波音機(jī)型噴涂緩蝕底膠工藝研究與應(yīng)用

杜裕杰 李斌林 趙學(xué)良 李智勇 田文明

(昌河飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333002)

0 引言

緩蝕底膠是底膠中的一種，由于膠中含有極細(xì)顆粒的緩蝕劑，膠液干燥后，緩蝕劑會沉淀到金屬表面，可以大幅度降低主膠或外界環(huán)境帶來的不利因素對被粘金屬基材的影響。

在膠接前的磷酸陽極化過程中，隨著零件表面一部分鋁的轉(zhuǎn)化，生成的氧化膜層會逐漸加厚，氧化后的零件表面膜層呈孔隙狀結(jié)構(gòu)。此時，在零件表面噴涂緩蝕底膠可以將氧化膜層孔隙填滿，不僅提升膠層與金屬基底之間結(jié)合力，而且零件防腐蝕性能將得到顯著改善。膠接后，膠層與膠膜相互溶解又可以大幅度提升膠接強(qiáng)度?？梢哉J(rèn)為噴涂底膠工序在整個金屬膠接項(xiàng)目過程中起到一個承上啟下的作用[1]。

值得注意的是：在噴涂過程中，需要嚴(yán)格控制膠層厚度，底膠噴涂太薄，膠層難以形成穩(wěn)定交聯(lián)狀態(tài)，導(dǎo)致膠層與基底之間結(jié)合力不強(qiáng)，易擦除。底膠噴涂太厚，膠層機(jī)械連接強(qiáng)度會大幅度下降，影響膠接質(zhì)量，所以必需保證膠層厚度達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件中的要求。

1 噴涂緩蝕底膠技術(shù)

1968年問世的BMS5-89，TypeⅠ，牌號為BR-127緩蝕底膠應(yīng)用較為廣泛。按照BMS5-89標(biāo)準(zhǔn)文件要求，BR-127底膠厚度范圍3.8μm-10.16μm。雖然噴涂底膠工藝操作較為簡單，是較為成熟的工藝方法，但在噴涂底膠過程中往往避免不了發(fā)生各種故障，影響膠層質(zhì)量[2]。

鋁合金表面膠層質(zhì)量好壞、抗腐蝕性能的優(yōu)劣主要取決于底膠保存狀態(tài)、膠層厚度控制、噴涂手法、噴涂設(shè)備保養(yǎng)、潔凈間的維護(hù)、磷酸陽極化后零件運(yùn)輸過程管控等方面。要減少或避免噴涂底膠故障，需要從細(xì)微處著手，針對各個環(huán)節(jié)，采取有效預(yù)防措施[3]。

1.1 選擇適合噴涂波音機(jī)型的底膠

噴涂前，選擇一種合適的底膠進(jìn)行噴涂是非常重要的一個環(huán)節(jié)。試驗(yàn)前期，選取了兩種適合波音機(jī)型的底膠進(jìn)行噴涂效果對比試驗(yàn)，底膠材料相關(guān)信息，如表1所示。

表1 兩種不同底膠材料信息對比

通過上述對比得知，雖然BR-6747-1底膠的保存條件與外置時間都要優(yōu)于BR-127底膠，不同的是BR-6747-1為水基型底膠，而BR-127為非水基型底膠。通過大量噴涂試驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，水基型的底膠目前較難適用于科研生產(chǎn)，因?yàn)樗偷啄z揮發(fā)表干時間較長，每噴涂完一層底膠后，膠層表干時間大約在10分鐘左右，需等到完全表干后才能繼續(xù)噴涂下一層底膠，若要達(dá)到BMS5-8標(biāo)準(zhǔn)文件中要求的膠層厚度，大約需噴涂5-6層底膠，嚴(yán)重耽誤科研生產(chǎn)進(jìn)度。若不等到膠層表干，接著噴涂下一層底膠，則會造成底膠受重力的影響向零件表面低處進(jìn)行流動、聚集，造成零件表面膠層厚度不一致[4]，如圖1所示。而牌號為BR-127底膠屬于非水基型底膠，每層膠層表干的時間大約為30秒左右，不僅可以大幅度提升生產(chǎn)效率，而且不會出現(xiàn)底膠向零件表面低處進(jìn)行流動、聚集現(xiàn)象，非常適合用于垂直噴涂方式，如圖2所示。所以根據(jù)以上原因，選擇使用牌號為BR-127的底膠材料噴涂波音機(jī)型零件。

