考慮化工設備成本的粘接結構件質量控制模型

張遠康

（長沙師范學院，長沙 410100）

化工設備零部件的連接方式有很多，例如鉚接、螺接、焊接等[1]，與這些連接方法相比，粘接技術具有連接過程簡便快速，經濟成本低等優點。除此之外，粘接方式下的結構件載荷分布更加均勻，抗疲勞性質更好[2]，可以把不同的材料更加靈活地粘連在一起，這樣結構中各部件可選擇更經濟適用的材料，達到質量標準的同時降低化工設備整體成本支出。

粘接結構件的質量問題一般是由某個粘接界面處粘接失效引起的，其中粘接界面處出現開裂是引起失效的主要因素[3]。這里我們為了在考慮化工設備成本的條件下控制粘接結構件質量，對粘接界面建立了力學模型，并對該模型進行了理論分析與研究，基于粘接界面建立了有效的評價標準，從而利用這個力學模型來控制粘接結構件的質量。粘接結構件的質量主要與粘接界面力學性能和粘接結構性質有關，因此控制途徑主要有2 種：①對粘接結構界面處的應力控制，進行模擬計算時可以將材料應力達到的最大值作為粘接界面質量失控的標準；②利用斷裂力學對粘接結構件的界面力學性能進行有效控制，使用這種方法時需要先設定一個初始的裂紋對斷裂力學進行定義。這兩種方法各有優勢，當我們使用應力控制時能夠較為準確地預估粘接結構件界面處出現的破壞，當我們利用斷裂力學進行質量控制時，能夠更加準確地對界面破壞后是否有裂紋的增長進行預估。

1 化工設備粘接工藝過程及質量影響因素

1.1 結構件預組裝

需要進行粘接組裝的各個結構零部件都應該符合技術標準要求，且都已經將需要裝配的一端做好標記，之后才能進入下一個工序。如果零件之間匹配度不夠可能會使組裝好的粘接件中間產生縫隙，從而影響最終產品的質量。

1.2 配套結構件表面處理

進行表面處理主要是用藥水洗去表面的雜質，維持表面的潔凈度，零件表面越干凈，粘接鍵合越牢固[4]。因此此處表面處理尤為重要，必須將零件洗干凈然后轉入無塵室，并在較短時間內將底膠涂敷均勻，防止二次污染，影響質量。

1.3 結構粘接面噴涂底膠

首先將底膠混合均勻裝入噴射裝置中，為了確保結構之間的粘接和防腐效果最佳，還需要先拿樣品板進行測試，確定噴涂過程能夠均勻且厚度有能夠滿足要求，才能對產品進行噴涂。同時操作員在進行操作時需要佩戴干凈的手套與口罩，確保操作過程的潔凈度，否則，將會對粘接結構質量造成影響。

1.4 底膠上面鋪貼膠膜

底膠噴涂完成后需要在涂好底膠的結構面上貼上膠膜，這步的關鍵也是潔凈度與膠膜質量，只有保證好這兩點才能保證最終產品的質量。

1.5 結構組裝

組裝的時候需要用到膜具，首先在膜具表面涂一層脫模劑，將準備好的零件放入模具正確位置進行粘接組裝。粘接結構件組裝完成后，需要將其裝入真空袋保存。在這一過程中同樣需要保證較高的潔凈度。

1.6 固化定型

組裝完成后的產品需要在規定的時間內完成固化定型，此時參數應該符合固化要求，固化完成后等零件冷卻至室溫才能進行轉移。這個過程中必須保證所有參數合理且避免二次污染。

1.7 產品出廠檢測

2 粘接結構件質量控制研究現狀

近年來，基于粘接結構件質量控制的研究有很多，例如，L. Hamitouche[5]提出了可以針對粘接界面建立黏性損傷模型，此模型大大提高了模型研究過程種數值計算過程的穩定性，使得最終數據結果的收集變得更加容易。除此之外，G. J. Chousal 等[6]人還研究了一種混合模型，并利用該模型對粘接和連接的同時破壞進行了應力分析，很容易就能夠得出粘接破壞的初始值，這樣就可以把粘接結構件的質量性能要求控制這個值內。除此之外，在微電子領域還將SPC（Statistical Process Control）技術[7-8]引入模型中來控制粘接結構的質量。

2.1 粘接結構件在微電子領域的質量控制模型

隨著電子產品的興起，集成電路的應用更加廣泛，微電子技術也被應用到電子產品的生產工藝中。這種精密細小的微電子元件需要通過粘接技術將其粘到電路板上面形成大的電子產品，此過程中就必須控制粘接件的質量和可靠性才能確保最終得到的產品質量過關。為了確保正規生產工藝過程的穩定性，這里引入了統計過程控制（Statistical Process Control 簡稱SPC）技術對復雜的微電子粘接結構件進行有效的質量監控。

對于微電子粘接結構件的質量控制來說，SPC是一種比較合理有效的質量監控手段，這種技術最早是基于控制圖形成的，并且該技術在國內外各個行業都被廣泛應用。因為微電路結構件的生產過程本身就有別于其他行業，因此將SPC技術應用于該領域就需要將該技術進行改進，使之與微電子粘接技術融合。

