液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)薄膜式電加熱器裝配工藝試驗(yàn)

張華龍，閆明輝，李小剛，楊 華

(西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，陜西 西安 710100)

0 引 言

薄膜電加熱器是空間飛行器熱控分系統(tǒng)實(shí)施主動(dòng)加熱控制的器件，廣泛應(yīng)用于航空航天熱管理領(lǐng)域。電加熱器通過使用不同阻值和尺寸的加熱片，為設(shè)備相關(guān)部位提供所需熱量，使其運(yùn)行在一定的溫度條件下，維持其工作性能。某液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)存在低溫工作環(huán)境，需采用薄膜式電加熱器對發(fā)動(dòng)機(jī)上貯箱、氣瓶、推力裝置、管路等關(guān)鍵零組件進(jìn)行加熱，保證發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常工作。發(fā)動(dòng)機(jī)的電加熱器裝配工藝過程為純手工操作，結(jié)構(gòu)、形式多樣，裝配質(zhì)量穩(wěn)定性差，裝配效率低，存在回路斷路、絕緣故障、粘貼膠液厚度不均勻、膠液氣孔較多等問題。筆者通過對薄膜式電加熱器粘貼工藝試驗(yàn)的研究，總結(jié)出適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的薄膜電加熱器裝配工藝方法，指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)電加熱器的裝配，解決薄膜電加熱器裝配過程中出現(xiàn)的裝配質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，提高發(fā)動(dòng)機(jī)電加熱器裝配質(zhì)量可靠性。

1 研究內(nèi)容及要求

某液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的薄膜式電加熱器主要用于推力室、閥門、貯箱、通、氣瓶等部位加熱。根據(jù)不同零件外形，電加熱器粘貼形式主要分為圓柱面、平面、球面粘貼3種形式。電加熱器通過GD414硅橡膠粘在產(chǎn)品上，GD414硅橡膠固化機(jī)理為通過接觸空氣中微量水分(濕氣)發(fā)生縮合反應(yīng)，在室溫下自行脫醇硫化形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的彈性體[1]。GD414膠液使用方便，具有優(yōu)良的耐高低溫性能(可在-60 ℃～200 ℃長期使用)，對多種金屬和非金屬材料有良好的粘接性[2]。薄膜型電加熱器的裝配流程如圖1所示，將電加熱器表面擦拭干凈，在電加熱器上涂抹GD414膠液，將其粘貼至被加熱產(chǎn)品上，用膠帶或線繩等方式綁扎固定，待膠液固化后清理殘余膠液，對粘貼后電加熱器進(jìn)行檢查測試，保證電加熱器通電加熱正常工作。

圖1 電加熱器的裝配流程圖

硫化硅橡膠GD414膠液存在其特定的固化特性，由于發(fā)動(dòng)機(jī)裝配薄膜型電加熱器粘接空間位置、環(huán)境條件、粘接面的材料等存在較大的差異，同時(shí)為保證粘接固化質(zhì)量，需進(jìn)行加壓固定，針對不同的結(jié)構(gòu)，需開展加壓固定方式的研究，針對不同組件(如通、推力室、氣瓶、導(dǎo)管等)的外形尺寸、空間結(jié)構(gòu)和操作方便性等特點(diǎn)，制作不同尺寸、型面的模板工裝，研究適用于不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的零組件電加熱器粘貼固化方法。

2 工藝試驗(yàn)及分析

影響電加熱器裝配質(zhì)量的因素較多，主要有GD414硫化硅橡膠的涂覆厚度及其均勻性、氣孔趕出方法、綁扎固定方法等，因此在薄膜型電加熱器的粘接工藝進(jìn)行研究時(shí)，需開展涂膠厚度對加熱效果影響、氣孔趕出方法、適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的電加熱器粘貼固化工藝方法三個(gè)方面的工藝研究。

根據(jù)研究內(nèi)容，開展薄膜式電加熱器粘接試驗(yàn)、加熱試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析總結(jié)。

