某型军用电子设备表面涂装涂膜凹坑分析及解决措施

蔡林宏，彭代强，刘世梁

（中国兵器装备集团自动化研究所有限公司，四川 绵阳 621000）

某型军用电子设备箱体作为某车载终端系统控制设备组件，其“三防”环境的适应能力对系统稳定性、可靠性有着重要意义[1]。该型电子设备箱体的“三防”措施采用化学镀覆和涂料涂装相结合的工艺设计，但在涂装过程中，涂膜常有不规则的凹坑出现。涂装结束后按GJB 150.9A-2009《军用装备实验室环境试验方法第9部分：湿热试验》进行试验，试验条件为：温度30 ～ 60 °C，相对湿度(95 ± 5)%，试验周期240 h。结果发现涂膜凹坑中心位置出现起泡等质量缺陷(如图1所示)，不能满足三防设计要求，只能返工处理，箱体涂装单日返工率高达20%。针对上述问题，笔者所在单位成立了工艺技术攻关团队，对该问题进行了深入分析，提出整改措施并反复验证，最终令该问题得以解决。

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

1 原因分析

涂装过程出现的涂膜瑕疵通常与涂料的选用、待涂物表面状态、涂装工艺、涂装方法、涂装设备、涂装操作人员技艺水平等有较大关系。本文采用5M1E分析法，从人员、机器、材料、方法、测量、环境等6个方面对涂膜凹坑加以分析。

1.1 操作人员的技能水平

目前，笔者所在单位从事涂装的操作人员均有20年以上工龄，实际操作水平完全可以达到技能要求，不仅经验丰富，质量意识强，能稳妥地处理各种细小问题，胜任该设备箱体的涂装加工，而且在日常的工艺纪律检查中未发现违规操作，在以往产品的涂装过程中也没有出现过涂膜凹坑问题。因此，可以排除是操作人员技能水平不高和质量意识不强的原因所造成的。

1.2 涂装设备

涂装设备由水帘式喷涂柜、无油循环空气压缩机、油水分离器、Prona牌R-71型喷枪及气体管线等组成。其中由空气压缩机、油水分离器、气体管线组成的压缩空气供应系统对于涂层质量而言至关重要，压缩空气中含有的水分、颗粒等杂质对涂装工艺带来较大的危害。

将被压缩气体看成近似理想气体，可用道尔顿公式[即式(1)]来分析。空气被压缩机压缩后，总压力p将升高，混合气体中各种气体(以B表示，包括水蒸气)的摩尔分数(以yB表示)之和其分压力(以pB表示)之和等于总压力[2][如式(2)所示]。

式中nB表示B组分气体的物质的量(单位：mol)，R表示摩尔气体常数[即8.31447 J/(mol·K)]，T表示该状态下的温度(单位：K)。

随着空气不断被压缩，空气总压力持续升高，当水蒸气分压逐渐大于该温度下的饱和蒸汽压时，水蒸气冷凝成细微的液态水蒸气，并与压缩空气混合后在管线中传输，经油水分离器分离后，供R-71喷枪使用。该套涂装线体于2015年建成投产，其间未出现对产品性能影响较大的故障。查设备维修记录得知，油水分离器滤芯有定期更换。经现场设备分析，公司2019年新建的水冷却塔位于空压机附近，造成空气湿度较高，压缩空气系统的油水分离器的过滤效率可能降低。对分离后的压缩空气进行湿度测量，发现含水量超标，需进一步验证分析。又根据相似相溶原理可知，水属于极性溶剂，而涂料属于非极性物质，极性溶剂难以溶于非极性物质，当含有微量水分的压缩气体与涂料接触后，将对涂膜凹坑的形成产生直接影响。

1.3 材料状态

对涂装材料而言，一方面指使用的涂料、辅料等原材料，另一方面指待涂装的零(组)件基材。

氟聚氨酯涂料因具有超强的耐候、耐化学介质腐蚀等性能，近年来逐渐被运用于军用电子设备表面涂装。笔者所在单位于2015年引进某型军用氟聚氨酯涂料，在验证及初期使用过程中未发现涂膜出现凹坑的质量缺陷。为满足客户需求，其间间歇性使用道康宁1-2577印制板三防漆(简称DC1-2577)，其主要成膜物质为八甲基三硅氧烷，属于有机硅酮化合物。王锡春教授曾指出有机硅化合物对涂膜凹坑的危害最大，也最敏感，即使被稀释至10-10的浓度时也会造成影响[3]。因此，DC1-2577的不当使用是造成面漆涂膜凹坑的主要原因之一。

