汽车零部件常压快速检漏系统的设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)哈尔滨商业大学 作者:林晶

  泄漏检测是汽车工业生产中许多零部件质量保证的关键技术,为了适应大型自动化生产背景下的高精度快速检测,设计研发了一套常压快速检漏系统。该系统运用T-Guard 氦浓度传感器的累积法检漏原理,配合抽真空系统、充氦系统、净化气体系统和电器控制系统等部分来实现高精度常压快速检漏。系统运行显示可以检测到泄漏率为10 ~10-5Pa·m3 /s之间的漏点,检漏节拍小于1 min,在满足常压下检漏的同时,达到了检漏时间短、灵敏度高、效率能与生产线速度同步等要求,实现产品高精度的快速在线检测。

  泄漏检测是汽车工业生产中许多零部件质量保证的关键技术。检漏占用了生产与维修的很大一部分时间,而且成本投入也很大。中国现有的检漏技术发展很不成熟,技术空白很多,不仅相关研究资料匮乏,而且受重视程度也不够,造成了中国检漏技术层次低并且发展缓慢局面。目前的检漏方法大多是基于气体或液体在容器两端的压强差造成的气体或液体穿过漏孔时出现的不同现象而发展成各种不同原理的检漏方法,比如肥皂水检漏法( 水泡法)、充压检漏法、真空检漏法、卤素检漏法、荧光示踪法、激光系统检测法和氦质谱仪法等,上述检测方法或者检测精度不够或者检测成本很高或者检测速度慢,都存在一定程度的缺陷。研发一种常压快速汽车检漏系统使其不但可用于单件检测,也可装入大型自动化生产线进行大批量检测具有重要的意义。在满足常压下检漏的同时满足检漏时间短、灵敏度高、检漏效率能跟上生产线速度等要求;实现在汽车不解体的情况下查明泄漏或隐患部位,确保车辆的工作能力和技术状况。

1、汽车零部件常压快速检漏方案

  1.1、检漏要求

  (1)漏率指标

  在汽车工业中,采用空气压差法进行检漏应用非常普遍,虽然成本低,但灵敏度也比较低,达不到汽车工业对漏率的要求。真空环境下的氦质谱检漏法,虽然灵敏度高,但检测成本又过于高昂。因此迫切需要找到一种高性能、全自动的检测方法,可以检测出泄漏率在10-2 ~10-5 Pa·m3/s 之间的漏点。

  (2)检漏时间

  不但可用于单件检测,也可装入大型自动化生产线进行大批量检测;检测节拍小于1 min,满足工业应用的要求,实现对汽车零部件( 如油泵密封法兰盖)单机年检测50 万件。

  (3)有效最小可检漏率

  根据汽车零部件生产中对于零件漏率指标的要求,确立检漏方法和检漏系统的有效最小可检漏率。一般有效最小可检漏率应为产品漏率指标的10%。

  1.2、常压快速检漏系统总体方案

  (1)检测系统的建立

  设计在正常一个大气压下采用氦气作为示踪气体利用积累气进行泄漏检测的系统,系统由氦气传感器、抽空系统、充氦系统、净化气体系统、电气控制系统和液压气动系统组成。检测模式有累积模式、浓度检测模式和离子电流模式,可以根据用户要求随时调整,控制系统采用PLC + 触摸屏,该系统结构紧凑简单、易于维护。

  (2)检测原理

  通常氦质谱检漏仪需要在真空环境下工作,灵敏度很高,但要想在短时间内完成对零部件的检测需要配备强大的真空系统,因此造价昂贵,使得对检漏灵敏度要求不是很高的汽车零部件生产厂家难以负担。氦质谱检漏还有一种吸枪法由于检测时间长亦很难应用到这样的行业领域。我们设计的检漏系统中氦气传感器采用美国Inficon 公司最新开发的一种T-Guard 氦传感器,该传感器可在一个大气压的常压下工作,不使用质谱仪,而是采用一个高灵敏度的氦气传感器测量氦气的浓度。

  T-Guard 传感器的工作原理如下:传感器前面有一个石英加热栅,大气中的氮气和氧气等大分子不能通过加热栅器壁,只有直径很小的氦气分子才能穿过加热栅器壁进入传感器,气体分子进入传感器内被电离,通过检测离子流的变化值从而可以测量出进入传感器的氦气浓度的变化。使用T-Guard氦浓度传感器可采用累积法和连续法在常压下利用氦气示踪进行检漏,考虑到工业生产对检测灵敏度和生产节拍的要求,我们采用累积法对汽车零部件进行检漏。密封的被检测工件放在一个常压的累积检测室内,然后将密封的工件内部充入氦气,如果存在泄漏,氦气就会通过泄露点跑到积累箱中,从而被T-Guard 氦气浓度传感器检测到,工作原理示意图如图1 所示。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为采用累计法检漏检测的漏率可以用下列公式计算

