簡(jiǎn)單分析整流器輸出電壓波動(dòng)導(dǎo)致電泳針孔缺陷

陰極電泳廣泛應(yīng)用于汽車涂裝， 在汽車陰極電泳過(guò)程中，電泳針孔是常見(jiàn)缺陷。電泳針孔（或稱“局部擊穿”）是由于局部電流過(guò)高，在陰極（車身）產(chǎn)生較正常狀態(tài)更多的氣泡，氣泡附著于基材表面，導(dǎo)致電泳漆無(wú)法正常生長(zhǎng)，形成針孔缺陷。

電泳針孔是從板材開(kāi)始產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷，在針孔缺陷位置，無(wú)電泳漆覆蓋，使電泳漆屏蔽的物理功能大大削弱，對(duì)電泳漆防腐功能形成明顯影響中國(guó)牛涂網(wǎng)ntw360.com。在日常汽車電泳過(guò)程，最常見(jiàn)的針孔缺陷來(lái)源于局部電壓過(guò)高，本文介紹整流器輸出電壓波動(dòng)導(dǎo)致的電泳針孔案例。

1.陰極電泳及整流器

陰極電泳涂裝是指將車身作為陰極，浸漬在裝滿用去離子水稀釋過(guò)的、低濃度的電泳涂料（水溶性）槽中，在槽中另設(shè)與其對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極，在兩極間通以一定時(shí)間的直流電，從而在被涂物上析出一定厚度的均一、不溶于水的涂膜。

其原理如圖1所示，整流器提供直流電。陽(yáng)極及陰極分別發(fā)生以下反應(yīng)：

陽(yáng)極反應(yīng)：2H2O =4H+ + O2 + 4e-

陰極反應(yīng)：2H2O + 2e-= H2 + 2OH-


1 汽車陰極電泳原理圖

汽車電泳涂裝用涂料采用酰胺類（R-N）物質(zhì)，R-N在酸性體系下溶解，在堿性體系下析出，在陰極（汽車車身）創(chuàng)造的堿洗條件下，經(jīng)過(guò)電解、電泳、電沉積、電滲的過(guò)程，形成電泳漆膜。經(jīng)過(guò)烘烤后，形成具有防腐功能，且與面漆有良好結(jié)合力的電泳涂層。

在汽車陰極電泳工藝中，需要采用整流器提供直流電。整流器的作用是將三相交流電源轉(zhuǎn)換為直流電，一般為三相橋式全控整流結(jié)構(gòu)，規(guī)格為0-500V,1000A。為達(dá)到輸出穩(wěn)定直流電的功能，整流器需要具有整流、濾波、穩(wěn)壓的功能。

依據(jù)需要的產(chǎn)能可以對(duì)整個(gè)電泳槽進(jìn)行分段供電。一般在陰極電泳中，分為四段電壓，如圖2所示。采用陽(yáng)極管或陽(yáng)極板作為陽(yáng)極，汽車車身作為陰極。


圖2 整流器結(jié)構(gòu)示意圖（汽車陰極電泳涂裝）

2.整流器輸出電壓波動(dòng)導(dǎo)致電泳針孔案例

當(dāng)局部電流密度過(guò)高時(shí)，產(chǎn)生較正常涂裝時(shí)更多的氣泡，從而產(chǎn)生局部擊穿，即針孔缺陷。電壓過(guò)高、槽溫過(guò)高、電導(dǎo)率過(guò)高、溶劑含量太高等因素均會(huì)造成局部電流密度過(guò)高。本文介紹整流器輸出電壓波動(dòng)導(dǎo)致的電泳針孔案例。

2.1電泳針孔缺陷特征及分析


圖3 缺陷形式（目視形態(tài)及20倍顯微鏡下形態(tài)）

某涂裝生產(chǎn)線電泳車身出現(xiàn)批量顆粒狀缺陷，缺陷具有以下特點(diǎn)：

（1）多種車型同時(shí)出現(xiàn)；

（2）目視為顆粒狀黑點(diǎn)，顯微鏡下觀察為中空狀，見(jiàn)圖3；

（3）從前葉子到后蓋，缺陷密度逐漸增加，側(cè)面缺陷較平面嚴(yán)重；

（4）電泳膜厚正常；

（5）開(kāi)班首批車。

通過(guò)對(duì)以上缺陷特征進(jìn)行分析，生產(chǎn)線生產(chǎn)的三種車型皆出現(xiàn)相同問(wèn)題，基本排除車身板材導(dǎo)致缺陷的可能性。缺陷的目視形態(tài)為顆粒狀的黑點(diǎn)，與一般常見(jiàn)的孔狀針孔有明顯差異；但在顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)缺陷為中空狀。

