如何系统控制汽车涂装中的色差问题.docx
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如何系统控制汽车涂装中的色差问题
车身油漆色差控制
摘要：
从油漆漆材料、喷涂工艺、喷涂设备等方面探讨了色差的影响因素，提出了相应的控制方法。
关键词：
色差；喷涂；施工工艺；影响因素；控制
1．前言
随着我国加入WTO，汽车工业的竞争趋于白热化，世界各大汽车巨头纷纷涌入国内建合资企业，丰田、日产、本田、马自达等日本汽车企业基本上在中国都形成了自己的战略部署，北汽与韩国现代联姻，华晨与宝马合资，通用、大众、福特、戴克、罗孚、菲亚特等国际知名汽车企业纷纷入主中国市场，吉利、奇瑞、哈飞、长城汽车等高举民族品牌大旗者也不甘示弱，国内汽车行业进入战国时代。
竞争是全方位的，价格、质量、营销、品牌等，要想在竞争中生存下来，就必须在各方向都尽可能做到让用户满意。
车身油漆颜色就像是汽车的外衣，在顾客选购车辆时给予第一感观的认知，很可能左右消费者有没有兴趣对车子进行更详细的了解。
随着人们生活水平的提高，人们消费更趋理性，要求也更加苛刻和专业。
原来大家可能只对颜色有个大致的要求，比如能找到自己喜欢的色系就行了，可现在这种最初层次的性能已远不能满足消费者的需求，消费者对油漆的光泽度、鲜映性、甚至色差都有自己的要求。
如何做出色差令顾客满意的油漆车身，这是每一个汽车油漆工程师都应考虑的问题。
然而车身色差控制是一个极为复杂的工作，可能影响最终漆膜色差的因素众多，如何有效地控制各种影响因素，提高车身油漆色差的质量，是每个汽车涂装工作者面临的一个挑战。
随着保险杠、门把手、后视镜及加油小门等彩色塑料件的大量采用，要求车身与塑料件的颜色无偏差，这就对车身油漆色差的控制提出了更高的要求。
目前轿车厂流行的方法是采用仪器测量与目测相结合的方式来控制色差，一般提供一块标准颜色样板，要求车身及塑料配件的颜色与该标准样板相比无论是目测，还是仪器测量都应接近。
车身油漆色差的影响因素众多，它与油漆漆材料、喷涂工艺、喷涂设备、供漆系统等因素密切相关。
本文就车身油漆色差的控制谈一点看法。
2．色差的概念
颜色可以用色相H（Hue），饱和度C（Chroma）,或表示红绿的a值，表示黄蓝的b值以及明度L（Lightness）来定义。
L﹡a﹡b﹡色空间是目前最实用和普及的用于测量物体颜色的空间模型，它是CIE（国际照明委员会，法文：
CorporaciónInteramericanadeEntretenimiento，英文名称：
InternationalCommissiononIllumination）定义的色空间（如图1所示），本文中所提及的Lab均为CIE模型标准。
在该空间中L为明度，L为正值表示颜色偏白，L为负值表示颜色偏黑；a，b为色度坐标，其中a为正值表示颜色偏红，a为负值表示颜色偏绿；b值为正值表示颜色偏黄，b值为负值表示颜色偏蓝
图1
LCH色空间与Lab色空间的色度图相同，但该色空间为极坐标而不是直角坐标，L表示明度，与Lab色空间的L值相同，H表示色相，C表示该颜色的饱和度，如图2
图2
两个色度值（L样品，a样品，b样品）和（L标准，a标准，b标准）之间的色差△Eab由下式决定
