船舶静电喷涂装备技术研究_黄景华.pdf

-69-作者简介：黄景华（1973-），男，高级工程师，船舶与海洋工程。谢超扬（1973-），男，技师，钳工。朱永安（1970-），男，技师，轮机钳工。船舶静电喷涂装备技术研究船舶静电喷涂装备技术研究黄景华谢超扬朱永安（广船国际涂装部）摘要：根据静电喷涂技术原理，通过对船舶静电喷涂装备的设计技术、关键参数技术、设备电压控制技术、涂料喷涂雾化控制技术开展研究，从满足安全性、实用性、稳定性和经济性等方面考虑，研究、分析并确定静电喷涂设备设计技术方案，解决船舶涂装推广应用静电喷涂工艺的装备问题，为实船应用提供装备保障。关键词：静电喷涂；装备技术；船舶涂装DOI：10.3969/j.issn.2095-4506.2023.01.0190前言静电喷涂是指一种利用电荷和电场将雾化的涂料粒子吸引到目标物体（喷涂对象）的喷涂工艺，使工件表面形成具有光泽的均匀涂层，达到表面保护和装饰的目的。静电喷涂与目前的传统喷涂工艺相比较：涂料利用率大幅提高，达到 90%以上（传统喷涂工艺涂料利用率约为 70%）；涂装效率提高20%以上。通过对船舶静电喷涂装备技术的研究，推动静电喷涂工艺在船舶涂装的推广应用，将对船舶涂装行业在质量提升、降低油漆用量、提高涂装效率等方面带来积极的促进作用，为我国各船厂承接豪华客滚船、豪华邮轮等高附加值造船产品，提供切实可行的涂装技术应对措施。基于静电喷涂在船舶涂装上的适用性及船舶静电喷涂施工工艺特点，按照使用性能必须满足施工工艺及实用性要求的装备研制方案选择原则，开展涂料供给、涂料控制模块、静电控制模块（高压控制器）等组成部分的设计研究，结合 DFMA 设计方法，满足设备防护等级和安全防爆性以及使用性能等本质安全性、便携可靠性、设备吊装及运输、结构强度等要求,针对静电喷涂装置的设计技术、关键参数技术、设备电压控制技术、涂料喷涂雾化控制技术开展研究，从满足安全性、实用性、稳定性和经济性等方面考虑，研究、分析并确定静电喷涂设备设计技术方案。1静电喷涂装置总体功能结构布置研究1.1静电喷涂技术原理1.1.1静电喷涂电场的构成静电喷涂基于含负电荷的雾化喷涂涂料粒子和含正电的被喷涂的工件会形成静电场，将涂料微颗粒牢牢吸附到工件表面上形成效果良好的涂层原理。静电喷涂电场的构成如图 1 所示。受电后的涂料粒子经过静电喷涂枪喷出后，在电场中作用下产生电磁感应现象，受电后的涂料粒图 1静电喷涂电场构成图图 2静电场中涂料粒子分布图子在电场中的分布走向如图 2 所示，电场强度分布图 3 所示。1.1.2静电喷涂的电场效应（1）环抱效应带高压静电的喷枪电极针和接地的物体间存在一个静电场，当涂料从静电喷枪喷出，涂料在被雾化的同时，带上了静电荷，这种带电荷的涂料微粒在静电场力的作用下，会克服工件的外形阻碍，更大比例均匀到达接地工件，而不会偏离目标体或被周围气流带走，形成静电喷涂的环抱效应，如图 4所示。（2）法拉第效应在具有凹凸部位的工件静电喷涂场合，电力线会集中到具有最低电场阻力之处，例如工件外形的GSI SHIPBUILDING TECHNOLOGY广船科技2023 年第 1 期(总第 164 期)-70-图 3静电场强度分布图图 4静电喷涂环抱效应示意图图 5静电喷涂法拉第效应图（凸形工件）图 6静电喷涂法拉第效应图（凹形工件）图 7船舶静电喷涂装置技术原理图凸出部位，这些部位处场强增加，直接导致涂料粒子朝这些部位处运动，这些部位处涂料沉积明显加强，涂层增厚过快，造成过喷现象；对于存在凹陷部位的工件，由于电场力的作用，静电喷涂时涂料粒子被强力推向凹陷部位的边缘，因而只有很少涂料粒子进入凹陷部位，造成喷涂不足现象。这就是静电喷涂的法拉第效应，如图 5 和图 6 所示。试验结果表明，为消除法拉第效应在静电喷涂的不良影响，在喷涂工件的凹凸部位时，需要将静电电压和电流相应调高（大）和调低（小），通过调整电场效应克服工件表面形状所造成的法拉第效应影响，在静电喷涂装备研发时需要设计装备具备静电电压和电流可调节功能，并且静电电压和电流可调节范围需满足工艺要求。