水激活電池待發(fā)繩斷裂分析研究

張 濤 ， 鄭 剛 ， 周 康

（1. 海軍裝備部，山西 侯馬 043000；2. 山西平陽(yáng)重工機(jī)械有限責(zé)任公司，山西 侯馬 043000）

0 引言

水激活電池是一種傳統(tǒng)電源，可以用海水或淡水激活，并在非激活狀態(tài)下貯存時(shí)間長(zhǎng)，安全性好。目前普遍應(yīng)用于救生設(shè)備、科技設(shè)備及武器裝備[1-3]。某水下航行器入水后需要靠水激活電池提供啟動(dòng)電源，而水激活電池啟動(dòng)需要拔掉其上的待發(fā)繩方可激活。這要求待發(fā)繩鋼絲必須具有一定的可靠性。根據(jù)技術(shù)要求，此類水激活電池待發(fā)繩是由70 鋼鋼絲加工而成。雖然，目前許多生產(chǎn)企業(yè)對(duì)鋼絲產(chǎn)品加工的質(zhì)量要求越來(lái)越嚴(yán)格、精細(xì)，但在其加工過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)裂紋、異常斷裂和表面銹蝕等缺陷，直接影響了鋼絲產(chǎn)品的質(zhì)量及生產(chǎn)效率[4-7]。張文彪、張翠芝等[8-9]對(duì)70 高碳鋼鋼絲在冷拉拔加工過(guò)程中出現(xiàn)斷裂及力學(xué)性能不合格的問(wèn)題進(jìn)行了研究，利用掃描電鏡和能譜儀對(duì)斷口進(jìn)行了觀察分析，指出鋼絲斷面主要有平面狀和杯錐狀兩大類，并表明該鋼絲斷裂是由于存在較大的夾雜物，C、P、S 等元素的偏析及表面缺陷等因素造成的，建議鋼絲在生產(chǎn)過(guò)程中需要精煉，提高其化學(xué)均勻性和純凈度；吳春雷[10]對(duì)發(fā)生斷裂故障的82B 鋼絲以及其原料毛坯分別進(jìn)行了低倍檢驗(yàn)和金相檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不論是82B 鋼絲還是原料毛坯斷口的橫、縱截面中心處都有中心偏析和縮孔缺陷存在，并提出82B 鋼絲斷裂是由于連鑄坯中心偏析和縮孔等缺陷導(dǎo)致。因此，為了提高待發(fā)繩的可靠性，確保水激活電池正常啟動(dòng)，就必須預(yù)防70 鋼鋼絲出現(xiàn)裂紋、異常斷裂或表面銹蝕等缺陷，以降低產(chǎn)品的故障發(fā)生率。

水下航行器在進(jìn)行掛機(jī)空投試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)與空投掛架相連的水激活電池待發(fā)繩未拔出而被拉斷，導(dǎo)致該產(chǎn)品入水后水激活電池未激活。一方面，該故障不僅直接導(dǎo)致產(chǎn)品上的動(dòng)力裝置、能供系統(tǒng)未能啟動(dòng)，致使該產(chǎn)品被迫超深停止航行，而且給使用單位、人員造成了重大影響，也造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失；另一方面，空投試驗(yàn)是檢驗(yàn)驗(yàn)證該產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的重要項(xiàng)目，工作人員在準(zhǔn)備掛機(jī)空投試驗(yàn)時(shí)耗時(shí)長(zhǎng)耗力多，試驗(yàn)失敗浪費(fèi)了大量的人力、物力資源。針對(duì)這一故障，本研究將簡(jiǎn)單介紹水激活電池的組成結(jié)構(gòu)，對(duì)待發(fā)繩鋼絲的斷裂情況進(jìn)行宏觀形貌、微觀形貌、金相組織、能譜及硬度分析，進(jìn)而綜合分析該待發(fā)繩斷裂失效機(jī)理，最后提出幾點(diǎn)有效措施以減少該故障發(fā)生率。研究對(duì)水激活電池待發(fā)繩的可靠性設(shè)計(jì)具有一定實(shí)際意義，可為完善相應(yīng)的技術(shù)工藝提供必要依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)組成及掛機(jī)連接狀態(tài)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

