電真空器件的常用檢漏方法

2014-09-04 李麗萍高功率微波源與技術(shù)重點實驗室

　　根據(jù)電真空器件的結(jié)構(gòu)特點及測量精度要求，常用的有兩種檢漏方法，即氦罩法和噴吹法（這兩種檢漏方法詳細(xì)介紹可見：氦罩法和噴吹法的氦質(zhì)譜檢漏儀檢漏常見方法）。檢漏時，先用氦罩法進(jìn)行總漏率的測定，當(dāng)總漏率超出允許值后再用噴吹法進(jìn)行漏孔的準(zhǔn)確定位。

1、氦罩法測總漏率

　　氦罩法是被檢件與檢漏儀連接抽真空達(dá)到檢漏狀態(tài)后，用一個充滿氦氣的檢驗罩，把被檢件整體或局部的外表面包圍起來，如圖4 所示。檢驗罩充氦時先將罩內(nèi)空氣排出再充氦，以保證罩內(nèi)氦濃度盡可能接近100%，被檢件上任何地方有泄露，檢漏儀都會有漏率值變化，顯示出漏率值。氦罩時間也要持續(xù)3~5 倍檢漏儀響應(yīng)時間。ASM192T2氦質(zhì)譜檢漏儀反應(yīng)時間小于0.5 s，因此氦罩時間30 s 即可。氦罩法可快捷地測定被檢件總漏率，不會漏掉任何一處漏點，但不能確定漏孔位置。

2、噴吹法確定漏孔位置

　　噴吹法是將被檢件與儀器的真空系統(tǒng)相連，對被檢件抽真空后用噴槍向可疑漏孔處吹噴氦氣。當(dāng)有漏孔存在時，氦氣就通過漏孔進(jìn)入質(zhì)譜儀被檢測出，噴氦法檢漏示意圖如圖5 所示，噴吹法彌補了氦罩法不能定位的缺陷。

氦罩法檢漏示意圖

圖4 氦罩法檢漏示意圖

噴氦法檢漏示意圖

圖5 噴氦法檢漏示意圖

2.1、噴吹的時間與移動的速度

　　噴吹時間要根據(jù)被檢件的結(jié)構(gòu)特點、容積大小、檢漏儀工作狀況及檢漏方法來定，因為氦氣通過漏孔進(jìn)入被檢件內(nèi)部時，在檢漏儀內(nèi)建立起穩(wěn)定的氦分壓，需要一定時間。噴吹時間T 與氦分壓PHe 最大值的關(guān)系可用式(2)-(6)表示：

噴吹時間T 與氦分壓PHe 最大值的關(guān)系

　　式中：PHe 是氦在質(zhì)譜室中建立的氦分壓，QHe為漏孔漏率，SHe 是質(zhì)譜室處對氦的抽速，τ 為檢漏儀的反應(yīng)時間。從以上公式中可以看出，為了準(zhǔn)確定位漏點位置，對漏點持續(xù)噴氦的時間應(yīng)達(dá)到3~5倍檢漏儀的反應(yīng)時間，使漏孔附近的氦濃度比接近100%，同時由漏孔進(jìn)入檢漏儀的氦氣有足夠的平衡時間，則漏率的指示可達(dá)到穩(wěn)定值的95%~99%。對于簡單漏孔，一般以3 倍檢漏儀反應(yīng)時間作為施加氦氣的時間來判斷是否有漏孔及其漏率，ASM192T2 氦質(zhì)譜檢漏儀反應(yīng)時間小于0.5 s，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為噴吹2 s 即可。

　　噴槍的移動速度不宜過快，噴槍移動的速度v 與噴嘴直徑及噴吹時間t 的關(guān)系如下：

v=10 d/t (7)

　　式中，v 是噴槍移動速度，d 是噴槍口徑，t 是噴吹時間。通過上式可計算出噴槍移動的速度，比如：采用口徑為0.5 mm 的噴槍，移動速度控制在2~3 mm/s。

2.2、噴氦法最小可檢漏率分析

　　噴吹法檢測漏孔是最常用、最便捷的一種方法，但是噴吹法檢漏靈敏度受多種因素影響。噴氦法檢漏時的檢漏系統(tǒng)最小可檢漏率與儀器最小可檢漏率存在關(guān)系：