依據(jù)針孔的原理判斷此缺陷為針孔缺陷。由于出現(xiàn)位置為車輛后部較嚴(yán)重，且側(cè)面較嚴(yán)重，故懷疑為第三段、第四段電壓存在異常。另外由于電泳膜厚正常，且只是開(kāi)班首批車出現(xiàn)故障，故懷疑整流器在開(kāi)班期間出現(xiàn)電壓波動(dòng)的情況。

2.2整流器狀態(tài)跟蹤及故障診斷


圖4 整流器四段電壓有效值跟蹤

設(shè)備系統(tǒng)對(duì)整流器四段電壓的輸出有效電壓設(shè)置有跟蹤程序，可從程序中查看。在對(duì)問(wèn)題車輛的電壓程序進(jìn)行跟蹤發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生針孔缺陷的車輛，在第三段電壓上電時(shí)，存在電壓波動(dòng)，如圖4所示。

通過(guò)多臺(tái)車輛的跟蹤，發(fā)現(xiàn)第三段電壓波動(dòng)的情況與問(wèn)題車輛相對(duì)應(yīng)。從已有的實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，電壓波動(dòng)并不明顯（10V左右），理論上這么小范圍的電壓波動(dòng)是不足以產(chǎn)生針孔缺陷的。

然而實(shí)際上確實(shí)發(fā)生了針孔現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)我們的現(xiàn)場(chǎng)分析，認(rèn)為這是與電壓測(cè)量的原理有關(guān)。

整流器內(nèi)置的直流電壓檢測(cè)為等效電壓，即對(duì)輸入的模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓的平均值變成與之成正比的時(shí)間間隔，然后利用時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測(cè)出次時(shí)間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果。

由此可以看出，實(shí)際檢測(cè)結(jié)果僅僅是一個(gè)“等效值”，并不能反映實(shí)際的整流效果和電壓波動(dòng)情況。為驗(yàn)證我們的想法進(jìn)行了如下三個(gè)試驗(yàn)。

（1）電壓提升試驗(yàn)

在正常生產(chǎn)狀態(tài)下，將第三段、第四段電壓提升30V，未出現(xiàn)針孔問(wèn)題。說(shuō)明正常狀態(tài)下小范圍電壓升高不足以導(dǎo)致電泳針孔。

（2）首臺(tái)車車身實(shí)際電壓跟蹤

進(jìn)行首臺(tái)車的電壓-時(shí)間跟蹤的潛水艇試驗(yàn)。以車身后蓋位置為測(cè)量點(diǎn)，得到如圖5所示結(jié)果。


圖5 首臺(tái)車（后蓋）電壓-時(shí)間曲線（針孔缺陷車輛）

第三段、第四段電壓設(shè)置值分別為300V、280V，正常狀態(tài)下，第三段、第四段車身（后蓋）實(shí)際電壓在220V、200V左右。生產(chǎn)線采用的電泳漆，鍍鋅板材的電泳擊穿電壓為260V左右。

如圖5所示曲線，從潛水艇跟蹤得到的電壓曲線，開(kāi)線首臺(tái)車，第三段電壓波動(dòng)在150V左右，第四段電壓波動(dòng)在250V左右。第三段電壓的峰值（320V）較正常電壓（220V）高出100V，第四段電壓峰值（380V）較正常電壓（200V）高出180V。第三段及第四段的瞬時(shí)電壓都已經(jīng)超過(guò)電泳漆的擊穿電壓（260V）。

通過(guò)潛水艇試驗(yàn)對(duì)車輛電泳過(guò)程電壓-時(shí)間曲線的跟蹤，明確了首臺(tái)車在電泳過(guò)程中，車身在第三段、第四段整流器上電過(guò)程中，車身實(shí)際電壓存在非常嚴(yán)重的波動(dòng)。

