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        艦載光電設備的三防設計研究

        2018-06-29 08:07:40孟冬張棟孟楷王芳
        科技創(chuàng)新與應用 2018年19期
        關(guān)鍵詞:防腐措施

        孟冬 張棟 孟楷 王芳

        摘 要:艦載光電設備工作環(huán)境惡劣,針對環(huán)境的三防設計在研制中必須引起重視。文章結(jié)合實際出現(xiàn)的腐蝕問題,從材料應用、結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化及工藝防護等多方面進行研究。事實證明:通過防腐措施的綜合應用,能夠保證設備長期穩(wěn)定工作。

        關(guān)鍵詞:艦載光電設備;三防設計;防腐措施

        中圖分類號:TN602 文獻標志碼:A 文章編號:2095-2945(2018)19-0106-03

        Abstract: The moisture-mildew-saltspray proofing design of shipborne electro-optical equipment is an important mission for the shipborne electro-optical equipment. It should be considered overall from the materials application, structure design, process engineering and so on at the time of the product development. In this paper the three-proofing issue of shipborne electro-optical equipment was studied. It was proved that the shipborne electro-optical equipment could work steadily in sea climate environment for longer time through the proper corrosion protection.

        Keywords: shipborne electro-optical equipment; moisture-mildew-saltspray proofing design; corrosion protection

        1 概述

        在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中,海軍占據(jù)越來越重要的地位,光電探測設備在海軍裝備中屬于標準配置。近年來,在使用過程中出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象,由于光電設備屬于精密儀器,腐蝕發(fā)生后,輕則影響設備性能,重則導致設備失靈,貽誤戰(zhàn)機。本文對幾年來遇到的腐蝕問題進行分析,就防止該現(xiàn)象產(chǎn)生的多種措施進行探討。

        2 現(xiàn)狀

        美軍總部對沿?;厥褂玫漠a(chǎn)品進行故障調(diào)查與分析,結(jié)果表明:損壞或有故障的產(chǎn)品中52%是由環(huán)境因素造成的。其中由溫度引起的故障占各環(huán)境因素引起故障的40%;潮濕引起的故障占19%;鹽霧、砂塵、霉菌引起的故障占14%[1]。我國海域遼闊,海岸線長,具有重要的軍事戰(zhàn)略意義。近年來,我國大力發(fā)展海軍裝備,以提升我國海軍實力。但海洋性氣候環(huán)境相對于路基環(huán)境比較特殊,對裝備具有極大的破壞性,為此針對氣候環(huán)境的三防設計不容忽視。圖1是某型號激光測距機。該激光測距機,技術(shù)成熟,性能穩(wěn)定。配備于路基裝備時表現(xiàn)優(yōu)異,改良后服役于某艦載裝備,卻在服役期間發(fā)生嚴重腐蝕,如圖2所示。由圖2可以看出,蓋板與殼體連接處腐蝕嚴重,密封條失去密封性能,海水倒灌于殼體內(nèi),所有光電設備都受到不同程度的影響。維修時,發(fā)現(xiàn)螺釘固死在殼體上,無法正常取出。故障發(fā)生后引起了所有研制人員的高度重視,刷新了海洋性氣候?qū)υO備破壞性的認知,如何避免該類現(xiàn)象發(fā)生成為研制人員急需解決的問題。

        3 問題分析

        3.1 腐蝕的危害

        腐蝕現(xiàn)象隨處可見并且危害嚴重。輕則影響設備的使用性能,重則造成設備及人身事故,帶來經(jīng)濟損失和不良社會影響。腐蝕對軍事裝備“六性”的影響重大,直接造成可靠性降低,維修周期縮短,間接影響測試性,致使安全性降低,保障性變差,不能滿足環(huán)境適應性要求。戰(zhàn)場上,風云變幻,機會稍縱即逝,裝備發(fā)生腐蝕后不能及時發(fā)現(xiàn)和處理會貽誤戰(zhàn)機,以致戰(zhàn)斗甚至整個戰(zhàn)爭的失敗。

        3.2 環(huán)境因素

        艦載光電設備特別是艙外設備長期處于海洋性氣候中,其高溫、高濕及空氣中的腐蝕性物質(zhì)、鹽霧和各種霉菌對設備具有極大的破壞性。并且這些氣候因素和環(huán)境條件非常復雜,既能相互影響,又能相互作用[2],從而加速對設備的損害?,F(xiàn)對其濕熱、鹽霧及霉菌進行分析如下:

        濕熱引起腐蝕的原理如圖3所示。設備外漏表面若直接暴露在潮濕的大氣中,通常會吸附一層水膜,含有鹽分的水膜在金屬表面形成電化學腐蝕所必需的電解質(zhì)膜,這種電解質(zhì)膜對裸露金屬表面具有很強的腐蝕性[3]。低緯度區(qū)域溫度較高,而高溫會增加電化學腐蝕的速度。濕熱不僅對金屬具有腐蝕性,對印制電路板的PCBA涂層破壞性也比較大,能引起電路板起泡、線路間短路等。

        鹽霧引起腐蝕的機理如圖4所示。海水中含有大量鹽(NaCl),艦載光電設備雖然不直接接觸海水,但由于海水的擾動或海浪擊岸時的噴散形成氣泡,氣泡破散后形成微小的水滴,一部分水滴隨氣流升入空中形成鹽霧,鹽霧極易附著在艦載光電設備的表面,這些鹽霧中含有大量的氯離子(Cl-),在金屬表面形成微電池,與金屬材料發(fā)生電化學反應,破壞金屬表面的鈍化膜,形成孔蝕或者縫隙腐蝕。鹽霧是最有破壞性的大氣腐蝕,并且形式多樣,如縫隙腐蝕、點腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕等。鹽霧不僅對金屬材料具有腐蝕力,而且對部分絕緣材料也具有一定的破壞力。

        海洋性環(huán)境是霉菌生長和繁殖的溫室。光電設備一旦密封失效,有空氣進入,便有可能被霉菌污染。霉菌對設備產(chǎn)生的危害主要如圖5所示:(1)密封件,密封件是設備的第一道防線,多數(shù)密封件是由天然橡膠制成,抗霉性比較低,霉菌滋生后,結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,彈性降低,嚴重時密封失效,甚至引起泄露等;(2)絕緣材料,絕緣材料一旦被霉菌污染,其絕緣電阻將大幅度下降;(3)印制電路板,霉菌入侵后可能導致線路間導電,發(fā)生短路;(4)工程塑料,霉菌污染后的工程塑料塑性將變差,加速其老化。

        通過分析可知,艦載光電設備長期服役于惡劣且復雜的海洋環(huán)境下,這些環(huán)境因素相互影響極易形成惡性循環(huán),因此要防微杜漸,從多方面考慮,將三防設計理念貫穿于整個設計制備中,包括材料的選取,結(jié)構(gòu)的設計及工藝的制定等。

        3.3 防腐措施

        針對艦載光電設備所處環(huán)境,一般從以下幾個方面進行防護:

        (1)材料應用

        合理、正確的選取設備所用材料是三防設計的基礎。選材時應針對腐蝕環(huán)境的特點,了解材料的腐蝕機理、遭受破壞的形式及抵抗霉菌的能力,還要了解不同材料之間的相互作用,避免電位差引起腐蝕。金屬的耐腐蝕性比較復雜,同樣的金屬材料在不同的環(huán)境下耐腐蝕性也不盡相同。在選擇金屬材料時首先要考慮其自身的強度、剛度等特性,其次要結(jié)合使用環(huán)境考慮其耐腐蝕性,還要考慮其經(jīng)濟性。在實際應用中,金屬材料自身的耐腐蝕性不夠優(yōu)越時,可進行涂覆處理,在其表面鍍覆金屬層和涂覆非金屬層進行保護,以提高抗腐蝕能力。光電設備中以電偶腐蝕最為普遍[4],因此要針對其腐蝕機理合理選擇金屬材料及其鍍層。在選擇非金屬材料時,首先要考慮其特性是否滿足要求,還要考慮其耐霉菌的能力,有電磁屏蔽要求時,還要考慮其導電性。隨著新材料的出現(xiàn),將涌現(xiàn)出新的性能優(yōu)越的耐腐蝕材料可供選擇??傊?,選材是基礎,是設備研制的第一步,關(guān)系到整個設備的性能表現(xiàn)及后續(xù)三防處理。

        (2)結(jié)構(gòu)設計

        結(jié)構(gòu)設計是三防設計的關(guān)鍵。光電設備涉及到光學部分和電路部分,而這些對外部環(huán)境要求比較高,艦載光電設備的三防設計顯得尤為重要。通過合理的結(jié)構(gòu)設計可有效避免腐蝕的發(fā)生。一般情況下,可從以下幾個方面進行三防設計:

        a.設計關(guān)重件時可考慮單獨密封或加保護罩等措施。

        b.整機盡量采用整體鑄造或鍛件機加的結(jié)構(gòu)形式,盡量避免焊、鉚和螺紋等連接形式。

        c.對所有開口處進行密封設計。由于安裝、維修及性能要求,設備必然形成開口結(jié)構(gòu),開口處必然會形成縫隙,而縫隙多是腐蝕發(fā)生的源頭,因此開口處的密封設計是三防設計的重點,并且不同的開口處密封設計也不相同,如光學系統(tǒng)出光口和接受窗口處要增加保護玻璃、密封墊、壓圈、密封膠等。

