真空密封

真空密封东北大学《真空系统设计》之五2真空密封1.概述---真空密封的分类2.静密封2.1永久密封连接2.2可拆密封连接2.3“O”形密封圈的密封力计算2.4垫圈密封的机理3.动密封3.1接触密封连接3.2非接触密封连接3.3软件变形密封连接31概述真空密封的意义真空系统是由真空泵、阀门、扑集器、导管等各种元件通过不同的连接形式组成的。这就要求连接处即要连接可靠，又要防止发生漏气。所以，保证密封质量，把真空系统的漏气率控制在一定的范围内是系统设计和装配过程中的重要问题。有些真空密封除了要求不漏气外，还要求允许电流传输、运动传输、材料传递等，超高真空系统还要求耐高温烘烤，所以，真空密封存在多种不同结构形式和密封方法，所使用的材料也有多种。4根据被连接件的相互关系,可以将真空密封分为两大类:静密封连接和动密封连接。密封种类的进一步划分见图1。52静密封2.1永久密封连接永久密封连接用于不需经常拆卸的密封连接处,用这种方法可以保证最好的密封和机械强度。2.1.1玻璃与玻璃的封接通常在煤气、天然气与氧气混合火焰中进行。被封接玻璃之间的热膨胀系数要极为相近，否则会因封接时产生的内应力引起破裂，经验证明膨胀系数之差应不大于7×10-7/℃。如果热膨胀系数相差太大，应采用过渡封接。封接时注意火焰作用在玻璃上的温度，最好采用退火工艺以消除内应力。62.1.2玻璃与金属封接最常见到的玻璃与金属的封接是电极引线,以及管道状的玻璃与金属的封接。匹配密封和非匹配密封A.匹配密封：匹配封接指的是膨胀系数相近的玻璃和金属之间的封接，封接处内应力小。B.非匹配密封:非匹配封接指的是膨胀系数相差较大的玻璃和金属之间的封接，封接处内应力大。为了消除这种内应力，一般多采用延展性好的薄壁金属管（如无氧铜管）与玻璃封接，靠金属的塑性变形来消除内应力.7非匹配封接金属管管壁在封接处逐渐变薄，以利于变形外封接---玻璃仅熔接在金属管壁外侧。内封接---玻璃仅熔接在金属管壁内侧。双边封接---玻璃从内、外二侧包住金属管壁。图2为双边密封。这类封接不大经受住温度的反复升降。82.1.3金属与金属封接焊接方法(图3)9无压熔焊：不用压力使被焊接件相互接触，对接触部位加热使金属表面或边缘局部熔化形成混合金属液（包含焊料合金）填满缝隙，冷却凝固后熔焊在一起。热源：气焊、电弧焊、电子束焊。气焊：焊剂放气率大，只用在笨重的铜或铁容器焊接上。原子弧焊：焊缝均匀干净，适用于铁、软钢、铝、铬的焊接。但因氢可溶于镍液，冷却放出时成孔或缝，铜及其合金因氢变脆，而不适用于镍和铜。碳弧焊：可用于焊接铁、镍、铝或铜。合金焊条取代钨电极氩弧焊：多用于铝和不锈钢的焊接。氩弧焊或氦弧焊：多用于焊钢、不锈钢、铜、银、钛等。电子束焊接：在1.3×10-3Pa下通过电子轰击进行，焊缝质量优良，多用于不锈钢、铝合金、钨、钼及钽的焊接。加压焊接：金属元件用压力连接在一起，电阻焊产生电阻热，冷焊不需要加热。冷焊多用于抽成真空的金属管的封口，焊面必须无氧化物和脱脂良好，所需压力因材料而不同。10真空技术对焊缝的要求:a.设计焊缝结构时，接头必须焊透，应避免产生聚集污物的有害空间。真空技术中常见的焊接结构如图4所示。正确的方式总是在真空的一侧进行深度熔焊。错误的焊接方法都会形成死空间。11b.焊缝应一次焊好,以避免两次焊接时造成有害空间而无法检漏。c.焊缝因强度需进行两面焊接时,内部焊缝应不漏气,为检漏起见,在进行外焊时应设置钻孔和塞孔。d.如容器内需要进行结构焊接时,内部焊缝不应连续,以便让来自任何沟槽的气体容易放出,而且结构焊缝不应与密封焊缝相交叉。e.焊接的组件应设计得使最大数量的焊缝能在制造阶段分别测试,并且能在进行最终装配以前矫正。12f.焊接密封允许最大漏率(对于空气),在焊缝长度上约为10-7Pa·m3/s·m。如果漏率较高，应将焊缝磨掉直到露出母材，重新焊接。