檢漏系統(tǒng)最小可檢漏率與儀器最小可檢漏率存在關(guān)系

　　式中Q′min 是檢漏系統(tǒng)最小可檢漏率，Q min是儀器最小可檢漏率，γHe 為被檢部位處所噴氦氣體積濃度，Δt 是噴嘴在漏孔的停留時間，τ 是儀器的反應(yīng)時間。

　　由公式8 可以看出，噴氦法檢漏時其最小可檢漏率與所噴氦氣濃度γHe、噴氦時間Δt 有關(guān)。提高噴氦法檢漏最小可檢漏率可通過兩條途徑來獲得：(1)使γHe→1，即提高漏孔處氦濃度；(2)使，即增加噴氦時間Δt，但噴氦時間的提高意味著檢漏效率的降低。

　　普通噴槍噴嘴為敞開式結(jié)構(gòu)，其檢漏示意圖如圖6 所示。漏孔形狀，噴嘴形狀尺寸，噴射氣體壓力，噴嘴相對于漏孔夾角、距離，移動速度，被檢件周圍環(huán)境大氣中氦本底(氦濃度)大小及穩(wěn)定情況也對噴吹法檢漏靈敏度有較大影響。檢漏儀的本底值偏高時，利用ASM192T2 檢漏儀的浮零功能，將本底值置零后繼續(xù)對被檢件噴吹氦氣，根據(jù)指示漏率值的相對變化進(jìn)行漏孔的判定和定位。在具體操作中，檢漏靈敏度(工作靈敏度)受流導(dǎo)與抽速限制，工作靈敏度比儀器靈敏度低一個數(shù)量級。

敞開式普通噴槍檢漏示意圖

圖6 敞開式普通噴槍檢漏示意圖

2.3、復(fù)雜結(jié)構(gòu)———雙回路漏孔定位

　　微波器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多回路交叉相連，常出現(xiàn)相鄰回路相通現(xiàn)象。由于焊接面在內(nèi)部，從外觀看不到，不易判斷，因此要根據(jù)結(jié)構(gòu)對相鄰回路的每一道焊接縫位置依次排查，分析可能出現(xiàn)兩回路相通的各種狀況。

　　圖7 是某部件雙回路結(jié)構(gòu)二維圖，可知零部件的整個外表面是回路1 的外套，與回路2 相關(guān)的焊接部位被外套遮擋后不易從外表面觀察到。檢漏時，首先將回路1 抽真空，對回路2 進(jìn)行噴氦，找出兩路相通區(qū)域；然后將回路2 抽真空，通過與回路1 開口端相連接的U 型管緩慢注入酒精，同時從回路1 的另一端通入小氣流氦氣，防止氣流將酒精擴散到別處。在此過程中，不斷觀察真空度與漏率的變化。當(dāng)液面高度達(dá)到漏位處時，酒精會將漏孔堵塞或者進(jìn)入漏孔，那么真空度或漏率就會有明顯變化，U 型管內(nèi)液面高度即為零部件漏孔所在的位置平面，結(jié)合被檢件的結(jié)構(gòu)尺寸，就可以判定漏位。將漏位處的外套局部剖開，可進(jìn)一步分析、確認(rèn)漏位特性和漏氣原因。

微波部件的雙回路結(jié)構(gòu)圖

圖7 微波部件的雙回路結(jié)構(gòu)圖

2.4、復(fù)雜漏孔定位

　　電真空器件中漏孔的類型主要是細(xì)管狀、斷面復(fù)雜的管狀、隙縫、連在一起的多孔組織和由細(xì)管或隙縫把空穴連接起來的組織結(jié)構(gòu)。形成漏孔的原因可能是材料本身的缺陷、焊接質(zhì)量和產(chǎn)品的特殊要求使得工件易形成串聯(lián)漏孔或中間腔。