圖1 噴涂BR-6747-1底膠后的膠層狀態(tài)

圖2 噴涂BR-127底膠后的膠層狀態(tài)

1.2 膠層與磷酸陽極化試板膠接后脫落現(xiàn)象

按照BAC5555標(biāo)準(zhǔn)文件中要求，需定期進(jìn)行裂紋擴(kuò)展及滾筒剝離試驗(yàn)，以證明整個膠接過程的穩(wěn)定性。但在試驗(yàn)過程中，不難發(fā)現(xiàn)膠層與磷酸陽極化后的試板易發(fā)生脫落現(xiàn)象，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，如圖3所示。

圖3 膠層與磷酸陽極化后的試板發(fā)生脫落現(xiàn)象

1.3 常見的故障分析與預(yù)防措施

(1)零件表面膠層厚度偏薄或超厚，此類故障與噴涂手法、設(shè)備相關(guān)，如圖4所示。

產(chǎn)生上述故障原因：①噴涂技術(shù)/手法不成熟，未進(jìn)行底膠噴涂操作人員每周噴涂等級考核。②未找到合適的方法來判斷膠層厚度是否達(dá)標(biāo)。③未購買到厚度合適校驗(yàn)?zāi)?，不能?zhǔn)確對測厚儀進(jìn)行校準(zhǔn)，造成測量厚度結(jié)果產(chǎn)生偏差。④未使用與零件基材相一致的校準(zhǔn)片對測厚儀進(jìn)行校準(zhǔn)。⑤噴涂底膠時，零件之間擺放過于接近，膠霧易堆積在附近零件表面邊緣部分區(qū)域，造成零件邊緣部分區(qū)域發(fā)生膠層超厚現(xiàn)象。⑥零件噴涂工裝，不能穩(wěn)定固定零件，零件在噴涂過程中由于受到氣壓的沖擊易發(fā)生跑偏現(xiàn)象。⑦零件表面劃痕較多，影響膜層測厚結(jié)果。

圖4 膠層厚度出現(xiàn)偏薄與偏厚現(xiàn)象

預(yù)防措施：針對原因①：每周進(jìn)行噴涂等級考核，現(xiàn)場測量膠層厚度，從而使底膠噴涂操作人員熟練掌握噴涂次數(shù)、噴槍流量大小、噴涂扇形面積等參數(shù)，如表2所示[5]。(注：噴涂手法必須按照每周實(shí)際情況來進(jìn)行調(diào)整，以加強(qiáng)操作人員對噴涂過程的掌控。)針對原因②：一方面，制定膠層厚度驗(yàn)收準(zhǔn)則，按照波音相關(guān)專家要求，在每個零件表面尋找5個不同位置測試點(diǎn)，每個點(diǎn)最多測厚3次，測試過程中有1次厚度測量結(jié)果顯示合格，即可認(rèn)為該測試點(diǎn)膠層厚度合格，需5個測試點(diǎn)厚度測試結(jié)果全部合格，即可認(rèn)為該零件膠層厚度合格。另一方面，制作鋁合金膠層厚度顏色色差板，通過對比膠層顏色來判斷膠層厚度是否達(dá)標(biāo)，如圖5所示。針對原因③和④：購買合適厚度的校驗(yàn)?zāi)げ⒅谱餍?zhǔn)片，校準(zhǔn)片需與金屬基材保持同材質(zhì)、同厚度、同表面處理加工方式，每次測量之前需先使用校驗(yàn)?zāi)づc校準(zhǔn)片對測厚儀進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)合格后，再測量膠層厚度，如圖6所示。針對原因⑤和⑥：制作新式噴涂工裝，改進(jìn)噴涂方式，不僅能夠牢牢固定零件而且可以有效將零件隔開，如圖7所示。表3為噴涂方式與噴涂工裝優(yōu)化過程對比表。針對原因⑦：一方面在生產(chǎn)指令中納入BAC5555標(biāo)準(zhǔn)文件對零件表面接收狀態(tài)的要求，實(shí)現(xiàn)底膠噴涂操作人員與檢驗(yàn)人員雙重管控。另一方面使用塑料薄膜對金屬基材進(jìn)行保護(hù)，避免基材被劃傷。