2.1.4金属钎焊钎焊是利用第三种熔点较低的金属连接两个金属零件的方法,是一种低温焊接.该方法把被焊金属和低熔点焊料一起加热,使焊料溶液通过毛细管吸引作用进入两个贴得很近的表面间隙中.钎焊所需的温度多在500℃以上，且应比被钎焊零件的熔点低50～200℃。钎焊的特点是不损伤被焊金属件，多用于小尺寸的钢、铜、黄铜等零件和管道的连接。某些钎焊合金不能与某些特别的金属一起使用.如可伐与银钎焊会因银渗透可伐而产生片裂.13金属钎焊的方式有火焰焊、炉焊和感应焊接。钎焊材料必须纯净,蒸汽压低,熔点低于焊接金属且能在钎焊温度下浸润和流动,并能同焊接金属形成合金.表1是适于真空钎焊的一些被焊材料及其焊接的温度和所使用的焊料。14真空钎焊的优点：由于真空钎焊的材料蒸气压较低,又是在真空条件下焊接的,因此它不但可以保证更高的焊接质量,而且也扩大了钎焊的使用范围。可以对焊接时氧化性很强的活性金属(如钛、锆)、轻金属(如铝)以及难熔金属(如钨、钼、钽)等进行焊接。因为这些金属在真空条件下完全可以避免在焊接时与氧、水蒸气和氮等产生剧烈反应,从而保证了焊缝的高质量。15要满足真空密封的要求,得到不漏的钎焊焊缝,应遵循下列各点：(1)应使用尽可能少量的钎焊合金。这样焊缝小,表面清洁,比用大量钎焊合金得到的焊缝要好.(2)焊件间的间隙不能宽或不规则。(3)焊件间互相搭接部分的最小值必须是3mm以上,以便让毛细力吃进钎焊合金。(4)如果要钎焊热膨胀系数不同的金属,必须使组件在冷却过程中压缩钎焊合金。(5)焊缝的结构能控制钎焊合金的流动,在角上的间隙决定钎焊合金将如何流经这些角。16(6)如果要避免钎焊合金在表面上流动,必须在面上涂碳或铬.(7)在用于真空密封的钎焊中,最好选择搭接和梯接,如图6所示。172.2可拆密封连接在真空系统需要经常拆卸的连接处应采用可拆密封连接，其密封性能和机械强度均不如永久密封。2.2.1挠性连接挠性连接件主要有三种,即真空橡胶管、塑料管和波纹管。图7为橡胶管接头。182.2.2用于静连接的弹性体密封垫圈弹性体具有弹性好、受压时体积不变的特点，可用于真空密封。把氯丁橡胶、丁腈橡胶、氟橡胶、硅橡胶、聚四氟乙烯等制成圆截面或矩形截面的环，夹在两个连接件之间并压缩即可实现密封，见图8.19密封性能取决于接触面粗糙度、弹性体的透气性、放气率和蒸气压等。连接件接触部位的粗糙度至少应加工到Ra3.2，而且应使弹性体暴露到真空侧的表面积尽量小。一些设计型式见图9根据最后一种结构制成的快速拆卸真空密封法兰,已制定了国际标准,其通径有10mm、16mm、25mm、40mm等四种规格。其结构如图10所示。20212.2.3用于静连接的金属密封垫圈适用场合：超高真空系统需进行高温烘烤的时候,在超高真空管道连接处应采用金属密封垫圈.材料大多是具有延展性好、蒸气压低的金属及合金（如铟、铝、铜、银、金等）。优点：放气量小、渗透率低、耐高温烘烤。缺点：压紧力大、调整严格、重复次数少。密封圈类型a.丝形圈:如图11。22把丝形圈夹压在两个法兰之间即可达到密封的目的。图中(a)适用于铟丝,因为它在小的压力下就可变形,但铟的熔点较低,不能烘烤到高温。铝丝可烘烤到400℃,但需要较大夹紧压力。图中(b)适用于可重复烘烤到450℃温度也不漏气的金丝密封垫圈。金丝作为垫圈使用应退火提高延展性，铜丝垫圈因与不锈钢膨胀系数相差太大而很少使用。b.矩形截面铜环图12是其四种密封形式。a和b类一般只用一次，c和d类密封形式可重复使用几次。23242.2.4用于静连接的双重密封垫圈双重密封圈的密封效果真空橡胶圈在密封时,通过它所渗漏的气体量与许多因素有关。例如橡胶的种类、硬度、蒸气压、压缩量，密封面的表面粗糙度、温度等等。但最重要的影响因素是密封圈内外两侧的压力差。实验证明:密封圈两侧压差的减小，可极大地提高其密封性能。使用双重垫圈密封,并在双重垫圈之间抽空,可以极大地提高所获得的真空度，如图13所示。