汽车零部件常压快速检漏系统的设计

  式中:L 为漏率,Pa·m3/s;ΔC 为累积时间段内氦浓度的变化值;V 为累积箱的净体积,立方米m3;p 为大气压强,Pa;Δt 为累积时间,s。

汽车零部件常压快速检漏系统的设计

图1 系统工作原理示意图

  (3)测试步骤

  ①装工件

  将工件接入工件接口处,按下开始按钮。

  ②抽真空充氦

  系统自动打开阀门对工件抽真空,到指定真空度(一般1000 Pa 左右) 后,系统自动打开氦充气阀向工件内充入规定压力的氦气或混合气体。到指定压力后,系统给出提示;若操作超时,系统给出报警。

  ③检漏

  仪器进入检漏程序,首先对工件进行粗检,如果测漏值大于设定的阈值,确定为大漏,系统将报警,停止检漏。系统将进入大漏检漏预订程序,对氦传感器清除氦本底。如果无大漏,系统通过累计法检漏,进行细检,显示当前工件漏率,若不合格则系统会自动报警,反之系统给出提示。

  ④氦气回收和检测室净化

  工件检漏完成后,人工按下确认按钮,系统自动打开测试室门,用机械泵抽出工件内剩余氦,测试室充入新鲜空气,对测试室进行净化。如果被检工件内容积较大,为降低成本,氦气将被氦气回收系统回收。

  1.3、影响检测系统稳定性的关键因素

  (1)检测室氦浓度一致性的问题

  为了在不知道泄漏位置的情况下进行精确测量,必须采取措施确保检测室内的氦气浓度保持一致。避免由于泄露的位置不同,探头检测的氦浓度不同,造成每次检测的结果不一样。对此的解决方案是设计混合装置,对检测室内的气体进行充分混合,保证腔室中氦气的平均分布。

  (2)检测室氦残留的问题

  对于有漏点的零部件,通过氦检漏检测后,氦气在仪器里面会有存留,仪器对氦气的清除需要一定的时间。由于汽车零部件的检漏需要满足检测节拍在1 min 之内,所以要求氦传感器的清除时间要迅速,特别是有大漏的工件,检测室有大量高浓度的氦气,因此,为了避免这种氦残留对下一次检测结果的影响,我们设计了换气系统,通过充入氦浓度很低的新鲜空气或纯氮气对检测室进行气体置换。

2、检漏实例

  氦浓度传感器检测的是累积箱空气中氦的浓度变化值,检测过程分为三个阶段。首先根据一个固定时间段内浓度的变化判断漏点的大小,如果变化值太大或太小,都超出检测范围,给出大漏或不漏的判定。如图2 所示,检测室的本底氦气浓度为1 ×10-9,如果在小于3 s 的时间内检测到的氦浓度超过2000 × 10-9,则认为是大漏,如果在30 s 内检测到的氦浓度小于20 × 10-9,则认为是不漏,都认为是超出检测范围,只有在检测时间内,按照式(1) 浓度变化的才是要检测的漏点。

汽车零部件常压快速检漏系统的设计

图2 累积法检漏氦气浓度变化

  对于汽车零部件的检漏有一个非常关键的难点就是工装夹具的设计,根据累积法检漏的工作原理,要求被检工件在一个密闭的容器里,这个容器既要可以抽真空,又要有一定的耐正压能力,至少要达到0.3 MPa 以上,同时由于检查节拍小于1 min,所以还要求快速装卸工件。一般被检的汽车零部件通常的形状都比较复杂,如汽车的热交换器有着非常复杂的管路。一些看上去简单的零部件在夹具的设计上其实也很难。图3 是上海地区某汽车油泵密封法兰,该法兰是塑料件,需要检测金属引入电极和塑料之间密封处的泄露,要求检测的漏率在10-4 Pa·m3/s 量级,采用通常的压差法理想状态下也只能检测到10-2 Pa·m3/s 量级。T-guard 氦浓度传感器的最小可检浓度为25 × 10-9,如果生产中采用5L的容积,累积时间30 s,则理论上最小可见漏率为10-7 Pa·m3/s (10-6 mbar·l /s)。表1 是采用我们的系统,检测一个已知泄漏法兰25 次的结果,系统检测的均值为1.7 × 10-4 Pa·m3/s。对于该泄漏点采用美国英富康的P3000 吸枪式氦检仪进行了比对校准,漏率为1.4 × 10-4 Pa·m3/s(5 次均值),低于我们的测量均值,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为原因可能在于采用吸枪法时有部分氦气并没有被吸入而扩散到空气中,因此数值偏小,另外氦检漏仪器本身的测量精度也可能会造成这样的误差。采用以上25 次的测量数据分析计算,得到Cg值为3.31,满足德国大众汽车公司1993 年制定的技术标准—当测试次数为25 时,Cg≥2.2 的规定。

汽车零部件常压快速检漏系统的设计

图3 汽车油泵密封法兰

表1 汽车油泵密封法兰漏率的测量结果

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3、结论

  基于氦示踪气体检漏技术的常压快速汽车检漏系统的研发,使其不但可用于单件检测,也可装入大型自动化生产线进行批量检测;开发的检漏平台具有不需要昂贵的真空泵和真空箱体,可在常压下最快30 s 内检测出汽车零部件是否泄漏,保守估计本系统生产线上使用时最小可检漏率可达10-5 Pa·m3/s 量级,满足了在非真空常压下对汽车的零部件进行检漏,确保检漏时间短、灵敏度高、检漏效率能跟上生产线生产速度等要求。

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