某電點火具封接玻璃出現(xiàn)裂紋的故障分析研究*

樊龍龍 曾祥濤 李 釗

（1.海軍裝備部 西安 710043）（2.北方特種能源集團有限公司西安慶華公司 西安 710025）

1 引言

某電點火具的主要功能是通電發(fā)火后，在規(guī)定時間內(nèi)為某彈藥提供一定壓力，將裝載于彈藥內(nèi)的干擾物等以一定的速度拋射出去。電點火具由殼體、封接玻璃、芯電級和裝藥管組成。其芯電級與殼體之間通過匹配封接的方式進行封接[1]，匹配封接時通常先對金屬進行預(yù)氧化，使其表面生成一層氧化膜，再將金屬與玻璃進行加熱封接[2]，實現(xiàn)電點火具的密封。

在某彈藥地面拋射試驗中，電點火具出現(xiàn)輸入端封接玻璃被打碎，爆炸產(chǎn)生的壓力從裂縫中泄露，最終導(dǎo)致彈藥中的干擾物未能正常拋射[3]。本文針對該電點火具封接玻璃產(chǎn)生裂紋的原因進行了分析與研究，對同類產(chǎn)品的設(shè)計提供了相關(guān)思路。

2 故障定位與分析

2.1 故障定位

根據(jù)該電點火具故障現(xiàn)象，對其可能導(dǎo)致異常作用的原因建立故障樹[4]，逐一進行了分析。經(jīng)過檢查裝配記錄，電點火具為密封設(shè)計，該批次產(chǎn)品貯存時間超過兩年，裝配時藥劑狀態(tài)正常，殼體材料符合設(shè)計要求，輸出端收口狀態(tài)正常。隨后在顯微鏡下，對同批次剩余的160余發(fā)電點火具進行了檢驗，發(fā)現(xiàn)17發(fā)產(chǎn)品封接玻璃處發(fā)現(xiàn)裂紋[5]。由于裝配完成后操作人員對電點火具進行了100%外觀檢驗，檢驗時未發(fā)現(xiàn)有封接玻璃表面存在裂紋的情況。初步分析，封接玻璃裂紋為導(dǎo)致電點火具作用異常的原因。隨即進行了驗證試驗，試驗情況見表1。

經(jīng)驗證試驗，導(dǎo)致電點火具出現(xiàn)故障的原因是，電點火具上的封接玻璃出現(xiàn)細小裂紋（見圖1），造成封接玻璃力學(xué)性能急劇下降，在電點火具作用瞬間，爆炸產(chǎn)生的沖擊力將產(chǎn)生裂紋的封接玻璃瞬間擊碎，建立的壓力隨即從裂口處泄露，最終導(dǎo)致電點火具作用失效。

圖1 輸入端存在裂紋電點火具

在故障定位后，對封接玻璃出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象進行了原因分析。

2.2 封接玻璃產(chǎn)生裂紋的原因分析

2.2.1 殼體貯存過程中封結(jié)玻璃出現(xiàn)裂紋

對430余發(fā)同批次的殼體的進行檢驗，并未發(fā)現(xiàn)有封接玻璃出現(xiàn)裂紋的情況。隨后隨機抽取20發(fā)殼體進行的溫度沖擊試驗（70℃高溫2h/-55℃低溫 2h/循環(huán)三次）[6～7]，試驗后在顯微鏡下觀察，封接玻璃均未出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，并對此20發(fā)殼體的封接玻璃進行靜態(tài)破壞力試驗，試驗方案見圖2，試驗結(jié)果見表2。

圖2 封接玻璃靜態(tài)破壞力試驗方案

經(jīng)試驗驗證與分析，貯存過程中殼體上的封接玻璃不受外力作用，即使出現(xiàn)高低溫環(huán)境的作用，封接玻璃亦不會出現(xiàn)裂紋，力學(xué)性能穩(wěn)定。故殼體在貯存過程中，封接玻璃不會出現(xiàn)裂紋。

2.2.2 電點火具收口過程中封結(jié)玻璃出現(xiàn)裂紋

電點火具中裝藥管及發(fā)火件均為壓接式設(shè)計，裝于殼體內(nèi)部，并通過收口進行固定[8]。由于收口時，收口力通過裝藥管，發(fā)火件傳遞至芯電極，對芯電極產(chǎn)生一定壓力，進而對連接于芯電極上的封接玻璃產(chǎn)生一定的作用力，若此拉力大于封接玻璃的抗拉能力或封接玻璃與芯電極及管殼的連接力，則會破壞封接玻璃的完整性。

