超聲波焊接對火工品密封性能的影響

楊 寧，付秋菠，孫秀娟

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超聲波焊接對火工品密封性能的影響

楊 寧，付秋菠，孫秀娟

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽，621900）

通過正交試驗研究了超聲波焊接參數(shù)對火工品密封性和電阻的影響。試驗結(jié)果表明：超聲波焊接壓力對于密封性和電阻的影響最大，熔接時間次之，發(fā)振位置對焊接效果影響不顯著。隨著焊接壓力升高、熔接時間延長，焊接量會增大，更有可能導(dǎo)致電極的焊點損壞和插針?biāo)擅摰热毕荩茐臉蚵愤B通性并造成泄漏。

火工品；超聲焊接；泄漏率；電阻；正交試驗

隨著武器系統(tǒng)使用環(huán)境、貯存環(huán)境的多樣性變化，對其內(nèi)部火工品的適應(yīng)性要求也逐步提高，例如抗過載性能、密封性能等。因此，火工品封裝技術(shù)也與時俱進(jìn)，除了采用傳統(tǒng)手工螺釘連接之外，開始逐步引入半自動或自動化技術(shù)，如激光焊接、儲能焊接、超聲波焊接等。這些技術(shù)不僅效率高、裝配一致性好，還可以在不使用灌封膠的情況下使火工品密封性達(dá)到國軍標(biāo)的要求。

超聲焊接是利用高頻機(jī)械振動引起的局部高溫使焊接區(qū)表面產(chǎn)生熔化，在壓力的作用下熔接，冷卻后即形成可靠連接的焊點或焊縫。超聲波焊接快速、無損、對周圍工件溫度污染小，而且可焊接材料范圍非常廣泛，包括塑料、金屬、紙制品等，因此在航空航天、精密電子、MEMS，甚至食品包裝領(lǐng)域都有應(yīng)用。

為了探索超聲波焊接在火工品封裝方面的應(yīng)用，本文研究了一種熱塑性材料火工品封裝結(jié)構(gòu)的超聲波焊接工藝，通過正交試驗對不同的工藝參數(shù)與封裝效果的關(guān)系進(jìn)行研究。

1 試驗設(shè)計

1.1 樣品及試驗方法

試驗以一種集成化沖擊片雷管封裝殼體為研究對象，樣品外殼材料為一種熱塑性高分子材料。清洗烘干后的樣品上下殼體進(jìn)行配合，在超聲波焊接機(jī)上快速焊接。焊接試驗使用明和公司的H031FK0164型超聲波焊接機(jī)，設(shè)備空載頻率19.97kHz，振幅13.21μm。標(biāo)定本底漏率為6.4×10-11Pa·m3·s-1。

考慮到火工品封裝方面的安全性及使用要求，本文主要研究密封性以及焊接對電阻的影響。密封性使用成都儀器廠ZLS-260/M型氦質(zhì)譜檢漏儀進(jìn)行檢測，檢測方法按照GJB 5309.3 火工品試驗方法第3部分泄漏試驗氦氣法中的方法執(zhí)行。橋路電阻由微電阻儀測量，量程300mΩ。每組試驗5個樣品。按照國軍標(biāo)要求，泄漏率小于1×10-6Pa·m3·s-1為合格，檢測后計算每組樣品的合格率；＜100mΩ為合格，檢測后計算每組樣品的合格率。非破壞性測試結(jié)束后解剖樣品，觀察零部件內(nèi)部質(zhì)量變化情況。

1.2 正交試驗設(shè)計

前期的研究發(fā)現(xiàn)，除了焊接材料和超聲波本身的特性之外，影響超聲波焊接效果的主要工藝參數(shù)包括焊接壓力（A）、發(fā)振時機(jī)調(diào)度（由延遲時間（B）決定）、熔接時間（C）。選取這3個因素為考察對象，分別取3個水平，選取L9（34）正交試驗表安排試驗。因素水平表見表1。

表 1 L9（34）正交試驗因素水平表

Tab.1 Factors and levels of L9（34）orthogonal experiment

2 試驗結(jié)果分析

2.1 正交試驗結(jié)果

正交試驗結(jié)果統(tǒng)計表如表2所示。根據(jù)表2的試驗結(jié)果，考察綜合評分，最優(yōu)組合條件為A2B2C1，即焊接壓力0.15MPa、延遲時間0.15s、熔接時間0.20s的條件下，焊接密封性合格率與電阻合格率均較高。根據(jù)值分析的預(yù)測最優(yōu)條件組合為A2B1C1，本次試驗沒有該組合，其性能有待進(jìn)一步試驗驗證及研究。

根據(jù)表3的方差分析可知，焊接壓力對綜合評分的影響最大，熔接時間次之，延遲時間影響最小，與根據(jù)極差值分析的結(jié)果相一致。

表 2 L9（34）正交試驗結(jié)果

Tab.2 Results of L9（34）orthogonal experiment

表 3 方差分析表

Tab.3 Variance analysis

0.05（2，6）=5.14，0.01（2，6）=10.92

2.2 超聲波焊接對密封性的影響

根據(jù)正交試驗結(jié)果表2分別做出工藝參數(shù)對密封性合格率影響趨勢圖，如圖1所示。由圖1可以看出，隨著焊接壓力增大，密封性呈惡化趨勢。延遲時間和熔接時間對密封性的影響是非單調(diào)的。試驗中的樣品可能出現(xiàn)泄漏的位置主要有兩個：一個是焊縫，另一個是電極插針和上端蓋的連接位置。分析認(rèn)為發(fā)振時機(jī)調(diào)度對密封性的影響體現(xiàn)在焊縫質(zhì)量，而電極插針和上端蓋的連接主要受到熔接時間的影響。

