光电瞄具内部异常水汽原因探究

光电瞄具内部异常水汽原因探究

陈林杰，张洁皓，姚永杰，陈小强

陆军装备部驻西安地区军事代表局  陕西西安  710000

【摘  要】光电瞄具内部空气的含水量是影响其使用性能和使用寿命的一项重要因素，通常利用充入干燥气体和良好的密封性来保证内部环境的干燥。本文通过介绍光电瞄具密封过程和对气密性有影响的各种因素，对光电瞄具内部异常水汽的产生原因进行分析，提出加强光电瞄具气密性能监督的具体措施。

【关键字】；光电瞄具；气密；检测；

一、引言

光电瞄具作为一种观瞄设备，通常要能满足全天候工作的需要。因此，雨雪、高低温等环境因素对产品性能的影响必须在产品设计时被考虑在内，这就要求光电瞄具的腔体具有良好的气密性且腔体内气体干燥。如果腔体气密性失效或内部含有水汽，在潮湿环境、低温环境、温度剧烈变化等情况下使用时，光学玻璃内表面上会凝集水汽或结霜，严重影响瞄具的观瞄效果，同时还可能导致瞄具内部的电子器件锈蚀短路，进而影响瞄具的可靠性和使用寿命。所以光电瞄具必须保持其腔体内部的干燥和密封，以保证在不同环境下的正常使用。

二、气密性影响因素

1.产品密封过程

光电瞄具的密封需要保证整个腔体内部的密封，根据密封部位的不同，一般分为动密封和静密封，静密封主要用于零件外部壳体部分的连接结合部位，一般为平面密封和孔轴配合部位密封；动密封主要用于目镜视度的调节部分或物镜焦距的调节。以静密封为例，某型光电瞄具的气密钉结构简图如图1所示。

图1  某光电瞄具气密钉结构简图

从图中可以看出，为实现光电瞄具内部腔体的密封，需要在零件连接部位用橡胶垫圈和密封胶进行封堵。该零件的装配工艺为先将橡胶垫圈放入凹槽内，然后将气密钉旋入1~2扣，并在外螺纹上涂适量密封胶，最后上紧螺钉。

2.密封材料选择

在选择密封材料时，O型橡胶垫圈因为其材料经济、结构简单、密封性能好、尺寸小的特点，是光电瞄具中最常用的密封材料。此外，为了能满足封堵各类缝隙的需要，密封胶密封也是光电瞄具常用的密封形式。目前，平面静密封主要依靠密封胶，轴类的静密封和动密封依靠O型密封圈，密封胶和O型圈材料的选择需要根据结构特点、使用要求和经济性，综合考虑、合理选择。

按照GB/T 2943-2008《胶粘剂术语》、GB/T 9881-2003《橡胶 术语》中的有关定义，密封胶、O型圈密封性能主要由拉伸强度（在垂直于胶层的载荷作用下，胶接试样破坏时，单位胶接面所承受的拉伸力）、压缩率（橡胶在应力方向上的形变除以该方向的原始尺寸，通常表达为橡胶原始尺寸的百分数）决定。根据GJB369A要求，光电瞄具的气密性需要满足在35kPa的压力下，至少5min不泄露。所以，密封胶的拉伸强度至少要大于35kPa，而O型圈压缩率的确定需要多方面权衡考虑，既要避免压缩量过大、橡胶圈永久变形、摩擦力过大等因素，又要有良好的密封性。一般情况下，静密封的压缩量大于动密封压缩量，平面静密封压缩量不大于30%，圆柱径向静密封取15%～20%，动密封用密封圈压缩量为10%～15%。压缩率计算由式1决定：

压缩率：W=(d0-h)/ d0×100%                                   式1

式中 ，d0为自由状态下的截面直径；h为O型圈压缩后的截面高度。

由于不同材料的特性不同，选择密封材料时还要将材料特性考虑在内。一般情况下，密封胶选用室温固化的硅橡胶，这种密封胶具备耐高低温、耐老化、电绝缘性能好、固化速度快、工艺性能好、使用寿命长等优点广泛用于光学仪器行业。O型圈则由于不同的橡胶材料适用不同的工作环境，如丁晴橡胶耐油，耐磨，耐高温，低温性能较差；硅橡胶，低温性能好，但不耐磨，不耐油，因而需要在设计零件时根据零件所处部位的使用要求，合理选用材料。

3.腔体内部气体

在腔体完全密封之前，为了避免大气中水汽的影响，需要在内部充入干燥气体，通常出于制备难度和气体性质的考虑，会选用氮气作为填充气体。这是因为，大气中的水含量较高，会使腔体内部的金属件生锈并腐蚀橡胶圈，影响产品的气密性，而且在低温时空气中的水会从气态转化为固态或液态并凝结在镜片上，导致产品观测性能降低。但如果充入干燥氮气，由于氮气本身性质偏向惰性，不易于其他材料发生化学反应，能够降低内部的金属件生锈的可能，同时避免对O型圈产生腐蚀。另外，高纯度的氮气具有受热时膨胀率低的优良特性，不会在温差变化大时，产生高压或负压，使腔体不会因此而产生漏气。为得到高纯度的氮气，最常见的工业制备方法是深冷空分法，这种方法的原理是利用空气中不同成分液化温度不同的特性，通过将空气冷却到极低的温度，使得空气中其他成分冷凝结冰，从而得到高纯度氮气。由于其制备原理的影响，这种方法获得氮气无需再进行干燥，而其他制备方法，如薄膜分离法、变压吸附法等，获得的氮气都需要进一步的干燥、纯化。