　　無氧銅與不銹鋼高溫釬焊，在顯微鏡下放大60 倍觀察，如圖8(a)所示。B 是銀銅焊料高溫融化后在毛細(xì)作用下沿著串聯(lián)孔隙流散，A 無氧銅材料應(yīng)力釋放形成的孔隙。圖8(b)是串聯(lián)漏孔示意圖，由圖可見，被檢件包含有死空間，左側(cè)是大氣，右側(cè)是檢漏儀的真空區(qū)域。當(dāng)漏孔1 左側(cè)被100%氦氣覆蓋時，中間腔分壓公式如下：

　　式中：Q1 是第一個漏孔的漏率；C2 是第二個漏孔的等效流導(dǎo)；t 是時間；v 是中間腔的容積。

復(fù)雜漏孔的顯微鏡照片(a)和串聯(lián)漏孔示意圖

圖8 復(fù)雜漏孔的顯微鏡照片(a)和串聯(lián)漏孔示意圖(b)

　　進(jìn)入檢漏儀的氦流量可通過公式(10)計算：

　　由此得出中間腔內(nèi)達(dá)到壓強平衡時的氦分壓公式：

　　由此可見，檢漏儀到的氦漏率與第一個漏孔的漏率，第二個漏孔的流導(dǎo)，中間容積及噴氦時間相關(guān)。如果檢漏儀的最小可檢漏率是5×10^-11 Pa·m³s^-1，則

　　(1)即使連續(xù)噴氦半小時，也檢不出含中間容積0.1 cm³ 的兩個漏率均為1×10^-10 Pa·m³s^-1 的串聯(lián)漏孔；

　　(2)若中間容積10 cm³，兩個1×10^-6 Pa·m³s^-1的大漏孔串聯(lián)，按照一般移動噴槍法檢漏(噴吹2~3 s)，也無法檢測到大漏；

　　(3)流導(dǎo)極小的縫隙死空間，既影響抽空時間，又往往被誤認(rèn)為工件有漏。

　　此外，鍍層與基底金屬的結(jié)合不牢，會形成復(fù)雜的漏孔，氦氣從鍍層所形成的復(fù)雜漏孔進(jìn)入，并經(jīng)過較長的曲折路程進(jìn)人質(zhì)譜室，故反應(yīng)、消失時間均很長，漏孔堵死后真空度的上升也是極其緩慢的。以上因素都給檢漏帶來了困難，極易造成漏檢。因此，在檢漏之前要了解和分析被檢件結(jié)構(gòu)，定位復(fù)雜漏孔需要依據(jù)結(jié)構(gòu)特點隨時調(diào)整檢漏靈敏度與的檢漏時間。

2.5、噴吹檢漏的原則

　　(1)檢漏次序應(yīng)遵循從上至下、從近至遠(yuǎn)的原則，即先從被檢件上部噴吹至下部、從靠近檢漏儀噴吹至遠(yuǎn)離的部位；

　　(2)粗檢時，用大口徑的噴嘴使大量氦氣流覆蓋被檢件較大面積，尋找大致漏位所在區(qū)域；然后改用小口徑噴嘴，即用微小氦氣流噴吹被檢件的大致漏位來具體定漏孔的位置。當(dāng)漏孔具有明顯的方向性時，應(yīng)注意噴出氦氣流的方向；

　　(3)排除大漏檢小漏。發(fā)現(xiàn)大漏后必須先排除，否則，噴吹的氦氣立即擴散到大漏處，檢漏儀顯示有漏，造成被檢件有多處漏孔的假象，無法進(jìn)行其他漏位的判定。大漏部位可用酒精或真空泥，前提是不影響漏孔重現(xiàn)，不影響再次焊接。而有些微漏的漏孔，呈海綿狀等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，酒精滲透入漏孔后常溫時不易揮發(fā)，必須通過長時間高溫烘烤，才能使漏孔重現(xiàn)；

　　(4)存在兩個距離很近的可疑漏孔點時，應(yīng)先將一個點覆蓋，再用最細(xì)小的噴嘴噴吹另一點；

　　(5)噴吹某點檢漏儀有變化但上升速度慢且漏率不穩(wěn)定，表明臨近的其他地方有大漏孔；

　　(6)定漏位時，需要再做幾次復(fù)驗。