本项目军用电子设备箱体采用铸铝铣削加工，为满足电磁兼容要求，采用铬酸盐导电化学氧化工艺进行前处理，处理后的箱体经烘烤老化，直接在膜层上涂漆，全过程要求佩戴细纱手套，基本无异物附着，能较好地满足涂装表面的要求。

1.4 工艺合理性分析

为保证军用产品的耐蚀性和稳定性，其涂装工艺按2A2B涂层体系设计，即喷涂2道底漆，并刮补腻子，打磨修整至规定的厚度后喷涂2道面漆，涂层总厚度达到120 μm以上。该工艺路线已运用多年，在实际使用中未出现严重的质量事故，因此可以继续使用。

1.5 涂膜测量

根据产品制造验收规范，该型箱体表面涂装结束后，需按GJB 150.9A-2009进行测试，试验设备为HSL-04KA高低温(湿热)试验箱。湿热试验结束后，涂膜凹坑中心部位出现起泡缺陷。查看试验记录后发现，试验操作均按要求进行，试验箱定期点检，无异常。由此可见，涂膜凹坑中心部位抵御湿热的性能较差。

1.6 环境可行性分析

根据氟聚氨酯涂料产品手册的施工要求，涂装车间的温度、相对湿度是主要的环境参数，它们对稀释剂挥发、漆膜固化有着重要的影响[4]。该氟聚氨酯涂料是一种羟基固化双组分聚氨酯涂料，涂装施工时将含羟基的氟树脂与另一组分──含多异氰酸酯的固化剂按比例调配，两组分发生逐步加聚反应并固化成膜[5]，如式(3)所示。在相对湿度较大或水汽较重的环境下会进一步生成CO2副产物[见式(4)]，微小的CO2气泡在流平表干过程中向涂膜较薄的部位运动，气泡聚集达到临界点时逸出而造成涂膜凹坑。

结合目前的环境条件来看，涂装车间缺少温湿度控制手段，在温度变化的临界点会对涂装施工产生影响，进而造成涂膜凹坑。

综上分析，造成涂膜凹坑的因素有设备不达标、材料管理与使用不当及环境条件不稳定三大因素。于是制定了整改措施，见表1。

表1 整改措施Table1 Rectification measures

2 解决措施

2.1 加装干燥器，降低水汽含量

根据1.2节和1.6节分析结果可知，压缩空气管线的水含量超标是造成涂膜凹坑的主要原因之一，降低管线出口的水汽含量是主要目标。在压缩气体管线上加装干燥器，与原有干燥装置组成二级干燥系统，使得压缩气体经过两次干燥，气体改造管线流程如图2所示。经分析，采用热循环吸附再生干燥器效果较好，该装置能加热压缩气体，气体中的水分遇热加速挥发，后被装置内的物质吸附。

图2 压缩气体管线改造前(a)、后(b)的流程图Figure 2 Flowchart of compressed gas pipeline before (a) and after (b) reformation

2.2 隔离有机硅酮化合物

对硅酮化合物进行全面排查，更换气体管线连接处的含硅生胶带，投入专项资金修建印制板三防喷涂车间。在新涂装车间规划设计过程中，要求两涂装车间的直线距离大于1 km。另外，新建车间地处原车间上风口位置，以减少硅酮化合物挥发飘逸的影响。同时对含硅涂料的使用管理提出新的要求，如涂料分类分库存放，原涂装车间严禁喷涂DC1-2577有机硅三防涂料，等等。经过一系列隔离整改，基本杜绝硅酮化合物对涂装车间的影响。

2.3 安装防爆空调

涂装操作间物理隔离良好，可以借助外界装置改变室内的环境参数，使之达到恒温恒湿的条件，不至于受外界温湿度的影响。但由于喷漆室处于密封状态，喷漆操作中漆液以雾化形式均匀分布在产品之上，而在高浓度的雾化环境中，如采用普通电器设备，易产生静电，很容易达到爆炸燃点，从而引发安全事故。基于安全生产方面的考虑，必须安装防爆空调[6]。安装防爆空调后，涂装操作的环境参数能满足不同厂家、不同规格涂料的施工要求。

3 整改效果

上述3点措施整改到位后，经过6个月的工艺验证和生产观察，涂装过程因涂膜凹坑质量缺陷而返工的情况大为减少。截取半个月时间的验证情况分析，涂膜表面凹坑返工次数降低至20%，单日返工率降低至5%。

4 结语

在本次工艺研究的过程中，笔者所在团队通过理论分析和工艺验证提取要因，找到了氟聚氨酯涂料涂装后涂膜形成凹坑的原因，实施相应对策后极大降低了涂膜凹坑返工率。该问题的成功解决可为其他类似质量问题的解决提供借鉴。