某型導(dǎo)彈紅外整流罩和緊固環(huán)粘接面在耐壓性試驗(yàn)中的失效分析

卞 楠

(中國空空導(dǎo)彈研究院,洛陽471000)

紅外整流罩(下文簡稱為整流罩)位于導(dǎo)彈的最前端,對內(nèi)部零部件具有保護(hù)作用,同時(shí)為導(dǎo)彈提供良好的氣動(dòng)外形[1]。整流罩作為導(dǎo)彈光學(xué)系統(tǒng)的一部分,保證了導(dǎo)引系統(tǒng)的成像要求。整流罩組合件主要由整流罩、緊固環(huán)、整流罩殼體組成,組合件結(jié)構(gòu)如圖1所示。整流罩材料為石英玻璃,緊固環(huán)材料為鋁合金。整流罩組合件的裝配工藝為:先在整流罩和緊固環(huán)連接處表面涂上PQ100表面處理劑,待表面處理劑干燥固化后再涂上PQ1020聚氨酯膠黏劑,然后將涂有7010潤滑脂的密封圈放置在整流罩與緊固環(huán)之間,將整流罩、密封圈和緊固環(huán)一起壓緊。為保證整流罩組合件的可靠性,還要對裝配后的整流罩組合件進(jìn)行耐壓性和氣密性測試。

近期,某型導(dǎo)彈整流罩組合件在進(jìn)行耐壓性測試時(shí),當(dāng)加壓到0.1 MPa后,有3枚導(dǎo)彈整流罩組合件出現(xiàn)漏氣故障,其中1枚導(dǎo)彈的整流罩完全脫落。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),上述導(dǎo)彈整流罩組合件中整流罩與緊固環(huán)的粘接面失效。為查明整流罩與緊固環(huán)粘接面失效的原因,筆者對失效件進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

對整流罩完全脫落的整流罩組合件進(jìn)行宏觀觀察。由圖2可見,緊固環(huán)粘接表面的黃色表面處理劑涂覆較均勻,大部分區(qū)域黑色聚氨酯膠層完整,局部區(qū)域聚氨酯膠層較少,緊固環(huán)粘接面的破壞模式為內(nèi)聚破壞[2]。由圖3可見,整流罩粘接表面的黃色表面處理劑涂覆也較均勻,且黃色涂覆層表面有少量耐壓性測試后殘留的黑色聚氨酯薄膠層,未見污染物。整流罩粘接面的破壞模式為混合破壞[3]。

圖1 整流罩組合件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of fairing assembly

圖2 緊固環(huán)粘接面的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of bonding surface of fastening ring

圖3 整流罩粘接面的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of bonding surface of fairing

使用Leica S6D 型光學(xué)顯微鏡觀察整流罩組合件的粘接處。由圖4可見,粘接處均存在一定厚度的黑色膠層,粘接處無缺膠現(xiàn)象。在膠層較厚的區(qū)域,粘接面較光滑;在膠層較少區(qū)域,粘接面可看到有膠黏劑刷涂的痕跡。膠膜完整、呈半透明狀。

圖4 整流罩組合件粘接處的放大形貌Fig.4 Enlarged morphology of bonding part of fairing assembly：a）area with more black glue layer；b）area with less black glue layer

1.2 紅外光譜分析

采用PE spotlight 400型紅外光譜儀對整流罩組合件使用的PQ1020聚氨酯膠黏劑進(jìn)行紅外分析[4],結(jié)果如圖5所示?？梢妼?shí)測紅外光譜譜圖與PQ1020聚氨酯膠黏劑標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜譜圖完全相同。

圖5 PQ1020聚氨酯膠黏劑實(shí)測與標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜圖Fig.5 Measured and standard infrared spectrum of PQ1020 polyurethane adhesive

圖6 整流罩組合件粘接面紅外光譜圖Fig.6 Infrared spectrum of bonding surface of fairing assembly

粘接面存在的污染物會(huì)減少有效粘接面積,影響到粘接質(zhì)量,為檢測粘接面的污染物情況,隨機(jī)在果如圖6所示?？梢娫?個(gè)試樣均在波長為2980,2930,2850 cm－1處存在與PQ1020聚氨酯膠黏劑PQ1020不同的吸收峰,由此推斷粘接面上存在含有甲基、亞甲基的外來有機(jī)污染物。將粘接面上污失效件的整流罩粘接面上取5 個(gè)試樣,采用PE spotlight 400型紅外光譜儀進(jìn)行紅外光譜分析,結(jié)染物的異常吸收峰與7010潤滑脂的標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜譜圖進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)兩者在波長為2980,2930,2850 cm－1處不僅有共同的吸收峰,且峰型及吸收峰強(qiáng)度完全一致,如圖7所示。

圖7 整流罩組合件粘接面污染物與7010潤滑脂紅外光譜圖Fig.7 Infrared spectrum of bonding surface contaminants of fairing assembly and 7010 grease

1.3 能譜分析

在緊固環(huán)粘接面取樣,使用OXFORD X-Max N型能譜分析儀(EDS)進(jìn)行微區(qū)成分分析,分析位置和分析結(jié)果如圖8 所示?？梢娋o固環(huán)粘接面含有碳、氧、硅、氯、鐵等元素[5]。

圖8 緊固環(huán)粘接面能譜分析位置和分析結(jié)果Fig.8 a）Position and b）results of energy spectrum analysis on the bonding surface of fastening ring

