密封性及泄漏的自動測試技術(shù)（技術(shù)咨詢）

1　密封和泄漏的概念

　　密封是一個相對的概念，沒有不泄漏的工件。對于不同的應(yīng)用有不同的密封程度要求，因此必須首先確定泄漏測試的方法、測試壓力及允許的泄漏率。泄漏測試的任務(wù)就是在生產(chǎn)過程中盡早對工件在后續(xù)工藝中能否保證不漏做出判斷，以避免對泄漏工件做進(jìn)一步的加工和裝配，這叫“廢品剔除”。
　　在自動泄漏測試中，即使要求工件必須是液密的，也用空氣或其它測試氣體做為檢測介質(zhì)。因為氣體的粘度低于液體，故用氣體作為檢測介質(zhì)可獲得很高的測試精度，對于液體無法滲透的質(zhì)地疏松區(qū)域，氣體則可透過并被檢測到。
　　有空氣溢出是自動泄漏測試的先決條件，任何方法甚至水下目測也無法檢測到零泄漏；同樣，沒有氣泡也是不可能的，只要觀測時間足夠即使zui小的氣泡也會出現(xiàn)。
　　例如，在水下檢測時，空氣從工件中滲出，在水中形成一個1mm大小的氣泡升出水面，每30秒出現(xiàn)了一個，則泄漏率為0.001cm３／min。假設(shè)試件是一個汽車輪胎(內(nèi)部容積約40升)，這樣大的泄漏率相當(dāng)于在10年里壓力下降了10４Pa，那么它被認(rèn)為是密封的，還是漏的呢?如果每3秒出現(xiàn)一個這么大的氣泡，相當(dāng)于0.01cm３／min泄漏率，在一年里壓力會下降10４Pa，此時又應(yīng)被看作是漏還是不漏的呢?
　　冰箱壓縮機(jī)的允許泄漏率是16×10５Pa壓力下每年漏掉1g氟里昂，這相當(dāng)于泄漏率是8.4×10－7cc／min。
　　當(dāng)提出“漏與不漏”的問題時，實際上是確定可允許的泄漏率，這樣當(dāng)工件的泄漏率＜Vperml時判為密封的，當(dāng)泄漏率＞Vperml時則是漏的。
　　水下目測是一種相當(dāng)?shù)臏y試方法，可通過操作者仔細(xì)的觀察來實現(xiàn)。水下目測度高，價格便宜，另一個重要的優(yōu)勢在于檢測同時可確定泄漏部位。這種方法的缺點是，它取決操作者的水平(重復(fù)性低)，節(jié)拍時間長，并會弄濕工件。這些也是使用自動檢測儀的原因。
　　批量生產(chǎn)中，以空氣為介質(zhì)的泄漏檢測已被廣泛應(yīng)用。其原因是：
　　●　可靠性高
　　●　客觀、定量地質(zhì)量表述
　　●　測試時間短
 
　　●　投資少、使用費(fèi)用低
　　●　精度高
　　●　不損傷工件
　　●　容易納入生產(chǎn)線中
　　●　易于標(biāo)定
　　鑒于如下領(lǐng)域的要求，空氣自動泄漏檢測將得到更為廣泛的應(yīng)用：
　　●　ISO9000要求
　　●　產(chǎn)品質(zhì)量要求
　　●　記錄、統(tǒng)計和分析的要求
　　●　環(huán)保要求
　　●　工廠設(shè)計
 

以空氣為介質(zhì)的泄漏測試中(測量壓力或流量)，泄漏率以標(biāo)準(zhǔn)cm３／min給出，如果用特殊氣體(比如氦氣)，通常以10２Pa 1／s表示。

　　1 Std cm３／min＝60×10２Pa　l／s
　　需要指出的是1 Std cm３／min是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(0℃、1．013×10５Pa)充滿1cm３的氣量。1Std cm３不是指三維測量，而是以三維尺寸表示的氣量。因此Std cm３／min表示的是質(zhì)量流量而不是體積流量。對于泄漏檢測，嚴(yán)格來講，如果泄漏率以Std cm３／min表示，則不論是用質(zhì)量流量法還是用壓力法測量，測量信號必須加以修正以消除大氣壓和環(huán)境溫度的影響。如果不這樣做，泄漏率應(yīng)以cm３／min或ml/min表示。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)與測試狀態(tài)的平均差別在10%左右。
 