因此，應用到微電子領域中的SPC 技術的改進后需要包含以下4個方面內容：

1）對產品關鍵生產工藝過程及重要工藝生產參數的確定

2）對電子產品生產工藝參數的數據進行收集

3）能分析生產過程受控狀態

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4）具有產品質量控制技術。

得到最終的SPC技術對產品進行質量控制的流程如圖1所示。

圖1 基于SPC技術的產品質量控制流程圖Fig.1 Flow chart of product quality control based on SPC technology

3 考慮化工設備成本的粘接結構件質量控制模型

很早之前就有人提出質量成本的概念，就是在質量相對符合某一標準的情況下，使得成本最低。傳統的質量-成本控制模型的主要是基于理論研究，而近年來的模型優化主要是將傳統模型在結合實際經濟環境以及企業管理等多個現實角度進行優化，使得模型能夠更好地展現出實際成本與質量之間的關系，進一步降低成本。這里我們在考慮實際化工設備成本的前提下，首先對粘接界面進行了力學模擬，并基于此模擬粘接部分失效過程，得到維持在成本最低條件下維持質量的最佳參數。

3.1 基于粘接結構的界面力學模型

為了研究粘接結構的質量控制模型，我們首先模擬了實際狀態下粘接界面處的張力與位移的關系，并得到了如圖2 所示的張力-位移關系圖。我們將界面上未施加外力作用時的狀態為初始原點，將粘接結構在界面處產生的拉伸應力定義為矢量t，由于應力可能在各個方位產生，因此要考慮三位立體結構，那么定義平面內的兩個方向上為tn和ts，切向平面的一個方向上的應力為tt，各個方向上應力產生的位移對應為相應的位移分別定義為δn，δs與δt。若界面處粘接厚度用T0表示，那么這三者變量關系應該符合以下關系式：

粘接結構件界面處的彈性關系應表示為：

確定了粘接結構件在粘接界面處的應力與彈性應變關系后，我們就能以此為基礎研究粘接界面的破壞和失效過程。我們通過建立力學模型模擬界面粘接處的損傷和開裂過程，得到了如圖2所示張力-位移的關系圖。

圖2 粘接結構件界面處張力—位移關系圖Fig.2 Tension-displacement relationship at the interface of bonded structural parts

從圖2可以看出，當向粘接結構件上面施加外力時，粘接界面處會因為承載過大最先達到破壞臨界點，產生界面損傷，影響結構件的整體質量。一開始粘接界面處的張力隨著位移的增加而變大， 在最初的彈性與形變過程被認為是線性的，粘接結構界面繼續被破壞到達界面能承受的最大應力改變的臨界點時，那么這個地方的粘接界面就會被完全破壞掉，界面處會裂開。當粘接結構界面處的位移繼續增大，此時粘接結構界面處的破壞規律會隨著我們自定義的破壞擴展規律進行，此時張力會減小，直到變為0。

通過上述張力-位移關系找到粘接界面的關系，代入實際數值，找到實際臨界值，通過控制質量來不斷提高粘接性能，并且標注準確的使用范圍，增長使用壽命，節約成本。

3.2 粘接結構件質量控制模型及測試實驗

我們利用上面張力-位移結構模型關系，設計了一個模擬力學感應器，將粘接結構件固定在力學感應底座上，給粘接結構施加一個平行于感應平面的外力，也就是剪應力，這個力的大小可以通過感應器轉化顯示出來，這個值就可以用來衡量兩個零件之間的粘接強度。

這里我們從國內某工廠收集了247個粘接結構件產品，并利用我們的模型對其進行測試，測試后得到的剪應力強度數據錄入下面表1中。

表1 剪應力強度的試驗結果（單位：10kg）Tab.1 Test results of shear strength（unit：10kg）

隨后，我們將上面表1中的測量數據輸入XDCPE軟件，使用XDCPE 軟件根據數據做出相應的直方圖，再利用經驗分布函數將數據分布進行擬合，如下圖3所示的擬合圖。最后利用最小二乘法擬合得到最佳分布的參數，計算得到評價均數和標準偏差。

圖3 剪應力數據擬合結果Fig.3 Shear stress data fitting results

從圖3中的擬合結果可以看到，正態分布擬合失敗，最佳擬合方式應為對數正態分布，其中這組數據的殘差平方：0.0814，參數：μ=1.14，σ=0.229，平均值為3.31，標準偏差為0.010。從結果可以看出我們擬合得到的數據偏差較小，能夠應用于實際生產中進行測試，控制粘接結構件的質量，并提供更合適的結構件力學使用范圍，降低損耗，提高壽命，降低成本。

4 結語

化工設備生產過程中，粘接結構件的質量對整個化工設備生產的可靠性具有極大影響。我們卡可以利用各個零部件粘接結構之間的剪切強度來衡量結構件之間粘接的良好程度。文章基于粘接結構的界面力學模型，模擬研究了粘接界面處的張力-位移關系，并建立了粘接結構件質量控制模型，對實際樣品進行了測試實驗，最后利用XDCPE 軟件對數據進行模擬，得到對數正態分布，且擬合得到的數據偏差較小，有望能夠應用于實際生產中進行測試，控制粘接結構件的質量，并提供更合適的結構件力學使用范圍，降低損耗，提高壽命，降低成本。