密封性及泄漏的自动测试技术

1　密封和泄漏的概念
　　密封是一个相对的概念，没有绝对不泄漏的工件。对于不同的应用有不同的密封程度要求，因此必须首先确定泄漏测试的方法、测试压力及允许的泄漏率。泄漏测试的任务就是在生产过程中尽早对工件在后续工艺中能否保证不漏做出判断，以避免对泄漏工件做进一步的加工和装配，这叫“废品剔除”。
　　在自动泄漏测试中，即使要求工件必须是液密的，也用空气或其它专用测试气体做为检测介质。因为气体的粘度低于液体，故用气体作为检测介质可获得很高的测试精度，对于液体无法渗透的质地疏松区域，气体则可透过并被检测到。
　　有空气溢出是自动泄漏测试的先决条件，任何方法甚至水下目测也无法检测到零泄漏；同样，没有气泡也是不可能的，只要观测时间足够即使最小的气泡也会出现。
　　例如，在水下检测时，空气从工件中渗出，在水中形成一个1mm大小的气泡升出水面，每30秒出现了一个，则泄漏率为0.001cm^３／min。假设试件是一个汽车轮胎(内部容积约40升)，这样大的泄漏率相当于在10年里压力下降了10^４Pa，那么它被认为是密封的，还是漏的呢?如果每3秒出现一个这么大的气泡，相当于0.01cm^３／min泄漏率，在一年里压力会下降10^４Pa，此时又应被看作是漏还是不漏的呢?
　　冰箱压缩机的允许泄漏率是16×10^５Pa压力下每年漏掉1g氟里昂，这相当于泄漏率是8.4×10^－7cc／min。
　　当提出“漏与不漏”的问题时，实际上是确定可允许的泄漏率，这样当工件的泄漏率＜V_perml时判为密封的，当泄漏率＞V_perml时则是漏的。
　　水下目测是一种相当精确的测试方法，可通过操作者仔细的观察来实现。水下目测精确度高，价格便宜，另一个重要的优势在于检测同时可确定泄漏部位。这种方法的缺点是，它取决操作者的水平(重复性低)，节拍时间长，并会弄湿工件。这些也是使用自动检测仪的原因。
　　批量生产中，以空气为介质的泄漏检测已被广泛应用。其原因是：
　　●　可靠性高
　　●　客观、定量地质量表述
　　●　测试时间短

　　●　投资少、使用费用低
　　●　精度高
　　●　不损伤工件
　　●　容易纳入生产线中
　　●　易于标定
　　鉴于如下领域的要求，空气自动泄漏检测将得到更为广泛的应用：
　　●　ISO9000要求
　　●　产品质量要求
　　●　记录、统计和分析的要求
　　●　环保要求
　　●　工厂设计
2　测试指标
　　测试指标包括两个数据：测试压力和允许泄漏率。
　　中心问题是：多大的泄漏率能保证工件在工作条件下没有液体泄漏。
　　允许泄漏率随具体应用而不同，它取决于很多因素。比如：工件的材料、结构及上述的实际工作状态下的后续工作重点。
　　在泄漏率较小(液体泄漏率几乎为零)的情况下，空气与液体的泄漏率之比无法计算出，对于较大的泄漏率，两者的粘度比可近似为泄漏率之比。
　　同样，工件壁厚、表面状态及疏松结构(铸造沙眼、裂隙)也起到关键作用。
　　通常，允许泄漏率都要参考给定的测试压力，而测试压力模拟后续的工作状态选择，这就首先提出一个测试压力等级的问题，其次是测试的方向。
　　确定测试压力时会遇到泄漏率与测试压力的关系问题。疏松度高，泄漏率与测试压力成正比；疏松度低，泄漏率与测试压力之比变小(见图1)。

图1　泄漏率与试验压力关系

　　由于小泄漏在水下目测时不稳定，随时间而变化。因此，如果自动气试后要用水下目测进一步确定时，就必须将这一问题考虑进去。在工业生产中确定允许泄漏率时，从经济角度考虑是关键，测试应该是在必要条件下尽可能精确，而不是越精确越好。如果允许泄漏率定得比需要的低，废品率会增大，生产成本就会提高。#p#分页标题#e#
　　最终的允许泄漏率必须通过试验确定，在某些情况下，也可由经验数值或推荐的数值来确定。
　　以空气为介质的泄漏测试中(测量压力或流量)，泄漏率以标准cm^３／min给出，如果用特殊气体(比如氦气)，通常以10^２Pa 1／s表示。
　　1 Std cm^３／min＝60×10^２Pa　l／s
　　需要指出的是1 Std cm^３／min是标准状态下(0℃、1．013×10^５Pa)充满1cm^３的气量。1Std cm^３不是指三维测量，而是以三维尺寸表示的气量。因此Std cm^３／min表示的是质量流量而不是体积流量。对于泄漏检测，严格来讲，如果泄漏率以Std cm^３／min表示，则不论是用质量流量法还是用压力法测量，测量信号必须加以修正以消除大气压和环境温度的影响。如果不这样做，泄漏率应以cm^３／min或ml/min表示。标准状态与测试状态的平均差别在10%左右。