：
ΔEab=[（ΔL）2+（Δa）2+（Δb）2]1/2
其中：
ΔL=L样品-L标准，Δa=a样品-a标准，Δb=b样品-b标准
如ΔL为正值，说明样品颜色偏浅；ΔL为负值，说明样品颜色偏深。
如Δa为正值，说明样品颜色偏红；Δa为负值，说明样品颜色偏绿。
如Δb为正值，说明样品颜色偏黄；Δb为负值，说明样品颜色偏蓝。
在这个体系中，任一点的容差大小是一样的，由于人眼对各种颜色的的敏感程度并不完全相同，这有时并不能反映真实的视觉效果。
为把人眼对颜色的感受特点考虑进去，德国大众在大量实验和实践的基础上，采用了一套ΔECMC值的椭圆公式，
ΔECMC=[（ΔL/SL）2+（Δa/Sa）2+（Δb/Sb）2]1/2①
或者ΔECMC=[（ΔL/SL）2+（ΔC/Sc）2+（ΔH/SH）2]1/2②
其中SL,Sa,Sb表示ΔL，Δa，Δb的修正系数，SL,SC,SH表示ΔL，ΔC，ΔH的修正系数。
这套公式下标是CMC，是在CMC（l:
c）色差公式的基础上演变而来的，但和CMC（l:
c）色差公式并不完全相同，CMC（l:
c）色差公式是McDonald采用了视觉判断方式（用八个专业人士）的实验来決定色配对是否可被接受，后来据此结果再演译成JPC79公式，並被命名为CMC（l:
c）（ColourMeasurementCommitteeoftheSocietyofDyersandColourists）。
主要是针对lightness和chroma做了权重的估算：
由于考虑了人眼对颜色的感受，人眼对不同的颜色有不同的敏感程度，而在此评价体系中不同的颜色有不同的容差系数，因此该评价方式更为精确，如下图
目前全世界车身油漆色差的修正系数无统一的标准，各厂根据自身的经验进行控制，我们根据德国大众的经验，不同的颜色根据其L、a、b、C、H可计算出对ΔL，Δa，Δb或是ΔL，ΔC，ΔH给出不同的容差系数，具体计算公式在这里不做讨论。
对于特定颜色的油漆，究竟是用公式①还是②，取决于该颜色的彩度C和明度L，当C<10或（C<18且L>27）时，我们认为该颜色不是鲜艳颜色，适用公式①，而其它情况，我们认为该颜色为鲜艳颜色，适用公式②。
最终对色差的综合评价，我们目前是从五个角度对ΔECMC进行综合评价，单个角度ΔECMC小于2.0且五角度ΔECMC平均1.7即颜色合格，否则为不合格。
3．色差的测量
色差的测量一般采用分光测色法，目前上海大众和相关供应商均采用X-RITE生产的MA86II色差仪，可采用D65（标准日光，色温为6500K）等多种光源单方向（450）照明，可从5个角度（15°、25°、45°、75°及110°）同时测量金属漆或珠光漆的颜色。
4．车身油漆色差影响因素
4.1油漆材料
油漆色漆可分为两大类：
单色漆和闪光漆，闪光漆包括金属闪光漆和珍珠闪光漆。
单色漆是通过颜料粒子将入射光进行反射的，由于散射光是主体，无随角异色效应。
闪光漆的组成主要有三部分，除了传统单色漆所具有的透明树脂溶液和着色颜料外还添入了闪光铝粉或珠光粉。
其中闪光铝粉和珠光粉就是我们通常所说的效果颜料。
就它们的光谱特性来讲，普通颜料对照射到它的光基本都是漫反射；铝粉除了两端为漫反射外，基本都是镜面反射；而珠光粉为半透明材料，除了和铝粉一样两端漫反射、平面镜面反射外，还有透射。
