基于DOE的壓力傳感器螺紋型芯體粘接技術(shù)研究

甘茂銳　張朝霞

摘要：航空發(fā)動機領(lǐng)域壓力傳感器的實際工況惡劣且環(huán)境條件苛刻，其接管嘴與螺紋型芯體的粘接密封技術(shù)屬壓力傳感器生產(chǎn)制造的關(guān)鍵工藝技術(shù)。為實現(xiàn)粘接強度高、耐久性長、耐溫性能優(yōu)良的要求，設(shè)計了以粘接接頭結(jié)構(gòu)、膠粘劑類型、涂覆位置為因子的試驗設(shè)計方案（DOE）。通過DOE分析，獲得了壓力傳感器接管嘴與螺紋型芯體粘接工藝因子對粘接質(zhì)量的影響程度，并通過泄漏率指標(biāo)測量與耐壓過壓、溫度沖擊、振動環(huán)境試驗對壓力傳感器進行數(shù)據(jù)測試與考核驗證，確認了最佳工藝方案。

關(guān)鍵詞：實驗設(shè)計法（DOE）;航空發(fā)動機;壓力傳感器;接管嘴;螺紋型芯體;粘接

中圖分類號：TP212

文獻標(biāo)識碼：B文章編號：1001-5922（2022）06-0029-06

Research on thread core bonding technology of pressure sensor based on DOE

GAN Maorui， ZHANG Zhaoxia

（AECC Aero Engine Control System Institute， Wuxi 214063， Jiangsu China

）

Abstract：The actual working conditions of pressure sensors in the field of aeroengine are harsh and the environmental conditions are strict. The bonding and sealing technology between nozzles and thread cores is the key technology in the production and manufacture of pressure sensors. In order to meet the requirements of high bonding strength， long durability and excellent temperature resistance， a DOE scheme was designed with bonding structure， adhesive type and coating position as factors. Through DOE analysis， the influence of the bonding process factors on the bonding quality of the pressure sensor nozzle and the thread core was obtained， and the pressure sensor was tested and verified by the leakage rate index measurement and pressure overpressure， temperature shock， vibration environmental test， and finally confirmed the best process scheme.

Key words：Design of Experiments（DOE）; aeroengine; pressure sensor; nozzle; thread core; adhesive

粘接技術(shù)是利用膠粘劑將相同或不同材料連接成為一個連續(xù)、牢固、穩(wěn)定的整體的一種工藝方法[1]，金屬粘接技術(shù)具有工藝簡單、密封防腐性能好、可提高疲勞壽命、可減輕質(zhì)量等特點[2-3]。相比于鉚接、焊接等傳統(tǒng)工藝，因焊接、鉚接容易產(chǎn)生應(yīng)力集中和變形[4]，且本身工藝復(fù)雜，在某些特殊的領(lǐng)域已被粘接工藝逐漸取代[5]。目前傳感器生產(chǎn)制造中，粘接技術(shù)應(yīng)用非常普遍，基于傳感器行業(yè)小型化、輕量化與可靠性趨勢[6]，粘接工藝技術(shù)作為螺紋型機械接口最主要的封裝密封形式，具有不可取代的特點。

本文主要針對航空發(fā)動機領(lǐng)域壓力傳感器的接管嘴與螺紋型芯體的粘接密封技術(shù)，航空發(fā)動機領(lǐng)域壓力傳感器的實際工況復(fù)雜多變，需滿足高負荷、高溫、高壓、高速、高振動、高疲勞壽命等惡劣與苛刻的環(huán)境條件。該工藝屬壓力傳感器生產(chǎn)制造的關(guān)鍵工藝技術(shù)，是產(chǎn)品試制成功的重要環(huán)節(jié)，該工藝環(huán)節(jié)的典型故障模式為：由于工藝不成熟，在受到實際使用過程中環(huán)境條件變化的影響，傳感器所用的膠粘劑容易產(chǎn)生熱應(yīng)力失效，導(dǎo)致密封性能下降[7]，未能有效密封，致使接管嘴感受到的壓力大部分泄露，因而測得的壓力未能真實反映所測量的壓力，最終導(dǎo)致壓力傳感器失效。

1壓力傳感器螺紋型芯體粘接

1.1粘接接頭

粘接接頭即為壓力傳感器的接管嘴與螺紋型芯體，接管嘴材料為316L不銹鋼，芯體的材料為15-5PH不銹鋼，結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示，均屬具有代表性的典型結(jié)構(gòu)。

