李鹏程1,钱忠仁2,钱忠平2,张立佳1,王 健1，李 琳1
(1.国家仪器仪表元器件质量监督检验中心，辽宁沈阳 110043;2.江苏博格东进管道设备有限公司，江苏姜堰 225500)
摘要：针对波纹补偿器压力应力试验中应变计粘贴工艺复杂导致的坏片率高且严重影响测试结果等问题，提出了一种波纹管复杂曲面应变计粘贴工艺流程及方法。首先从粘贴表面的物理特性和化学特性上确保应变计粘贴质量，其次关注全工艺流程的绝缘保护和物理保护，并同时采用专用粘贴工具来全面应对波纹管弧形面的粘贴环境。试验结果表明：应变计粘贴可靠，粘贴效率高。
关键词：波纹管；应变计；粘贴方法；表面处理；保护与绝缘
粘贴式电阻应变计测试原理的理想模型是粘贴的应变计与被其覆盖的测试表面进行着同步的应变，通过电测法可以得出应变计的应变值，近似等于被测表面的应变值，在已知应力的情况下，就可以得出被测点的应力值，从而进行应力的定量分析，而应变计粘贴质量影响测试结果准确性。箔式应变计实质上为小型印刷电路 [1]。对于金属、混凝土结构、建筑路桥等平面表面，操作空间一般很充裕，所以对于这类整体呈平面表面的应变计粘贴工艺已经非常成熟。波纹补偿器压力应力试验采用应变计电测法，通过由温度差造成的轴向位移补偿和内压变化工况产生的应力变化的分析，包括周向应力(环向应力)和轴向应力(子午向应力)测试可以更好地进行波纹补偿器的设计和选用[2]。波纹补偿器中波纹管部分，表面形状呈弧面，可类比正弦波波峰至波谷的连续波形结构，压力应力试验中需要粘贴应变计的数量较多，而波纹管结构所决定的应变计粘贴时存在操作空间狭窄而难于粘贴的工艺难点。波纹补偿器的压力应力试验是验证试件性能的关键步骤，波纹管周向和轴向应变计粘贴质量直接影响试验结果[3]，所以需要一种可靠的针对波纹补偿器的应变计粘贴工艺和方法。
波纹管表面应变计粘贴工艺流程见图1。制订波纹管表面应变计粘贴工艺流程有助于进行全过程的质量管理，按照既定步骤顺序进行操作。根据工艺流程制订操作规程，同时编制现场粘贴工艺流转卡片，在质量管理上实现标准作业流程，有效保证粘贴工艺的质量。
图1 波纹管表面应变计粘贴工艺流程图
2.1 材料选用
应变计：根据试验要求选用单轴箔式缩醛类基底电阻应变计，电阻值(119.8±0.1)Ω，丝栅尺寸1 mm×1 mm，灵敏系数2.08(1±1%)，厚度35 μm[4]。
粘接剂：不同粘接剂的选用会使粘贴工艺有所差异，常温条件下测量结构应力主要选用能够瞬间固化的α-氰基丙烯酸酯系胶，即502强力胶水，该胶水为单一成分胶水，利用大气中微量水气，可在极短时间内粘接，常温下即可使用。
2.2 应变计的准备
应变计的准备包括应变计的检查和表面处理。应变计结构尺寸非常微小，需要细心使用，以免损坏。
2.2.1 应变计的检查
2.2.1.1 外观检查
借助放大镜和防静电镊子，在洁净操作平台上进行检查，引线应无折断；基底和盖层应无破损、气泡、褶皱、坑点；敏感栅应无锈斑，排列应整齐均匀，应无可见短路、缺口、断栅、划伤和变形。判定无以上外观缺陷后进行电阻检查。
2.2.1.2 电阻检查
借助数字多用表、塑料夹子，在洁净操作平台上进行检查，数字多用表按要求进行预热后切换至测电阻档，表笔线轻触应变计引线端进行电阻检查；电阻检查也可直接使用应变仪，按要求进行预热后，用平面口的塑料夹子压接应变计引线和应变仪测试线，观察应变仪显示是否正常。
2.2.1.3 数量检查
经过外观检查、电阻检查的应变计数量应比实际需要粘贴数量多出1倍。
2.2.2 应变计的表面处理
试验人员在应变计表面处理前应佩戴专用防毒面具，借助脱脂棉浸无水乙醇对应变计两面进行处理，要注意沿单一方向轻轻擦拭3次，洗净后放置于洁净玻璃器皿中干燥1 h，现场试验使用前扣盖封存，并做好文字标识，避免误用。
2.3 波纹管表面的准备
粘贴应变计前，应对粘贴试件表面进行物理和化学处理，以使应变计粘贴牢固。处理面积约为应变计面积的3～5倍。
(1)打磨前用铅笔对预贴片位置画十字交叉定位标记。选用220～400目的砂纸，在定位标记处打磨交叉条纹，但不能使应变计基底下与粘贴表面出现沟槽现象，靠近波谷及波谷处可借助镊子和裁剪好的砂纸进行多次打磨。波纹管外表面为弧形结构，小尺寸的波形可提供的操作空间非常狭窄，建议使用前端为球形的刚性杆，打磨时，用杆的头压着裁剪好的砂纸打磨。
(2)试验人员在波纹管表面进行化学处理前应佩戴专用防毒面具，现场应通风，并严禁烟火。表面清洗可选用丙酮或无水乙醇，化学处理的主要目的是清除表面油污和物理颗粒物。借助脱脂棉球和镊子，沿单一方向进行擦拭，直至棉球上无可见污渍和颗粒物。处理干净的表面要避免用手触碰。