三种组份的光谱特性可用图简单表示：
对于金属闪光漆，铝粉在漆膜内不同层次排列,反射出去的光线其亮度也不一。
而光线射入漆膜内颜料粒子成有色光，再经不同层次铝粉反射出漆膜时，就会产生色光和金属光的变化，即闪光效应。
当入射光或视角由垂直逐渐转向与漆膜平行，反射光变弱，颜色变深（铝粉平行于漆膜理想排列情况下）。
所以金属闪光漆随着视角的改变，可观察到不同程度的金属色感及闪烁感。
对于珠光漆，入射光经反射、折射、透射及部分吸收时，平行的各种反射光之间的互相干涉而出现珍珠般色彩，如下图
按照上海大众对的色差控制要求，单色漆由于其光谱特性各项的均一性，所以只对其45度角的色差数据进行控制，而对于闪光漆，则需要对15º、25º、45º、75º、110º五个角度的色差数据进行控制。
测色角度如下图：
其中，15º25°为近镜面反射角，其镜面反射色主要受金属片或珠光粉颜料的定向排列影响。
45º为直视角，是目视样板的最佳角度，受铝粉珠光粉排列与着色颜料的双重影响。
75º和110º为侧视角，受着色颜料影响最大。
对单色漆色差影响最明显的是油漆的膜厚。
单色漆由透明的树脂和着色颜料组成，相对有铝粉的的金属漆来讲，遮盖力相对较差，红或黑等深颜色由于颜料的透光率较低，遮盖力尚可，而对于颜色较浅的白色和黄色等颜色，通常正常的施工条件下的色漆膜厚并不能达到黑白格意义上的完全遮盖，这时使用何种颜色的中涂以及漆膜的厚度控制对色差的影响显得至关重要。
为了减少中涂对最终色差的影响，通常的做法是采用较浅颜色的中涂，比如白色或浅灰中涂，尽管如此，较低的膜厚仍会让光线射到中涂后反射回色漆层，经过中涂的吸收后，吸收光谱必然产生变化，所以单色漆如黄颜色，其颜色数据往往是由色漆层和部分中涂层的吸收光谱叠加出来的，其色漆膜厚的微小变化可能会产生较大的色差，这对施工是一个很大的挑战。
而闪光漆除了树脂和着色颜料外，还有铝粉（珠光粉）等效果颜料，其色差不但受膜厚的影响，还受效果颜料定向排列的影响。
通常闪光漆的遮盖力都较好，更多对闪光漆色差的影响来自效果颜料的的含量及其定向排列。
闪光漆喷涂后溶剂挥发漆膜收缩，一次喷涂湿膜簿的，漆膜收缩后，铝粉（珠光粉）平行于漆膜排列的倾向性大。
湿膜厚的，溶剂挥发漆膜收缩后，其膜厚空间扩大，铝粉（珠光粉）随机排列趋向加大，则平行于漆膜定向排列趋向减少，如下图所示。
在油漆配方一定的情况下，不同的施工参数可以得到不同的铝粉（珠光粉）排列，产生不同的颜色效果。
4.2施工参数：
表格1和表格2分别为同一油漆（小麦黄）在两种施工条件下得到的色差数据：
表格1
Geo.
dL*
da*
db*
dC*
dH*
参数
15
-0.2
-0.9
-3.3
-3.4
0.6
ESTA:
100ml/min,转数:
30k,气压:
1.2barP:
300ml/min,雾化:
2.3bar,扇面:
3.0bar闪干时间:
1.5min膜厚:
P4~5μm,总11μm
25
-1.4
-0.4
-1.9
-1.9
0.3
45
-1.2
0
-0.5
-0.5
0
75
0.1
-0.2
0.3
0.3
0.2
110
1
-0.3
0.9
0.8
0.4
表格2
Geo.
