火工品絕緣電阻裝配過程中的影響因素研究

羅 婧，吳 健，賀 陽，李小強

(1.陜西應(yīng)用物理化學研究所，陜西 西安，710061；2.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，陜西 西安，710077；3.北方特種能源集團有限公司 西安慶華公司，陜西 西安，710025)

電火工品統(tǒng)稱電起爆器，是通過電流輸入使裝藥發(fā)火，并把熱、壓力及沖擊波等形式轉(zhuǎn)化為化學能或動能的元件。橋絲式電火工品具有發(fā)火能量小、作用迅速以及性能穩(wěn)定且容易控制等特點，是一種特殊能源的、一次性作用的動力源器件[1]。絕緣電阻是加直流電壓于電介質(zhì)，并經(jīng)過一定時間極化后，流過電介質(zhì)的泄漏電流對應(yīng)的電阻。電起爆器通過產(chǎn)品表面外殼與彈體連接，一些產(chǎn)品中電起爆器的發(fā)火回路由點火元件一極和產(chǎn)品表面殼體一極構(gòu)成，即電起爆器發(fā)火件與彈體構(gòu)成發(fā)火回路(腳-殼發(fā)火回路)。為了避免復(fù)雜電磁環(huán)境中的電磁干擾，上述結(jié)構(gòu)逐漸被獨立設(shè)計的電起爆器發(fā)火回路所替代，由發(fā)火元件自身組成發(fā)火回路，即腳-殼絕緣和腳-腳發(fā)火回路。

絕緣電阻是電起爆器驗收時的一個重要指標[2]。若電起爆器腳-殼絕緣電阻超差，腳-殼形成電流回路，在給產(chǎn)品通以發(fā)火電流時電流會分流，然后流向腳-腳和腳-殼回路，這樣會降低腳-腳回路的發(fā)火電流，使元件不能正常發(fā)火，導(dǎo)致整個彈丸出現(xiàn)瞎火留膛故障[3-4]。絕緣電阻貫穿于電火工品生產(chǎn)的始末，從最初零部件的準備到產(chǎn)品完成，某些生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)對最終產(chǎn)品的絕緣電阻有著至關(guān)重要的影響，如果在這些工序中加強控制，可降低產(chǎn)品絕緣電阻的不合格率，提高產(chǎn)品的成品率，從而大幅度降低成本，減少零部件、藥劑、人力物力和時間的浪費。

1 某電起爆器結(jié)構(gòu)

以某電起爆器為例(以下簡稱A型電起爆器)，其主要由殼體、電極塞、絕緣環(huán)、蓋片、引線和密封膠等組成。它的結(jié)構(gòu)具有一般電火工品結(jié)構(gòu)的共性。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 A型電起爆器結(jié)構(gòu)圖

A型電起爆器引線與外殼(即腳-殼)之間的絕緣電阻要求是在DC100 V條件下，通電1 min，產(chǎn)品絕緣電阻>20 MΩ。在通常狀況下，該產(chǎn)品絕緣電阻合格時，絕緣電阻示值為無窮大；當產(chǎn)品絕緣電阻不合格時，絕緣電阻示值為零，或者電阻表指針左右擺動不穩(wěn)定，且絕緣電阻示值<20 MΩ。本文分析影響A型電起爆器絕緣電阻的生產(chǎn)工序，同時提出可有效降低及消除產(chǎn)品絕緣電阻不合格的控制措施。

