引爆裝置長(zhǎng)期儲(chǔ)存失效研究?

丁躍偉 趙洪海 程 濤 同作龍

陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所(陜西西安，710061)

引言

火工品的壽命歷程一般包括制造、交付、裝卸、運(yùn)輸、裝配、勤務(wù)處理、儲(chǔ)存、使用、退出使用或報(bào)廢等事件，在使用前的絕大部分時(shí)間都是處于儲(chǔ)存狀態(tài)。對(duì)于軍用火工品，儲(chǔ)存時(shí)間至少為15 a[1]。在儲(chǔ)存過(guò)程中，環(huán)境因素(如溫度、濕度)的影響可能造成火工品的參數(shù)漂移、性能退化甚至失效[2-6]?；鸸て吩诃h(huán)境因素影響下產(chǎn)生的性能變化包含兩個(gè)方面:一是火工品的作用可靠性，即火工品在受到指定的能量刺激下能夠可靠發(fā)火、完成設(shè)計(jì)目標(biāo)；二是火工品的使用安全性[7-8]，即火工品在勤務(wù)處理或復(fù)雜環(huán)境(如電磁環(huán)境)下不發(fā)生意外發(fā)火等安全事故。為保證火工品使用的安全性和可靠性，研究它在儲(chǔ)存過(guò)程中的性能變化十分必要。

常用的火工品儲(chǔ)存試驗(yàn)方法有兩種。一種是自然儲(chǔ)存試驗(yàn)。這種方法最接近真實(shí)狀態(tài)，數(shù)據(jù)最為準(zhǔn)確；但會(huì)耗費(fèi)巨大的人力、物力與時(shí)間。且隨著長(zhǎng)壽命元器件的出現(xiàn)，釆用常規(guī)自然儲(chǔ)存試驗(yàn)，有時(shí)甚至是不可能的。另一種是加速壽命試驗(yàn)。通過(guò)加大應(yīng)力的方法促使退化過(guò)程加速，使樣品在短期內(nèi)失效，很大程度上縮短了試驗(yàn)的時(shí)間，提高了試驗(yàn)的效率，降低了試驗(yàn)的成本。加速壽命試驗(yàn)的基本原理是在不改變?cè)骷C(jī)理的前提下，通過(guò)適當(dāng)提高誘發(fā)器件失效的應(yīng)力條件(溫度、濕度、振動(dòng)等中的一種或幾種的組合)來(lái)加速元器件的退化或者失效。本文中，在自然儲(chǔ)存的基礎(chǔ)上進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，對(duì)某引爆裝置進(jìn)行儲(chǔ)存壽命研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)樣品

引爆裝置由殼體、雙橋電雷管、墊片、擋圈等零部件組成。雙橋電雷管是核心組成部分，由電極塞、橋絲、殼體、輸出底帽等組成。橋絲材料為NiCr。引爆裝置已經(jīng)自然儲(chǔ)存12 a，結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 引爆裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure of the detonating device

該引爆裝置的作用原理:當(dāng)接收到預(yù)定起爆能量之后，橋絲溫度升高，起爆與橋絲緊密接觸的始發(fā)裝藥，引爆中間裝藥、輸出裝藥，爆轟能量逐級(jí)放大，最終輸出威力可完全起爆下級(jí)聚能切割索。

1.2 試驗(yàn)儀器

HT201型低溫恒溫恒濕試驗(yàn)箱，重慶五環(huán)試驗(yàn)儀器有限公司；DMM4050型電阻測(cè)試儀，美國(guó)泰克公司；VEGATS5136型掃描電鏡，捷克泰思肯公司。

1.3 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)項(xiàng)目

GJB 736.8—1990?火工品試驗(yàn)方法71℃試驗(yàn)法?是國(guó)內(nèi)常用的一種火工品加速儲(chǔ)存壽命試驗(yàn)方法，利用加速度系數(shù)，由高溫下的試驗(yàn)時(shí)間推算常溫下的儲(chǔ)存壽命。而火工品實(shí)際儲(chǔ)存環(huán)境包括溫度和濕度兩個(gè)因素，陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/AH 0180—1993?火工品加速壽命試驗(yàn) 高溫高濕試驗(yàn)法?給出了基于溫度、濕度的雙因素加速壽命試驗(yàn)方法。為了更準(zhǔn)確地考核引爆裝置的儲(chǔ)存壽命，采用的加速試驗(yàn)時(shí)間根據(jù)GJB 736.8—1990?火工品試驗(yàn)方法71℃試驗(yàn)法?中的確定，試驗(yàn)條件按照Q/AH 0180—1993?火工品加速壽命試驗(yàn)高溫高濕試驗(yàn)法?中的確定，即溫度71℃、相對(duì)溫度95%時(shí)，加速儲(chǔ)存21 d。