1.2膠粘劑選擇

考慮到航空發(fā)動機領(lǐng)域壓力傳感器的實際工況惡劣且環(huán)境條件苛刻。膠粘劑的選擇有如下幾點要求。

1.2.1耐溫性能優(yōu)良

耐溫性能包括兩個方面：一方面是耐高溫性能，一般膠粘劑的粘接強度會隨著溫度的升高而下降，達到一定溫度時膠粘劑甚至?xí)フ辰幽芰?另一方面是耐低溫性能，它同樣會影響膠粘劑的粘接強度。所以要求粘接劑具有良好的使用溫度，以適應(yīng)產(chǎn)品不同的工況要求。典型航空發(fā)動機領(lǐng)域壓力傳感器的溫度要求為-55～150 ℃。

1.2.2粘接的耐久性要長

耐久性是指粘接結(jié)構(gòu)能長期正常使用的期限，其受多種因子的影響，主要有膠粘劑的老化性能、表面處理的質(zhì)量和環(huán)境因子等。環(huán)境因子要求膠粘劑具備好的耐熱性、耐寒性、耐水性、耐光性、耐介質(zhì)性、耐候性等。CF17BD0E-6054-4481-9117-7A94CABA9EEB

1.2.3工藝性

一方面是配膠，雙組分膠粘劑在使用時必須按照規(guī)定的比例配膠，而單組分膠粘劑無配膠的步驟;另一方面是固化工藝，往往是固化溫度越高，粘接強度越高，耐久性亦越好。

1.2.4粘接強度高

根據(jù)以上選型原則，結(jié)合實際使用需要，選擇的膠粘劑如表1所示。最終選擇中藍晨光DG-3S和Loctite 263。

1.3被粘表面處理

對被粘物進行表面處理，主要是脫脂除油、除銹、粗化和表面活化等，可使被粘表面獲得最佳的表面狀態(tài)，有利于膠粘劑的充分浸潤與黏附，獲得良好的粘接效果。根據(jù)實踐證明表面處理可提高粘接強度及其使用壽命。表面處理后，需盡快涂膠，不宜放置過久，因空氣中的水分會使被粘物表面結(jié)成一薄層水膜，以及金屬表層會迅速氧化而形成一薄層氧化膜，表層產(chǎn)生的水膜和氧化膜都會極大地影響粘接強度。

首先在化學(xué)試驗臺內(nèi)用脫脂棉蘸取航空洗滌汽油或航空洗滌汽油與無水乙醇1∶1比例的混合液體擦拭接管嘴整體和螺紋型芯體整體，常溫下晾干。晾干后在化學(xué)試驗臺內(nèi)用脫脂棉蘸取無水乙醇擦拭接管嘴內(nèi)螺紋與螺紋型芯體外螺紋，清洗后的零件在常溫下晾干，最后放入100 ℃高溫箱內(nèi)烘30 min。清洗合格的判據(jù)為：外觀觀察必須保持清潔和干燥，去除油污并洗掉任何可能影響粘接的污染物。由于表面處理后需盡快涂膠，不宜放置過久，因而在烘干過程中，可同步進行下述步驟的配膠。

1.4配膠

配膠是針對雙組分膠粘劑，一般A組分主要為粘料等，B組分主要為固化劑等。配膠時一定要嚴(yán)格按照所使用的膠粘劑的配比要求進行配膠，否則，將產(chǎn)生固化不完全或膠層變脆等后果。調(diào)配時應(yīng)攪拌均勻，且配膠所用工具與容器必須干燥、潔凈。單組分膠粘劑無需此過程。

對于單組分的Loctite 263，無需進行該步驟。而對于雙組分的DG-3S，按雙組分A∶B=1∶1的比例量取質(zhì)量進行混合，并用玻璃棒充分攪拌均勻，配膠后必須在2 h內(nèi)進行涂覆，由于該膠粘劑無填充劑，配置好的膠粘劑無須進行抽真空處理;否則，反而會使膠粘劑氣泡數(shù)大量增多。

1.5涂膠與粘接

對被粘接表面涂膠，為防止包裹空氣而形成氣泡或氣孔，涂膠時應(yīng)朝一個方向移動，涂膠速度不能太快，以利于空氣的排除，或在配膠完成后進行抽真空處理。涂膠應(yīng)均勻，涂膠量以保證所需膠層厚度/位置為最佳。涂膠時應(yīng)保證厚度、涂膠位置、連續(xù)性這3個關(guān)鍵要點。涂膠后的被粘表面相互粘接時，對于液狀無溶劑的膠粘劑，應(yīng)錯動幾次，以利于空氣的排除與緊密接觸，以及準(zhǔn)確對位;涂覆方案如圖2所示。

由圖2可以看出，方案①為在螺紋型芯體的O型圈凹槽內(nèi)涂膠;方案②為在螺紋型芯體圖示的螺紋齒槽內(nèi)涂膠。

將膠粘劑均勻、朝一個方向連續(xù)地涂覆。按圖2方案①涂膠時，以膠粘劑涂覆連續(xù)且在凹槽內(nèi)飽滿為最佳。按圖2方案②涂膠時，由不斷進行“膠粘劑涂覆-粘接-拆開-膠粘劑清洗去除”的重復(fù)動作積累經(jīng)驗，最終以膠粘劑涂覆連續(xù)且涂覆后半圈（5～6圈）為最佳。