在充氮前，需要干燥光电瞄具以避免原有水分的影响，通常采用加热保温1h进行干燥处理或在干燥柜内干燥超过24h的方法保证产品内部环境干燥。

充氮有正压充氮法和负压充氮法两种。使用正压充氮法时，瞄具需要预留两个气口，进气口和出气口。充氮检测装置连接进气口，将氮气由进气口送入腔体内部，腔体内原有的空气从出气口逸出，待原有空气全数逸出后，封住出气口，继续充氮，直至瞄具内压力符合要求为止。负压充氮则将瞄具置于真空充氮箱内抽真空至-0.08Mpa，后充灌氮气至气压大于0.1Mpa，打开真空充氮箱后即对充气口（气密钉）进行密封处理，未装气密钉的产品在箱外放置的时间不允许超过10min。

三、异常原因分析

1.确定异常来源

当发现光电瞄具内部存在水汽时，包括凝露、结霜、结冰、积水等各种现象，首先要对瞄具的气密性进行检测以确定异常水汽的来源。常用的气密检测方法有压降法和水浸法。其中，压降法是对瞄具充气后，通过观察压力变化情况判断是否发生泄漏。这种方法的优点在于，方便操作且可以精确的判断产品漏气的泄漏量，确定泄露的严重程度，但不能定位泄露位置。水浸法则是通过对浸没在水中的瞄具充气，根据气泡的冒出情况，判断泄漏的位置和大小，但操作较为复杂且依赖人力。

此外，瞄具的环境试验，如浸渍试验、低温试验等，也可以用来判断瞄具气密性是否存在异常。如果瞄具气密异常，试验后可以清晰的观测到内部有积水、结霜、凝露等现象。

2.异常原因分析

根据异常确定方法的不同，可以对瞄具内部异常水汽的成因进行初步定位：

（1）在环境试验时发现内部存在水、雾、霜等现象时，由于此时瞄具已经完成密封，存在充入气体不干燥或密封失效两种可能。具体可根据浸渍试验结果进行判断，若密封失效，试验后瞄具内部会存在大量积水。

（2）在气密性检测时发现漏气，应结合水浸法进一步确认，如果气泡是从充气口产生的，可能是充气口未连接好，重新连接或更换充气口垫圈后再次试验，仍有泄露或气泡从别处产生，可以确定瞄具密封失效。

确认瞄具密封失效后，可以根据对密封过程的分析依次排查原因：

（1）确认产品设计上是否存在问题，是否根据连接处的使用要求选择恰当的密封设计。

（2）确认密封材料是否满足使用需求，密封胶的拉伸强度和橡胶垫圈的压缩量等指标是否满足要求。

（3）装配时是否按照图样进行装配，有无漏装、错装橡胶垫圈、密封胶涂抹量不足等现象。

（4）充氮过程是否存在异常，是否对内部进行干燥，装配气密钉时是否频繁开关高温箱门或暴露在大气中时间太长，所选用的氮气是否不够纯净。本步骤也用来对充入气体不干燥原因进行分析。

四、对策措施

通过以上对光电瞄具内部异常水汽产生原因的分析，可以发现当在所交付的产品中发现内部存在异常水汽时，无论是由于哪种原因导致的，最终都需要对整批产品的气密性进行确认，甚至需要整批返工。而且，由于常用的气密检测方法，压降法和水浸法都需要在过程中进行检测，一旦产品完成密封就只能通过环境试验检测，不但效率低下而且因为抽样比例的原因，容易产生疏漏。因此，为了提高光电瞄具的气密性能监管质效，可以从以下几个方面着手，将问题关口前移：

（1）加强研制过程控制，在产品设计过程中尽量采用成熟的密封结构和材料，并经过充分的试验验证，确保气密性符合要求，将设计问题、选材问题解决在萌芽状态；

（2）加强生产过程控制，严格把控工艺流程和环境要求，确保O型圈安装时型号正确、位置正确、没有遗漏，密封胶涂抹充足均匀且固化充分，干燥充氮过程中瞄具经过充分干燥且密封时操作环境干燥，减少人为因素的影响；

（3）加强气密性筛选，将气密性检测列入过程检验中进行，在瞄具干燥充氮前逐个进行筛选，提早暴露问题隐患；增加环境试验样本量，与气密检测结果互相对照，把好质量关口。

五、结语

光电瞄具的含水量是气密性好坏的重要体现，而瞄具的气密性是影响使用性能和使用寿命的重要因素，因此要严格把控瞄具气密性能的形成过程，保证瞄具的出厂质量。