圖5 膠層顏色色差對比板

人員操作等級底膠牌號噴槍進(jìn)氣壓力噴涂扇形面積噴涂距離噴涂遍數(shù)底膠厚度控制①號人員等級2BR-127(1.8bar)-(2.2bar)24cm-30cm15cm-25cm6遍5-8μm②號人員等級1BR-127(2.07bar)-(2.41bar)24cm-30cm15cm-25cm5遍5-8μm

圖6 使用校驗(yàn)?zāi)づc校準(zhǔn)片對測厚儀進(jìn)行校準(zhǔn)

圖7 底膠噴涂方式由平躺噴涂轉(zhuǎn)化為垂直噴涂以及噴涂工裝優(yōu)化過程(注：④號工裝已申請國家專利，專利授權(quán)號：201720130783.4。授權(quán)日期：2017-10-03)

工裝序號適合垂直噴涂零件不易被污染適用批量生產(chǎn)零件拆裝簡單垂直烘烤方式進(jìn)行固化掛架上測量膠層厚度工裝夾具點(diǎn)尺寸符合要求①號噴漆簾子××√√×××②號噴涂掛架√√×××××③號噴涂掛架√√√×××√④號噴涂掛架√√√√√√√

(2)零件表面膠層出現(xiàn)油花，此類故障與水未清除干凈有較大聯(lián)系，如圖8所示。

產(chǎn)生上述故障原因：①噴涂底膠前，未使用鏡子對壓縮空氣進(jìn)行檢查，壓縮空氣管道中殘留的水未放干凈。②油水分離器老化，油水分離效果減弱。③震動過程中，底膠包裝桶發(fā)生變形破裂，放回冷庫后，有冷凝水進(jìn)入底膠包裝桶內(nèi)導(dǎo)致底膠受到污染。④底膠從冷庫取出后，靜置在18℃-32℃的環(huán)境下，冷凝水未完全消失。

圖8 膠層表面出現(xiàn)油花

預(yù)防措施：針對原因①與②：指定責(zé)任人對油水分離器、風(fēng)管、壓縮空氣管道等設(shè)備進(jìn)行定期維護(hù)，檢查設(shè)備老化程度，及時更換損壞設(shè)備，并對檢查結(jié)果進(jìn)行記錄。針對原因③：制作底膠包裝桶密閉盒工裝。震動混合前，將底膠包裝桶放入密閉盒工裝后再同時進(jìn)行震動，可以有效減小底膠包裝桶受到的外界壓力，降低底膠包裝桶變形破損幾率，如圖9所示。針對原因④：在生產(chǎn)指令中明確要求必須等到底膠包裝桶外表面冷凝水干透后，才可以進(jìn)行噴涂，且底膠桶在潔凈間內(nèi)放置時間為2-8小時。

圖9 底膠包裝桶震動后發(fā)生變形破裂、底膠包裝桶密閉盒工裝

(3)零件表面膠層出現(xiàn)龜裂狀態(tài)，這類故障與底膠的保存、使用方式聯(lián)系較為密切，尤其在夏季發(fā)生幾率較高。使用徠卡金相顯微鏡對其零件表面進(jìn)行觀察可以發(fā)現(xiàn)膠層不連續(xù)，甚至部分區(qū)域出現(xiàn)露底、無底膠等現(xiàn)象，如圖10、11所示。

產(chǎn)生上述故障原因：①底膠外置時間超出BMS5-89文件要求96小時，底膠報(bào)廢。②底膠使用次數(shù)超出BMS5-89文件要求6次，底膠報(bào)廢。③底膠超出BMS5-89文件要求存儲保質(zhì)期限(儲存溫度不超過-18℃時，保質(zhì)期限9個月)，底膠報(bào)廢。④底膠開桶使用后未及時進(jìn)行密封，底膠暴露在空氣中，首先灰塵、粉塵顆粒有幾率進(jìn)入底膠包裝桶內(nèi)造成污染。其次造成底膠包裝桶內(nèi)的溶劑不斷揮發(fā)，后續(xù)噴涂時，膠層容易快速發(fā)生干裂現(xiàn)象。最后因?yàn)榈啄z可以被視作為一種膠體，一旦與空氣接觸后，在常溫狀態(tài)下就會慢慢凝結(jié)，形成難容的黃色鉻酸鹽粒子，析出的粒子在底膠震動后不能溶解，不僅產(chǎn)生雜質(zhì)而且影響后續(xù)膠接質(zhì)量。⑤噴膠間設(shè)定溫度較高、濕度較低。⑥底膠開桶后，一次性使用不完，放回冷庫后，蓋口密封不完全，導(dǎo)致底膠性能變差。⑦噴涂速率過快，膠層在零件表面未靜置表干。