將壓力傳感器接管嘴與螺紋型芯體擰緊進行粘接，對于圖2方案①涂膠，用體視顯微鏡從螺紋型芯體后端檢查裝配間隙處，有少量膠粘劑溢出為最佳。對于圖2方案②涂膠，用體視顯微鏡從螺紋型芯體后端檢查裝配間隙處，無膠粘劑溢出為最佳。

1.6固化

固化是膠粘劑通過物理和化學(xué)作用，使其變?yōu)楣腆w并具有一定強度的過程，它是獲得良好粘接性能和密封性能的關(guān)鍵過程，只有完全固化其效果才能達到最大化。在固化時必須掌握好溫度、時間、壓力3要素，應(yīng)根據(jù)膠粘劑的規(guī)定固化工藝進行。

DG-3S固化條件，在室溫25 ℃條件下1～2 d或在高溫60 ℃條件下1 h;Loctite 263的固化條件，在室溫22 ℃條件下1～3 d，固化時必須保證接管嘴朝上放置。

2DOE方案

針對該工藝過程，可控因子/因素有：粘接接頭

結(jié)構(gòu)、膠粘劑類型、涂覆位置、固化條件、表面清洗、配膠、粘接;不可控因子/因素有：表面粗糙度、操作?？煽匾蜃又凶钪匾?個因子為粘接接頭結(jié)構(gòu)、膠粘劑類型和涂覆位置，其余因子影響較小。固化條件根據(jù)選擇的膠粘劑類型而定，膠粘劑確定后固化條件

也隨之確定。表面清洗的方式方法較為固定統(tǒng)一。配膠也是根據(jù)選擇的膠粘劑類型而定的，膠粘劑確定后相應(yīng)的配膠方式也即確定。粘接與選擇的粘接接頭結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同的粘接接頭對應(yīng)不同的粘接方式。根據(jù)已有的1種粘接接頭結(jié)構(gòu)選擇2種合適的膠粘劑（如表1）;根據(jù)實際粘接情況結(jié)合經(jīng)驗確定2種涂覆位置（如圖2）。粘接接頭結(jié)構(gòu)因子為1水平的，膠粘劑類型和涂覆位置因子均為2水平的，因而構(gòu)成2個因子2水平DOE，且存在因子相互作用膠粘劑類型×涂覆方案，可列出有交互作用的全因子試驗表L4（23），具體如表2所示。試驗指標(biāo)為泄漏率，泄漏率是指在已知泄漏處兩側(cè)壓差的情況下，單位時間內(nèi)流過漏泄處的給定溫度的干燥氣體量，是衡量粘接強度和密封性的重要指標(biāo)。

3試驗驗證和結(jié)果

3.1試驗驗證

所用膠粘劑除了進行必要的試驗及利用測試標(biāo)準(zhǔn)試件測試粘接強度外（膠粘劑說明書上有，如表1所示），在壓力傳感器實際生產(chǎn)和使用中，如何保證粘接質(zhì)量是一個更為重要的問題。使用前雖然對膠粘劑進行了必要的物理、化學(xué)性能鑒定和標(biāo)準(zhǔn)試件粘接強度的測定，但它不能代替實際生產(chǎn)中被粘物粘接強度的檢定。因為，雖然粘結(jié)劑相同，但粘接接頭幾何形狀不同，涂覆方案不同，粘接強度即有所不同。

目前為止，尚無無損檢測的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法。粘接強度是由膠粘劑與被粘物的粘附強度和膠粘劑自身的內(nèi)聚強度構(gòu)成的，無損檢驗的方法都以粘附強度大于內(nèi)聚強度為前提條件，對于無損檢驗方法，國內(nèi)外研究者較多，多處于無損探傷的范圍。冷熱循環(huán)可作為蠕變和塑性變形等失效機理的加速因子[8-9]，振動法對產(chǎn)品穩(wěn)定性影響顯著[8]。因此，考慮航空發(fā)動機特殊領(lǐng)域壓力傳感器應(yīng)用的惡劣工況和實際苛刻的使用環(huán)境條件場景，將對壓力傳感器進行耐壓5 MPa、過壓10 MPa、溫度沖擊、振動等多項試驗驗證。其中耐壓和過壓試驗參考GJB 4409A—2011（ 《壓力傳感器通用規(guī)范》）并通過在水下CF17BD0E-6054-4481-9117-7A94CABA9EEB