2 對產(chǎn)品絕緣電阻造成影響的工序及改進控制方法

2.1 零部件準備的影響

零部件準備是火工品生產(chǎn)的第1步驟，首先應(yīng)按照工藝要求對零部件進行清洗、脫水及烘干，再依照產(chǎn)品圖樣進行檢驗，測量尺寸檢查外觀，剔除尺寸超差和外觀不合格品。這是基礎(chǔ)工藝環(huán)節(jié)，對提高產(chǎn)品絕緣電阻的合格率來說是遠遠不夠的。該A型電起爆器的殼體中部有一段環(huán)形凹槽，其作用是加固膠液與殼體的連接強度。凹槽在加工過程中經(jīng)常有金屬碎屑未被車斷，殘留在內(nèi)，使用工藝要求的超聲波清洗機也不可能完全清洗掉金屬屑。在產(chǎn)品裝配時，如果殼體中殘留的金屬碎屑與電極塞腳線搭接上，產(chǎn)品絕緣電阻即為零。由于金屬碎屑非常細小，即使在X射線無損檢測中也是很難被發(fā)現(xiàn)的，因此，解決這種現(xiàn)象的辦法只有依靠人工使用金屬鑷子或擊針在殼體凹槽中刮一圈，摳出異物，然后翻轉(zhuǎn)殼體輕磕將其倒出，再用無水乙醇浸濕過的脫脂棉擦拭凹槽，這樣才能確保清除殼體金屬碎屑的殘留，在很大程度上降低零部件準備工序中產(chǎn)品絕緣電阻不合格的風險。

2.2 電極塞打磨的影響

該A型電起爆器的電極塞是采用玻璃封接的方式將3根腳線與電極塞金屬盂燒結(jié)在一起，其特點是氣密性好，絕緣性好，耐壓性優(yōu)。電極塞在燒結(jié)時，若有金屬粒子被封接在玻璃塞體里，可能會造成電極塞絕緣電阻不合格，所以電極塞在使用前應(yīng)先測量絕緣電阻，剔除不合格品。由于電極塞表面極點上有一層鍍金保護層，用于保護極點不被氧化，所以焊橋絲前應(yīng)打磨電極塞表面。電極塞磨平通常使用砂紙打磨，如果打磨完成后，腳線平面或者電極塞的外殼殘留有金屬毛絲及金屬細粒，且未被清理掉，會導(dǎo)致金屬毛絲與其他金屬零部件連接上，致使產(chǎn)品絕緣電阻為零。為避免產(chǎn)生上述問題，電極塞在磨平時，可采用先粗磨再細磨的方法，最后再進行拋光。拋光完成后，用超聲波清洗機清洗2～3次，直至水清澈不渾濁，再用無水乙醇脫水晾干。另外，電極塞焊橋前應(yīng)在顯微鏡下對電極塞的表面作100%檢查，以防止有金屬碎屑殘留。

2.3 橋絲焊接的影響

焊接過橋絲的電極塞也就是焊橋電極塞，如果其橋絲殘留物未被清除掉或者橋尾超出腳線直徑之外，都會造成產(chǎn)品絕緣電阻不合格[5]；因此，電極塞焊完橋絲后一定要在顯微鏡下進行鏡檢，使用洗耳球吹掉焊橋電極塞表面多余物，使用蘸有無水乙醇的小羽箭順著橋絲方向掃除橋絲上的多余物。焊橋電極塞應(yīng)在干燥箱中保存，以防止橋絲粘上多余物或受潮氧化，進而影響產(chǎn)品絕緣電阻。

2.4 焊橋電極塞推塞入殼的影響

使用模具將焊橋電極塞推入加強帽后，當電極塞與加強帽為緊配合時，由于A型電起爆器的加強帽材料比電極塞的材料軟，裝配中的電極塞外側(cè)壁會將加強帽內(nèi)壁刮蹭，形成金屬碎屑，這樣產(chǎn)生的多余物也是造成產(chǎn)品絕緣電阻不合格的一個因素。通常，將電極塞推壓到位后，應(yīng)利用洗耳球吹掉多余物，在顯微鏡下使用蘸有無水乙醇的小羽箭清理掉焊橋電極塞表面的多余物，采用這種工藝可防止多余物將橋絲與金屬零部件搭接，影響產(chǎn)品絕緣電阻。

2.5 粘絕緣環(huán)的影響

絕緣環(huán)在A型電起爆器中起到抗靜電的作用。絕緣環(huán)被膠粘劑粘接在焊橋電極塞表面上，粘接時如有金屬夾雜物，將影響產(chǎn)品的絕緣性能。這道工序要求焊橋電極塞表面平整，而非斜坡形或馬蹄形等不規(guī)則形狀，膠液的使用量應(yīng)均勻適量，使絕緣環(huán)與焊橋電極塞表面緊密粘合，且無空隙及夾雜物，這樣，裝配過程中的多余物就不會進入到絕緣環(huán)與焊橋電極塞的縫隙間，而導(dǎo)致A型電起爆器本體絕緣電阻不合格。