水激活電池結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由待發(fā)繩、活動(dòng)蓋、殼體、插座等組成。由下而上，電池殼體下端有插座，與相應(yīng)的插頭相連接，電池蓋中部是一只裝有彈簧的活動(dòng)蓋，待發(fā)繩穿過(guò)其端部，將活動(dòng)蓋提起固定。待發(fā)繩在2 個(gè)彎曲點(diǎn)處彎成40°±2°夾角，固定好的活動(dòng)蓋將入水口關(guān)閉，使水不能進(jìn)入電極內(nèi)，此時(shí)內(nèi)部電路處于斷開(kāi)狀態(tài)。使用時(shí)，拔掉待發(fā)繩，水進(jìn)入電池內(nèi)即有電壓輸出。

圖 1 水激活電池結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural schematic diagram of water-activated battery

1.2 掛機(jī)連接狀態(tài)

拉繩是兩端帶套環(huán)的柔性鋼絲拉繩，如圖2所示。掛機(jī)時(shí)，帶有彈簧環(huán)一端的拉繩與水激活電池待發(fā)繩相連，拉繩另一端連接到直升機(jī)掛架上。直升機(jī)投放時(shí)，在水下航行器重力的作用下，水激活電池拉繩將待發(fā)繩拉出，電池進(jìn)水管路開(kāi)通。

圖 2 繩索連接示意圖Fig.2 Connection schematic diagram of wire

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 宏觀形貌分析

用輔具擴(kuò)大八字型卡箍上端的孔口，使下方的孔口張開(kāi)，輕松取出待發(fā)繩，保證斷口原貌。對(duì)被拉斷的水激活電池待發(fā)繩進(jìn)行宏觀檢查。斷裂待發(fā)繩與試驗(yàn)件宏觀形貌如圖3 所示，斷裂位置位于八字型卡箍的邊緣（圖3a），卡箍?jī)?nèi)的待發(fā)繩呈黑色，該黑色區(qū)域?yàn)榘俗中涂ü垦b夾的部位（其表面沒(méi)有鍍層）。待發(fā)繩左右側(cè)彎角角度與下方的試驗(yàn)件基本相同，但左側(cè)彎角后的直線段局部明顯彎曲變形，變形位置距離彎角3.6 mm。對(duì)左側(cè)變形位置進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，變形后的待發(fā)繩與電池頂面的角度變?yōu)?7°，減小了13°；圖3b 為鋼絲斷口形貌，斷口表面較為平坦，可見(jiàn)褐色與黃色痕跡，四周剪切唇顯著。

2.2 斷口微觀分析

將待發(fā)繩鋼絲斷口置于掃描電鏡中進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4 所示。圖4a 為斷口整體形貌照片，從圖中可看出，斷口表面覆蓋有腐蝕產(chǎn)物且中心腐蝕產(chǎn)物較多，這是由于斷裂后長(zhǎng)時(shí)間擱置所致。經(jīng)觀察，斷口表面未發(fā)現(xiàn)有冶金缺陷，四周邊緣可見(jiàn)顯著剪切唇，裂紋起始于待發(fā)繩的斷口邊緣處，斷口分為裂紋源區(qū)、裂紋快速擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)3 個(gè)部分。在斷面中心處的裂紋擴(kuò)展區(qū)可以觀察到典型的等軸韌窩花樣，其應(yīng)力狀態(tài)為均勻應(yīng)變形（圖4b）。剪切區(qū)為剪切韌窩（圖4c）。

2.3 能譜分析

圖 3 斷裂待發(fā)繩宏觀形貌Fig.3 Macroscopic feature of fractured inactive wire

圖 4 待發(fā)繩斷口微觀形貌Fig.4 Microcosmic feature of inactive wire fracture

查閱該待發(fā)繩完好時(shí)的檢驗(yàn)記錄，可知其化學(xué)成分符合GB/T 699—2015 中相關(guān)的技術(shù)要求。對(duì)斷裂待發(fā)繩的斷口處進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表1所示。其結(jié)果表明，斷面內(nèi)含有Cd 元素。根據(jù)技術(shù)條件規(guī)定，待發(fā)繩基體材料采用70 鋼，外表面鍍層進(jìn)行鍍鎘處理，內(nèi)部成分是不含有Cd 的。由此可知，Cd 成分是在電鍍處理時(shí)出現(xiàn)的，這說(shuō)明待發(fā)繩在做表面鍍鎘處理時(shí)，裂紋已產(chǎn)生或在電鍍過(guò)程中產(chǎn)生裂紋，致使待發(fā)繩內(nèi)部摻雜了Cd元素。