dL*
da*
db*
dC*
dH*
参数
15
-1.7
-0.5
-0.9
-1
0.4
ESTA:
100mi/min,转数:
30k气压:
1.2barP:
300ml/min,雾化:
1.8bar,扇面:
3.0bar闪干时间：
1.5min膜厚:
P4~5μm,总11μm
25
-2.2
-0.2
-0.4
-0.5
0.2
45
-0.8
0.1
0.1
0.1
-0.1
75
0.4
0
0.5
0.5
0.1
110
0.9
0
0.8
0.8
0.2
从表中数据不难看出，相比于表格1，表格2的施工参数仅降低了空气喷涂中雾化空气压力，从而使得到的漆膜小角度明度dL*明显下降，45和75度明度略有增加,而110度主要受ESTA喷涂影响,因为ESTA参数没变,所以110度变化不明显.而大角度明度变化不大，色相方面也发生了类似的变化，即小角度黄相db*明显上升，而大角度变化不明显。
这是因为雾化空气压力的降低，使喷涂时雾化变粗，漆膜相对较湿，从而小麦黄的铝粉随机排列趋向加大，则平行于漆膜定向排列趋向减少，镜面反射也就减少，所以小角度明度下降，而黄相恰恰相反，因为它由着色颜料的漫反射影响，由于铝粉纵向排列增多,对颜色的散色光的阻挡变弱了,黄相颜色的光线更多的反射出来。
因此，雾化空气压力降低，铝粉定向排列的趋向减少，从而使小角度明度下降,黄相增加。
同样,其他施工参数也会对铝粉的定向排列产生影响，从而影响油漆的色差。
下表给出了各参数对闪光漆小角度明度的影响规律。
参数
变化趋势
湿膜状态
雾化程度
小角度L值
Spray
-mate
雾化空气量
增大
变干
变细
变浅
成形空气量
增大
变干
变细
变浅
油漆流量
增大
变湿
变粗
变浅
喷枪与车身距离
增大
变干
----
变浅
ESTA
旋杯转速
增大
变干
变细
变浅
成形空气量
增大
变湿
----
变深
油漆流量
增大
变湿
变粗
变深
高压
增大
变干
变细
变浅
喷杯与车身距离
增大
变干
----
变浅
喷漆室
温度
增大
变干
----
变浅
湿度
增大
变湿
----
变深
色漆
粘度
增大
变湿
变粗
变深
4.3喷涂设备：
相同的色漆材料，在不同的喷涂设备上喷出的色差也有所不同。
以人工喷涂来控制色差是不切实际的，由于人工喷涂受人为因素的影响较大，无法始终保持稳定的喷涂参数，ESTA高速旋杯自动静电喷涂由于其喷涂效率高，油漆利用率高成膜分布好，颜色均匀，质量稳定等显著特点在汽车涂装中被广泛应用，目前上海大众各生产线基本都采用ESTA+Spraymate喷涂的工艺。
这两种喷涂方式对油漆尤其是闪光漆的色差有不同的影响，下面介绍这两种喷涂设备对色差的影响。
采用高速静电旋杯以及采用空气雾化喷枪喷涂色漆（金属漆、珠光漆），两者的喷涂效果在色泽度、色彩度上都有明显的区别，用旋杯喷涂的金属色漆，与空气喷涂的金属漆相比，其色泽较深，但色彩较鲜艳。
造成空气喷枪和高速旋杯不同色彩喷涂效果的主要原因在于：
●金属漆漆膜中铝的含量
●喷射漆流中铝的分布
●铝片的表面覆盖能力
●漆粒相互碰撞的脉冲（漆膜中铝的含量）
●铝粉在漆膜中的定向排列
采用空气雾化装置进行油漆喷涂时，小颗粒漆粒容易随着物体表面气流方向的转换而变化运行方向，以至于可能无法准确达到被涂表面；而大颗粒漆粒由于其本身的质量较大，故不易偏离其运行轨道。
（10µm漆粒到达被涂面约10%,40µm约80%.）
采用静电旋杯进行油漆喷涂时相反，小颗粒漆粒由于其本身质量较轻，容易沿着磁力线到达物体表面，而大颗粒漆粒容易在离心力作用下被甩出，成形空气和磁力还不足以使大颗粒的漆粒克服离心力作用，进而到达被涂物体表面。
