裂縫線源氧化表面粘接返修工藝路線分析

吳琪露，周夢悅，李潤林

(中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

裂縫線源是雷達陣列天線中較為常見的主要零件。若干條線源組合起來就構成了雷達陣面[1]。裂縫線源單獨密封工藝是對裂縫進行密封防護的方式之一，最終形成的防護體系如圖1所示，線源內腔為陽極氧化/清漆，外表面為陽極氧化/密封材料/油漆。該工藝避免了天線罩的使用，降低了生產成本，也有利于拆換維修。

圖1 線源防護體系示意圖

雷達裝備在惡劣海洋環境下服役若干年后需返廠維修。線源外表面定位安裝處由于防護相對薄弱，容易呈現局部腐蝕，如圖2所示。這種疏松的腐蝕產物需清除干凈才可對線源重新進行氧化。長期使用后，線源外表面密封材料的密封性降低，因此需進行重新密封。為了在達到密封防護性能的同時提高生產效率，降低返修成本，須選擇合理的返修工藝路線。

圖2 線源外表面局部腐蝕(已去除密封材料)

1 返修工藝路線分析

基于線源需進行重新密封的基本要求，線源表面的密封材料必須予以拆除。可確定的返修工藝路線如圖3所示。在拋光去除腐蝕產物后，線源外表面局部無氧化膜，因此必須再次進行氧化，外表面其余位置為舊氧化膜。

圖3 可確定的返修工藝路線

對返修工藝路線中間的未確定部分分析如下：

(1) 是否需要整體去除外表面氧化膜

如果僅拋光去除局部的腐蝕產物，則省時省力，單根線源單道工序時間可控制在5 min內。但是，由于密封材料在氧化膜表面主要采取膠粘劑粘接的形式，必須考慮其余位置的舊氧化膜相較于新氧化膜的粘接性差異。

(2) 選擇物理法還是化學法(如果整體去除外表面氧化膜)

線源內外均有氧化膜，采用拋光機可以選擇性地去除線源外表面的氧化膜。但是，陽極氧化膜層具有一定厚度。如果用現有拋光機拋光，單根線源單道工序時間在20～30 min。一套裝備線源數量在百根以上，生產效率低下，且揚塵嚴重。如果采取堿洗的方式去除氧化膜，線源外表面可以獲得較好的前處理質量，但線源內腔的氧化膜也可能受到影響。線源內腔氧化膜表面存在清漆，需要考慮堿洗液對清漆的影響。

(3) 再次氧化選擇改性鈍化還是陽極氧化

陽極氧化膜膜厚較厚，一般高于10 μm，因此防護性優于改性鈍化膜，再次氧化時優選陽極氧化。但是，陽極氧化為電化學過程，工藝更為復雜。線源需在硫酸環境下通電浸泡40～50 min，再在80 ℃～90 ℃的鉻酸鹽槽液中浸15～30 min。因此，需要考慮陽極氧化及鉻酸鹽封閉過程對線源內腔清漆的影響。如果采用改性鈍化，則需要考慮改性鈍化膜與陽極氧化膜的粘接性差異。

根據以上分析，共制定4種返修工藝路線，如表1所示。其中，改性鈍化和陽極氧化均為裂縫線源整體下槽，氧化過程對舊氧化膜無明顯影響。

表1 線源返修工藝路線及特點

2 試驗部分

分析(1)和(3)涉及到膠粘劑在新舊氧化膜表面及不同氧化膜表面的粘接強度問題，粘接強度直接關系到密封罩的密封性，而分析(2)和(3)則涉及到工藝路線的可行性問題。為此，設計兩組試驗，一組為試板試驗，直接對比膠粘劑在不同氧化膜表面的拉伸剪切強度；另一組為工藝試驗，線源按幾種工藝路線分別進行返修，再進行環境試驗考察。

2.1 試板試驗

膠粘劑的拉伸剪切試驗參照GB/T 7124-2008《膠粘劑 拉伸剪切強度的測定》進行。鋁試板全部由單根廢舊線源加工獲得，試板尺寸為1.6 mm×25 mm×100 mm。該線源陽極氧化膜已形成3年以上，膜層完好。密封材料的主體為聚四氟乙烯材質，并進行黑化處理。據此，準備聚四氟乙烯試板，尺寸為1.5 mm×25 mm×100 mm，表面黑化。膠粘劑采用線源單獨密封工藝專用的雙組分環氧膠粘劑。

樣品類型設計為4類：①舊陽極氧化膜(未打磨粗化)采用線源直接加工獲得；②舊陽極氧化膜(打磨粗化)是由線源加工成試板后再使用氣磨機(120目植絨砂紙)打磨粗化獲得；③新改性鈍化膜(未打磨粗化)是由線源加工成試板后堿洗去氧化膜再改性鈍化獲得；④新陽極氧化膜(未打磨粗化)是由線源加工成試板后堿洗去氧化膜再陽極氧化獲得。每類樣品準備5組試板。

鋁-聚四氟乙烯(黑化)間膠粘劑的粘接強度與密封材料粘接在鋁制線源表面的密封性直接相關，每組采用2塊鋁板包夾在1塊PTFE試板兩面進行對拉測試。同時，也對鋁-鋁間膠粘劑的粘接強度進行了測試，每組采用2塊鋁板對拉，進一步對比鋁材表面狀態對粘接強度的影響。拉伸剪切強度測試現場如圖4所示。圖4(a)為對拉試驗，圖4(b)為鋁-聚四氟乙烯(黑化)-鋁試驗組試驗后，圖4(c)為鋁-鋁試驗組試驗后)。拉伸剪切試驗結果如表2所示。