通過對未出現(xiàn)裂紋殼體的封接玻璃進行靜態(tài)破壞力試驗，試驗時對芯電極施加壓力，直至封接玻璃遭到破壞，試驗結(jié)果見表2，封接玻璃的靜態(tài)破壞力為4.2KN以上。經(jīng)查閱裝配記錄，該故障產(chǎn)品批裝配時的收口壓力為3810N～3850N。經(jīng)分析對比，電點火具收口最大壓力小于封接玻璃的最小破壞力。且在該批電點火具裝配結(jié)束后，對電點火具外觀進行了100%檢驗，未出現(xiàn)封接玻璃裂紋現(xiàn)象，故可排除收口力導(dǎo)致封接玻璃出現(xiàn)裂紋。

2.2.3 電點火具貯存過程中封結(jié)玻璃出現(xiàn)裂紋

由于該批次電點火具在裝配完成后，隨機抽取80余發(fā)產(chǎn)品進行了功能試驗，均正常作用，滿足指標(biāo)要求。而故障產(chǎn)品是在至少貯存兩年之后出現(xiàn)的。故對電點火具貯存過程中是否存在封接玻璃出現(xiàn)裂紋進行了分析。

經(jīng)分析，電點火具內(nèi)部裝藥管及發(fā)火件是通過收口方式，壓接于芯電極上，貯存過程中，裝藥管及發(fā)火件會將收口過程中產(chǎn)生的應(yīng)力緩慢釋放，持續(xù)對芯電極與封接玻璃產(chǎn)生作用力，即封接玻璃長期處于受力狀態(tài)。

表1 驗證試驗

表2 封接玻璃靜態(tài)破壞力試驗

表3 同批次電點火具驗證試驗

在該電點火具的貯存過程中，封接玻璃持續(xù)受到電點火具內(nèi)部應(yīng)力，長期作用下，玻璃內(nèi)部應(yīng)力集中導(dǎo)致內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生，當(dāng)電點火具內(nèi)部應(yīng)力長期作用，并超過封接玻璃內(nèi)部微裂紋的能夠承受的最大應(yīng)力時，微裂紋就迅速分裂，產(chǎn)生裂紋。

為驗證該原因，隨機抽取20發(fā)同批次電點火具進行了功能試驗，試驗情況見表3。

綜上所述，由于玻璃結(jié)構(gòu)的低延性、較差的沖擊韌性以及與金屬封接之后強度差異性，使得其抗拉強度較低[9]，同時電點火具內(nèi)部結(jié)構(gòu)中存在持續(xù)的應(yīng)力釋放，隨著貯存過程中應(yīng)力的作用，使封接玻璃逐漸產(chǎn)生裂紋[10]。最終導(dǎo)致電點火具作用時因輸入端封接玻璃破裂而泄壓，作用異常。

3 機理分析

綜合對電點火具作用異常的分析，可知由于封接玻璃為玻璃的一種，是一種脆性材料，其本身的低延性和較差的沖擊韌性，使得其抗拉強度較低，而且在玻璃表面或內(nèi)部存在著不同性質(zhì)與含量的雜質(zhì)、缺陷或不均勻區(qū)，導(dǎo)致玻璃與金屬封接之后強度一致性較差，內(nèi)部可能會產(chǎn)生不同程度的微裂紋。這些微裂紋在不受外力作用時受到玻璃內(nèi)部結(jié)合力的束縛，不會擴大或有較大的變化，但若受到外力作用，微裂紋就會受到影響。外加負荷或作用力越小，裂紋增長越慢。

而該電點火具的收口壓力與封接玻璃承壓能力較為接近，裝配時部分電點火具的封接玻璃上產(chǎn)生了微裂紋，該微裂紋未擴大成為缺陷裂紋時并不會對電點火具的功能產(chǎn)生影響，裝配完成后也難以對封接玻璃內(nèi)部進行檢驗。在貯存過程中，封接玻璃持續(xù)地承受電點火具內(nèi)部裝藥管與發(fā)火件緩慢釋放的應(yīng)力，若這些應(yīng)力集中于微裂紋并超過微裂紋所能承受的最大應(yīng)力時，微裂紋就迅速擴大，變成缺陷裂紋，封接玻璃力學(xué)性能隨之劇減，難以承受電點火具作用時釋放的壓力，高溫高壓氣體擊碎封接玻璃而泄露[11]，最終導(dǎo)致電點火具作用異常。

4 結(jié)語

通過對故障電點火具封接玻璃產(chǎn)生裂紋的原因進行分析與相關(guān)驗證試驗，由于玻璃結(jié)構(gòu)的低延性和較差的沖擊韌性以及與金屬封接之后強度差異性，使得其抗拉強度較低[12]。若封接玻璃部件用于持續(xù)受力的結(jié)構(gòu)中，應(yīng)對封接玻璃耐受破壞力的程度，與所受持續(xù)力的大小的進行充分論證與試驗，裝配過程中，裝配力應(yīng)遠小于導(dǎo)致封接玻璃出現(xiàn)微裂紋的應(yīng)力。