2.1 制作工裝模板

電加熱器的GD414膠液為手工涂抹，且具有一定的厚度，為保證GD414膠液涂抹均勻性，根據(jù)各電加熱器外形，制作了工裝模板，如圖2所示。涂抹GD414膠液時(shí)，將電加熱器放置于工裝模板上壓緊，涂抹膠液后用塑料板片將GD414膠液表面平整均勻，再將電加熱器從模板內(nèi)取出進(jìn)行粘貼。粘貼固化后厚度均勻，能夠有效排除φ2 mm以上大氣孔。

圖2 電加熱器工裝模板圖

2.2 膠液固化時(shí)間試驗(yàn)

在被粘貼產(chǎn)品金屬表面、牛皮紙、聚酰亞胺薄膜表面(模擬電加熱器表面)上涂GD414硅橡膠對比，檢查膠液固化時(shí)間，膠液粘貼情況見表1。

表1 膠液粘貼情況

經(jīng)過試驗(yàn)分析，0.5 mm、0.8 mm厚度時(shí)， GD414硅橡膠與空氣充分接觸約20 min時(shí)，表面開始凝固，30 min后表面已形成凝固層，此時(shí)不宜進(jìn)行粘貼。因此GD414硅橡膠應(yīng)在涂抹后20 min內(nèi)進(jìn)行粘貼，效果最好。0.1 mm厚度時(shí)，膠液較薄，能夠與空氣中水分充分接觸，固化更快。

2.3 電加熱器粘貼加熱試驗(yàn)

根據(jù)電加熱器的圓柱面、平面、球面3種粘貼形式，進(jìn)行電加熱器粘貼工藝試驗(yàn)。通過工裝模板控制GD414硅橡膠膠液厚度，涂膠后靜置5～15 min，讓膠液充滿電加熱器表面，粘貼時(shí)將一端先粘貼平整，依次向前輕壓，邊粘貼邊趕氣孔，可有效避免涂抹膠液時(shí)夾雜空氣形成氣孔。

2.3.1 圓柱面電加熱器粘貼試驗(yàn)

選取發(fā)動(dòng)機(jī)上的10 N電磁閥圓柱面，進(jìn)行粘貼試驗(yàn)。按涂膠厚度(0.5 mm、0.8 mm、1.0 mm)、膠液靜置時(shí)間(5 min、10 min、15 min)、綁扎固定方式(布帶綁扎、3M膠帶、線繩固定方式)選擇不同的工藝參數(shù)要求，共粘貼了9件電加熱器，粘貼后目視檢查外觀無氣孔。通過對比，采用線繩固定方式，10 N電磁閥的電加熱器固定牢固，受力均勻，而布帶固定由于產(chǎn)品尺寸小容易造成電加熱器滑動(dòng)錯(cuò)位，3 M膠帶固定則在引線處容易起翹。粘貼后，涂膠厚度為選擇0.5 mm和1.0 mm的電加熱器進(jìn)行加熱試驗(yàn)，檢查溫度上升速率，試驗(yàn)情況見表2。

表2 加熱溫度變化記錄表 /℃

經(jīng)檢查測試，電加熱器正常工作，無短路、斷路現(xiàn)象。0.5 mm和1.0 mm粘貼厚度，通電加熱后溫度-時(shí)間曲線變化一致，隨著加熱時(shí)間溫度上升，在15 min左右，溫度基本達(dá)到平衡。在相同加熱功率下，GD414膠液薄，加熱溫度相對較高，通過加熱溫度對比，0.5 mm厚度GD414的電加熱器溫度比1.0 mm高約2.5 ℃。

2.3.2 平面電加熱器粘貼試驗(yàn)

選取發(fā)動(dòng)機(jī)上的通平面，進(jìn)行粘貼試驗(yàn)。綁扎固定方式為3 M膠帶固定方式，按涂膠厚度(0.1 mm、0.5 mm)、膠液靜置時(shí)間(5 min、10 min、15 min)選擇不同的工藝參數(shù)要求，粘貼6件電加熱器。

