基于換能器金屬表面清潔效果的檢測方法研究

謝程鋒，徐 匡，張 權，黃麗蓉

(中國船舶重工集團公司第七一五研究所，浙江 杭州 310018)

換能器金屬零部件在裝配之前應進行徹底的清洗，其目的在于：1)保證換能器的絕緣強度，使換能器通電電路中有良好的導電性；2)安全的機械強度，特別是粘接、密封強度。換能器金屬零部件表面不同程度地粘有的油性污垢是一種有機類污垢，主要由金屬零部件加工過程中的乳化液(烷基、烯基、炔基、羧基、酯基、磺酸鈉等)、機油(烷基、苯基等)等油污組成；目前，中國船舶重工集團公司第七一五研究所主要采用有機溶劑完成油性污垢的清潔處理，清潔處理后未進行及時有效的檢測，而是基于后續粘接效果進行判別，不能及時發現、避免清潔不充分的金屬零部件流入裝配環節，造成裝配產品不必要的浪費，且存在一定的質量隱患。在此，基于金屬表面清潔效果所涉及的各種檢測方法進行適應性研究，判斷其在換能器金屬零部件表面清潔效果檢測的應用效果，供金屬零部件清洗行業相關人員參考。

為使所研究的清潔效果檢測方法嚴謹有效，充分參考國家標準(GB/T 35759—2017《金屬清洗劑》、GB/T 15254—2014《硫化橡膠與金屬粘接180°剝離試驗》)及清洗行業的新興檢測方法(熒光值的測量、達因值測量)，應用現有成熟方法及新方法完成本次換能器金屬零部件表面清潔效果檢測方法的探究。

1 應用研究

1.1 凈洗力測量

凈洗力測量[1]主要根據GB/T 35759—2017《金屬清洗劑》[2]進行本次測量試驗(試驗流程如圖1所示)，其原理是使用清洗劑清潔試片上的人工油污時會有一定的油污殘留，通過測量試驗前后的質量可以判斷油污清潔的程度。

人工油污配制：根據GB/T 35759—2017《金屬清洗劑》制備用于凈洗力試驗的人工油污，由石油磺酸鋇、羊毛脂鎂皂、羊毛脂、工業凡士林、20號機械油、30號機械油、鈣劑潤滑油及氧化鋁組成。

凈洗力測量試驗采用單因素對比法，除金屬材料種類不同外，其他試驗操作均相同，選用45鋼、TC4和321這3種材料各4片試片進行該試驗。

按照凈洗力測量試驗流程圖開展試驗，經試驗稱量得到各階段的試片質量。凈洗力(ω2)用洗去油污的質量分數表示，按式1計算獲得某清洗劑針對不同金屬的凈洗力情況，詳見表1。

圖1 凈洗力測量試驗流程圖

(1)

表1 凈洗力試驗情況表

根據GB/T 35759—2017《金屬清洗劑》凈洗力試驗的結果評定標準，即在試片的平行試驗所得凈洗力計算值中，應至少有2片的數值相差不超過3%，由此可知表1各類金屬材料所測數據結果有效，可判斷該清洗劑針對不同金屬表面的清潔效果，即利用凈洗力測量可直觀地判斷表面清潔程度，凈洗力越大，表面越潔凈；受限于凈洗力測量檢驗耗時較長，且因試樣標準化要求導致無法在產品生產階段予以應用，只能在實驗室內作為校驗其他方法用。

1.2 粘接強度測量

粘接強度測量主要根據GB/T 15254—2014《硫化橡膠與金屬粘接180°剝離試驗》[3]進行本次測量試驗(試驗流程如圖2所示)，其原理是通過測量橡膠與金屬之間的粘接強度來判斷金屬表面油污清潔程度、表面粗化程度等是否滿足要求。

圖2 粘接強度測量試驗流程圖

粘接強度測量試驗采用單因素對比法，除金屬材料種類不同外，其他試驗操作均相同，選用45鋼、TC4和321這3種材料各5片試片進行該試驗，按粘接強度測量試驗流程將試片制成待測量狀(見圖3)。

圖3 粘接強度測量試驗試片硫化后示意圖

根據GB/T 15254—2014《硫化橡膠與金屬粘接180°剝離試驗》規定，使用拉力試驗機在相同條件下分別對2種清洗劑處理后所制試片進行粘接剝離測量，并利用畫等高線方法取其剝離曲線上力的平均值作為試片的平均剝離力，同時讀取每個試片剝離曲線上的最大剝離力、最小剝離力。橡膠與試片粘接的剝離強度可通過式2計算得出，具體試驗數據詳見表2。

(2)