目視觀察是否有氣泡產(chǎn)生以判斷是否漏氣;溫度沖擊試驗參考GJB 150.5A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法》（第5部分 溫度沖擊試驗）執(zhí)行;振動試驗參考GJB 150.16A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法》（第16部分 振動試驗）執(zhí)行。

8個壓力傳感器進行耐壓5 MPa和過壓10 MPa測試，根據(jù)GJB 4409A—2012規(guī)定，試驗條件為：每個壓力保持時間不少于3 min，然后卸載，重復(fù)3次。22^#壓力傳感器未能通過測試，表明Loctite 263螺紋膠不適合于平面上的密封，或是涂覆上存在潛在問題。

7個壓力傳感器進行溫度沖擊試驗，根據(jù)GJB 150.5A規(guī)定，試驗圖形如圖3所示。試驗條件為：試驗溫度設(shè)置高溫150 ℃、低溫-55 ℃，保持時間為1 h，轉(zhuǎn)換時間為1 min，循環(huán)次數(shù)設(shè)置3次。溫度沖擊試驗后，進行耐壓5 MPa和過壓10 MPa測試，21^#組合件未能通過測試，表明溫度沖擊后對平面上的Loctite 263螺紋膠產(chǎn)生了影響，導(dǎo)致其未能實現(xiàn)密封作用。

最后，6個壓力傳感器進行振動試驗，根據(jù)GJB 150.16A規(guī)定，試驗振動譜如圖4所示。試驗條件為：f₀=246 Hz，f₁=2f₀，f₂=3f₀，f₃=4f₀;功能試驗持續(xù)時間為每個軸向1 h。振動試驗后，進行耐壓5 MPa和過壓10 MPa測試，6個壓力傳感器均通過測試。

3.2試驗結(jié)果

將6個壓力傳感器進行泄漏率指標(biāo)測試試驗，結(jié)果如表3所示。由于21^#、22^#組合件漏氣，設(shè)置泄漏率為100 mL/min，大于其他編號實際值一個量級。

（1）由圖5（a）立方體圖可知，數(shù)據(jù)平均值最小為最優(yōu)，則最佳方案為：膠粘劑類型選擇水平2，即Loctite 263;涂覆方案選擇水平2，即圖2②;

（2）由圖5（b）主效應(yīng)圖可知，縱軸跨度越大影響程度越大，則涂覆方案對泄漏率的影響大于膠粘劑類型對泄漏率的影響;

（3）由圖5（c）標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)的正態(tài)圖可知，距離中間藍色直線越遠影響越顯著，則由于B（涂覆方案）離直線最遠，表示B（涂覆方案）的影響越顯著，與上述（2）條結(jié)論一致;

（4）由圖5（d）殘差正態(tài)性圖可知，圖形屬于隨機分布，不屬于正態(tài)分布，表示沒有其他的因子影響，所選因子完整全面。

4結(jié)語

通過DOE方法，獲得了壓力傳感器接管嘴與螺紋型芯體粘接工藝因子對粘接質(zhì)量影響的大小的先后順序： 涂覆方案、膠粘劑類型，并通過泄漏率指標(biāo)測量與環(huán)境試驗對壓力傳感器進行數(shù)據(jù)測試與考核驗證，確認了本試驗最佳方案為：膠粘劑類型選擇Loctite 263，涂覆方案選擇圖2方案②在螺紋處涂覆。該試驗結(jié)果對壓力傳感器接管嘴與螺紋型芯體粘接工藝技術(shù)研究具有重要的參考意義與實用價值，為壓力傳感器接管嘴與螺紋型芯體粘接工藝提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

【參考文獻】

[1]孫德林，余先純.膠粘劑與粘接技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[2]翁熙祥，梁志杰.金屬粘接技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3]翟海潮，李印柏，林新松，等.粘接與表面粘涂技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997.

[4]秦國鋒，那景新，慕文龍，等.CFRP/鋁合金粘接接頭在低溫環(huán)境中的老化機理研究[J].中國膠粘劑，2019，28（8）：27-33.

[5]趙輝，候敏俏，孫玉英，等.軌道客車彈性粘接技術(shù)及工藝研究[J].粘接，2017，38（6）：62-64.

[6]李闖，趙立波，王尊敬，等.一種航空配套微壓傳感器芯片設(shè)計及制備[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2019，32（7）：1 022-1 026.

[7]孫炎，黃文斌.一種鉑電阻溫度傳感器的密封性設(shè)計[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2020，33（7）：967-973.

[8]劉帥，杜曉輝，朱敏杰，等.擴散硅壓力傳感器長期穩(wěn)定性提升試驗方法研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2020，33（1）：57-62.

[9]IANNACCI J.Reliability of MEMS： A Perspective on Failure Mechanisms，Improvement Solutions and Best Practices at Development Level[J].Displays，2015（37）：62-71.CF17BD0E-6054-4481-9117-7A94CABA9EEB