(3)待溶剂自然挥发,表面完全干燥后，使用铅笔再次画出十字交叉定位标记[5]。
2.4 应变计粘贴
应变计粘贴是整个贴片过程中最关键的步骤，对测试精度、结果有重要影响，应谨慎操作。
2.4.1 现场条件
因粘贴过程需要试验人员注意力高度集中，现场需配备充足而合适的照明设备。
2.4.2 物品准备
试验中需要用到的物品有：数量充足且经过检查和处理的应变计；尖嘴瓶502胶水(根据实际情况，可使用能更换针头的单液手动推胶器)；洁净的细纱手套；不同尺寸的专用镊子若干；头部包覆聚四氟乙烯膜的压紧工具；便携手电或者头戴照明灯等照明设备；经过裁剪的聚四氟乙烯膜若干；预先裁剪好的长度、宽度、厚度适合的绝缘胶带(也可使用石蜡进行蜡封，应根据实际工况选择)。
2.4.3 粘贴条件确认
应变计应经过检查并已进行表面处理，确认波纹管预粘贴位置正确，确认预粘贴位置已经过表面打磨和化学清洗。
2.4.4 涂粘接剂
要注意粘接剂的用量，避免过多的胶液在按压固化时流到应变计的表面而改变应变计的散热状态和传递变形性能，使零漂、蠕变、滞后增大。可将粘接剂瓶头尖嘴处剪成斜口形状，开口不宜过大或过小，以能够均匀少量出胶为宜。通常将胶涂在应变计基底上(根据实际工况也可选择在试件表面贴片位置适量涂胶)，涂胶量应控制为刚好均匀摊开薄而匀的一层，长宽应不超过应变计基底粘贴面尺寸，应变计粘贴后边界稍有粘接剂溢出为适。
2.4.5 压紧固化
应变计粘贴面涂胶后，稍稍晾干，右手(可不戴细纱手套)使用防静电镊子轻捏应变计引线将应变计粘贴面朝下，送至标识位置；左手配合使用包覆聚四氟乙烯膜的压紧器(事先可根据表面曲率制作橡皮压块)，从应变计非粘贴面端缓缓下压，在下压过程中左右手配合调整粘贴方位直至正确后，方可使压紧器压紧，建议压紧时间不少于1 min[6]。使用硬纸板在覆盖聚四氟乙烯膜上，从远离引线端向引线端缓慢轻压，直到应变计上凸起的焊点为止，然后压实硬纸板。
2.5 贴片质量检查
压紧固化后，借助放大镜对应变计粘贴质量进行检查，检查项目包括：粘贴位置是否准确；粘贴是否牢固，片内有无气泡；应变计有无异常变形。
2.6 保护与绝缘
在应变计引线引出端下方沿应变计边界粘贴绝缘胶布，确保引线与测试表面隔离绝缘。若应变计引线引出端与测试表面粘接，需使用防静电镊子轻轻将引线剥离,再粘贴绝缘胶布对引线进行绝缘处理。然后在引线布置区域粘贴绝缘胶布，使引线与测试表面完全绝缘。使用绝缘胶布覆盖应变计及引线，留出10～15 mm引线用来与应变仪测试线焊接。保护和绝缘过程中，为避免遮盖其他贴片位置，建议可以先做引出端小区域绝缘，等到附近多个应变计粘贴完毕后，再做应变计及引线整体保护和绝缘。
2.7 保护与绝缘质量检查
每个应变计保护和绝缘后，仔细检查表面，应无短路、断路。
2.8 引线焊接
粘贴应变计并做好初步保护绝缘后即进行引线焊接。焊接前对应变仪测试线进行检查，确保接触可靠，通道数满足测试需求，测试线焊接端保护套管长度及口径适合。焊线时，选用小功率电烙铁，在应变计引出线附近依靠工具沿应变计引出线顺向区域固定应变仪测试线，使用镊子夹住应变计引出线，尽量减小焊接过程中产生的热量,避免该部分热量传导至引出线与丝栅的焊点处而将应变计引出线烫落。应变计焊接后可在应变仪端读出初始值。控制焊枪温度不超过250 ℃，应迅速焊接，焊牢后使用保护套管对引线进行保护，应无虚焊。
2.9 保护与绝缘
焊接好的引线除使用保护套管保护外，应按统一方向再使用绝缘胶布进行固定保护。
2.10 整体质量检查
每个焊接完好的应变计都应在应变仪端输出固定数值，检查引线保护套管是否完全包覆引线，应无短路、断路。使用一块软的橡皮轻压应变计丝栅，如果粘接、焊接完好，没有空气或气泡，则当受压时，应变计零点应稍有漂移，当压力移除后会立即返回到初始零点。
按工艺流程、操作规程进行波纹补偿器压力应力试验前的应变计粘贴并详细记录工艺流程卡片。记录周向贴片数、轴向贴片数、粘贴不牢固片数、重复粘贴片数、电测过程时发现的坏片数，应变数据。经过试验验证，12片应变计中仅有1片因粘贴不牢固而进行了重复粘贴，其余应变计均粘贴良好。说明采用该工艺流程确保了波纹管应变计粘贴的可靠性，从而保证了压力应力试验的可靠进行。在实验室环境条件(21±1)℃下静置24 h后，记录应变仪读数，记录时间24 h，周向应变片应变值变化区间为-2～3 με，轴向应变片应变值变化区间为-3～5 με，波纹补偿器设计寿命按1 000次(nf=10)核定，标准应变量应不大于6 276 με(Eb=195 GPa)，验证应变波动最大波动量与允许应变变化量的占比率为0.13%，应变片的示值偏差率为0.09%，波纹补偿器允许测量误差为1.5%,因此，按照本粘贴工艺流程粘贴的应变计，满足对波纹补偿器的测试要求。表1为应变计粘贴质量检查记录表。