（3）整流器輸出電壓測(cè)試

采用fluke示波器對(duì)第三段整流器的輸出電壓進(jìn)行測(cè)試，如圖6所示，同樣發(fā)現(xiàn)存在100V左右的電壓波動(dòng)，結(jié)合車輛在線電壓測(cè)試以及示波器測(cè)量整流器輸出電壓的結(jié)果，明確了第三段、第四段整流器的輸出電壓存在波動(dòng)，即整流器的整流、濾波、穩(wěn)壓功能出現(xiàn)問(wèn)題。


圖6 第三段整流器輸出電壓fluke示波器測(cè)試

通過(guò)以上3個(gè)試驗(yàn)驗(yàn)證了我們的推測(cè)，即：系統(tǒng)內(nèi)自帶的電壓檢測(cè)只是在假定整個(gè)整流系統(tǒng)完好，能夠完全實(shí)現(xiàn)整流效果時(shí)的一個(gè)等效電壓值，但對(duì)其本身的整流的結(jié)果并沒(méi)有檢測(cè)。

而整流器工作時(shí)電壓調(diào)整是根據(jù)自身的檢測(cè)電流來(lái)進(jìn)行電壓控制的，這就造成了整流器本身已經(jīng)失效或者效果不佳，而實(shí)際顯示中無(wú)故障并且能夠輸出設(shè)置電壓值的現(xiàn)象。

2.3 整流器故障排除

確定了整流器狀態(tài)異常后，分析可能出現(xiàn)故障的整流器元器件。整流器的結(jié)構(gòu)組成中，可能導(dǎo)致電壓輸出波動(dòng)的結(jié)構(gòu)包括晶閘管、電容，以及主板。通常整流器故障的原因?yàn)榫чl管損壞，但通過(guò)實(shí)際輸出波形來(lái)看，排除了單個(gè)金閘管的損壞的可能。

考慮到實(shí)際使用時(shí)間以及壽命，更換了所有晶閘管以及電容，更換后對(duì)波形改善無(wú)效果。


圖7 主板及點(diǎn)火變壓電路板結(jié)構(gòu)圖

于是將問(wèn)題元器件縮小到主板，進(jìn)一步分析主板結(jié)構(gòu)，如圖7所示主板結(jié)構(gòu)圖，其結(jié)構(gòu)包括控制電路板、點(diǎn)火變壓電路板、調(diào)節(jié)電路板三個(gè)部分，對(duì)三個(gè)部分進(jìn)行逐個(gè)替換，確認(rèn)為點(diǎn)火變壓電路板（見(jiàn)圖7點(diǎn)火變壓電路板結(jié)構(gòu)圖）出現(xiàn)故障，對(duì)故障電路板進(jìn)行替換，批量針孔問(wèn)題消除。

故障電路板替換后，再次進(jìn)行首臺(tái)車的電壓-時(shí)間跟蹤的潛水艇試驗(yàn)，如圖8所示，各段電壓無(wú)明顯波動(dòng)情況，電壓值正常。


圖8首臺(tái)車（后蓋）電壓-時(shí)間曲線（故障排除后）

3.總結(jié)

電泳針孔是常見(jiàn)的電泳過(guò)程缺陷，其發(fā)生常與電泳材料及工藝參數(shù)有關(guān)。本次案例中，整流器輸出電壓發(fā)生波動(dòng)，但其電壓有效值并未升高，電壓的快速震蕩（頻次：次/6s；振幅：150V-250V）導(dǎo)致非典型針孔缺陷的出現(xiàn)。

此次缺陷通過(guò)電壓-時(shí)間跟蹤的潛水艇試驗(yàn)以及通過(guò)fluke示波器對(duì)整流器的輸出電壓進(jìn)行測(cè)試，確認(rèn)了整流器的電壓輸出波動(dòng)；通過(guò)逐個(gè)替代法，確認(rèn)了整流器中的問(wèn)題元器件。

問(wèn)題的分析以及解決過(guò)程可作為電泳過(guò)程針孔問(wèn)題的一項(xiàng)參考方案。另外，整流器在使用過(guò)程中，點(diǎn)火變壓電路板故障導(dǎo)致輸出電壓快速震蕩的原因有待進(jìn)一步探究。