圖4 拉伸剪切強度測試

表2 拉伸剪切試驗結果

分析試驗數據，得出結論如下：

(1) 氧化膜種類對粘接強度的影響：③新改性鈍化膜(未打磨粗化)<④新陽極氧化膜(未打磨粗化)，這表明膠粘劑在陽極氧化膜表面的粘接強度高于改性鈍化膜；

(2) 氧化膜表面粗糙度對粘接強度的影響：①舊陽極氧化膜(未打磨粗化)<②舊陽極氧化膜(打磨粗化)，這表明打磨粗化增加了鋁材的表面粗糙度，可有效增加膠粘劑的粘接強度；

(3) 氧化膜形成時間對粘接強度的影響：①舊陽極氧化膜(未打磨粗化)<④新陽極氧化膜(未打磨粗化)，這表明膠粘劑在新陽極氧化膜表面的粘接強度明顯高于舊陽極氧化膜；

(4) 新陽極氧化膜(未打磨粗化)對比②舊陽極氧化膜(打磨粗化)，粘接強度未呈現明顯優勢。

2.2 工藝試驗

根據表1中列出的返修工藝路線，對舊線源進行工藝試驗。共設計5組試驗，每組試驗采取3根舊線源，具體工藝路線如表3所示。其中，改性鈍化和陽極氧化均為裂縫線源整體下槽，氧化過程對舊氧化膜無明顯影響。

表3 線源返修工藝試驗

試驗1和試驗2直接對線源局部(清除腐蝕產物處)進行陽極氧化。陽極氧化采用稀硫酸溶液，電壓13～15 V，電流密度(1.0～1.5)×10-4mm2，溫度20 ℃，時間45 min。陽極氧化后進行鉻酸鹽封閉，溫度80 ℃，時間30 min。最終，線源內腔清漆無脫落現象，線源外表面清除腐蝕產物處正常氧化，舊氧化膜無明顯變化。試驗2又對線源外表面進行打磨粗化，單根耗時3 min。

試驗3和試驗4均拋光去除線源外表面氧化膜，如圖5(a)所示，單根耗時約20～30 min。經陽極氧化(鉻酸鹽封閉)后線源外表面如圖5(b)所示。由于線源未進行堿洗前處理，僅依靠機械拋光氧化膜，而氧化膜底層為本色，與鋁材顏色接近，難以目視辨別，導致線源局部氧化膜容易清除不徹底。線源再次下氧化槽，未清除干凈的氧化膜處不會再形成新鮮氧化膜，氧化膜厚度均勻性難以保持一致，鉻酸鹽封閉后容易呈現深淺不一的花紋。

試驗5所采取的堿洗配方為NaOH 5 g/L水～9 g/L水、Na2CO330 g/L水～50 g/L水、Na3PO440 g/L水～60 g/L水、OP-10乳化劑1 g/L水～3 g/L水，溫度60 ℃～80 ℃，時間90 s±15 s。線源堿洗后如圖5(c)所示。線源外表面及法蘭表面氧化膜已基本去除，但線源內腔清漆局部脫落，清漆底部的氧化膜局部去除。如果先泡酸2～4 h去除清漆，再線源內外重新陽極氧化，強酸用量大，生產效率低，經濟性和工藝性都較差。

圖5 工藝試驗

在自然環境下，氧、熱、光、水都可能引起膠粘劑的粘接強度逐漸下降[2]，因此需要考慮環境應力對粘接性能的影響。對試驗1～4各線源進行GJB 150A規定的低溫貯存試驗(GJB 150.4A，-40 ℃，24 h)、高溫貯存試驗(GJB 150.3A，70 ℃，24 h)、交變濕熱試驗(GJB 150.9A，10 d)，再進行充氣試漏(0.03 MPa)。在各項環境試驗后，線源均未發生漏氣。這表明，就密封性而言，工藝路線1～4在短期內均可行。

3 試驗結論

試板試驗和線源的工藝試驗結果表明，表面狀態為新陽極氧化膜(未打磨粗化)和舊陽極氧化膜(打磨粗化)時，膠粘劑的粘接強度相對最好，且二者粘接強度差別不大，陽極氧化及其后處理過程對線源內腔氧化膜和清漆均無明顯影響，因此宜采取陽極氧化進行返修。另外，考慮到線源外表面整體去除氧化膜，化學法(堿洗)不可行，物理法耗時較長(單根耗時20～30 min)，宜采取舊陽極氧化膜打磨粗化的返修路線(單根耗時3 min)。

最終確定的返修工藝路線如圖6所示。

圖6 優選返修工藝路線

4 結束語

通過對線源多種返修工藝路線的分析與試驗，最終確定了打磨粗化舊陽極氧化膜的返修方案。該方案可以確保膠粘劑在舊氧化膜表面呈現出與新鮮陽極氧化膜相近的粘接強度， 從而達到與新線源相近的密封性，同時生產效率高、產生粉塵少，兼顧了產品可靠性、環境友好性和經濟效益。