表1　汽車發(fā)動機(jī)零件允許泄漏率值舉例
名　稱 測試壓力
(×10５Pa) 允許泄漏率
(Std cm３/min)
缸體-曲軸箱
灰鑄鐵　水套 1.0～1.5 10～12
液壓油道 2.0～3.0 5～6
鋁質(zhì)　水套 1.0～1.5 4～5
液壓油道 2.0～3.0 3～4
進(jìn)氣岐管　進(jìn)氣室 1.0～1.5 30～50
水套 1.0～1.5 4～5
水泵 1.0～1.5 約8
鋁質(zhì)燃料分配器 4.0～5.0 0.1～1

3　不同的空氣密封性即泄漏試驗方法
　　以空氣為介質(zhì)的自動氣密試驗，工件合格與否取決于測試前后的壓力差下空氣的流失。但空氣的流失無法直接測量出，而只能通過壓力變化—工件與氣源分開(壓力測量法)，或者流入工件的氣量—工件與氣源相連(流量測量法)表現(xiàn)出來，無論壓力法還是流量法都有不同的變形。
 

充氣、平衡時間可根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定，但測量時間可用波義耳-瑪略特氣體方程計算出：

　　P．V/T＝常數(shù)
　　這里，我們假設(shè)測量過程中溫度不變，則方程變?yōu)椋?br />　　P．V＝常數(shù)
　　轉(zhuǎn)化成降壓法泄漏檢測的形式，方程變?yōu)椋?br />　　P１．Vｔ＝P２．Vｔ＋Pat．VＬ
式中　P１——測量階段開始時被測腔內(nèi)的壓力
　　　P２——測量階段末被測腔內(nèi)的壓力
　　　Vｔ——被測腔容積
　　　Pat——大氣壓
　　　VL——泄漏的氣體體積(大氣壓下的體積)
測量階段的壓力變化　ΔP＝P１－P２
即，P２＝P１－ΔP，測量過程的方程變?yōu)椋?br /> 
ΔP．Vｔ＝Pat．VＬ　　或者
ΔP＝Pat．VＬ／Vｔ
 
　　值得注意的是公式中沒有測試壓力，測試壓力對被測腔中的壓力變化無影響，即在相同泄漏率條件下，無論測試壓力是0.1MPa還是1MPa工件中的壓力降是相同的。但是泄漏率隨著測試壓力升高而增大，測試壓力與泄漏率的關(guān)系見圖1。
　　對某一特定測試，測量時間可由下式計算出：
　　Tｍ＝RP．Vｔ．60／Pat．VＬ
式中　Tｍ——測量時間，s
　　　RP——廢品點，mmH２O
　　　Pat——大氣壓力，mmH２O
　　　Vｔ——被測容積，cm３
　　　VＬ——泄漏率，cm３／min
5　對測量結(jié)果的影響
　　前面已經(jīng)講過，用空氣進(jìn)行泄漏檢測無法直接測量出泄漏的氣體，而只能通過被測腔內(nèi)壓力的影響檢測出來。根據(jù)氣態(tài)方程，除了泄漏、溫度和體積的變化也會影響被測腔內(nèi)的壓力，所以要進(jìn)行高精度的泄漏測試，首先要保證測得的壓力變化僅僅是由于泄漏造成的。
 