表1　汽车发动机零件允许泄漏率值举例

3　不同的空气密封性即泄漏试验方法
　　以空气为介质的自动气密试验，工件合格与否取决于测试前后的压力差下空气的流失。但空气的流失无法直接测量出，而只能通过压力变化—工件与气源分开(压力测量法)，或者流入工件的气量—工件与气源相连(流量测量法)表现出来，无论压力法还是流量法都有不同的变形。
3.1　压力测量
　　在工业泄漏测试中，压力测量是最常见的方法，在测试腔较小的情况下，可检测到0.1cc/min或更小的泄漏率。
　　相对压力或绝对压力测量法具有测试单元集成化、测量系统自身容积最小的特点，且可靠性高、测量范围宽，测试信号分辨力取决于使用的测试压力。
　　在测试压力较高的情况下，差压法测量的精度要高于绝对压力法，因为其分辨力与使用的测试压力无关。
　　压力降测量是向被测件充以正压，模拟正常的工作状态。
　　在不同的压力测量法中，升压法受温度变化，密封装置和工件容积不稳定的影响小于降压法，过压法中压力升高的测量可以没有平衡阶段，并且由于不受测试压力制约，使用的测试压力不受测量元件的测量范围限制。
3.2　流量测量
　　流量测量的测量信号与测试容积无关，不同于压力测量中测量信号随着测试容积的增大而减小。这在标定时是个优点，测量信号直接对应于通过泄漏标定仪的气体流量，标定过程中不再需要知道确切的测试容积，也不用考虑确定泄漏率。
　　体积流量法，一般不用于泄漏检测而是用于流量控制中，如在用同样的测量元件(差压传感器)进行降压法泄漏测试前，对气体系统中的自由通道进行流量监控。
　　在质量流量法中，测试信号不仅与测试容积无关且与测试压力也无关，而是直接对应于标准泄漏率Std cm^３/min，不象压力法测量中要计算允许泄漏率。
4　用压力测量法进行泄漏测试
　　一个完整的自动泄漏测试包括四个阶段：
　　●　充气
　　●　平衡
　　●　测量
　　●　排气
4.1　充气阶段
　　被测工件按一定压力进行充气，充气何时结束，可由时间或压力控制。通过充气阶段的压力上升曲线可粗略地对被测容积加以估算，或者检查仪器中与工件相连的自检阀是否处于“开”位置。
4.2　平衡阶段
　　在这一阶段检测系统必须稳定下来，充气阶段的波动必须停止，测试空气的温度变化也须消失，进入工件的气体在充气阀处膨胀并冷却，而原先工件中的空气被压缩并升温，如图2缸体-曲轴箱的水套在四个泄漏检测阶段的温度曲线所示，后者在充气阶段占主导地位。

图2　温度与压力变化曲线

　　检测腔中的压力与温度相同也在变化。如果要使一个密封件试漏仪指示为零，则需等到恒温状态，然而要达到“完全平衡”所需的时间远远比正常批量生产允许的节拍长。

　　有三种方法缩短平衡时间：
　　●　补偿充气
　　补偿充气指充气阶段以稍高于检测压力的气压充气，到平衡阶段降至检测压力，在这一膨胀过程中，被测腔内的气体冷却，这样即可对“不完全平衡”加以补偿。对一个密封件来说，通过改变充气压力，即使在短暂的平衡后也可能获得零指示，并且还可缩短充气时间。
　　●　参考容器＝被测容器
　　在差压法泄漏检测系统中，在参考侧连接一个密封件，以便在充气平衡阶段压力传感器两侧具有相同的状态，这样可对消它们的影响。
　　●　提前测量时间
　　因为获得零指示并非泄漏测试的目的，所以最简单的是通过提前测量阶段来缩短平衡时间。平衡时间可以减少到测量阶段前的系统状态不再现为止。这样，对于一个密封件，其测量结果可能不为“0”而为“X”。所以废品值也须据此加以修正。
　　实际工作中，上述三种方法经常一起使用。
4.3　测量阶段
　　被测腔中空气的渗漏将产生一个压力降，这就可通过差压传感器测出相对于参考容器的压力差，也可通过压力传感器测出压力变化，测量方法见图3所示。

图3　差压测量方法(a)与相对压力测量方法(b)