1.2静电喷涂技术的应用和发展在上世纪五十年代初的德国，由于对产品涂装质量要求的提高（包括其外观质量等），传统工艺已无法满足生产要求，涂装工程师需要寻求一种可以大大提高喷涂效率并降低作业成本的喷涂工艺方法，研究发现含负电荷的雾化喷涂涂料粒子和含正电的被喷涂的工件会形成静电场，将涂料微颗粒牢牢吸附到工件表面上形成效果良好的涂层。由于这种喷涂工艺方法具有节省涂料、降低对环境污染度、提高喷涂工艺机械化程度等显著优势，这种新型技术便被采用并得到快速发展和完善，形成了现今的静电喷涂技术，目前已经被广泛应用于各个工业领域中。豪华游轮的船体结构由主船体和上层建筑组成，主船体位于水线以上部分如外板和上建外部等部位美观性要求较高，采用传统的无气喷涂和毛刷、滚筒等工具容易产生刷痕和漆雾，影响最终美观性，采用静电喷涂工艺进行喷涂，不仅提高涂料利用率，还有效减少漆雾产生，使涂料更好成膜，涂层外观质量也得到有效控制，能更好的达到预期效果。根据静电喷涂技术原理，结合船舶涂装的特性，船舶静电喷涂装置技术原理如图 7 所示。黄景华谢超扬朱永安：船舶静电喷涂装备技术研究-71-图 8静电喷涂技术静电喷涂装置总体功能结构布置图图 9隔膜泵型 A 组份主动供料泵实物图图 10涂料 B 组份（固化剂）供料器构成图图 11热水循环预热系统原理图1.3船舶静电喷涂装置总体设计方案基于静电喷涂的技术特点和电场效应，结合在船舶涂装上的适用性研究及船舶静电喷涂施工工艺研究，充分满足船舶涂装工艺要求，兼顾考虑装置的可装配性和可制造性，设计静电喷涂装置总体功能结构布置，并形成静电喷涂装置总体设计方案。以船舶涂装应用最为广泛的双组份静电喷涂装置为例，静电喷涂装置由电控、气控和流体控制三部分组成，提供装置正常运作所需的控制和动力功能，总体功能结构布置如图 8 所示。2船舶静电喷涂装置各功能系统研究2.1涂料供料系统研究（1）涂料 A 组份(基料)供料泵涂料 A 组份的主动供料泵用途是作为供料增压泵，保证涂料 A 组份通过输送管道对主泵的持续供应。传统的双组份喷涂机缺乏增压泵增压，A 组份相对于 B 组份密度和粘度较大，流动性较差，对于使用粘度较大的涂料往往造成供料系统不流畅，配比报警多，影响连续作业，需要采用气动隔膜泵作为静电喷涂装置的 A 组份主动供料泵，保证涂料 A组份稳定供料，供料泵如图 9 所示。（2）涂料 B 组份（固化剂）供料涂料 B 组份（固化剂）具有湿度敏感性，遇水或遇湿会加速固化，为稳定涂料 B 组份（固化剂）性能，需要采取有效措施防止涂料 B 组份（固化剂）受潮，设计利用氮气作为惰性气体、化学稳定性高的特性使用氮气往密闭的涂料 B 组份（固化剂）存储罐加入一定压力的氮气，可以有效防止湿气对固化剂产生影响，从而达到长时间保持涂料 B 组份（固化剂）物理稳定性的目的。采用全密闭涂料 B 组份（固化剂）供料器，由带有调压阀的氮气瓶和密闭的涂料 B 组份（固化剂）罐组成，可实现对涂料 B组份（固化剂）的有效保护。涂料 B 组份（固化剂）供料器的构成如图 10 所示。（3）涂料预加热系统静电喷涂对涂料的流动性有特殊的要求，涂料最大粘度不能超过 90sec(Ford cup 4)，为提高涂料的流动性能，除了设置涂料 A 组份(基料)供料泵外，设计在涂料 A 组份和 B 组份存储罐设置涂料预加热系统，对罐内涂料进行加热升温，降低涂料粘度，减少管路流动阻力，使涂料经过主泵增压后经传输管路到达喷漆枪后涂料压力和流量满足静电喷涂技术要求。涂料预加热采用热水循环方式，配备隔膜泵，防爆电加热器，容积为 2 升的不锈钢水箱，加水料斗等部件，其工作原理如图 11 所示。2.2涂料流体控制系统研究涂料的基料 A 和固化剂 B 分别经气动搅拌均匀后，经预加热系统加热，基料 A 经增压泵预增压，涂料到达喷漆主泵 A 和 B 主增压，按照设定比例分GSI SHIPBUILDING TECHNOLOGY广船科技2023 年第 1 期(总第 164 期)-72-别进行计量后送入混合器充分混合，在喷漆主泵 A和 B 上位移传感器检测到的 A 和 B 组份添加量并向电脑控制模块发送信号，通过电脑控制模块内控制程序的计算、分析，系统会自动控制计量阀，根据设定混合比控制 A 和 B 组份的混合量。