2.6 產(chǎn)品裝配的影響

當A型電起爆器本體收口完成后，管殼表面會殘留一些金屬碎屑，如果不清理干凈就裝配進殼體，也會造成產(chǎn)品絕緣電阻不合格，所以在裝配前應(yīng)用紗布將本體表面金屬碎屑擦干凈。裝配的環(huán)境應(yīng)干凈整潔，避免異物裝配入殼體。本體裝入殼體前，應(yīng)將腳線捋直，如果腳線打彎并與殼體接觸，產(chǎn)品絕緣電阻將為零。

2.7 密封膠的影響

A型電起爆器在裝配過程中使用的密封膠選用環(huán)氧樹脂E51∶聚酰胺樹脂651=1∶0.4(質(zhì)量比)來配制。影響膠液固化的因素很多，膠液配比不準確、膠液攪拌不均勻和裝配間溫濕度不符合標準等都會導(dǎo)致膠液不能完全固化。

固化劑聚酰胺樹脂對潮濕氣體敏感，易吸濕[6]，如果膠液在未固化完全的情況下進行下一道工序，就會將濕氣封閉到產(chǎn)品內(nèi)部無法揮發(fā)出去，進而影響產(chǎn)品絕緣電阻。陰雨天應(yīng)使用空調(diào)和除濕機控制裝配間的相對濕度。相對濕度是一定溫度下，空氣中的實際水蒸氣壓與空氣中飽和水蒸氣壓的百分比。環(huán)境溫度與其對應(yīng)溫度的飽和水蒸氣壓及相對濕度的關(guān)系見表1。

表1 環(huán)境溫度與其飽和水蒸氣壓及相對濕度的關(guān)系

由表1可以看出，水的飽和蒸氣壓隨著溫度的上升而上升。如果環(huán)境中實際水蒸氣壓不變，當溫度升高時，飽和水蒸氣壓升高，相對濕度減小，吸水平衡的密封膠向外釋放水分，用提高溫度進行物理烘干就是這個原理。在涂密封膠時，裝配間溫度通常為25～35 ℃，相對濕度<65%RH，且應(yīng)保證固化時間至少為24～48 h[7]。

2.8 焊線的影響

電起爆器操作工藝里通常會有引線焊接，該A型電起爆器的引線為屏蔽線。屏蔽線是使用金屬網(wǎng)狀編織層把信號線包裹起來的傳輸線，編織層一般是紅銅或者鍍錫銅。屏蔽線的屏蔽層需要接地，外來的干擾信號可被該層導(dǎo)入大地，避免干擾信號進入內(nèi)層導(dǎo)體，同時降低傳輸信號的損耗。若引線芯線在焊接前沒有全部焊接在接線板月牙形覆箔層上，某根芯線將焊點與殼體連接，將導(dǎo)致產(chǎn)品絕緣電阻不合格。若引線芯線焊接位置不居中，將導(dǎo)致下一道工序注膠后引線無法居中，增加了產(chǎn)品在后續(xù)工序中絕緣電阻不合格的風險。引線焊接時，若焊點過高，會頂破該A型電起爆器的另一個零部件——絕緣片，將導(dǎo)致焊點與其他金屬零部件接觸，致使產(chǎn)品絕緣電阻不合格，所以，引線焊接時，焊點不能過大、過高，以定位環(huán)為界，高度不可高于定位環(huán)，寬度不可超過定位環(huán)內(nèi)圓邊沿。另外，焊接引線前應(yīng)檢查腳線，將引線2個芯線全部居中按壓在接線板覆箔層上，然后焊接牢固，這樣就可確保產(chǎn)品的絕緣電阻不受影響。

