某电点火具封接玻璃出现裂纹的故障分析研究*

樊龙龙 曾祥涛 李 钊

（1.海军装备部 西安 710043）（2.北方特种能源集团有限公司西安庆华公司 西安 710025）

1 引言

某电点火具的主要功能是通电发火后，在规定时间内为某弹药提供一定压力，将装载于弹药内的干扰物等以一定的速度抛射出去。电点火具由壳体、封接玻璃、芯电级和装药管组成。其芯电级与壳体之间通过匹配封接的方式进行封接[1]，匹配封接时通常先对金属进行预氧化，使其表面生成一层氧化膜，再将金属与玻璃进行加热封接[2]，实现电点火具的密封。

在某弹药地面抛射试验中，电点火具出现输入端封接玻璃被打碎，爆炸产生的压力从裂缝中泄露，最终导致弹药中的干扰物未能正常抛射[3]。本文针对该电点火具封接玻璃产生裂纹的原因进行了分析与研究，对同类产品的设计提供了相关思路。

2 故障定位与分析

2.1 故障定位

根据该电点火具故障现象，对其可能导致异常作用的原因建立故障树[4]，逐一进行了分析。经过检查装配记录，电点火具为密封设计，该批次产品贮存时间超过两年，装配时药剂状态正常，壳体材料符合设计要求，输出端收口状态正常。随后在显微镜下，对同批次剩余的160余发电点火具进行了检验，发现17发产品封接玻璃处发现裂纹[5]。由于装配完成后操作人员对电点火具进行了100%外观检验，检验时未发现有封接玻璃表面存在裂纹的情况。初步分析，封接玻璃裂纹为导致电点火具作用异常的原因。随即进行了验证试验，试验情况见表1。

经验证试验，导致电点火具出现故障的原因是，电点火具上的封接玻璃出现细小裂纹（见图1），造成封接玻璃力学性能急剧下降，在电点火具作用瞬间，爆炸产生的冲击力将产生裂纹的封接玻璃瞬间击碎，建立的压力随即从裂口处泄露，最终导致电点火具作用失效。

图1 输入端存在裂纹电点火具

在故障定位后，对封接玻璃出现裂纹的现象进行了原因分析。

2.2 封接玻璃产生裂纹的原因分析

2.2.1 壳体贮存过程中封结玻璃出现裂纹

对430余发同批次的壳体的进行检验，并未发现有封接玻璃出现裂纹的情况。随后随机抽取20发壳体进行的温度冲击试验（70℃高温2h/-55℃低温 2h/循环三次）[6～7]，试验后在显微镜下观察，封接玻璃均未出现裂纹现象，并对此20发壳体的封接玻璃进行静态破坏力试验，试验方案见图2，试验结果见表2。

图2 封接玻璃静态破坏力试验方案

经试验验证与分析，贮存过程中壳体上的封接玻璃不受外力作用，即使出现高低温环境的作用，封接玻璃亦不会出现裂纹，力学性能稳定。故壳体在贮存过程中，封接玻璃不会出现裂纹。

2.2.2 电点火具收口过程中封结玻璃出现裂纹

电点火具中装药管及发火件均为压接式设计，装于壳体内部，并通过收口进行固定[8]。由于收口时，收口力通过装药管，发火件传递至芯电极，对芯电极产生一定压力，进而对连接于芯电极上的封接玻璃产生一定的作用力，若此拉力大于封接玻璃的抗拉能力或封接玻璃与芯电极及管壳的连接力，则会破坏封接玻璃的完整性。

通过对未出现裂纹壳体的封接玻璃进行静态破坏力试验，试验时对芯电极施加压力，直至封接玻璃遭到破坏，试验结果见表2，封接玻璃的静态破坏力为4.2KN以上。经查阅装配记录，该故障产品批装配时的收口压力为3810N～3850N。经分析对比，电点火具收口最大压力小于封接玻璃的最小破坏力。且在该批电点火具装配结束后，对电点火具外观进行了100%检验，未出现封接玻璃裂纹现象，故可排除收口力导致封接玻璃出现裂纹。

2.2.3 电点火具贮存过程中封结玻璃出现裂纹

由于该批次电点火具在装配完成后，随机抽取80余发产品进行了功能试验，均正常作用，满足指标要求。而故障产品是在至少贮存两年之后出现的。故对电点火具贮存过程中是否存在封接玻璃出现裂纹进行了分析。

经分析，电点火具内部装药管及发火件是通过收口方式，压接于芯电极上，贮存过程中，装药管及发火件会将收口过程中产生的应力缓慢释放，持续对芯电极与封接玻璃产生作用力，即封接玻璃长期处于受力状态。

表1 验证试验

表2 封接玻璃静态破坏力试验

表3 同批次电点火具验证试验

在该电点火具的贮存过程中，封接玻璃持续受到电点火具内部应力，长期作用下，玻璃内部应力集中导致内部微裂纹的产生，当电点火具内部应力长期作用，并超过封接玻璃内部微裂纹的能够承受的最大应力时，微裂纹就迅速分裂，产生裂纹。

为验证该原因，随机抽取20发同批次电点火具进行了功能试验，试验情况见表3。

综上所述，由于玻璃结构的低延性、较差的冲击韧性以及与金属封接之后强度差异性，使得其抗拉强度较低[9]，同时电点火具内部结构中存在持续的应力释放，随着贮存过程中应力的作用，使封接玻璃逐渐产生裂纹[10]。最终导致电点火具作用时因输入端封接玻璃破裂而泄压，作用异常。

3 机理分析

综合对电点火具作用异常的分析，可知由于封接玻璃为玻璃的一种，是一种脆性材料，其本身的低延性和较差的冲击韧性，使得其抗拉强度较低，而且在玻璃表面或内部存在着不同性质与含量的杂质、缺陷或不均匀区，导致玻璃与金属封接之后强度一致性较差，内部可能会产生不同程度的微裂纹。这些微裂纹在不受外力作用时受到玻璃内部结合力的束缚，不会扩大或有较大的变化，但若受到外力作用，微裂纹就会受到影响。外加负荷或作用力越小，裂纹增长越慢。

而该电点火具的收口压力与封接玻璃承压能力较为接近，装配时部分电点火具的封接玻璃上产生了微裂纹，该微裂纹未扩大成为缺陷裂纹时并不会对电点火具的功能产生影响，装配完成后也难以对封接玻璃内部进行检验。在贮存过程中，封接玻璃持续地承受电点火具内部装药管与发火件缓慢释放的应力，若这些应力集中于微裂纹并超过微裂纹所能承受的最大应力时，微裂纹就迅速扩大，变成缺陷裂纹，封接玻璃力学性能随之剧减，难以承受电点火具作用时释放的压力，高温高压气体击碎封接玻璃而泄露[11]，最终导致电点火具作用异常。

4 结语

通过对故障电点火具封接玻璃产生裂纹的原因进行分析与相关验证试验，由于玻璃结构的低延性和较差的冲击韧性以及与金属封接之后强度差异性，使得其抗拉强度较低[12]。若封接玻璃部件用于持续受力的结构中，应对封接玻璃耐受破坏力的程度，与所受持续力的大小的进行充分论证与试验，装配过程中，装配力应远小于导致封接玻璃出现微裂纹的应力。