微焦點(diǎn)工業(yè)CT成像檢測在橋絲電點(diǎn)火藥頭涂覆工藝控制中的應(yīng)用

張海東， 王國強(qiáng)， 周涵彬， 王啟然， 李 蓉

(陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，西安 710061)

橋絲式電火工品作為一種采用特殊能源的、一次性作用的動(dòng)力源元器件，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈等武器裝備中。橋絲式電點(diǎn)火頭因其體積小、發(fā)火時(shí)間快、可靠性高，常作為橋絲電火工品應(yīng)用于電作動(dòng)器、電點(diǎn)火裝置中[1]。

橋絲式電點(diǎn)火頭的工作原理為：電流通過有一定電阻的微細(xì)金屬橋絲，電能產(chǎn)生熱量使橋絲升溫達(dá)到灼熱狀態(tài)，加熱橋絲周圍的藥劑點(diǎn)火或者起爆。電點(diǎn)火頭的主要技術(shù)指標(biāo)是發(fā)火電流、安全電流和發(fā)火時(shí)間。一般而言，電點(diǎn)火頭橋絲直徑為十幾微米到幾十微米，電點(diǎn)火頭涂覆工藝的不同使得點(diǎn)火藥與橋絲之間的接觸狀態(tài)存在很大差異，點(diǎn)火藥與橋絲的接觸面積越大、越緊密，點(diǎn)火藥從灼熱橋絲處得到的熱量就越多，其發(fā)火時(shí)間就越短，發(fā)火電流越小，發(fā)火可靠性越高。若橋絲和點(diǎn)火藥接觸面積小或者狀態(tài)蓬松，甚至出現(xiàn)縮孔，點(diǎn)火藥與橋絲間的空隙就會(huì)增加其加熱和傳熱過程中的熱損失，延遲點(diǎn)火頭的發(fā)火時(shí)間，使發(fā)火電流變大，造成發(fā)火可靠性下降。當(dāng)這種接觸狀態(tài)差異增大，甚至出現(xiàn)一定尺寸的縮孔時(shí)，將影響點(diǎn)火藥頭的發(fā)火可靠性[2]。

文章采用微焦點(diǎn)工業(yè)CT成像檢測技術(shù)對涂覆藥頭形成的縮孔進(jìn)行檢測，通過改變點(diǎn)火藥配比濃度，改善點(diǎn)火藥頭的涂覆工藝，有效避免對發(fā)火可靠性產(chǎn)生影響。

1 電作動(dòng)器工作原理

選取某型電作動(dòng)器內(nèi)裝橋絲式電點(diǎn)火藥頭進(jìn)行研究，電作動(dòng)器一般由殼體、活塞桿、活塞組件、電點(diǎn)火頭和輸出裝藥等組成。電作動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電作動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意

電作動(dòng)器工作原理為：使用電容器對產(chǎn)品橋路放電時(shí)，橋絲將電能轉(zhuǎn)化為熱能并引燃點(diǎn)火藥頭，點(diǎn)火藥頭引燃輸出裝藥，產(chǎn)生的爆燃?xì)怏w推動(dòng)活塞座，活塞座推動(dòng)活塞桿克服軸向阻力和徑向壓力向外運(yùn)動(dòng)，從而完成作動(dòng)功能。由此可見，電點(diǎn)火藥頭的發(fā)火可靠性直接影響電作動(dòng)器的功能實(shí)現(xiàn)。

2 電作動(dòng)器失效故障分析

某型電作動(dòng)器在測試時(shí)，出現(xiàn)了瞎火現(xiàn)象，測量橋路電阻，發(fā)現(xiàn)電阻值正常。首先，對線路進(jìn)行檢查，線路未短路，故排除線路短路原因；其次，在規(guī)定發(fā)火條件下，重復(fù)施加2次發(fā)火電流，電作動(dòng)器仍未發(fā)火，可以排除點(diǎn)火能量不足的原因。

進(jìn)一步排查發(fā)現(xiàn)，電作動(dòng)器出現(xiàn)瞎火故障是電點(diǎn)火頭未正常作用導(dǎo)致的。測量電點(diǎn)火頭橋絲間電阻，電阻值正常。因此，認(rèn)為作動(dòng)器點(diǎn)火藥頭本身可能存在質(zhì)量缺陷[3]。