2.9 輸入端收口的影響

輸入端收口即該A型電起爆器的引線端收口。是將引線穿過一個中心位置有圓孔的零部件，再將該A型電起爆器的外殼末端用模具收攏壓覆在這個中間有圓孔的零部件上，起到密封的作用。如果在引線焊接工序中未將引線居中焊接，后續(xù)的注膠工序也未能正確矯正引線位置，引線的絕緣保護層極有可能被這個金屬零部件中心的圓孔刮傷，導(dǎo)致芯線接觸上屏蔽線外層的金屬屏蔽網(wǎng)，使其與產(chǎn)品外殼導(dǎo)通，產(chǎn)品絕緣電阻為零。這就要求操作者在前面的工序中控制好引線的位置，盡可能地使引線居中，避免傷及引線而影響產(chǎn)品絕緣電阻。

2.10 裝配環(huán)境的影響

裝配操作間的環(huán)境應(yīng)保證溫度、濕度、清潔度和靜電防護等條件[8]，如果不干凈，會導(dǎo)致導(dǎo)電微粒進入產(chǎn)品，也有可能使多余物進入產(chǎn)品內(nèi)部，導(dǎo)致絕緣電阻不穩(wěn)定或者為零。在裝配零部件時應(yīng)將工作臺清理干凈無雜物，零部件放在干凈的容器中使用，盡量避免多余物進入產(chǎn)品。

3 工序改進前后數(shù)據(jù)比較與討論

取60發(fā)焊好橋絲的電極塞，焊橋電極塞推塞入殼后，取30發(fā)不鏡檢、30發(fā)鏡檢。使用絕緣電阻表(DC100 V)檢測這60發(fā)半成品的絕緣電阻(見圖2和圖3)。通過對比圖2和圖3的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，鏡檢過的焊橋電極塞，在操作過程中對焊橋表面進行清理后絕緣電阻合格率大大提高了。

圖2 未進行鏡檢、未清理表面的30發(fā)焊橋電極塞

圖3 進行了鏡檢、清理表面的30發(fā)焊橋電極塞

在每道工序結(jié)束后，通過使用絕緣電阻表對多個批次半成品絕緣電阻進行檢測，統(tǒng)計絕緣電阻不合格品數(shù)量可知，產(chǎn)品裝配工序、涂膠密封工序、焊接引線工序和產(chǎn)品收口工序是造成產(chǎn)品絕緣電阻不合格的主要工序，這些工序在每批產(chǎn)品絕緣電阻不合格總數(shù)量中所占比例如圖4所示。

圖4 各工序絕緣電阻不合格品所占比例圖

在某批次產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，對上述造成產(chǎn)品絕緣電阻不合格的主要工序進行加嚴控制改進，并將該批次(下述稱第5批)產(chǎn)生的絕緣電阻不合格品數(shù)量與以往4批產(chǎn)品絕緣電阻不合格品數(shù)量進行對比可知，第5批合格率得到了較大提升(見圖5)。

圖5 5個批次產(chǎn)品絕緣電阻不合格品數(shù)量對比

通過控制改進后，雖然絕緣電阻不合格品得以控制，但依然存在。造成不合格品的原因是有些工序當時無法用絕緣電阻表檢測出不合格品，當產(chǎn)品振動、跌落時，產(chǎn)品內(nèi)部多余物振動造成絕緣電阻不合格，所以應(yīng)對本文中提到的所有工序加嚴控制，以杜絕絕緣電阻不合格品的出現(xiàn)。

4 結(jié)語

A型電起爆器具有一般火工品的共性，通過對其工藝操作中造成絕緣電阻不合格的因素進行分析，可以得出如下結(jié)論：1)直接影響絕緣電阻性能的工序，如產(chǎn)品裝配工序、焊接引線工序、產(chǎn)品收口工序和涂密封膠工序，導(dǎo)致的絕緣電阻不合格現(xiàn)象一般都是可檢測的；2)間接影響絕緣電阻性能的工序，如零部件準備工序、電極塞打磨工序和粘絕緣環(huán)工序等，造成的絕緣電阻不合格現(xiàn)象檢測困難。因此，火工品質(zhì)量控制應(yīng)貫穿于整個工藝流程，按本文上述關(guān)鍵環(huán)節(jié)要求把關(guān)，就能有效提高絕緣電阻的穩(wěn)定性和可靠性，杜絕絕緣電阻不可控的產(chǎn)品出現(xiàn)，確保產(chǎn)品質(zhì)量合格。

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