圖5:以積累箱進行混合氦氣檢漏,該方法已用于檢測汽車行業的扭矩轉換器

    業界對汽車制造的質量要求越來越高,但汽車制造業的盈利壓力卻一如既往并沒有降低。對密封性的要求及其檢測方法的發展狀況同樣如此。傳統的檢測方法不再可靠,而像真空氦氣檢漏儀這樣的儀器卻價格昂貴,并且過于敏感,上千種因素都能引起其變化。如今,一款常壓氦檢漏設備添補了空白。

    壓力和氣泡檢測不夠精確
    一直以來,大多數汽車與摩托車容納液體的容器都需要在水槽中水檢或者采用壓力衰減法進行氣密性檢測。雖然這兩種方法的檢測成本較低,但其只能檢測最高為10-2 至 10-3 mbar l/s的泄露。另外,由于水的表面張力,小氣泡根本無法形成,所以,在水中進行氣泡檢測根本無法檢測出較小漏孔。與此同時,空調零部件或帶閥門的燃油箱的檢測漏率范圍為10-5 mbar l/s,但噴射閥的檢測范圍還是保持在10-4 mbar l/s。所以,傳統的泄漏檢測法在汽車業根本不適用。此外,由于有些檢測部件是潮濕的,該方法不能對所有零部件進行檢測,而且作為一項純粹的需要眼力的工作,檢測結果完全取決于進行檢測的人的能力及其注意力。

    采用壓力衰減法時(或壓降法檢測),將空氣以特定的壓力引入到檢測部件中。如果有泄露情況,壓力則會降低,其差值可以被檢測出來。理論上非常簡單,但在實際操作中,必須應對各種變量的干擾。因為壓力變化并不一定是泄露造成的。一方面,檢測部件本身的彈性變化也會對壓力產生影響,當空氣快速地進入檢測部件時,檢測部件會膨脹,然后再逐漸緊縮檢測。因為所測差值取決于壓力和體積,所以在檢測過程中需要等待,直至檢測部件恢復其原始體積(穩定期)。原始體積與空氣進入時的壓力越大,檢測部件達到穩定期所需的時間則越長。在生產情況下,檢測部件體積上限約為5升。

    如果穩定期所需時間太長,該種檢測法也稱不上低成本了。另外,當空氣進入塑料檢測部件時,還需要考慮蠕變性能(檢測部件的塑料部分會因載重而變形)。檢測過后,取決于塑料的分子結構,檢測部件的體積會有不同程度的增大,壓力也會隨之衰減。這種情況下,幾乎不可能對低泄漏率進行可靠測量。此外,隨著溫度的不同,壓力也會發生很大的變化。當檢測壓力為5巴,檢測體積為1升,檢測時間為30秒時,溫度每下降0.1°C就會產生6*10-2 mbar l/s的虛擬泄漏率。然而,如果溫度上升0.1°C,即使泄漏率為6*10-2 mbar l/s,在檢測部件上也不會有所體現,這是因為,檢測盡管隨著溫度的變化壓力增加了,但這些增加的壓力卻被泄露而導致的壓力衰減同時抵消了。制造汽車所需的很多零部件大多都直接來源于生產線,由于生產過程,這些零部件的溫度一般不會低。

    如果在檢測過程中冷卻這些零部件,會使檢測結果不真實,從而不利于對泄漏率進行有效控制。我們當然可以在檢測部件達到適當穩定期之后再行檢測,從而抵消這種不利影響,但浪費掉的大量時間也是影響成本的因素。或者,我們可以設立一個冷卻區,但這意味著投資的大幅度增加。周圍環境的溫度也是一個主要問題,甚至日照變化都可能引起溫度的波動,從而導致檢測結果的改變。一般來說,高溫是最值得警惕的問題。最后,空氣濕度也會使檢測結果發生變化,因為空氣中水蒸氣的蒸汽壓會影響測量,產生差值檢測。以上這些都是亞洲區域低成本生產設備的主要特點,所以在亞洲建立檢測區極為復雜且富于挑戰,并且這樣做還會抹殺我們在成本上的優勢。這種情況下,很難保證出現同一測量結果,而且,隨著泄漏率變小或容積變大,各項測量數據相同的幾率會持續下降。所以,就汽車行業批量生產的諸多要求來說,壓降法已經無法保證其測量數據的準確性,或者可以說,該方法在某些地區已失去效用。

    真空檢漏價格昂貴
    我們還可以選擇其他檢測方法:如將氦氣作為檢測氣體采用質譜儀檢測泄漏情況。雖然用最少的氦氣就能檢測出最小的泄漏率(10-11 mbar l/s),但這必須在高度真空的條件下才能進行。就這一點而言,這種方法成本太高。真空箱必須高度密封,而且還要配備各種高性能泵才能產生真空效果,這樣一來,生產和操作成本都太高。這種方法非常有效,極小的泄漏也能被檢測出來,并且檢測僅需幾秒就可完成,該系統非常先進,在完成幾輪檢測后依然可以保持最佳檢測狀態,即使在氦氣濃度持續增高的情況下,也依然如此。

    但是,該系統并不是上述問題的最佳解決方案,因為這項檢測敏感度極高,多達上千種因素都可引起其檢測結果的變化,而且其購置和操作成本太高,大大抵消了其優勢。另外,為檢測部件而將檢測室抽成真空意味著其壓差通常會高達1巴。由于設計零部件時通常不會考慮到會出現如此大的壓力,許多塑料部件可能會被損壞。在這種情況下,同時對檢測室和檢測部件進行真空處理,與之前低壓下用氦氣填充檢測部件花費相當。另外,對于大體積檢測部件如汽車水箱和其他零部件而言,真空室的大小也需相應變化。因此,一方面檢測室真空處理的泵送時間以及整個檢測時間都會延長;另一方面,安裝工程較大,致使投資成本上漲。在汽車行業向低成本、高效率轉型的今天,無論是時間的延長還是成本的增加,都已經不再適用。
 