為進(jìn)一步查出電點(diǎn)火頭無法點(diǎn)火的原因，對點(diǎn)火藥頭進(jìn)行解剖發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火藥頭橋絲區(qū)存在黑色暗區(qū)，橋絲緊貼玻璃。經(jīng)分析，該黑色暗區(qū)為點(diǎn)火藥頭在涂覆工藝中形成的縮孔。故可知，電點(diǎn)火頭在橋絲通電后，橋絲區(qū)周圍存在大直徑縮孔，造成了橋絲區(qū)周圍點(diǎn)火藥未被點(diǎn)燃而形成黑色暗區(qū)，最終導(dǎo)致電作動(dòng)器出現(xiàn)瞎火的現(xiàn)象。點(diǎn)火藥頭解剖照片如圖2所示。

圖2 點(diǎn)火藥頭解剖前后顯微照片

2.1 現(xiàn)有質(zhì)量檢測工藝分析

現(xiàn)有的質(zhì)量檢測工藝為：首先通過高倍顯微鏡目視檢查是否出現(xiàn)縮孔現(xiàn)象，然后對點(diǎn)火藥頭進(jìn)行100%X射線照相檢測。因?yàn)闃蚪z區(qū)點(diǎn)火藥涂覆后，干燥過程中形成的縮孔出現(xiàn)在點(diǎn)火藥頭內(nèi)部，所以目視檢查難以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部縮孔造成的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷。該型作動(dòng)器用電點(diǎn)火藥頭直徑約為2 mm，橋絲直徑為14 μm，采用X射線照相檢測，同樣難以發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火藥頭內(nèi)部縮孔造成的質(zhì)量缺陷。顯微鏡下藥頭目視檢查結(jié)果如圖3所示，作動(dòng)器X射線照相底片如圖4所示。

圖3 顯微鏡下藥頭目視檢查結(jié)果

圖4 作動(dòng)器X射線照相底片

2.2 射線照相檢測存在的問題

該型作動(dòng)器點(diǎn)火藥頭直徑約為2 mm，現(xiàn)有的H225型X射線探傷機(jī)焦點(diǎn)尺寸為1 mm，不能檢測出藥頭內(nèi)部縮孔造成的質(zhì)量缺陷，特別是對于微小尺寸的縮孔，X射線照相檢測無法分辨。所以現(xiàn)有的X射線成像檢測工藝不能滿足該型點(diǎn)火藥頭的內(nèi)部質(zhì)量檢測要求。

3 微焦點(diǎn)工業(yè)CT成像檢測

通過分析點(diǎn)火藥頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)、涂覆工藝以及其內(nèi)部缺陷特征，結(jié)合無損檢測技術(shù)特點(diǎn)，采用微焦點(diǎn)工業(yè)CT成像檢測技術(shù)來檢測點(diǎn)火藥頭的內(nèi)部缺陷。微焦點(diǎn)工業(yè)CT焦點(diǎn)尺寸為1 μm，最高尺寸測量精度為0.2 μm。

3.1 概述

微焦點(diǎn)工業(yè)CT系統(tǒng)采用獨(dú)特的X光光學(xué)顯微成像技術(shù)，利用不同角度的X射線透視圖像，結(jié)合計(jì)算機(jī)三維數(shù)字重構(gòu)技術(shù)，可對樣品內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行高分辨率三維數(shù)字成像，可對樣品內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行亞微米尺度上的數(shù)字化三維表征，具有成像分辨率高、掃描速度快、功能豐富、操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。

3.2 檢測設(shè)備及技術(shù)參數(shù)

檢測設(shè)備為160 k高分辨率微焦點(diǎn)工業(yè)CT，該設(shè)備最高空間分辨率為1 000 lp·mm-1(lp為線對)，尺寸測量精度最高達(dá)500 nm。檢測故障失效的點(diǎn)火藥頭時(shí)，設(shè)備具體參數(shù)為：管電壓為150 k；電流為50 μA；曝光時(shí)間為0.35 s；圖像合并數(shù)為2；掃描幀數(shù)為720幀；采用三代CT掃描方式；平板探測器探元尺寸為100 μm；像素矩陣為2 508像素×3 004像素(長×寬)。160 k高分辨率微焦點(diǎn)工業(yè)CT設(shè)備實(shí)物如圖5所示。

