考虑化工设备成本的粘接结构件质量控制模型

张远康

（长沙师范学院，长沙 410100）

化工设备零部件的连接方式有很多，例如铆接、螺接、焊接等[1]，与这些连接方法相比，粘接技术具有连接过程简便快速，经济成本低等优点。除此之外，粘接方式下的结构件载荷分布更加均匀，抗疲劳性质更好[2]，可以把不同的材料更加灵活地粘连在一起，这样结构中各部件可选择更经济适用的材料，达到质量标准的同时降低化工设备整体成本支出。

粘接结构件的质量问题一般是由某个粘接界面处粘接失效引起的，其中粘接界面处出现开裂是引起失效的主要因素[3]。这里我们为了在考虑化工设备成本的条件下控制粘接结构件质量，对粘接界面建立了力学模型，并对该模型进行了理论分析与研究，基于粘接界面建立了有效的评价标准，从而利用这个力学模型来控制粘接结构件的质量。粘接结构件的质量主要与粘接界面力学性能和粘接结构性质有关，因此控制途径主要有2 种：①对粘接结构界面处的应力控制，进行模拟计算时可以将材料应力达到的最大值作为粘接界面质量失控的标准；②利用断裂力学对粘接结构件的界面力学性能进行有效控制，使用这种方法时需要先设定一个初始的裂纹对断裂力学进行定义。这两种方法各有优势，当我们使用应力控制时能够较为准确地预估粘接结构件界面处出现的破坏，当我们利用断裂力学进行质量控制时，能够更加准确地对界面破坏后是否有裂纹的增长进行预估。

1 化工设备粘接工艺过程及质量影响因素

1.1 结构件预组装

需要进行粘接组装的各个结构零部件都应该符合技术标准要求，且都已经将需要装配的一端做好标记，之后才能进入下一个工序。如果零件之间匹配度不够可能会使组装好的粘接件中间产生缝隙，从而影响最终产品的质量。

1.2 配套结构件表面处理

进行表面处理主要是用药水洗去表面的杂质，维持表面的洁净度，零件表面越干净，粘接键合越牢固[4]。因此此处表面处理尤为重要，必须将零件洗干净然后转入无尘室，并在较短时间内将底胶涂敷均匀，防止二次污染，影响质量。

1.3 结构粘接面喷涂底胶

首先将底胶混合均匀装入喷射装置中，为了确保结构之间的粘接和防腐效果最佳，还需要先拿样品板进行测试，确定喷涂过程能够均匀且厚度有能够满足要求，才能对产品进行喷涂。同时操作员在进行操作时需要佩戴干净的手套与口罩，确保操作过程的洁净度，否则，将会对粘接结构质量造成影响。

1.4 底胶上面铺贴胶膜

底胶喷涂完成后需要在涂好底胶的结构面上贴上胶膜，这步的关键也是洁净度与胶膜质量，只有保证好这两点才能保证最终产品的质量。

1.5 结构组装

组装的时候需要用到膜具，首先在膜具表面涂一层脱模剂，将准备好的零件放入模具正确位置进行粘接组装。粘接结构件组装完成后，需要将其装入真空袋保存。在这一过程中同样需要保证较高的洁净度。

1.6 固化定型

组装完成后的产品需要在规定的时间内完成固化定型，此时参数应该符合固化要求，固化完成后等零件冷却至室温才能进行转移。这个过程中必须保证所有参数合理且避免二次污染。

1.7 产品出厂检测

2 粘接结构件质量控制研究现状

近年来，基于粘接结构件质量控制的研究有很多，例如，L. Hamitouche[5]提出了可以针对粘接界面建立黏性损伤模型，此模型大大提高了模型研究过程种数值计算过程的稳定性，使得最终数据结果的收集变得更加容易。除此之外，G. J. Chousal 等[6]人还研究了一种混合模型，并利用该模型对粘接和连接的同时破坏进行了应力分析，很容易就能够得出粘接破坏的初始值，这样就可以把粘接结构件的质量性能要求控制这个值内。除此之外，在微电子领域还将SPC（Statistical Process Control）技术[7-8]引入模型中来控制粘接结构的质量。

2.1 粘接结构件在微电子领域的质量控制模型

随着电子产品的兴起，集成电路的应用更加广泛，微电子技术也被应用到电子产品的生产工艺中。这种精密细小的微电子元件需要通过粘接技术将其粘到电路板上面形成大的电子产品，此过程中就必须控制粘接件的质量和可靠性才能确保最终得到的产品质量过关。为了确保正规生产工艺过程的稳定性，这里引入了统计过程控制（Statistical Process Control 简称SPC）技术对复杂的微电子粘接结构件进行有效的质量监控。

对于微电子粘接结构件的质量控制来说，SPC是一种比较合理有效的质量监控手段，这种技术最早是基于控制图形成的，并且该技术在国内外各个行业都被广泛应用。因为微电路结构件的生产过程本身就有别于其他行业，因此将SPC技术应用于该领域就需要将该技术进行改进，使之与微电子粘接技术融合。