表1 应变计粘贴质量检查记录
检查项目数量周向贴片6轴向贴片6粘贴不牢固1重复粘贴1坏片0
通过采用流程化的应变计粘贴方法，保证了波纹补偿器压力应力试验的可靠进行。该工艺流程中关键点是应变计和粘贴面的表面质量处理，手工物理打磨处理比较耗时，未来可采用超声波技术进行表面处理；难点是使用专用工具进行狭窄空间下的粘贴操作及绝缘保护操作，粘接剂的出胶量控制和涂胶工艺均匀度控制很重要；要点是进行全过程的质量检查。因此熟练掌握应变计粘贴技巧，严格按照粘贴工艺流程进行粘贴是十分必要的。同时，对于贴片过程中涉及的专用工具研究与创新也是今后提高贴片效率与保证质量可靠的方向。
参考文献：
[1] 温杜 A L，霍里斯特 G S. 应变计技术[M].朱鼎铭，等译.北京：中国计量出版社，1989.
[2] 李永生，李建国. 波形膨胀节实用技术——设计、制造与应用[M].北京：化学工业出版社，2000.
[3] 国家发展和改革委员会.高压组合电器用金属波纹管补偿器：JB/T 10617—2006[S].北京：机械工业出版社，2007.
[4] 国家质量监督检验检疫总局.金属粘贴式电阻应变计：GB/T 13992—2010[S].北京：中国标准出版社，2011.
[5] 冯仁贤.微型箔式应变计的制造与使用[J].机械强度，1984(1)：1-5.
[6] 尹福炎 ,王成林.应变胶粘剂对应变计和传感器性能的影响[J].衡器,2004(2):13-22.
Study on the Paste Method of Strain Gauge for Bellows Compensaser
LI Peng-cheng1, QIAN Zhong-ren2, QIAN Zhong-ping2, ZHANG Li-jia1, WANG Jian1, LI Lin1
(1.National Supervising and Testing Center for the Quality of Instruments and Components, Shenyang 110043, China;2.Jiangsu Berg Dongjin Pipeline Equipment Co., Ltd., Jiangyan 225500, China)
Abstract:Aiming at the problem of high rate of the bad pasted strain gauge and seriously affected the test results and other issues, a bellows complex surface strain gauge paste process and method was proposed. Firstly, ensured the paste quality of the strain gauge from the physical and chemical characteristics of the adhered surface. Secondly, paid attention to the insulation protection and physical protection of the whole process. At the same time, a special pasting tool was adopted to fully cope with the bonding environment of the arc-shaped surface of the bellows. The results showed that the strain gauge pasted reliable, could have highly adhesive efficiency.
Keywords:bellows; strain gauge; method of paste; surface treatment; protection and insulation
收稿日期：2017-05-19
中图分类号：TH703
文献标识码：A
文章编号：1004-9614(2017)03-0057-04
作者简介：李鹏程(1987—)，助理工程师，主要研究压力管道元件检测技术与设备研发。
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