圖5 160 k高分辨率微焦點(diǎn)工業(yè)CT設(shè)備實(shí)物

3.3 系統(tǒng)性能指標(biāo)校驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29069-2012 《無損檢測 工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像(CT)系統(tǒng)性能測試方法》和GB/T 29067-2012 《無損檢測 工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像(CT)圖像測量方法》 對系統(tǒng)主要性能指標(biāo)進(jìn)行校驗(yàn)。

性能校驗(yàn)后，系統(tǒng)空間分辨率達(dá)50 lp·mm-1，尺寸測量精度達(dá)5 μm。

3.4 檢測試驗(yàn)

采用160 k微焦點(diǎn)CT對樣品進(jìn)行掃描，橋絲電點(diǎn)火頭微焦點(diǎn)CT掃描圖像如圖6所示，尺寸測量圖像如圖7所示。由CT圖像可清晰分辨出電點(diǎn)火頭橋絲區(qū)存在縮孔，經(jīng)測量，縮孔尺寸約為200 μm，可能對點(diǎn)火頭的發(fā)火可靠性造成影響。

圖6 橋絲電點(diǎn)火頭微焦點(diǎn)CT掃描圖像

圖7 橋絲電點(diǎn)火頭尺寸測量圖像

在點(diǎn)火藥頭涂制時(shí)，造成橋絲區(qū)出現(xiàn)縮孔的因素很多，如點(diǎn)火藥粒度、點(diǎn)火藥溶液配比、涂覆工藝等。

4 電點(diǎn)火藥頭涂覆工藝改善

4.1 涂覆工藝改善

4.1.1 調(diào)整焊橋電極塞橋絲焊接弧度

電點(diǎn)火頭電極塞進(jìn)行焊橋時(shí)，應(yīng)使橋絲和玻璃間留有間隙，在藥頭涂覆時(shí)，使得橋絲和玻璃間隙中充滿點(diǎn)火藥液，以增加橋絲和藥劑的接觸面積，提高點(diǎn)火藥頭的發(fā)火可靠性。

4.1.2 藥頭分步涂制

將點(diǎn)火藥頭涂制由多次點(diǎn)涂覆蓋橋絲改為先用藥液薄薄地在橋絲中間部位涂覆一層藥劑，高倍顯微鏡檢查后，確保橋絲和玻璃中間部位均覆蓋有點(diǎn)火藥劑且無明顯空腔，然后再涂制成型藥頭。對分步涂制的點(diǎn)火藥頭進(jìn)行微焦點(diǎn)工業(yè)CT成像檢測，其結(jié)果如圖8所示。

圖8 分步涂制點(diǎn)火藥頭的微焦點(diǎn)工業(yè)CT圖像

由圖8可以看出，電點(diǎn)火頭橋絲區(qū)點(diǎn)火藥分布均勻，且無大直徑縮孔出現(xiàn)。

4.1.3 調(diào)整配制點(diǎn)火藥藥液的溶液

將藥液由濃度為5%硝化棉溶液調(diào)整為5%硝基軟片溶液。硝基軟片的成分80%～86%為硝化棉。經(jīng)對比，點(diǎn)火藥和硝基軟片溶液配制的點(diǎn)火藥藥液在涂制第一遍藥頭時(shí)，點(diǎn)火藥和橋絲的接觸效果就優(yōu)于硝化棉配制的藥液，且不容易形成縮孔。

5 結(jié)語

采用微焦點(diǎn)工業(yè)CT成像檢測技術(shù)對橋絲式電點(diǎn)火頭橋絲區(qū)藥劑出現(xiàn)的縮孔等缺陷進(jìn)行檢測，結(jié)果表明，該技術(shù)能夠清晰分辨橋絲區(qū)藥劑縮孔形態(tài)并測量縮孔尺寸，能夠有效分辨出尺寸不小于10 μm的缺陷和縮孔，從而對電點(diǎn)火頭涂覆工藝質(zhì)量控制起到重要作用。

在采用微焦點(diǎn)工業(yè)CT成像檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過控制橋絲焊接弧度，改善藥頭涂覆工藝，改變點(diǎn)火藥配比濃度，能夠有效避免點(diǎn)火藥頭內(nèi)部形成縮孔進(jìn)而影響產(chǎn)品發(fā)火可靠性。