　　充气、平衡时间可根据经验设定，但测量时间可用波义耳-玛略特气体方程计算出：
　　P^．V/T＝常数
　　这里，我们假设测量过程中温度不变，则方程变为：
　　P^．V＝常数
　　转化成降压法泄漏检测的形式，方程变为：
　　P_１^．V_ｔ＝P_２^．V_ｔ＋P_at^．V_Ｌ
式中　P_１——测量阶段开始时被测腔内的压力
　　　P_２——测量阶段末被测腔内的压力
　　　V_ｔ——被测腔容积
　　　P_at——大气压
　　　V_L——泄漏的气体体积(大气压下的体积)
测量阶段的压力变化　ΔP＝P_１－P_２
即，P_２＝P_１－ΔP，测量过程的方程变为：

ΔP^．V_ｔ＝P_at^．V_Ｌ　　或者
ΔP＝P_at^．V_Ｌ／V_ｔ

　　值得注意的是公式中没有测试压力，测试压力对被测腔中的压力变化无影响，即在相同泄漏率条件下，无论测试压力是0.1MPa还是1MPa工件中的压力降是相同的。但是泄漏率随着测试压力升高而增大，测试压力与泄漏率的关系见图1。
　　对某一特定测试，测量时间可由下式计算出：
　　T_ｍ＝RP^．V_ｔ^．60／P_at^．V_Ｌ
式中　T_ｍ——测量时间，s
　　　RP——废品点，mmH_２O
　　　P_at——大气压力，mmH_２O
　　　V_ｔ——被测容积，cm^３
　　　V_Ｌ——泄漏率，cm^３／min
5　对测量结果的影响
　　前面已经讲过，用空气进行泄漏检测无法直接测量出泄漏的气体，而只能通过被测腔内压力的影响检测出来。根据气态方程，除了泄漏、温度和体积的变化也会影响被测腔内的压力，所以要进行高精度的泄漏测试，首先要保证测得的压力变化仅仅是由于泄漏造成的。#p#分页标题#e#
5.1　测量精度会因下列影响而降低
5.1.1　温度影响
　　必须保证测量阶段空气温度保持不变，或每次测量都精确地重复相同的温度变化。为满足这一要求，所有与测试有关的部件如被测工件、测试气体、密封装置等必须具有相同的温度，或每次测量的温差都相同。在正常生产状态下，这只能近似实现。JW FROEHLICH的温度补偿法(专利号：DE-C-3106981)己被反复证明是有效的方法。是否需用这一方法取决于允许泄漏率对应的测量信号变化与温度影响造成的测量信号变化之比。
5.1.2　容积变化
　　在测量阶段要保证没有容积变化，如果由于测试压力使得容积增大，相当于模拟了泄漏。如果由于密封压头的接触压力使得容积减小，则会补偿本来存在的泄漏，为避免密封件的“胀缩”，必须确定密封件尺寸和密封压力，保证在密封状态下，密封件与工件之间有挡铁接触。因为在压力法测量中，容积大小与泄漏率大小直接相关，容积误差必将造成测量误差。
5.1.3　试漏仪的重复性
　　生产用的试漏仪质量好坏，其绝对精度并不是第一位的，而是重复性。仪器的重复性由各种组成部件的误差组成，如测量传感器、电子测量单元、阀、管路、调压器等，正确设定的试漏仪的典型重复性值是：
　　绝对压力或相对压力试漏仪　1～10Pa(取决于测试压力)
　　差压试漏仪　1Pa
5.1.4　标定
　　泄漏检测的精度还取决于标定装置的精度，多数情况下是用装在仪器中的一个浮子流量计的可调阀进行泄漏模拟，这种方法应用方便，但流量计的精度仅为量程的3%。同样浮子有时难以检测，并且读数精度低。
　　正确的标定方法是将一样件(密封件)放到夹具中，连续模拟允许泄漏，这可通过工件气路分支上的阀实现，这个阀必须调到允许泄漏率。我们有标定好的泄漏率一定的模拟装置，还有精密可调截流阀，泄漏率可从0.1cm^３／min起设定，从阀漏出的空气用一个标定好的标定仪测量，分辨率为0.01Std cm^３/min。
5.2　试漏仪无法判定工件的泄漏部位
5.2.1　密封不严
　　试漏仪无法判定泄漏来自工件的质地疏松部位还是密封不好，如果连续出现不合格，则可能是密封问题如橡胶老化，或测试系统内部有泄漏。
5.2.2　累积泄漏
　　自动泄漏测试中，测量的是累积泄漏(集中测量)，这样可能每个单独的泄漏小于允许泄漏率，而累积泄漏大于允许值，此时工件错误地被判为废品。然而，在确定允许泄漏率时必须假设出现最严重的泄漏情况。
5.3　被测容器的表面情况
　　泄漏会由于表面潮湿而被掩饰，无法检测到，然而会在以后的工作状态下表现出来。对灰铸铁缸体的测试表明，在干燥状态下泄漏率达80cm^３/min的工件，在潮湿状态(切削液)下却无法检测到泄漏。即使施以高压进行检测也不行。因此保证工件干燥在泄漏检测中是很必要的。