5.1　測量精度會因下列影響而降低

5.1.1　溫度影響
　　必須保證測量階段空氣溫度保持不變，或每次測量都地重復(fù)相同的溫度變化。為滿足這一要求，所有與測試有關(guān)的部件如被測工件、測試氣體、密封裝置等必須具有相同的溫度，或每次測量的溫差都相同。在正常生產(chǎn)狀態(tài)下，這只能近似實現(xiàn)。JW FROEHLICH的溫度補(bǔ)償法(號：DE-C-3106981)己被反復(fù)證明是有效的方法。是否需用這一方法取決于允許泄漏率對應(yīng)的測量信號變化與溫度影響造成的測量信號變化之比。
5.1.2　容積變化
　　在測量階段要保證沒有容積變化，如果由于測試壓力使得容積增大，相當(dāng)于模擬了泄漏。如果由于密封壓頭的接觸壓力使得容積減小，則會補(bǔ)償本來存在的泄漏，為避免密封件的“脹縮”，必須確定密封件尺寸和密封壓力，保證在密封狀態(tài)下，密封件與工件之間有擋鐵接觸。因為在壓力法測量中，容積大小與泄漏率大小直接相關(guān)，容積誤差必將造成測量誤差。
5.1.3　試漏儀的重復(fù)性
　　生產(chǎn)用的試漏儀質(zhì)量好壞，其精度并不是*位的，而是重復(fù)性。儀器的重復(fù)性由各種組成部件的誤差組成，如測量傳感器、電子測量單元、閥、管路、調(diào)壓器等，正確設(shè)定的試漏儀的典型重復(fù)性值是：
　　壓力或相對壓力試漏儀　1～10Pa(取決于測試壓力)
　　差壓試漏儀　1Pa
5.1.4　標(biāo)定
　　泄漏檢測的精度還取決于標(biāo)定裝置的精度，多數(shù)情況下是用裝在儀器中的一個浮子流量計的可調(diào)閥進(jìn)行泄漏模擬，這種方法應(yīng)用方便，但流量計的精度僅為量程的3%。同樣浮子有時難以檢測，并且讀數(shù)精度低。
　　正確的標(biāo)定方法是將一樣件(密封件)放到夾具中，連續(xù)模擬允許泄漏，這可通過工件氣路分支上的閥實現(xiàn)，這個閥必須調(diào)到允許泄漏率。我們有標(biāo)定好的泄漏率一定的模擬裝置，還有精密可調(diào)截流閥，泄漏率可從0.1cm３／min起設(shè)定，從閥漏出的空氣用一個標(biāo)定好的標(biāo)定儀測量，分辨率為0.01Std cm３/min。
5.2　試漏儀無法判定工件的泄漏部位
5.2.1　密封不嚴(yán)
　　試漏儀無法判定泄漏來自工件的質(zhì)地疏松部位還是密封不好，如果連續(xù)出現(xiàn)不合格，則可能是密封問題如橡膠老化，或測試系統(tǒng)內(nèi)部有泄漏。
5.2.2　累積泄漏
　　自動泄漏測試中，測量的是累積泄漏(集中測量)，這樣可能每個單獨(dú)的泄漏小于允許泄漏率，而累積泄漏大于允許值，此時工件錯誤地被判為廢品。然而，在確定允許泄漏率時必須假設(shè)出現(xiàn)zui嚴(yán)重的泄漏情況。
5.3　被測容器的表面情況
　　泄漏會由于表面潮濕而被掩飾，無法檢測到，然而會在以后的工作狀態(tài)下表現(xiàn)出來。對灰鑄鐵缸體的測試表明，在干燥狀態(tài)下泄漏率達(dá)80cm３/min的工件，在潮濕狀態(tài)(切削液)下卻無法檢測到泄漏。即使施以高壓進(jìn)行檢測也不行。因此保證工件干燥在泄漏檢測中是很必要的。
 
 
 
 
                                                                                                                                                               信息來源：網(wǎng)絡(luò)
 

圖2　溫度與壓力變化曲線
　
檢測腔中的壓力與溫度相同也在變化。如果要使一個密封件試漏儀指示為零，則需等到恒溫狀態(tài)，然而要達(dá)到“*平衡”所需的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)比正常批量生產(chǎn)允許的節(jié)拍長。
 
　　有三種方法縮短平衡時間：
　　●　補(bǔ)償充氣
　　補(bǔ)償充氣指充氣階段以稍高于檢測壓力的氣壓充氣，到平衡階段降至檢測壓力，在這一膨脹過程中，被測腔內(nèi)的氣體冷卻，這樣即可對“不*平衡”加以補(bǔ)償。對一個密封件來說，通過改變充氣壓力，即使在短暫的平衡后也可能獲得零指示，并且還可縮短充氣時間。
　　●　參考容器＝被測容器
　　在差壓法泄漏檢測系統(tǒng)中，在參考側(cè)連接一個密封件，以便在充氣平衡階段壓力傳感器兩側(cè)具有相同的狀態(tài)，這樣可對消它們的影響。
　　●　提前測量時間
　　因為獲得零指示并非泄漏測試的目的，所以zui簡單的是通過提前測量階段來縮短平衡時間。平衡時間可以減少到測量階段前的系統(tǒng)狀態(tài)不再現(xiàn)為止。這樣，對于一個密封件，其測量結(jié)果可能不為“0”而為“X”。所以廢品值也須據(jù)此加以修正。
　　實際工作中，上述三種方法經(jīng)常一起使用。
4.3　測量階段
　　被測腔中空氣的滲漏將產(chǎn)生一個壓力降，這就可通過差壓傳感器測出相對于參考容器的壓力差，也可通過壓力傳感器測出壓力變化，測量方法見圖3所示。

　圖3　差壓測量方法(a)與相對壓力測量方法(b)
 