試驗(yàn)樣品為30發(fā)，試驗(yàn)周期21 d，每7 d取出試驗(yàn)樣品進(jìn)行電阻測(cè)試、形貌檢查。樣品取出后，在常溫干燥器內(nèi)放置24 h，再進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。測(cè)試完畢，樣品重新放入低溫恒溫恒濕試驗(yàn)箱進(jìn)行儲(chǔ)存。

2 結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)樣品為30發(fā)，在高溫儲(chǔ)存21 d后，有1發(fā)產(chǎn)品出現(xiàn)了電阻超差。表1給出了71℃、相對(duì)濕度95%試驗(yàn)條件下產(chǎn)生電阻超差的故障產(chǎn)品的電阻的測(cè)量結(jié)果。引爆裝置采用了雙橋冗余設(shè)計(jì)，兩個(gè)橋絲的電阻分別為電阻I、電阻II。

表1 故障產(chǎn)品電阻檢測(cè)Tab.1 Resistance detection of faulty products Ω

從表1可以看出，在進(jìn)行完加速儲(chǔ)存試驗(yàn)后，故障產(chǎn)品電阻突然增大，跟試驗(yàn)前的電阻相比較，出現(xiàn)了顯著性差異，從2.33Ω變?yōu)?.01Ω。采用解剖分析、掃描電鏡等手段對(duì)故障原因進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)失效機(jī)理進(jìn)行了研究。

2.2 失效模式分析

為分析產(chǎn)生故障的原因，建立的產(chǎn)品故障樹如圖2所示。

圖2 電阻超差故障樹Fig.2 Out-of-tolerance fault tree of resistance

從故障樹看出，產(chǎn)生電阻超差有3個(gè)原因:

1)橋絲腐蝕。橋絲腐蝕是由于在長(zhǎng)期儲(chǔ)存過(guò)程中材料不相容、自身長(zhǎng)期儲(chǔ)存性能不好、焊接過(guò)程中焊點(diǎn)沒有清洗干凈等原因造成的。腐蝕后，橋絲電阻變大。

2)橋絲拉長(zhǎng)。在焊接過(guò)程中橋絲沒有弧度，試驗(yàn)過(guò)程中橋絲受應(yīng)力作用拉長(zhǎng)，造成電阻超差。

3)橋絲焊接質(zhì)量不好。在高溫儲(chǔ)存試驗(yàn)過(guò)程中，橋絲與焊點(diǎn)的熱膨脹系數(shù)有一定的差異，造成橋絲與焊點(diǎn)間虛焊，從而造成電阻超差。

該引爆裝置所用橋絲為6J10鎳鉻合金絲；與橋絲接觸的藥劑為氮化鉛，為火工品常用藥劑，自身長(zhǎng)期儲(chǔ)存性能好；且6J10橋絲與氮化鉛之間的相容性滿足要求，不會(huì)出現(xiàn)由于自身長(zhǎng)期儲(chǔ)存性能不好而腐蝕的現(xiàn)象。

對(duì)故障產(chǎn)品解剖后，采用掃描電鏡和能譜分析對(duì)故障橋絲焊點(diǎn)處進(jìn)行測(cè)試(圖3)。從圖3(a)可以看出，橋絲端頭沒有出現(xiàn)被拉斷或腐蝕現(xiàn)象，驗(yàn)證了電阻超差是由于化學(xué)反應(yīng)引起的。從圖3(b)能譜圖看出:焊點(diǎn)處主要成分為Sn、Pb、Ni、Cr，這是金屬焊錫絲和橋絲的主要成分；沒有檢測(cè)出助焊劑的主要成分Cl，表明該焊點(diǎn)焊接完成之后清洗干凈，無(wú)氯離子殘留。故排除了由于焊液未清洗干凈而引起腐蝕造成的電阻超差。

圖3 焊點(diǎn)處橋絲掃描電鏡照片與能譜圖Fig.3 SEM image and energy spectrum of solder joint of the bridge wire

在清理橋絲表面藥劑過(guò)程中，故障橋絲一端從焊點(diǎn)處脫落。對(duì)故障橋絲與正常橋絲的長(zhǎng)度與橫截面面積進(jìn)行了測(cè)量，兩者的橫截面面積與長(zhǎng)度均一致。掃描電鏡照片如圖4所示。從圖4也可以看出，故障橋絲與正常橋絲外觀上沒有顯著差異。

圖4 橋絲掃描電鏡圖Fig.4 SEM images of the bridge wire

用掃描電鏡對(duì)脫落橋絲的端頭與橋絲焊點(diǎn)處進(jìn)行形貌及能譜分析(圖5)。從圖5(b)可以看出，主要成分為Sn、Pb，為金屬焊錫絲的主要成分，無(wú)橋絲的成分Ni、Cr。故焊點(diǎn)處沒有殘余橋絲成分，表明橋絲端頭不是被拉斷或腐蝕，橋絲是在清理表面火工藥劑時(shí)受到外力作用后從焊點(diǎn)處自由脫離的。

