干工艺回归到低温烘干体系。 2、在改进涂料配套性和固化性能的基础上，采取多涂层一起烘干的措施—“湿碰湿”工艺。已成熟的实例有：PVC车底涂层及密封胶不单独烘干，而与中涂或面漆一起烘干；又如3C1B（中涂、底色漆、罩光三涂层一起烘干），有机溶剂型体系的3C1B工艺已成为日本马自达汽车公司的轿车车身的标准涂装工艺，与原工艺相比，可节能减排15%（CO2）。水性涂料体系的3C1B工艺，也获得工业应用。

3、开发采用紫外线（UV）固化法和UV·热双固化法革新汽车车身涂膜固化工艺，则可将大幅度缩短固化时间和降低固化温度，节能减排效果将特别大。UV固化涂料和UV·热双固化涂料已商品化。

五、学习先进的科学管理方法及经验，向管理要质量、产量和效益，涂装管理走专业化、社会化之路。

涂装材料、涂装工艺（含涂装设备及器具）、涂装管理是涂装三要素，要想获得优良的涂装，必须选择符合产品涂层标准的涂装体系（良好的材料）、采用适切的涂装工艺（良好的设计）和充分的作业管理（良好的管理）。现今我国轿车车身涂装工艺水平已与国际接轨，很多新建的车身涂装线所装备的设备已可称为世界一流，可是在涂装管理的水平，对涂装管理的重要性的认识，治理涂装漆膜弊病要以防为主的认识等方面，还存在较大差距。

涂装工艺技术和涂装管理技巧是创建“〇”涂装缺陷的汽车涂装线（或称绿化涂装车间，即一次合格率达到或接近100%的涂装线）系统工程的两个车轮。国外，先进的汽车车身涂装线通过各工序的污染度管理和各工位的防尘措施的不断改进，一次合格率已由90%提升到98%以上。国内好多厂，涂装管理跟不上，设备有效利用率低，生产效率低，一次合格率低，靠拼设备、延长工时来完成产量。粗放经营，材料、能源、水等消耗考核不到位。

应加强人员培训，提高员工的素质和技术熟练度。环境和设备保洁工作、废品（质量事故）分析应由专业队伍或委托专业公司来承包。涂装材料的管理和现场监管也可委托材料供应厂商或专业公司来承包管理；即CPU（按每台合格车身的涂装价格）供货结算法，相对来

说可提高资源利用率，降低涂装成本。

另外，应建立严格的涂装质量考核制度（如建立Audit检查评分站）和严肃工艺纪律。 以上是作者对今后5～10年我国汽车车身涂装工艺发展的一点见解及建议，不一定全面确切，仅供同行结合国情创新和领导决策参考，并请多提宝贵意见。

于长春 2008.12 参考文献：

1、王锡春主编“涂装车间设计手册”，化学工业出版社，2008年7月出版。 2、小笠原敏（马自达公司）文“自動車塗裝ラインにおける欠陷对策の实例”，日刊“塗裝技術”2008年10月增刊，P92～102.

3、王锡春“汽车涂料·涂装飞跃的30年”2008.12，《中国涂料》期刊12期，P11、12。 4、田村 吉宣（日本いすツ汽车公司）“自動車塗裝にずける水性塗裝の展開今後の動向” 日刊《涂装技术》2009年1月 P.57～