圖10 膠層發(fā)生龜裂現(xiàn)象

圖11 徠卡金相顯微鏡對龜裂膠層表面進(jìn)行觀察圖像(100倍)

預(yù)防措施：針對原因①、②、③：材料員對底膠保存、使用進(jìn)行嚴(yán)格管控，明確每一桶底膠的信息狀態(tài)，包括出入冷庫時間、使用次數(shù)、剩余外置有效時間等，需進(jìn)行登記管理。當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)狀況時，例如：停電、設(shè)備故障等情況發(fā)生時也需要計(jì)算外置時間。針對原因④：首先若發(fā)現(xiàn)底膠與空氣接觸時間較長后，使用前需對底膠進(jìn)行過濾。最好能將底膠進(jìn)行廢棄處理，不用于生產(chǎn)，如圖12所示。其次若發(fā)現(xiàn)底膠在冷庫保存過程中未進(jìn)行密封保存，且長時間與冷空氣進(jìn)行接觸，需立即進(jìn)行廢棄處理。針對原因⑤：噴涂前必須控制噴膠房溫濕度，溫度保持在18-23℃之間為最佳(設(shè)定22℃)，濕度60%左右。針對原因⑥：統(tǒng)計(jì)每次定期試驗(yàn)或加工零件的實(shí)際用量，聯(lián)系廠家購買小桶包裝底膠，最好可以一次性用完，如圖13所示。針對原因⑦：底膠噴涂采用十字交叉法進(jìn)行，噴涂第一層底膠時，需要多等一會(約1分鐘左右)，這樣可以保證基材與膠層之間結(jié)合力穩(wěn)定、牢固，直到第一層膠層在零件表面完全表干后，才能繼續(xù)進(jìn)行噴涂，后續(xù)噴涂每層膠層時間大約間隔30秒左右，必須要保證每層膠層在零件表面靜置表干[6]。

圖12 使用100目絲網(wǎng)對底膠進(jìn)行過濾

圖13 訂購小桶包裝底膠(1夸脫)

(4)零件膠層表面發(fā)現(xiàn)殘留黑色雜質(zhì)顆粒，此類故障尤其在烘烤工序完成后，通過肉眼觀察十分明顯[7]。噴涂完底膠的零件，首先需靜置30-60分鐘，然后在電烘箱內(nèi)經(jīng)過30-120分鐘烘烤固化(設(shè)定121℃)，烘烤過程中電烘箱內(nèi)雜質(zhì)顆粒、膠層表面顆粒、空氣中浮灰，在高溫的作用下轉(zhuǎn)化成黑色碳狀雜質(zhì)易吸附在膠層表面，使用溶劑(丁酮或丙酮)較難擦除干凈。此類故障經(jīng)常發(fā)生，如圖14所示。

產(chǎn)生上述故障原因：①底膠震動混合時間不夠，且噴涂前未使用玻璃棒對底膠包裝桶進(jìn)行攪底檢查，底膠中顆粒固體未完全溶解。②噴槍在清洗過程中，槍管、槍罐、管線未進(jìn)行拆卸清洗，易存在雜質(zhì)顆粒。③包裹磷酸陽極化后零件使用的羊皮紙不干凈，導(dǎo)致雜質(zhì)殘留在陽極化膜層表面。④轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，磷酸陽極化后的零件通過高危污染區(qū)時，陽極化膜層受到污染。⑤未使用帶攪拌裝置的噴槍，一旦噴涂過程時間較長，易導(dǎo)致底膠出現(xiàn)分層現(xiàn)象。⑥噴膠間、潔凈間、電烘箱內(nèi)部未定期進(jìn)行打掃，過濾棉未定期進(jìn)行更換，塵埃粒子度指標(biāo)測試結(jié)果超標(biāo)。⑦烘烤過程中，零件采用平躺方式烘烤，電烘箱內(nèi)雜質(zhì)顆粒由于受重力的影響會自動吸附在膠層表面，導(dǎo)致膠層被污染。