混合后涂料经高压软管、分枪器到达静电喷枪，最后以既定的流量和压力从喷嘴高速喷出，使液压状态涂料瞬时喷射形成极细的雾状，高速喷向被涂物表面，形成涂膜层。为实现对喷漆主泵的有效控制和精确配比，涂料 A、B 泵控制系统由气动交流发电机模块（涡轮交流发电机包含在此模块中）、流体控制模块、电磁阀模块、喷漆主泵中的位移传感器、混合阀上的压力传感器、再循环阀中的温度传感器、气动计量阀以及 USB 模块等组成，涂料 A、B 泵控制系统原理如图 12 所示。2.3涂料静电控制系统研究按照船舶涂装静电喷涂工艺要求，静电喷涂的最高电压需达 80KV 以上，静电电流 0-100A 可调节，并且对于不同的涂料应用，需能按照工艺要求调节静电电压和电流的组合。研究采用 VM5000 型静电控制器作为静电发生及控制部件，与之匹配的GM 5000EAC 型静电喷枪以及其他组件一起，构成静电手动喷枪控制系统。以 VM 5000 型静电控制器开展研究，其负责向喷枪提供产生静电的电源，通过导线将电能传递到在喷枪当中。VM 5000 型静电控制器符合 ATEX 2区标准，静电电压设定值以及喷涂电流限值可在控制器上加以调节，并且可以三种不同的配方加以保存。在满足船舶静电喷涂对输出电压和电流要求的同时具备设置三种不同的喷涂程序（即三种不同的静电电压和静电电流参数组合，正确的数值设定对于获得最佳的环抱效果极其重要），能实现从静电黄景华谢超扬朱永安：船舶静电喷涂装备技术研究图 12涂料 A、B 泵控制系统原理图图 13VM 5000 型静电控制器控制面板图-73-喷枪或者静电控制器上将喷涂程序激活，同时所有的参数可以通过控制器上的单旋钮进行调节，从而使得操作人员能够快速更改设置。为了确保喷涂操作人员的最大人身安全，静电控制器可对喷枪的接地情况进行监控。如果接地发生中断情况，高压将被切断并报警。静电电压供应通过喷枪上的扳机进行通、断控制。静电电压具有特殊的线性特性，可以确保当喷枪过于接近工件（或地面）时，静电电压会自动被降低，以防止火花放电产生意外火灾、燃爆事故发生。此外，该控制器可以与通用高压级联相结合，作为产生更高级别的静电电压发生器使用，如图 13 所示。研究采用 GM 5000EAC 型静电喷枪与 VM 5000型静电控制器配套使用，该型静电喷枪为空气辅助型静电喷枪，耐压 25Mpa，额定最大电压和电流分别为 80kV 和 100A，通过按压扳机开关加以启动。喷枪内配有一个级联电压放大器，用于生成静电输出电压，并且使用从静电控制器内所获得的 20 Vpp电压供电，配有灵活的电极和集成控制面板，面板上带有静电控制开关，用于开启和关闭静电以及选择喷涂程序。此外，该型静电喷枪配有三种可供选择的喷涂程序，可以在喷枪上直接选择静电控制器上的程序设置，喷涂程序提供了静电电流和静电电压不同数值的预先定义，这就使得喷涂操作人员可以根据各种不同的工艺要求来选择最佳的静电组合参数进行喷涂。GM 5000EAC 型静电喷枪外形如图14 所示。3结束语“工欲尽其善，必先利其器”，开展船舶静电喷涂装备技术研究是实现静电喷涂广泛应用于船舶涂装的重要推手，通过对静电喷涂原理的分析以及对涂料供给、涂料控制模块、静电控制模块（高压控制器）等静电喷涂装备必备的组成部分开展应用研究，设计适合船舶涂装使用的静电喷涂装置在透彻掌握船舶静电喷涂装备技术的前提下实施静电喷涂工艺才能获得高质量的涂层，实现高效、环保、智能化的船舶涂装，促进船舶涂装工艺与装备技术的重大突破，为船舶绿色涂装向更高层次发展提供有利条件。参考文献：1张学敏，郑化，魏铭.涂料与涂装技术M.北京：化学工业出版社，2005.11.2涂装技师手册M/北京市职工技术协会，北京市技术交流中心组编.北京：机械工业出版社，2005.3.3刘秀生，肖鑫.涂装技术与应用M.北京：机械工业出版社，2007.2.投稿日期：2022-12-26图 14GM 5000EAC 型静电喷枪外形图GSI SHIPBUILDING TECHNOLOGY广船科技2023 年第 1 期(总第 164 期)