因此，应用到微电子领域中的SPC 技术的改进后需要包含以下4个方面内容：

1）对产品关键生产工艺过程及重要工艺生产参数的确定

2）对电子产品生产工艺参数的数据进行收集

3）能分析生产过程受控状态

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4）具有产品质量控制技术。

得到最终的SPC技术对产品进行质量控制的流程如图1所示。

图1 基于SPC技术的产品质量控制流程图Fig.1 Flow chart of product quality control based on SPC technology

3 考虑化工设备成本的粘接结构件质量控制模型

很早之前就有人提出质量成本的概念，就是在质量相对符合某一标准的情况下，使得成本最低。传统的质量-成本控制模型的主要是基于理论研究，而近年来的模型优化主要是将传统模型在结合实际经济环境以及企业管理等多个现实角度进行优化，使得模型能够更好地展现出实际成本与质量之间的关系，进一步降低成本。这里我们在考虑实际化工设备成本的前提下，首先对粘接界面进行了力学模拟，并基于此模拟粘接部分失效过程，得到维持在成本最低条件下维持质量的最佳参数。

3.1 基于粘接结构的界面力学模型

为了研究粘接结构的质量控制模型，我们首先模拟了实际状态下粘接界面处的张力与位移的关系，并得到了如图2 所示的张力-位移关系图。我们将界面上未施加外力作用时的状态为初始原点，将粘接结构在界面处产生的拉伸应力定义为矢量t，由于应力可能在各个方位产生，因此要考虑三位立体结构，那么定义平面内的两个方向上为tn和ts，切向平面的一个方向上的应力为tt，各个方向上应力产生的位移对应为相应的位移分别定义为δn，δs与δt。若界面处粘接厚度用T0表示，那么这三者变量关系应该符合以下关系式：

粘接结构件界面处的弹性关系应表示为：

确定了粘接结构件在粘接界面处的应力与弹性应变关系后，我们就能以此为基础研究粘接界面的破坏和失效过程。我们通过建立力学模型模拟界面粘接处的损伤和开裂过程，得到了如图2所示张力-位移的关系图。

图2 粘接结构件界面处张力—位移关系图Fig.2 Tension-displacement relationship at the interface of bonded structural parts

从图2可以看出，当向粘接结构件上面施加外力时，粘接界面处会因为承载过大最先达到破坏临界点，产生界面损伤，影响结构件的整体质量。一开始粘接界面处的张力随着位移的增加而变大， 在最初的弹性与形变过程被认为是线性的，粘接结构界面继续被破坏到达界面能承受的最大应力改变的临界点时，那么这个地方的粘接界面就会被完全破坏掉，界面处会裂开。当粘接结构界面处的位移继续增大，此时粘接结构界面处的破坏规律会随着我们自定义的破坏扩展规律进行，此时张力会减小，直到变为0。

通过上述张力-位移关系找到粘接界面的关系，代入实际数值，找到实际临界值，通过控制质量来不断提高粘接性能，并且标注准确的使用范围，增长使用寿命，节约成本。

3.2 粘接结构件质量控制模型及测试实验

我们利用上面张力-位移结构模型关系，设计了一个模拟力学感应器，将粘接结构件固定在力学感应底座上，给粘接结构施加一个平行于感应平面的外力，也就是剪应力，这个力的大小可以通过感应器转化显示出来，这个值就可以用来衡量两个零件之间的粘接强度。

这里我们从国内某工厂收集了247个粘接结构件产品，并利用我们的模型对其进行测试，测试后得到的剪应力强度数据录入下面表1中。

表1 剪应力强度的试验结果（单位：10kg）Tab.1 Test results of shear strength（unit：10kg）

随后，我们将上面表1中的测量数据输入XDCPE软件，使用XDCPE 软件根据数据做出相应的直方图，再利用经验分布函数将数据分布进行拟合，如下图3所示的拟合图。最后利用最小二乘法拟合得到最佳分布的参数，计算得到评价均数和标准偏差。

图3 剪应力数据拟合结果Fig.3 Shear stress data fitting results

从图3中的拟合结果可以看到，正态分布拟合失败，最佳拟合方式应为对数正态分布，其中这组数据的残差平方：0.0814，参数：μ=1.14，σ=0.229，平均值为3.31，标准偏差为0.010。从结果可以看出我们拟合得到的数据偏差较小，能够应用于实际生产中进行测试，控制粘接结构件的质量，并提供更合适的结构件力学使用范围，降低损耗，提高寿命，降低成本。

4 结语

化工设备生产过程中，粘接结构件的质量对整个化工设备生产的可靠性具有极大影响。我们卡可以利用各个零部件粘接结构之间的剪切强度来衡量结构件之间粘接的良好程度。文章基于粘接结构的界面力学模型，模拟研究了粘接界面处的张力-位移关系，并建立了粘接结构件质量控制模型，对实际样品进行了测试实验，最后利用XDCPE 软件对数据进行模拟，得到对数正态分布，且拟合得到的数据偏差较小，有望能够应用于实际生产中进行测试，控制粘接结构件的质量，并提供更合适的结构件力学使用范围，降低损耗，提高寿命，降低成本。