粘貼固化后，對電加熱器外觀進(jìn)行檢查，0.1mm厚度的電加熱器在引線周圍及邊緣存在約10個(gè)小氣孔，其余部位無氣孔， 0.5mm厚度的電加熱器外觀目視檢查無氣孔。

選取粘貼厚度0.1 mm和0.5 mm各選取1件撕開后檢查，粘貼厚度0.5 mm的電加熱器在膠液內(nèi)存在約20個(gè)氣孔(氣孔尺寸約為φ0.5 mm)，0.1 mm厚度的電加熱器在引線及邊緣存在約10個(gè)小氣孔(氣孔尺寸約為φ0.5 mm)，其余部位無氣孔，如圖3所示。

圖3 平面粘貼后氣孔情況

經(jīng)粘貼后外觀檢查，膠液厚度太薄，電加熱器膠液厚度越薄，在引線周圍及邊緣存在氣孔，并且氣孔明顯，容易發(fā)現(xiàn)。對膠液內(nèi)部氣孔，撕開電加熱器后檢查，膠液厚度越薄，氣孔尺寸越小，且數(shù)量有所減少。但正式電加熱器兩端焊接導(dǎo)線，焊接部位與電加熱聚酰亞胺面有約0.5 mm的凸起，并且導(dǎo)線具有φ3 mm絕緣包覆層。若按0.1 mm粘貼厚度，電加熱器兩端在引線處極易起翹，不利于電加熱器粘貼和固化。

2.3.3 球面電加熱器粘貼試驗(yàn)

選取發(fā)動(dòng)機(jī)上的氣瓶球面，進(jìn)行粘貼試驗(yàn)。綁扎固定方式為3 M膠帶固定方式，按涂膠厚度(0.5 mm、0.8 mm、1.0 mm)、膠液靜置時(shí)間(5 min、10 min、15 min)選擇不同的工藝參數(shù)要求，粘貼了6件電加熱器。粘貼后進(jìn)行外觀檢查，由于氣瓶為球面，粘貼時(shí)，涂膠厚度0.5 mm的電加熱器側(cè)邊翹起較嚴(yán)重，粘貼后貼合不好，存在間隙。涂膠厚度0.8 mm、1.0 mm粘貼工藝性較好。

2.3.4 正式電加熱器粘貼試驗(yàn)

由于正式電加熱器兩端焊接導(dǎo)線，焊接部位與電加熱聚酰亞胺面有約0.5 mm的凸起，并且導(dǎo)線具有φ3 mm絕緣包覆層。雖然按0.1 mm涂膠厚度粘貼，氣孔較小，但是電加熱器兩端在引線處極易起翹，不利于電加熱器粘貼和固化，因此，正式產(chǎn)品的電加熱器GD414涂膠粘貼厚度按0.5 mm進(jìn)行，氣瓶和貯箱為球面結(jié)構(gòu)，GD414涂膠厚度按0.8 mm，固化后在電加熱器引線根部點(diǎn)膠固定。如圖4所示。

對平面粘貼方式電加熱器，按0.5 mm涂膠厚度進(jìn)行粘貼裝配，固化后進(jìn)行檢查測試，外觀無氣孔及其他異常，通電加熱檢查30 min以上，無短路、短路等異常，加熱正常。

2.3.5 氣孔影響試驗(yàn)

人為制造較大的電加熱器粘貼氣孔(氣孔實(shí)際尺寸為φ5、φ6)，粘貼在五通上，通電測試，檢查故障情況，并進(jìn)行分析。將正式電加熱器粘貼在平面通上，GD414膠液厚度0.5 mm，靜置8 min后進(jìn)行粘貼。共粘貼3件，分別為無氣孔正常產(chǎn)品(1#)，有φ6 mm氣孔1處產(chǎn)品(2#)，有φ5 mm氣孔3處產(chǎn)品(3#)。粘貼后對3件電加熱器進(jìn)行加熱試驗(yàn)，檢查溫度上升速率試驗(yàn)情況見表3。