式中，σb是橡膠與金屬粘接剝離強度，單位為kN/m；C是剝離曲線的負荷坐標單位長度所代表的力，單位為N/cm；H是剝離長度內剝離曲線的平均高度，單位為cm；B是試片粘接面的平均寬度，單位為mm。

表2 粘接強度剝離力情況表

根據GB/T 15254—2014《硫化橡膠與金屬粘接180°剝離試驗》完成粘接強度測量，在其他因素不變的基礎上，金屬表面清潔程度越高，其與橡膠粘接越牢靠，即粘接強度越大；故粘接強度測量可作為評價換能器金屬表面清潔效果的佐證手段。

1.3 達因值測量

達因值是一種通俗叫法，準確地說應該是表面張力系數，主要是表述表面張力的大小[4]；達因值測量利用達因筆完成，達因筆是試片表面張力的專用測試工具，通過判斷痕跡是潤濕了基材表面還是收縮成水珠獲得達因值，達因值越高表明表面張力越大，即材料表面越潔凈，達因值測量流程如圖4所示。當一滴液體與固體表面接觸后，接觸面會自動增大的過程，即所謂的浸潤，它是液體與固體表面接觸時發生的分子間相互作用的現象；液體的浸潤主要是由表面張力所引起的，液體與固體都有表面張力，對液體稱為表面張力，而固體稱為表面能，常用符號γ表示。達因值測量原理示意圖如圖5所示，圖5中，γL為液體的表面張力，γS為固體的表面能，γSL為固體和液體之間的界面張力，θ為接觸角。接觸角θ是通過固、液、氣三相交點所作液滴曲面切線與液滴接觸固體平面的夾角。由圖5可見，固體的表面能使液滴鋪展開，而液體的表面張力則使液滴收縮，液體對固體表面浸潤性和固體的表面能與液體的表面張力有著直接的關系。

圖4達因值測量試驗流程圖

圖5 達因值測量原理示意圖

按照達因值測量試驗流程圖開展試驗(見圖6)，測量不同清洗方式下的試片達因值，所得數據詳見表3。

圖6 達因值測量過程示意圖

表3 不同清洗劑浸泡清洗后的試片達因值

根據圖6及表3數據可知，利用達因值可測量試片表面達因值(表面張力)，通過達因值測量反映換能器金屬表面清潔效果，達因值越大，表面越潔凈；受限于達因值測量檢驗產品過程中導致產品的二次污染，故不宜在產品生產階段予以應用，只能在實驗室內作為校驗其他方法用。

1.4 熒光值測量

熒光值測量[5]利用表面清潔度儀(見圖7)完成。表面清潔度儀是通過熒光法對金屬表面上的污染物進行測試，其可查出金屬表面諸如油漬、油脂、冷卻潤滑液以及蠟等污染物，即因油漬、油脂、冷卻潤滑液以及蠟等污染物的熒光特性，通過一個含紫外光波(365 nm)的LED燈照射，污染物將輻射出熒光，通過對特定波長(460 nm)的熒光探測，表面清潔度儀即可實現污染物的探測(見圖8)，且儀器探頭里的光電二極管負責測量熒光的強度，熒光值越大表示污染越大，反之越潔凈。熒光值測量流程如圖9所示。

按照熒光值測量試驗流程圖開展試驗，測量不同清洗時長條件下的試片熒光值，所得數據如圖10所示。

圖7 表面清潔度儀示意圖

圖8 SITA表面清潔度儀原理圖

圖10 熒光值測量試驗流程圖

圖10中，隨著浸泡時間的增長，熒光值呈現先快速下降再趨于平緩；經分析，當試片放置于清洗劑中清洗時，表面機油油污溶解于清洗劑中，隨著浸泡時間的增長，溶解程度越高(易溶區域快速溶解，極難溶解的孔洞區域緩慢溶解)，且溶解的油污隨時間的增長更加均勻地分布在清洗劑之中，因此，圖10整體呈現隨浸泡清洗時間的增長金屬表面熒光值先快速下降再趨于平緩。由此表明，通過熒光值測量可反映換能器金屬表面清潔效果，熒光值越小，表面越潔凈。受益于表面清潔度儀的使用便攜性及測量準確性，可在產品生產階段、實驗階段予以廣泛應用。

2 結語

目前，應用于金屬表面清潔程度的檢測技術日趨多樣，而國內外對換能器金屬表面清潔程度的檢測技術研究較少。本文概述了凈洗力、粘接強度在換能器金屬表面清潔效果的檢測應用，并對新型檢測方法的達因值、熒光值的檢測應用效果進行了詳細介紹，肯定了熒光值檢測的突出優異性。該研究為本所換能器金屬表面清潔效果檢測提供了一種新的方向，為提升換能器的質量貢獻了一份力量，也希望能為工程人員提供換能器金屬表面清潔效果檢測方法方面的參考。