圖5 脫落橋絲焊點(diǎn)處的掃描電鏡照片與能譜圖Fig.5 SEM image and energy spectrum of solder joint of the falling bridge wire

通過(guò)對(duì)圖3～圖5結(jié)果的分析，可以判定引爆裝置電阻超差是由于橋絲虛焊引起的。

2.3 失效機(jī)理分析

橋絲與引爆裝置腳線焊接通過(guò)軟釬料潤(rùn)濕結(jié)合金屬表面，利用擴(kuò)散作用在界面產(chǎn)生合金層(金屬間化合物)，從而結(jié)成一體。潤(rùn)濕是指軟釬料借助毛細(xì)管現(xiàn)象在接合金屬表面上充分鋪展開。為使熔融的軟釬料潤(rùn)濕固體金屬表面，被焊金屬表面必須是潔凈的，這樣軟釬料與被接合的基體金屬的原子間距離才能接近到原子間力作用的程度。接合過(guò)程中，在發(fā)生潤(rùn)濕現(xiàn)象后立即伴有擴(kuò)散作用，因而形成了界面層或合金層。擴(kuò)散是指晶格中金屬原子從一個(gè)晶格向其他晶格自由移動(dòng)，移動(dòng)的速度及數(shù)量與溫度和時(shí)間有關(guān)。由擴(kuò)散而形成的合金層，對(duì)接合部的物理、化學(xué)性能，特別是機(jī)械性能、抗蝕性能有很大的影響。擴(kuò)散數(shù)量與濃度梯度、擴(kuò)散系數(shù)、擴(kuò)散面積、擴(kuò)散時(shí)間等有關(guān)。

因此，引起虛焊的條件:1)腳線、橋絲表面不潔凈，表面氧化既不發(fā)生潤(rùn)濕又不發(fā)生擴(kuò)散；2)焊接溫度偏低或焊接時(shí)間偏短。

從圖3、圖5中可以看出，橋絲端頭沒有被拉斷或腐蝕，且未出現(xiàn)焊液成分。因此，判斷引起橋絲虛焊的原因是焊接溫度偏低或者焊接時(shí)間偏短。長(zhǎng)期儲(chǔ)存前，橋絲焊點(diǎn)光滑圓潤(rùn)，有一定弧度，電阻正常。在長(zhǎng)時(shí)間高溫、高濕環(huán)境加載下，尤其是多次濕熱環(huán)境加載下，因橋絲與焊點(diǎn)的熱膨脹系數(shù)有微小的差別，橋絲受熱應(yīng)力的影響造成焊接瑕疵部分被放大，開始表現(xiàn)為電阻逐漸增大至出現(xiàn)電阻超差，進(jìn)而表現(xiàn)為橋絲與焊點(diǎn)接合松動(dòng)，最終橋絲從焊點(diǎn)處脫開，橋絲連接開路，造成失效。

3 結(jié)論及建議

依據(jù)Q/AH 0180—1993?火工品加速壽命試驗(yàn)高溫高濕試驗(yàn)法?和GJB 736.8—1990?火工品試驗(yàn)方法71℃試驗(yàn)法?對(duì)某引爆裝置進(jìn)行了儲(chǔ)存試驗(yàn)。結(jié)果顯示，該引爆裝置在高溫儲(chǔ)存試驗(yàn)后出現(xiàn)電阻超差現(xiàn)象，表明:高溫、高濕環(huán)境引起的界面應(yīng)力差異使得產(chǎn)品微缺陷放大，以致性能參數(shù)發(fā)生改變。

采用故障樹分析法、掃描電鏡測(cè)試、能譜測(cè)試等對(duì)失效模式與失效機(jī)理進(jìn)行了分析，表明電阻超差帶來(lái)的失效是在濕熱環(huán)境應(yīng)力加載下由虛焊引起的焊點(diǎn)瑕疵放大造成的。通過(guò)對(duì)失效機(jī)理的分析，獲得失效原因是焊接溫度偏低或焊接時(shí)間偏短。

依據(jù)失效模式、失效機(jī)理的分析，結(jié)合該失效模式在生產(chǎn)和試驗(yàn)過(guò)程檢測(cè)難度較大的情況，建議:

1)焊接前進(jìn)行電極塞腳線端、橋絲的可焊性測(cè)試；2)進(jìn)一步完善工序傳遞規(guī)范、焊接流程與工藝，提升焊接的自動(dòng)化程度；3)在生產(chǎn)和裝配過(guò)程中，對(duì)完成的焊橋進(jìn)行一定周期的高溫老化試驗(yàn)。