3.1　壓力測量
　　在工業(yè)泄漏測試中，壓力測量是zui常見的方法，在測試腔較小的情況下，可檢測到0.1cc/min或更小的泄漏率。
　　相對壓力或壓力測量法具有測試單元集成化、測量系統(tǒng)自身容積zui小的特點，且可靠性高、測量范圍寬，測試信號分辨力取決于使用的測試壓力。
　　在測試壓力較高的情況下，差壓法測量的精度要高于壓力法，因為其分辨力與使用的測試壓力無關(guān)。
　　壓力降測量是向被測件充以正壓，模擬正常的工作狀態(tài)。
　　在不同的壓力測量法中，升壓法受溫度變化，密封裝置和工件容積不穩(wěn)定的影響小于降壓法，過壓法中壓力升高的測量可以沒有平衡階段，并且由于不受測試壓力制約，使用的測試壓力不受測量元件的測量范圍限制。
3.2　流量測量
　　流量測量的測量信號與測試容積無關(guān)，不同于壓力測量中測量信號隨著測試容積的增大而減小。這在標(biāo)定時是個優(yōu)點，測量信號直接對應(yīng)于通過泄漏標(biāo)定儀的氣體流量，標(biāo)定過程中不再需要知道確切的測試容積，也不用考慮確定泄漏率。
　　體積流量法，一般不用于泄漏檢測而是用于流量控制中，如在用同樣的測量元件(差壓傳感器)進(jìn)行降壓法泄漏測試前，對氣體系統(tǒng)中的自由通道進(jìn)行流量監(jiān)控。
　　在質(zhì)量流量法中，測試信號不僅與測試容積無關(guān)且與測試壓力也無關(guān)，而是直接對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)泄漏率Std cm３/min，不象壓力法測量中要計算允許泄漏率。
4　用壓力測量法進(jìn)行泄漏測試
　　一個完整的自動泄漏測試包括四個階段：
　　●　充氣
　　●　平衡
　　●　測量
　　●　排氣
4.1　充氣階段
　　被測工件按一定壓力進(jìn)行充氣，充氣何時結(jié)束，可由時間或壓力控制。通過充氣階段的壓力上升曲線可粗略地對被測容積加以估算，或者檢查儀器中與工件相連的自檢閥是否處于“開”位置。
4.2　平衡階段
　　在這一階段檢測系統(tǒng)必須穩(wěn)定下來，充氣階段的波動必須停止，測試空氣的溫度變化也須消失，進(jìn)入工件的氣體在充氣閥處膨脹并冷卻，而原先工件中的空氣被壓縮并升溫，如圖2缸體-曲軸箱的水套在四個泄漏檢測階段的溫度曲線所示，后者在充氣階段占主導(dǎo)地位。
 

2　測試指標(biāo)
　　測試指標(biāo)包括兩個數(shù)據(jù)：測試壓力和允許泄漏率。
　　中心問題是：多大的泄漏率能保證工件在工作條件下沒有液體泄漏。
　　允許泄漏率隨具體應(yīng)用而不同，它取決于很多因素。比如：工件的材料、結(jié)構(gòu)及上述的實際工作狀態(tài)下的后續(xù)工作重點。
　　在泄漏率較小(液體泄漏率幾乎為零)的情況下，空氣與液體的泄漏率之比無法計算出，對于較大的泄漏率，兩者的粘度比可近似為泄漏率之比。
　　同樣，工件壁厚、表面狀態(tài)及疏松結(jié)構(gòu)(鑄造沙眼、裂隙)也起到關(guān)鍵作用。
　　通常，允許泄漏率都要參考給定的測試壓力，而測試壓力模擬后續(xù)的工作狀態(tài)選擇，這就首先提出一個測試壓力等級的問題，其次是測試的方向。
　　確定測試壓力時會遇到泄漏率與測試壓力的關(guān)系問題。疏松度高，泄漏率與測試壓力成正比；疏松度低，泄漏率與測試壓力之比變小(見圖1)。
 

圖1　泄漏率與試驗壓力關(guān)系
 
　　由于小泄漏在水下目測時不穩(wěn)定，隨時間而變化。因此，如果自動氣試后要用水下目測進(jìn)一步確定時，就必須將這一問題考慮進(jìn)去。在工業(yè)生產(chǎn)中確定允許泄漏率時，從經(jīng)濟(jì)角度考慮是關(guān)鍵，測試應(yīng)該是在必要條件下盡可能，而不是越越好。如果允許泄漏率定得比需要的低，廢品率會增大，生產(chǎn)成本就會提高。
　　zui終的允許泄漏率必須通過試驗確定，在某些情況下，也可由經(jīng)驗數(shù)值或推薦的數(shù)值來確定。