采用空气喷涂时金属铝粉/珠光粉的定性排列情况：
采用ESTA喷涂时金属铝粉/珠光粉的定性排列情况：
由上面可以看出，由于ESTA喷涂的高压静电的作用，效果颜料运行轨迹和定向排列情况都和空气喷涂时有所不同，从而使最终的喷涂效果差异显著。
在新颜色色差调试时，要根据实际的色差状况设置ESTA和Spraymate的喷涂参数，控制好ESTA与Spraymate的喷涂比例，一般ESTA喷涂的膜厚应为金属色漆总膜厚的70%~60%，Spraymate喷涂的膜厚应为总膜厚的30%~40%。
在批量生产时，还要根据每批色漆的颜色、喷漆室的温湿度以及助剂用量调整喷涂工艺参数。
4.4供漆系统
4.5.1供漆系统循环
色漆在供漆系统中的循环时间对颜色有较大影响，特别是某些高铝粉含量的色漆，如果循环时间过长，铝粉易沉降，从而在短期内对颜色有较大影响，另外长时间的由于循环，铝粉在流动过程中受剪切应力的作用，可能出现卷曲，这两个因素都将引起最终漆膜小角度的明度下降，同时大角度明度上升。
下图是在生产线上试验的银色漆明度下降的实例，试验时油漆进入系统后一个月内，不再添加新鲜油漆，保持系统按正常生产循环，然后观察其色差变化情况。
实际观测下来，该颜色仅明度有明显变化，变化趋势如下图：
从图中我们不难看出，随着循环时间的加长，小角度明度有明显下降，而大角度则相反。
4.5.2供漆系统的清洁状态
随着颜色品种的日益增加，供漆系统也需经常清洗换色。
如果供漆系统清洗不干净，系统中如管壁或阀门内残留的油漆混入新加的油漆中，势必对新油漆的颜色产生较大影响，随着循环时间的增长，死角内溶出的旧油漆增多,影响的程度也会增大。
如果以前加有闪光漆的供漆系统需加单色漆，最好先用树脂进行彻底清洗，同时将泵和阀门尽可能拆开清洗，以便利用树脂的高粘性将系统内残留的铝粉或珠光粉清洗干净，否则铝粉或珠光粉混入单色漆中会对颜色产生影响。
如果色漆在供漆系统中长期不用，循环时间超过六个月，应及时将系统进行清洗，否则色漆老化变质，在管路中出现沉淀和结块现象，反而会导致清洗难度的增加。
5．车身油漆色差的控制方法
色差控制是一项非常复杂的工作，目前我们主要从以下几个方面对色差进行控制：
a.对于新油漆或是较长时间没用生重新启用的油漆,一般先制作一台报废车身或安排两台套车身试喷,观察喷涂效果并适当调整施工参数,以获得较好的色差状态，以免由于颜色偏差较大而造成大批量的返工，影响正常生产。
b.日常供货控制好每批色漆的色差，这需要油漆供货商及整车厂的共同努力，杜绝色差不合格的材料送到生产线上。
c.定期对色差仪进行零号板校正，把仪器测量台间误差的影响降至最低，确保色差数据的可比较性。
d.对色差进行监控，特别是要跟踪油漆批次更换后的色差情况，掌握颜色的变化趋势。
e.定期检查ESTA和Spraymate的喷涂状态，定期对ESTA及Spraymate的喷嘴进行检查，并对喷涂流量进行计量，如有异常及时作出相应调整或更换喷嘴。
f.定期检查供漆系统的运行状态，尽可能避免油漆在管路中长期循环。
g.信息共享，整车厂与配套厂对色差的相关信息及时进行沟通。
车身油漆色差的控制工作是一项复杂的系统工程，色差控制和优化，实际是一个不断摸索、持续改进的过程，只有相关各部门在工作中持续不断的努力和总结经验教训，才能把油漆色差工作做得更好，让用户更满意。
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