    在非真空條件下進行替代檢漏/混合氦氣檢漏
    在汽車工業中,采用空氣進行檢測在很多方面已經達到極限,但在真空環境下進行檢測成本又過于高昂。泄漏率在10-2 到 10-5 mbar l/s之間,確實存在一個區域可以采用高性能、全自動的檢測方法。如今,在大氣壓下,在積累箱內采用氦氣或氫氣進行泄漏檢測(積累法),已經成為填充這一區域最經濟的解決方案(見圖1)。氫氣,更準確地說是一種含氫量為5%的合成氣體,它與氦氣一樣也可用于泄漏檢測。作為一種檢測氣體,它的價格更為合理(在美國,它只是氦氣價格的1/3,在中國,這個數字是1/10)。但是采用這種氣體進行檢測,無法保持相同的敏感度,且對于較小泄漏率如10-3 mbar l/s而言,在檢測部件凈容積為10升的情況下,檢測時間約為5分鐘(氦氣檢漏為11秒)。

圖1:在常壓下,氦氣檢漏可以填充10-2 到 10-5 mbar l/s之間的區域。(理想狀態:10-6mbar l/s)

    就檢測情況來說,氫檢漏法更接近于壓降法,但其在彈性和溫度方面卻沒有壓降法的那些弱點。氦氣也適用于泄漏率為10-4 至 10-5 mbar l/s的泄漏檢測。因為檢測在正常壓力下,這種檢測方法不能使用質譜儀,所以需要一個敏感度高的傳感器來測量不斷增加的氦濃度。這些傳感器采用Wise Technology專利,且僅應用于英福康系統。在檢測室內通過檢測氣體的連接氦氣被導入到檢測部件中檢測,如果存在泄漏,檢測氣體就會通過泄露處跑到積累箱中。

    風扇可以保證腔室中氦氣的平均分布。如此一來,就可以在不知道泄漏位置的情況下進行精確測量。傳感器可檢測出大氣中檢測氣體的含量。在英福康 T-Guard 系統中,傳感器由真空玻璃管構成,該玻璃管上部帶有能滲透氦的石英膜,這層石英膜像一塊海綿,只有分子水平的氦氣才能從中穿過。玻璃管中氦氣濃度的變化可以通過輔助的壓力測量裝置中的電流變化測量出來。(見圖2)

圖2:傳感器中心是真空玻璃管,該玻璃管上部帶有能滲透氦的石英膜

    采用這種方法,傳感器解決方案可以確切地分辨出濃度到底是增加了25 ppb還是增加了0.025 ppm,檢測能夠可靠地檢測出10-6 mbar l/s以內的泄漏率。在生產過程中, 對于一個5升的自由容積檢測室(自由容積是指檢測室容積減去檢測部件容積),該方法可以在大約30秒之內檢測出1*10-4 mbar l/s的泄漏率。對于容積為1升的檢測室,檢測出這樣的泄漏率僅需11秒。連同開機設定時間在內,每個檢測部件的檢測時間僅需約16秒,每小時可檢測225個檢測部件。(見圖3)

圖3:常壓下氦檢漏過程中檢測部件泄漏率與凈容積之間的關系

    該檢測方法還有其他特殊應用,如檢測排氣再循環系統內部和外部的氣密性,能檢測的泄漏率為2 sccm,約合3.3 * 10-2 mbar l/s。在一個體積為40升、以混合氣體(含10%氦氣)作為檢測氣體的檢測箱中,檢測時間為11秒,每個檢測部件全部循環時間為45秒。除了速度快之外,該檢測方法還有其他優點,如它可以對塑料檢測部件進行檢測。氣體導入后,檢測部件容積變大,但并不會影響該測量系統。此外,溫度、濕度和彈性也都不能造成任何影響。為了檢查該系統是否能達到泄漏率檢測限檢測部件,可將檢測部件放置在檢測箱的不同位置,以便進一步檢查檢測箱中的氦氣濃度是否保持一致。

    傳感器和系統
    作為泄漏檢測系統的組成部分,敏感度并非是對于測量系統的唯一要求。此外,還需要易于集成、個性化設置以及低維護運行性能。另外,為迎合工廠工程需求,檢檢測系統還必須設計簡單緊湊,這樣該系統就可以與液壓件和電子元件很好地進行連接,同時還可以在多種檢測模式中靈活運用。(見圖4)

 

圖4:在大氣壓下T-Guard就能通過簡單檢測箱工作,無需復雜的高真空箱及真空泵

    該積累法優勢明顯。首先無需對標準大氣進行真空處理,這樣就可以避免使用渦輪分子泵、氣密性要求極高的真空箱,以及高敏質譜儀。這極大地簡化了測量系統的設計,并能更好地控制或降低整個系統的采購和維護成本。另外,采用該種方法能檢測得出可靠且具有重復性的檢測結果,即使采用家用塑料盒也能成功完成。此外,即使檢測部件體積非常大、高溫度或潮濕,這種混合氦氣檢漏的測量值依然具有高度的重復性,檢測部件無需在檢測前進行長時間的冷卻或干燥。從經濟上考慮,快速、全自動的檢測是生產線上最為關鍵的部分,所以這種無需真空條件的氦檢漏方法是汽車零部件制造業的理想手段,能滿足汽車制造業對于質量和成本的雙重需求。

圖5:以積累箱進行混合氦氣檢漏,該方法已用于檢測汽車行業的扭矩轉換器
 

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