圖1 工藝參數(shù)對密封性和電阻合格率影響趨勢圖

較短延遲時間可以使超聲在空載的情況下使用較小功率起振并維持，然后以此穩(wěn)定狀態(tài)接觸工件，進(jìn)行焊接作業(yè)。這種方式可以有效地避免工件表面和內(nèi)部的損傷。加長延遲時間，在焊頭接觸工件并產(chǎn)生穩(wěn)定壓緊之后再起振，預(yù)壓緊力可以使超聲線發(fā)生一定程度的形變，上下殼體形成平整的接觸，超聲負(fù)載穩(wěn)定。以上兩種模式的超聲波都在相對穩(wěn)定的工作狀態(tài)，有利于形成可靠的焊縫。但在接觸瞬間負(fù)載正在變化，此時發(fā)振工作狀態(tài)不穩(wěn)定，從而有可能發(fā)生焊接缺陷，影響密封性能。較短的熔接時間不會破壞插針與端蓋的連接，較長的熔接時間在破壞之后形成了二次熔接，表現(xiàn)出密封性能較好，而介于二值之間的熔接時間會將插針與上端蓋分離，因此產(chǎn)生泄漏。

2.3 超聲波焊接對橋路電阻的影響

根據(jù)正交試驗結(jié)果表2分別作出工藝參數(shù)對電阻合格率影響趨勢圖，如圖1所示。由圖1可以看出，電阻合格率與3個工藝參數(shù)均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著焊接壓力增大、熔接時間延長，電阻合格率下降。觀察解剖之后的樣品發(fā)現(xiàn)，電極焊點破壞的趨勢與此一致，在較高的焊接壓力和較長的熔接時間作用下，發(fā)生電極插針脫出的缺陷的概率更高，見圖2。這些缺陷直接導(dǎo)致插針電極與橋箔焊點被破壞，樣品電阻不合格。

圖2 焊接后樣品電極松脫現(xiàn)象

根據(jù)超聲焊接機(jī)的動作順序，可以根據(jù)設(shè)定的延遲時間和熔接時間計算出超聲波實際作用于工件的時間，如表4所示。由表4分析可知，焊接量由實際熔接時間和壓力共同決定，焊接壓力越大、實際熔接時間越長，焊接量越多?？梢钥闯龊附蛹碾娮韬细衤逝c焊接量呈負(fù)相關(guān)。

表 4 焊接壓力與實際熔接時間作用表

Tab.4 Interaction of the welding pressure with the actual welding time

對以上試驗結(jié)果進(jìn)行分析，認(rèn)為焊點破壞電阻不合格的可能原因有3個：首先，材料性質(zhì)的不同導(dǎo)致插針和殼體對超聲波的響應(yīng)不同，在連接位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，使插針和殼體發(fā)生相對位移；其次，隨著焊接時間延長、焊接量增大，會造成上下殼體除了焊接環(huán)之外的位置接觸，隨著振動將插針頂出；第三，大焊接量以及干涉接觸在超聲波的作用下振動摩擦，產(chǎn)生大量的熱，而金屬插針電極導(dǎo)熱快且熱容較小，相比于高分子殼體升溫更快，高溫的電極使周圍的材料發(fā)生局部軟化甚至熔化，熔融狀態(tài)的材料強(qiáng)度下降，更容易產(chǎn)生變形和破壞。

3 結(jié)論

本文通過正交試驗的研究，發(fā)現(xiàn)超聲波焊接工藝參數(shù)對火工品密封性和電阻影響顯著。焊接壓力對于密封性和電阻的影響最大，熔接時間次之，發(fā)振時機(jī)調(diào)度影響較小。隨著焊接壓力增大，密封性呈惡化趨勢。延遲時間和熔接時間對密封性的影響是非單調(diào)的。較小的焊接壓力、較短延遲時間和較短的熔接時間有利于保護(hù)零部件并形成可靠焊縫，焊接件密封性能好。電阻合格率與焊接量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，是焊接壓力和實際熔接時間二者綜合作用的結(jié)果。隨著焊接壓力升高、實際熔接時間延長，焊接量會增大，更有可能導(dǎo)致電極的焊點損壞和插針脫出等缺陷問題的產(chǎn)生，破壞橋路連通性并造成泄漏。其他焊接封裝性能，例如焊接強(qiáng)度、在焊接過程中的溫度場變化等，有待進(jìn)一步研究。

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Effect of Ultrasonic Welding on Sealing Property of Initiating Explosive Device

YANG Ning，F(xiàn)U Qiu-bo，SUN Xiu-juan

（Institute of Chemical Materials, CAEP, Mianyang, 621900）

The influence of ultrasonic welding parameters on leakage rate and resistance of initiating explosive device was studied, based on the orthogonal experiment. The experiment results showed that, welding pressure has the highest effect on sealing property and resistance, welding time has certain effect, while the effect of vibration location is little. With the increase of welding pressure and prolong of welding time, the welding amount would be enlarged, the defects of electrode pins loosing up during the process would exist more possible, which would induce the leakage of initiating explosive device.

Initiating explosive device；Ultrasonic welding；Leakage rate；Resistance；Orthogonal experiment

1003-1480（2017）01-0058-03

TJ450.5

A

2016-11-11

楊寧（1973 -），女，技師，主要從事火工品工藝技術(shù)研究。