2.4 金相觀察分析

切取斷裂的待發(fā)繩試樣，經(jīng)過(guò)打磨及拋光后用4%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸酒精腐蝕[11-12]，使用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。結(jié)果顯示：拋光態(tài)材料截面可見(jiàn)夾雜，材料表面可見(jiàn)鍍層，也說(shuō)明鋼絲在做表面鍍層處理時(shí)，其外表面已有裂紋或在電鍍過(guò)程中產(chǎn)生裂紋（圖5a）；腐蝕態(tài)材料組織為細(xì)珠光體，邊緣處由于變形原因顏色發(fā)亮（圖5b）。

表 1 待發(fā)繩斷面能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 Results of energy spectrum analysis of inactive wire fracture(mass fraction /%)

圖 5 斷裂待發(fā)繩金相組織形貌Fig.5 Metallographic structure feature of fractured inactive wire

2.5 硬度及其他測(cè)試

沿待發(fā)繩直徑從左至右的方向抽取5 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2，可見(jiàn)，待發(fā)繩的平均硬度為HV 300，符合技術(shù)要求規(guī)定。

根據(jù)待發(fā)繩完好時(shí)的檢測(cè)記錄，待發(fā)繩抗拉強(qiáng)度為1 100～1 110 MPa，滿足大于1 000 MPa 的要求，同時(shí)對(duì)待發(fā)繩規(guī)格進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果也滿足相應(yīng)要求。

表 2 待發(fā)繩硬度測(cè)試結(jié)果Table 2 Hardness testing results of inactive wire

2.6 斷裂機(jī)理

從能譜分析和金相分析中都可看出，待發(fā)繩在做表面鍍層處理時(shí)，其外表面已有裂紋或在電鍍過(guò)程中產(chǎn)生裂紋。根據(jù)微觀分析可知，待發(fā)繩表面的裂紋是斷面的裂紋源區(qū)，斷口分為3 個(gè)區(qū)域：裂紋源區(qū)、裂紋快速擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。在待發(fā)繩彎制成型過(guò)程中，鋼絲在工裝上的受力情況如圖6 所示。折彎鋼絲前，待發(fā)繩彎環(huán)外側(cè)表面存在裂紋，當(dāng)鋼絲折彎時(shí)，裂紋處成為裂紋源區(qū)，同時(shí)該處應(yīng)力集中，在彎折力作用下裂紋快速擴(kuò)展。

圖 6 鋼絲折彎示意圖Fig.6 Schematic diagram of steel wire bending

綜合上述分析可知，彎環(huán)成型后的待發(fā)繩鋼絲表面存在裂紋，該裂紋是在電鍍前或電鍍過(guò)程中產(chǎn)生的。在水下航行器與直升機(jī)分離過(guò)程中，待發(fā)繩承受產(chǎn)品下墜的瞬時(shí)作用力，從裂紋處斷開(kāi)并與八字型卡箍徹底分離，因而待發(fā)繩未從水激活電池上抽出，最終導(dǎo)致該產(chǎn)品入水后水激活電池未激活。

3 改進(jìn)措施

為了有效防止待發(fā)繩鋼絲斷裂，進(jìn)一步提高水下航行器掛機(jī)試驗(yàn)的成功率，對(duì)待發(fā)繩的檢驗(yàn)工序做出優(yōu)化改進(jìn)：1）在表面處理電鍍前和鋼絲折彎后增加一道檢驗(yàn)工序，檢驗(yàn)待發(fā)繩鋼絲表面及彎環(huán)處應(yīng)無(wú)裂紋等損傷；2）對(duì)掛機(jī)試驗(yàn)中有類似工作環(huán)境的鋼絲進(jìn)行檢查，并且將檢驗(yàn)技術(shù)條件也進(jìn)行相應(yīng)完善；3）要求生產(chǎn)企業(yè)完善該類鋼絲的技術(shù)條件，確保后續(xù)生產(chǎn)的鋼絲滿足質(zhì)量要求。

4 結(jié)論

1）水激活電池待發(fā)繩未拔出而被拉斷的原因是由于彎環(huán)成型后的待發(fā)繩鋼絲表面存在裂紋所致。

2）完善該類鋼絲的技術(shù)條件及相應(yīng)檢驗(yàn)工序，確保待發(fā)繩鋼絲表面及彎環(huán)處應(yīng)無(wú)裂紋等損傷，以保證待發(fā)繩滿足質(zhì)量要求和減少故障的發(fā)生。