圖4 電加熱器外形及粘貼示意圖

表3 電加熱器加熱情況表 /℃

經(jīng)過通電檢查，有氣孔的2#、3#電加熱器處均無短路、斷路等異常情況。2#和3#電加熱器，經(jīng)連續(xù)14 h長時(shí)間通電檢查，溫度為穩(wěn)定，與加熱30 min時(shí)溫度相當(dāng)，電加熱器φ6 mm氣孔處無短路、斷路等異常情況。2#和3#電加熱器累計(jì)加熱24 h以上，未見短路、斷路等異常情況。

通過試驗(yàn)可知，φ6 mm氣孔、φ5 mm氣孔對電加熱器加熱效果無明顯影響，長時(shí)間通電加熱，未發(fā)現(xiàn)氣孔對電加熱器有短路、短路等異常影響。分析認(rèn)為發(fā)生的電加熱器回路斷路、絕緣故障問題，主要為電加熱器自身電阻絲存在缺陷或電加熱器受外力影響導(dǎo)致加熱線條出現(xiàn)異常，進(jìn)而導(dǎo)致電加熱器加熱時(shí)出現(xiàn)短路、斷路等異常情況，電加熱器粘貼時(shí)氣孔對電加熱器加熱性能影響不顯著。

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過工藝試驗(yàn)，明確了粘貼膠液厚度、膠液靜置時(shí)間、加固方法，粘貼后膠層內(nèi)氣孔可控，外觀目視檢查無明顯氣孔。在工藝試驗(yàn)過程中，檢查發(fā)現(xiàn)粘貼后膠液內(nèi)氣孔無法完全排除，膠液固化過程中，在膠液內(nèi)部存在氣孔。對電加熱器通電加熱檢查，經(jīng)多次通電加熱，均未發(fā)現(xiàn)電加熱器短路、斷路、變形等異常情況。人為制造φ6 mm氣孔1個(gè)，多次通電加熱檢查，累計(jì)加熱24 h以上，未發(fā)現(xiàn)短路、斷路、變形等異常情況。通過工藝試驗(yàn)，確定某液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)薄膜式電加熱器粘貼工藝要求，對推力室、閥門、貯箱、氣瓶、通等組件均明確了粘貼膠液厚度、膠液靜置時(shí)間、加固方法。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)完成后，對電加熱器進(jìn)行了分解，對電加熱器的氣孔情況進(jìn)行了檢查，電加熱器氣孔尺寸和數(shù)量均得到了有效控制，氣孔尺寸均不超過φ2 mm，大部分為φ1 mm以下，氣孔總面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于進(jìn)行故障試驗(yàn)的φ6 mm氣孔。

3 結(jié) 語

通過制作專用涂膠模板工裝，對薄膜式電加熱器進(jìn)行粘貼試驗(yàn)和加熱試驗(yàn)，獲得了準(zhǔn)確的膠液靜置時(shí)間、膠液涂抹厚度、粘貼固定方式等工藝參數(shù)和要求，提高了電加熱器粘貼裝配質(zhì)量，并得出以下結(jié)論：

(1) 對薄膜式電加熱器粘貼中涉及的粘貼膠液厚度、膠液靜置時(shí)間、加固方法等工藝參數(shù)進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，對薄膜式電加熱器加熱效果、氣孔形成原因和故障機(jī)理等均能有效驗(yàn)證。

(2) 結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，總結(jié)出了適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的薄膜電加熱器裝配工藝方法，確定了適用于發(fā)動(dòng)機(jī)的薄膜式電加熱器粘貼的工藝參數(shù)。

(3) 通過明確的工藝參數(shù)以及專用的涂膠模板工裝，保證了粘貼膠液厚度均勻，減少了膠液內(nèi)氣孔尺寸和數(shù)量，電加熱器粘貼裝配的一致性和可靠性得到保證，提高了薄膜式電加熱器裝配質(zhì)量，降低了產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，大幅提升了發(fā)動(dòng)機(jī)薄膜式電加熱器裝配效率。