圖14 膠層表面出現(xiàn)雜質(zhì)顆粒

預(yù)防措施：針對原因①：對底膠噴涂操作人員進(jìn)行培訓(xùn)，底膠使用前必須使用玻璃棒對底膠包裝桶進(jìn)行攪底檢查，確認(rèn)底膠中固體顆粒已完全溶解。針對原因②：教授底膠噴涂操作人員如何進(jìn)行噴槍拆卸并徹底清洗，如圖15所示。針對原因③：檢查羊皮紙潔凈程度，不允許使用被污染或老化的羊皮紙包裹零件。針對原因④：通過高危污染區(qū)時，制作防污染密閉轉(zhuǎn)運(yùn)車對零件進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，如圖16所示。針對原因⑤：購買新式帶攪拌裝置噴槍(日本巖田-W101)代替普通噴槍，可以有效防止噴涂過程中底膠出現(xiàn)分層現(xiàn)象，如圖17所示。針對原因⑥：指定責(zé)任人對潔凈間、噴膠間、電烘箱進(jìn)行定期維護(hù)清潔，并使用塵埃粒子儀定期對噴涂環(huán)境、烘烤環(huán)境塵埃粒子數(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測。針對原因⑦：優(yōu)化噴涂底膠工裝，使零件噴涂底膠后隨工裝一起放入電烘箱內(nèi)同時進(jìn)行烘烤。不僅可以采用垂直烘烤方式，使雜質(zhì)顆粒受重力作用較難吸零件表面，而且降低了零件在搬運(yùn)過程中受到污染的幾率，如圖18所示。

圖15 培訓(xùn)噴槍拆卸過程

圖16 防污染密閉轉(zhuǎn)運(yùn)車

圖17 帶攪拌裝置的噴槍

圖18 更改前后的底膠烘烤方式對比

2 冷庫與潔凈間的建立(設(shè)備保障)

底膠是一種溫度敏感材料，需要在低溫下進(jìn)行保存，所以需建立相應(yīng)冷庫設(shè)備存儲底膠，冷庫溫度設(shè)定-25℃，溫度均勻性要求：±3℃，系統(tǒng)精度要求：±1.1℃。如圖19所示。噴涂底膠后，一方面由于底膠的質(zhì)量檢驗(yàn)需在潔凈間內(nèi)進(jìn)行，所以必須建立適用于波音型號膠接工藝環(huán)境及維護(hù)控制的潔凈間。另一方面潔凈間還可以作為零件轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)域，如圖20所示。冷庫與潔凈間日常管理需指定相關(guān)責(zé)任人進(jìn)行定期維護(hù)。

圖19 新建冷庫

圖20 新建潔凈間

3 結(jié)束語

鋁合金表面噴涂底膠是廣泛應(yīng)用且較為成熟的抗腐蝕防護(hù)處理工藝，只要嚴(yán)格執(zhí)行工藝條件、認(rèn)真操作、細(xì)化過程，鋁合金表面膠層質(zhì)量是可以完全得到保證的[8]。經(jīng)過優(yōu)化噴涂后膠層，如圖21所示。使用徠卡金相顯微鏡對優(yōu)化后的膠層表面進(jìn)行觀察，可以看出膠層表面十分均勻、連續(xù)，徹底解決膠層部分區(qū)域露底、甚至無底膠問題，如圖22所示。經(jīng)過滾筒剝離試驗(yàn)后的試板，如圖23所示，可以看出膠層牢固的與磷酸陽極化膜層試板、膠膜貼合在一起，金屬對金屬剝離內(nèi)聚破壞達(dá)到100%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果合格，符合BAC5555標(biāo)準(zhǔn)文件的相關(guān)要求。所以只要減少或避免噴涂底膠故障，嚴(yán)格執(zhí)行預(yù)防措施，建立相應(yīng)的設(shè)備保障，可大幅度提升膠層質(zhì)量。目前昌飛公司已順利通過波音公司金屬膠接項(xiàng)目審核認(rèn)證，噴涂底膠工藝也獲得波音公司審核人員認(rèn)可。通過學(xué)習(xí)國外噴涂底膠工藝并不斷進(jìn)行改進(jìn)，不僅可以提升公司噴涂底膠技術(shù)，同時也為國內(nèi)機(jī)型在噴涂底膠工藝方面積累了寶貴的知識財(cái)富。

圖21 經(jīng)過優(yōu)化后的膠層

圖22 使用徠卡金相顯微鏡對管控噴涂底膠工藝后膠層表面觀察圖像(100倍)

圖23 優(yōu)化噴涂方式后，經(jīng)過滾筒剝離試驗(yàn)的試板