        d.結(jié)構(gòu)表面應簡潔、流暢,防止溝槽和尖角,選擇合理的圓角半徑或凸臺半徑,避免應力集中的出現(xiàn)。合理的把控表面質(zhì)量,進一步提高零件的抗腐蝕能力。

        e.結(jié)構(gòu)內(nèi)部應抽真空或充入氮氣等不活潑氣體防止氧化反應。必要時,局部設計干燥劑。

        f.斷面厚度盡量一致,以防薄弱部位發(fā)生形變,材料晶格產(chǎn)生扭曲,引起應力腐蝕。

        g.盡量選取同一種金屬材料,或者電位相近的材料進行配對以防電位差腐蝕。必須選用不同金屬材料時,在金屬間加絕緣襯墊進行隔離,或者在金屬表面鍍覆同一種金屬材料。

        (3)工藝防護

        改善材料的金相組織、消除應力和變形。對常用金屬材料進行表面覆蓋金屬鍍層或非金屬涂層。如鋁制零件進行化學氧化、陽極氧化處理;鋼制零件進行鍍鋅、鍍鎘或鍍鉻處理等。外表面采用非金屬涂層保護,選擇三防性能良好的聚氨酯底漆、丙烯酸漆和相應的面漆。

        在實際工作中,材料的選取、結(jié)構(gòu)的設計及工藝防護是相互影響相互滲透的。

        4 三防設計改進

        該設備基本遵從三防設計要求,但依然發(fā)生了腐蝕現(xiàn)象。從圖6和圖7可看出腐蝕發(fā)生在結(jié)構(gòu)件連接處,即縫隙腐蝕,可謂千里之堤毀于蟻穴。

        針對腐蝕發(fā)生的形式和特點,并具體分析設備所處的環(huán)境特點,在三防設計上作了如下改進:

        (1)結(jié)構(gòu)件表面進行組織更致密微弧氧化處理,鍍層外選用三防效果更好的氟碳漆,對設備表面進行可靠的三防保護。并且面漆涂至無導電要求的結(jié)構(gòu)件連接處,做好對連接處的防護。

        (2)設備蓋板和殼體連接處,采用螺紋連接,從圖6可以看出,腐蝕發(fā)生后,鋁基材固化了螺釘,拆卸時螺釘斷裂。為防止該現(xiàn)象的發(fā)生,做如下改進:螺紋孔處嵌鋼絲螺套,涂抹阿洛丁及環(huán)氧底漆;更換為耐腐蝕性能良好的316L不銹鋼螺釘;螺紋處涂潤滑防護脂,進行濕態(tài)安裝;安裝后在螺釘頭處涂抹密封膠。

        (3)把蓋板和機殼之間所用硅橡膠條改為性能更優(yōu)良的氟硅橡膠條。

        (4)蓋板和機殼連接處為防腐的薄弱環(huán)節(jié),因此在設備服役期間,在所有縫隙處涂抹密封膠。只要密封好,設備的三防效果就好,就能防腐蝕[5]。

        通過改進,該型號激光測距機目前在艦載設備上運行良好。

        5 結(jié)束語

        艦載光電設備屬于精密設備,腐蝕的產(chǎn)生對其影響重大,而其工作的環(huán)境又極易形成腐蝕的發(fā)生,因此針對腐蝕問題的三防技術(shù)越來越受到相關(guān)人員的重視。在實際工作中,應結(jié)合設備所處環(huán)境的特點,有針對性地將三防設計融會到整個設備的研制過程中,從結(jié)構(gòu)形式、連接方式、材料選擇及工藝措施等多方面進行綜合考慮,擇優(yōu)確定總體方案以提高設備的環(huán)境適應性??傊?,三防技術(shù)應引起管理和設計人員的高度重視,在實際工作中需多方考慮,盡量做到百密而無一疏。

        參考文獻:

        [1]孫海龍,王曉慧.艦載電子設備三防密封設計技術(shù)綜述[J].裝備環(huán)境工程,2008,5(5):49-52.

        [2]周旭.電子設備結(jié)構(gòu)與工藝[M].北京:北京航空航天大學出版社.

        [3]宋立輝.艦載電子設備三防設計[J].電子工藝技術(shù),1998,19(6):210-212.

        [4]謝義水.艦載電子設備三防設計[J].機械工程學報,2007,43(1):83-86.

        [5]戈進飛.電子設備的防腐結(jié)構(gòu)設計綜述[J].艦船電子工程,2015,35(6):146-150.

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