某型導彈紅外整流罩和緊固環粘接面在耐壓性試驗中的失效分析

卞 楠

(中國空空導彈研究院,洛陽471000)

紅外整流罩(下文簡稱為整流罩)位于導彈的最前端,對內部零部件具有保護作用,同時為導彈提供良好的氣動外形[1]。整流罩作為導彈光學系統的一部分,保證了導引系統的成像要求。整流罩組合件主要由整流罩、緊固環、整流罩殼體組成,組合件結構如圖1所示。整流罩材料為石英玻璃,緊固環材料為鋁合金。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之間,將整流罩、密封圈和緊固環一起壓緊。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行耐壓性和氣密性測試。

近期,某型導彈整流罩組合件在進行耐壓性測試時,當加壓到0.1 MPa后,有3枚導彈整流罩組合件出現漏氣故障,其中1枚導彈的整流罩完全脫落。經檢查發現,上述導彈整流罩組合件中整流罩與緊固環的粘接面失效。為查明整流罩與緊固環粘接面失效的原因,筆者對失效件進行了檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

對整流罩完全脫落的整流罩組合件進行宏觀觀察。由圖2可見,緊固環粘接表面的黃色表面處理劑涂覆較均勻,大部分區域黑色聚氨酯膠層完整,局部區域聚氨酯膠層較少,緊固環粘接面的破壞模式為內聚破壞[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 整流罩組合件結構示意圖Fig.1 Structure diagram of fairing assembly

圖2 緊固環粘接面的宏觀形貌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,粘接處無缺膠現象。在膠層較厚的區域,粘接面較光滑;在膠層較少區域,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聚氨酯膠黏劑進行紅外分析[4],結果如圖5所示。可見實測紅外光譜譜圖與PQ1020聚氨酯膠黏劑標準紅外光譜譜圖完全相同。

圖5 PQ1020聚氨酯膠黏劑實測與標準紅外光譜圖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減少有效粘接面積,影響到粘接質量,為檢測粘接面的污染物情況,隨機在果如圖6所示。可見該5個試樣均在波長為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、亞甲基的外來有機污染物。將粘接面上污失效件的整流罩粘接面上取5 個試樣,采用PE spotlight 400型紅外光譜儀進行紅外光譜分析,結染物的異常吸收峰與7010潤滑脂的標準紅外光譜譜圖進行對比,發現兩者在波長為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

在緊固環粘接面取樣,使用OXFORD X-Max N型能譜分析儀(EDS)進行微區成分分析,分析位置和分析結果如圖8 所示。可見緊固環粘接面含有碳、氧、硅、氯、鐵等元素[5]。

圖8 緊固環粘接面能譜分析位置和分析結果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 檢驗結果分析

由宏觀觀察結果可知,緊固環粘接面的主要破壞模式為內聚破壞,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。

由紅外光譜分析結果可知,整流罩組合件所用PQ1020聚氨酯膠黏劑的成分與標準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度完全一致,這說明整流罩粘接面上存在有機污染物,推測為裝配過程中使用的7010潤滑脂。

由能譜分析結果可知,緊固環粘接面含有碳、氧、硅、氯、鐵等元素,由于在緊固環粘接面取樣,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為在整流罩組合裝配過程中,密封圈涂覆的潤滑脂太多,附著在緊固環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和擴散,降低了有效粘接面積,使膠黏劑與整流罩和緊固環粘接面之間的機械結合力下降[6-7],從而導致膠黏劑失效。

2.2 試驗驗證

2.2.1 粘接性能測試

使用與緊固環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GB/T 7124－2008《膠黏劑拉伸剪切強度的測定》,使用INSTRON 5581型電子拉力試驗機對兩份剪切試樣進行剪切強度測試,結果如表1所示。可見當粘接面涂覆潤滑脂后,其剪切強度大幅下降,破壞模式由內聚破壞轉變為界面破壞,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度測試結果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,分別對編號為1701,1702,1703,1704,1705的5套整流罩組合件進行裝配。其中,嚴格控制1701號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套整流罩組合件進行耐壓性測試,結果如表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),當潤滑脂涂覆面積超過1/4圈時,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(粘接力數值上與破壞壓力相等)已不符合設計要求(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計要求。

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果Tab.3 Test results of pressure resistance of fairing assembly with different application of 7010 grease

2.3 改進措施

在整流罩組合件裝配時嚴格控制密封圈裝配時使用的潤滑脂用量,并在整流罩與緊固環粘接前用丙酮對粘接面進行清洗,避免潤滑脂污染到粘接面。該項工藝改進后,導彈整流罩組合件在耐壓性測試中均未發生漏氣和整流罩脫落的問題,順利通過耐壓性測試。

3 結論及建議

在整流罩組合件裝配過程中,密封圈的潤滑脂用量過大,導致整流罩與緊固環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,最終導致整流罩和緊固環粘接面在耐壓性試驗中失效。

建議在裝配整流罩組合件時嚴格控制密封圈的潤滑脂用量,并在粘接前對粘接面進行清洗,避免類似情況發生。