光學基準鏡粘接精度及膠層量化研究

張慧鋒 孫建波 胡彥旭 張 朋 張東來

光學基準鏡粘接精度及膠層量化研究

張慧鋒 孫建波 胡彥旭 張 朋 張東來

（北京控制工程研究所，北京 100190）

為了實現光學基準鏡膠層量化控制，優化基準鏡粘接方法，首先設計了實驗試件，選用產品常用的材料和膠粘劑，建立了實驗試件模型，進行有限元分析，研究了不同膠層厚度的熱應力和力學應力分布；然后通過粘接實驗，研究了膠固化過程中粘接精度的變化情況。最后，通過熱循環試驗和力學試驗，對粘接的實驗試件進行鑒定級實驗，驗證了粘接厚度控制方法的可靠性，對比了環境實驗前后的粘接精度。根據仿真分析和實驗結果，給出了幾種常用的粘接結構所對應的膠層厚度最優值，可以為工程實際提供數據支持。

光學基準鏡；膠層；精度；量化控制

1 引言

在光學成像類敏感器中，光學基準鏡常作為敏感器調試測試過程中的基準，以及整星調試的參考基準，其安裝精度和可靠性直接影響產品和整星的精度與可靠性。各研究機構和高校對光學零件膠粘結構的應力分析和裝調工藝分析的文獻較多，但都是為了滿足精度調整要求[1～4]，對于膠層的量化控制研究較少。常用的膠層厚度控制方法有工裝保證法、精密測量法和工裝測試結構法[5]，文獻[5]提出一種在膠中添加空心玻璃微珠控制膠層厚度，實現了反射鏡面形要求。

基準鏡的安裝多數采用膠粘的方法，主要控制基準鏡與基準鏡座安裝面的角度誤差。為了對粘接精度變化情況、粘接強度、膠層厚度、經過力學和熱學實驗后精度變化情況摸底研究，設計了實驗件；并研究了粘接過程中膠層厚度量化控制的工藝方法，用于提高產品光學器件粘接的可靠性，降低失效率，提高產品可靠性。

2 實驗設計

2.1 實驗試件設計

根據我所產品中常用的基準鏡、光電器件的粘接形式，如基準鏡粘接，選擇實驗試件設計形式。基準鏡和基準鏡座的粘接是平面粘接，如圖1所示；基準鏡與產品基準鏡結構相同，只要求上表面鍍膜，四個側面光滑透明，便于觀察。基準鏡座材料是鈦合金（TC4），基準鏡材料是K9玻璃，所以實驗用基準鏡也采用K9玻璃，所用材料的物理性能如表1所示。

圖1 實驗試件

表1 材料物理性能

2.2 膠粘劑的選擇

光學零件、光電器件粘接中常用的膠粘劑主要有環氧膠6101/TY650、Armstrong A-12 環氧膠、硅橡膠GD414。

2.3 環境實驗條件

由于基準鏡和芯片粘接的精度和可靠性需要經過力學和熱學實驗的檢驗，所以對粘接后的實驗試件進行力學和熱學實驗。其中熱學實驗主要是循環實驗，力學實驗主要有隨機振動和沖擊實驗，實驗條件具體如表2、表3所示。

表2 熱循環試驗

表3 力學實驗

3 力學和熱學分析

3.1 建模

圖2 基準鏡三維模型

如圖2所示，建立基準鏡座、基準鏡、膠層的三維模型，其中膠層厚度有0.005mm、0.0075mm、0.01mm、0.03mm、0.05mm、0.07mm、0.10mm。

3.2 定義材料屬性

參見表2。

3.3 劃分網格

基準鏡網格采用六面體網格，基準鏡座和膠層采用四面體網格，如圖3所示。

圖3 網格劃分

3.4 定義邊界條件

隨機振動分析和沖擊振動分析時，底面添加固定約束。熱循環分析時，對組件的外表面添加熱對流和熱輻射條件，溫度是熱循環實驗中所給的溫度。

3.5 添加載荷

應力分析時，需要把熱分析所得到的溫度分布作為載荷添加進去。

3.6 后處理

計算完成后，可以根據需要得出零件的溫度和應力分布。

其中，膠層厚度為0.01mm時，熱應力分布如圖4所示，其他厚度分布曲線如圖5所示。基準鏡上的最大熱應力為14.1MPa，發生在粘接面靠四角的位置，小于玻璃的許用應力49MPa；膠層的最大應力為24.6MPa，主要發生在四個角，小于膠的本體拉伸應力52MPa，但超過了膠的粘接剪切強度。因此，膠的粘接環節是薄弱環節，在粘接過程中，需要保證基準鏡靠邊和角的位置膠量不能過少。

圖4 熱應力分布

圖5 熱應力曲線

膠層厚度為0.01mm時，向隨機振動和沖擊振動應力分布如圖6、圖7所示，沖擊振動應力值相對較大。其中，基準鏡最大應力為3.67MPa，發生在粘接面兩側，小于玻璃的許用應力49MPa；膠層最大應力為0.2MPa，遠小于膠的本體拉伸應力52MPa和粘接剪切強度；基準鏡座最大應力4.89MPa，發生在粘接面四角處，遠小于鈦合金的許用應力932MPa。其他膠層厚度下的應力如圖8所示。可以看出，膠層越薄，膠層應力越小。

