Вакуумный контроль герметичности: камера, стенд и выбор метода

Стенд контроля герметичности создаёт перепад давления через оболочку изделия и обнаруживает проход газа. В простом варианте он измеряет рост давления после откачки. В гелиевом варианте регистрирует поток пробного газа. Камера, насос, оснастка и прибор выполняют разные части этой работы.

Для выбора стенда нужно знать, что проверяется: собранное изделие, отдельная полость или участок соединения. От этого зависят направление движения газа, способ подключения и границы результата.

Как задать условия испытания

Вакуумное изделие в работе принимает газ снаружи через возможную течь. Для него естественна схема с откачкой внутренней полости. У изделия, работающего под внутренним давлением, газ движется наружу. По возможности контроль проводят в соответствующем направлении: поведение уплотнения может зависеть от того, с какой стороны действует давление.[1]

На чертеже отмечают проверяемые стенки и соединения. Если в готовый узел входят крышка и уплотнение, проверка одного корпуса их не охватывает. Временные заглушки нужны для подключения, но они тоже могут давать течь и влиять на показание.

Давления по обеим сторонам записывают с понятным отсчётом. Абсолютное давление отсчитывают от нулевого давления. Избыточное показывает отличие от окружающей атмосферы. Перепад через стенку получают из давлений по её сторонам; это отдельная величина, определяющая нагрузку и направление течения газа.

Допустимый поток задают для определённого газа и условий. Он зависит от назначения изделия: для одного узла важна потеря рабочего газа, для другого — поступление воздуха внутрь. Leybold связывает описание течи с давлением по обе стороны стенки и свойствами проходящей среды.[1]

Что показывает рост давления

Откачанную полость изолируют от насоса и записывают давление во времени. Если через оболочку поступает воздух, давление растёт. Но газ может также выделяться с поверхностей, испаряться из остатков жидкости или медленно выходить из плохо откачиваемых карманов.

При постоянных объёме и температуре, без откачки и заметного поглощения газа среднюю газовую нагрузку за выбранный интервал оценивают по выражению:

Q = V × (p₂ − p₁) / Δt.

Здесь V — весь изолированный объём, включая сообщающиеся трубки и полости оснастки; p₁ и p₂ — абсолютные давления в начале и конце выбранного интервала; Δt — его длительность. Если объём выражен в м³, давление в Па, а время в секундах, результат получают в Па·м³/с.

Leybold приводит эту зависимость для определения потока течи, когда установлено, что рост давления вызван именно натеканием через реальную течь.[2] Пока происхождение газа не выяснено, расчёт характеризует суммарную газовую нагрузку полости.

Например, в условной жёсткой полости объёмом 2 л давление за 40 с выросло с 10 до 12 Па. Считаем температуру и объём постоянными, насос полностью отсечён. Тогда:

Q = 0,002 × (12 − 10) / 40 = 0,0001 Па·м³/с = 0,001 мбар·л/с.

Это расчётный пример, а не результат испытания изделия. По нему нельзя назначить годность: допустимый поток не задан, а в измеренный рост могли внести вклад оснастка и газовыделение.

Как отделить натекание от других причин

Сначала проверяют соединения стенда и испытательные заглушки. Затем сравнивают повторные откачки одинаково подготовленного образца. Газовыделение после выдержки под вакуумом часто уменьшается, поэтому рост давления может замедляться. Однако течь и газовыделение способны действовать одновременно; одного прямого участка графика недостаточно для их разделения.[2]

У заглушённой оснастки и у оснастки с деталью могут различаться объём, площадь поверхности и количество влаги. Поэтому разность скоростей роста давления не всегда равна течи детали. Для сравнения учитывают фактический объём и воспроизводят подготовку поверхностей.

Температурный дрейф особенно мешает малым измерениям: давление газа в закрытой жёсткой полости меняется при нагреве и охлаждении даже без прохода газа. После быстрой откачки или заполнения нужна стабилизация, продолжительность которой проверяют на рабочем цикле. У гибкого изделия дополнительно меняется объём при деформации.

Если эти влияния перекрывают полезный сигнал, метод роста давления может оказаться неудобным. Тогда рассматривают регистрацию пробного газа, позволяющую выделить его среди других газов, поступающих в систему.

Когда нужен гелиевый контроль

В одной схеме изделие откачивают и подают гелий снаружи. В другой изделие заполняют пробным газом и откачивают окружающую камеру. Газ проходит из области большего давления к меньшему, а течеискатель регистрирует гелий на принимающей стороне. Обе схемы показаны в описании методов Pfeiffer.[3]

Камерная схема удобна для суммарного контроля. Если нужно место дефекта, используют последовательную местную подачу газа, щуп или локальный колпак. Обнаруженное место полезно для ремонта, но проверка одного соединения не охватывает остальную оболочку.

Для крупного очевидного канала можно применять пузырьковый способ. По выходу пузырьков находят сквозную негерметичность. Получить из такого наблюдения численный гелиевый поток или чувствительность масс-спектрометрического стенда нельзя: это разные измерительные признаки.

Из чего складывается рабочий стенд

Для роста давления нужны насос, изолирующие клапаны, датчик давления и регистрация времени. Если откачивается полость изделия, наружная камера может не понадобиться. Для камерного гелиевого контроля добавляются герметичная камера, система заполнения изделия и течеискатель.

Насос выбирают с учётом объёма и газовой нагрузки. На откачку влияет также проводимость соединительного тракта: длинная узкая трубка способна ограничить скорость даже при большом насосе. Камеру и оснастку делают так, чтобы газ от проверяемых мест свободно доходил до измерительного порта.

Гелиевый канал проверяют известным контрольным потоком. Встроенная течь настраивает сам прибор; для полного поста применяют внешнюю проверку в рабочей конфигурации. Это различие описывает Leybold.[4] Проверка возле прибора не показывает задержку в удалённой полости изделия.

В полный цикл входят загрузка, подключение, откачка или заполнение, стабилизация, измерение и возврат к исходному состоянию. После гелиевого испытания нужно также удалить остаточный пробный газ. Поэтому время измерительной выдержки и такт выпуска деталей различаются.

Что проверить на пробной серии

На пробной серии используют рабочие детали и образцы с известной негерметичностью. Проверяют, различим ли нужный дефект, сохраняется ли результат после переустановки и успевает ли стенд восстановиться перед следующей деталью. По этим наблюдениям выбирают длительность стадий цикла и способ крепления.

Если рабочее давление не достигнуто или измерение прервано, испытание считают незавершённым. Такой цикл должен отличаться в записи от результата годной детали. Дверь камеры разрешают открывать после выравнивания давления; блокировки сохраняют при испытаниях и обслуживании.

Для согласования конструкции достаточно начать с чертежа, среды, допустимого перепада и задачи контроля. Затем на образцах проверяют выбранный метод и производительность. Так становится понятно, нужна ли камера вокруг изделия, какая оснастка обеспечивает доступ ко всем соединениям и какое оборудование действительно участвует в измерении.

Источники

[1] Leybold — Definition and measurement of vacuum leaks.

[2] Leybold — Pressure rise and drop tests.

[3] Pfeiffer — How to find a leak.

[4] Leybold — How to calibrate a leak detector.