25双重密封法兰结构图14采用两个O型橡胶圈，在内外O形圈之间设有排气空腔，用真空泵对该空腔抽气。图15是橡胶O形圈1与金属O形圈2相结合的用于超高真空设备中的密封法兰结构。26272.2.5真空规管的密封连接真空规管密封连接的形式如图16所示。靠拧紧螺母或压帽压缩胶圈来实现密封。282.2.6电输入密封连接将电流引入到真空设备，最好采用可拆卸连接，以便于维修。(1)电输入密封的设计要求引线装置的真空密封多采用橡胶做密封圈,因此对大电流、高温处应采用水冷,以防止温度过高时破坏真空橡胶圈和影响真空室真空度.真空密封应可靠,对导电紫铜棒应当要求有较高的精度和较好的表面粗糙度,并且在装配时应涂以真空油脂。输电线的直径应大小适当,不应使电流密度过大,以防输电线过热。29由于输电线上有一定的电压,因此必须使它与连接密封处绝缘,特别是高压输电线,更不能忽视。常用的绝缘材料有真空橡胶,玻璃,陶瓷、玻璃布板、玻璃布棒、夹布胶木棒、黄蜡布,聚四氟乙烯等。应考虑频率的影响。在低频下频率对密封的影响并不大,但是在高频下,输电线同绝缘材料应按特殊要求确定。应考虑温度的影响。对于需要烘烤的输电线,应能承受500℃高温。必须区别引线在烘烤时,无电流时所承受的烘烤温度及工作时发热的两种情况。如果输电线被加热,在结构中应避免使用任何不能承受温度的材料。30(2)电输入密封的结构接线柱式密封如图17所示。这种结构是一般真空设备上最常采用的把电引入到真空室中去的一种结构。31图18是一种外套水冷式电极密封结构。32固定式导电杆密封固定式导电杆密封的结构如图19。当导电杆直径d≤20mm时采用(a)型,d20mm时用(b)型。33高压电输入密封图20所示是高压电输入密封的一种结构。高压电输入密封的特点是输入线均采用陶瓷做为绝缘体。34低电压大电流的电极密封图21是低电压大电流的电极密封结构。图中a、b两种结构是固定式电极,c是可移动式电极,为了对电极进行冷却,在b、c两种结构中均设有水冷。供水和回水均在真空室外进行。3536导线的真空密封将导线引入到真空系统或真空管中去常采用永久密封引线的方法。这种永久引线基于玻璃与金属封接或陶瓷与金属封接。37棒形密封：如图22所示。a为单引线式,b、c、d为双引线式38图23中给出了这种棒形密封导线中所通过的允许电流。实际使用中,导线中所载的电流应该小于图中曲线所标的数值。39芯柱密封：如图24所示40销钉密封：如图25所示412.2.7观察窗根据密封型式,观察窗可分为可拆连接和不可拆连接。前者用于高真空和低真空,后者用于超高真空系统。图26、27是观察窗的两种密封结构低真空度---有机玻璃；透射光线---光学or熔融石英；高温炉—石英玻璃；防胶圈过热---水冷；防被蒸镀---设挡片。422.3“O”形密封圈的密封力计算在真空静密封连接中所使用的橡胶密封圈主要有两种断面形状:圆形和矩形(其它还有锥形等)。其中圆形截面橡胶圈应用得最为广泛。橡胶圈密封靠连接件压缩密封圈,使其产生弹性变形而减小泄漏缝隙,达到密封目的,所以,设计中必须正确计算和选择施加到密封圈上的压力.与该压力有关因素：密封表面状况；密封材料的成分、硬度和压缩比；橡胶圈侧面的约束等.理论研究困难,一般根据实验数据进行计算,即通过对不同线径、不同圈径、不同硬度、不同安装型式的橡胶圈进行压缩实验以获得基础数据。432.3.1橡胶密封圈压缩比的选择所谓胶圈的压缩比是指橡胶圈压缩前后的高度差和压缩前的高度之比。设h0、h、d、Z分别为矩形和圆形断面橡胶圈压缩前后的高度,则压缩比为橡胶圈的压缩比与密封性能直接相关，实验表明，将15%定位最小压缩比是合适的。各国对此的选择不尽相同，我国有关单位多选25%，一般推荐矩形端面较圆形稍大；工称直径大的压缩比较大。442.3.2O形圈密封力的计算由于O型圈设计涉及到不同的线径和不同的硬度，如果采用绝对尺寸和绝对压力的概念会使问题复杂化，所以，采用“相对”的概念