圖6 隨機振動應力分布（X軸）

圖7 響應譜分析（X軸沖擊）

圖8 不同膠層厚度下的應力變化曲線

從以上分析結構可以看出，基準鏡與基準鏡座粘接膠層為薄弱環節，需要在粘接過程中采取工藝措施，避免風險。

3.7 膠層量化控制方法

采用膠粘劑粘接的基準鏡，在以往的粘接工藝中，膠量沒有得到有效控制。膠量過少，會對粘接的可靠性產生影響，膠量過多，膠在固化過程中流動會影響粘接精度。

由于膠層厚度的量級在0.01mm，經過調研選用激光位移傳感器，絕對精度0.005mm，分辨率0.0002mm。基準鏡的粘接要求精度較高，這種傳感器的非接觸測量方式可以滿足測量要求，既可以測量鏡面，也可以測量非鏡面。測量方式如圖9所示。選取被測量器件的多個測量點，粘接前和粘接后的差值即是膠層厚度。

圖9 激光位移傳感器測膠層厚度示意圖

4 實驗結果

鈦合金底座+環氧膠6101/TY650+K9玻璃，鈦合金底座+Armstrong A-12 環氧膠+K9玻璃，精度沒有變化，如圖10所示。

圖10 環境試驗后的試件

用硅橡膠粘接的結構都沒有出現裂紋或破壞。

如圖11、圖12所示，由數據和曲線可知，環氧膠6101/TY650和Armstrong A-12 環氧膠在前2h固化收縮較快，且Armstrong A-12 環氧膠比環氧膠6101/TY650固化快。

圖11 環氧膠6101/TY650膠層隨時間變化曲線

圖12 Armstrong A-12 環氧膠膠層變化曲線

膠層厚度主要受到以下因素影響：膠的流動性、涂膠量的多少、底座的粘接面與安裝面的平行度、被粘接件重力、手動排氣泡時粘接面法向用力大小等。

底座的粘接面與安裝面的平行度對粘接精度影響較大，主要原因是膠的流動性，其中流動性環膠6101/TY650大于Armstrong A-12 環氧膠，而使用硅橡膠GD414則幾乎沒有影響，這種膠的流動性較差，且固化收縮很小。

從粘接過程可以看出，當底座平行度較差時，需要在膠固化過程中進行多次調整，都能保證最終的粘接精度，底座平行度較好時，則不需要調整（或調整次數很少）就可以保證最終的粘接精度。根據粘接實驗，建議底座粘接面平行度公差0.015mm。

通過環境實驗和力學分析可知，硅橡膠GD414粘接的結構對膠層厚度不敏感（實驗試件的膠層控制厚度在0.03～0.10mm），經過力學和熱學實驗，均沒有發生裂紋和破壞，且基準鏡指向精度和位置精度都沒有發生變化。

5 結束語

通過實驗和分析可知，綜合考慮基準鏡和膠層應力分布情況，對于鈦合金底座+環膠6101/TY650 環氧膠+K9玻璃基準鏡（15mm×15mm×15mm），最優膠層厚度為0.04～0.06mm。

選用激光位移傳感器量化控制膠層厚度，并進行粘接實驗，操作人員通過練習，能夠很快掌握膠層厚度的控制方法，為提高粘接可靠性，一致性提供了保證。

建議底座粘接面平行度公差0.015mm。

1 彭海俊. 幾何參數對復合材料厚膠層膠接的影響研究[D]. 武漢：武漢理工大學，2017

2 陸玉婷，王偉之. 大口徑膠粘主鏡裝調的有限元分析[J]. 航天返回與遙感，2017，38(1)：39～44

3 李媛，王勝男，蔡彬，等. 影響汽車板材粘接性能的研究進展[J]. 中國膠粘劑，2018，27(1)：52～55

4 范志剛，常虹，陳守謙. 膠粘光學元件的熱應力和變形分析[J]. 光學技術，2011，37(35)：366～369

5 劉強，何欣，張峰，等. 反射鏡無熱裝配中膠層厚度的計算及控制[J]. 光學精密工程，2012，20(10)：2229～2236

Research on Precision and Quantitative Control of Optical Reference Mirror Adhesive Layer

Zhang Huifeng Sun Jianbo Hu Yanxu Zhang Peng Zhang Donglai

(Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190)

In order to achieve quantitative control of the optical reference mirror adhesive layer and to optimize reference mirror bonding method, test specimen are designed and common material and adhesives are selected. The specimen model is established and finite element analysis is carried out, by which stress distribution of different adhesive layer thicknesses is researched. Bonding experiment is conducted and change of precision is studied during the curing process of the adhesive. Then thermal test and mechanical test are carried out by identification level. The reliability of the bond thickness control method is verified and the precision before and after environmental test. Conclusively, the recommended values for the adhesive layers of several common structures, which provides data support for subsequent bonding work improvements.

optical reference mirror；adhesive layer；precision；quantitative control

張慧鋒（1988），碩士，機械工程專業；研究方向：航天光學成像敏感器結構分析與設計、裝配工藝設計。

2019-12-17