2 分析與討論

2.1 檢驗(yàn)結(jié)果分析

由宏觀觀察結(jié)果可知,緊固環(huán)粘接面的主要破壞模式為內(nèi)聚破壞,整流罩粘接面的破壞模式為混合破壞,聚氨酯膠層均固化充分、未失效、無異常、未見污染物,不存在缺膠的情況。

由紅外光譜分析結(jié)果可知,整流罩組合件所用PQ1020聚氨酯膠黏劑的成分與標(biāo)準(zhǔn)PQ1020聚氨酯膠黏劑的完全相同,這表明粘接使用的膠黏劑沒有問題。整流罩粘接面存在甲基、亞甲基等異常吸收峰,與密封圈上7010潤滑脂中的甲基、亞甲基吸收峰的峰型和強(qiáng)度完全一致,這說明整流罩粘接面上存在有機(jī)污染物,推測為裝配過程中使用的7010潤滑脂。

由能譜分析結(jié)果可知,緊固環(huán)粘接面含有碳、氧、硅、氯、鐵等元素,由于在緊固環(huán)粘接面取樣,因而異常的硅元素不是來自于整流罩,而硅元素是7010潤滑脂的組成元素之一,推測緊固環(huán)粘接面上的硅元素來自7010潤滑脂。

綜上所述,可以得出整流罩組合件中膠黏劑失效的原因?yàn)樵谡髡纸M合裝配過程中,密封圈涂覆的潤滑脂太多,附著在緊固環(huán)與整流罩粘接面上的潤滑脂起到隔離作用,阻礙了膠黏劑分子的移動(dòng)和擴(kuò)散,降低了有效粘接面積,使膠黏劑與整流罩和緊固環(huán)粘接面之間的機(jī)械結(jié)合力下降[6-7],從而導(dǎo)致膠黏劑失效。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.2.1 粘接性能測試

使用與緊固環(huán)材料相同的鋁合金試片,制作兩份剪切試樣。剪切試樣使用PQ100表面處理劑＋PQ1020聚氨酯膠粘劑進(jìn)行粘接,并在其中一份試樣的粘接面上涂覆0.1 g 7010潤滑脂。根據(jù)GB/T 7124－2008《膠黏劑拉伸剪切強(qiáng)度的測定》,使用INSTRON 5581型電子拉力試驗(yàn)機(jī)對兩份剪切試樣進(jìn)行剪切強(qiáng)度測試,結(jié)果如表1所示?？梢姰?dāng)粘接面涂覆潤滑脂后,其剪切強(qiáng)度大幅下降,破壞模式由內(nèi)聚破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榻缑嫫茐?膠黏劑幾乎失去了粘接作用。

表1 未涂覆和涂覆7010潤滑脂粘接面的剪切強(qiáng)度測試結(jié)果Tab.1 Shear strength test results of bonding surface without and with 7010 grease MPa

2.2.2 耐壓性測試

按照整流罩組合件的裝配工藝,分別對編號(hào)為1701,1702,1703,1704,1705的5套整流罩組合件進(jìn)行裝配。其中,嚴(yán)格控制1701號(hào)整流罩組合件的粘接過程,確保7010 潤滑脂未涂覆到粘接面;在1702～1705號(hào)整流罩組合件的粘接面分別涂覆抹1/4圈、1/2圈、3/4圈及1圈7010潤滑脂,然后用PQ100表面處理劑＋PQ1020聚氨酯膠黏劑進(jìn)行粘接。在膠黏劑固化7 d后,采用耐壓測試工裝對上述5套整流罩組合件進(jìn)行耐壓性測試,結(jié)果如表2所示。可見未涂覆7010潤滑脂粘接面的破壞壓力最大(粘接力最大),隨著潤滑脂涂覆面積的增大,粘接面的破壞壓力逐漸減小(粘接力逐漸降低),當(dāng)潤滑脂涂覆面積超過1/4圈時(shí),粘接面的破壞壓力小于0.1 MPa,整流罩組合件粘接面的粘接力(粘接力數(shù)值上與破壞壓力相等)已不符合設(shè)計(jì)要求(0.1 MPa)。而失效的整流罩組合件的潤滑脂涂覆面積約為1 圈,造成粘接面的粘接力不符合設(shè)計(jì)要求。

表3 7010潤滑脂不同涂覆情況下整流罩組合件的耐壓性測試結(jié)果Tab.3 Test results of pressure resistance of fairing assembly with different application of 7010 grease

2.3 改進(jìn)措施

在整流罩組合件裝配時(shí)嚴(yán)格控制密封圈裝配時(shí)使用的潤滑脂用量,并在整流罩與緊固環(huán)粘接前用丙酮對粘接面進(jìn)行清洗,避免潤滑脂污染到粘接面。該項(xiàng)工藝改進(jìn)后,導(dǎo)彈整流罩組合件在耐壓性測試中均未發(fā)生漏氣和整流罩脫落的問題,順利通過耐壓性測試。

3 結(jié)論及建議

在整流罩組合件裝配過程中,密封圈的潤滑脂用量過大,導(dǎo)致整流罩與緊固環(huán)粘接面被潤滑脂涂覆,降低了有效粘接面積,大幅減小了粘接面的粘接力,最終導(dǎo)致整流罩和緊固環(huán)粘接面在耐壓性試驗(yàn)中失效。

建議在裝配整流罩組合件時(shí)嚴(yán)格控制密封圈的潤滑脂用量,并在粘接前對粘接面進(jìn)行清洗,避免類似情況發(fā)生。