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摘 要：工程应用中需开展背压法氦质谱检测系统展开研究和设计开发，设计内容主要包括氦质谱检漏仪技术参数确定、预抽真空系统设计、真空容器设计以及控制系统设计等，对氦质谱检测系统的仪器灵敏度、系统灵敏度及系统反应时间等性能参数进行了测定，结果表明检测系统具有检测灵敏度高和检测效率高等优点，满足使用要求。
关键词：氦质谱检漏 背压法 预抽真空系统
中图分类号：TB774 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）06（b）-0057-02
工件（毛坯板）在加工过程中，必须处于真空密封状态，其外部保护层由不锈钢框架、盖板经真空焊接而成。其密封性能是直接影响成品率的重要因素之一，一旦出现泄漏，将会导致毛坯板在轧制工艺中出现起泡、崩裂等现象，严重影响结合质量，必须其密封性能进行100%的无损检测，检测内容包括工件的8条焊缝及堵孔焊的密封性能。可采用的泄漏检测方法为背压法整体检漏和压氦后吸枪法定点检漏，为实现对工件高灵敏度和高效率检测，开展了背压法氦检漏系统的研制。
1 氦质谱检漏方法
工件采用的泄漏检测方法为氦质谱背压法和吸枪法。
背压法检测过程分为三步，首先进行氦加压，将工件置于一定压力的氦室中，有漏隙的内腔中会被渗入氦气；其次进行净化，用无水乙醇檫洗表面并用压缩空气吹扫以去除表面吸附的氦气；最后进行检漏，将工件放入检漏系统的真空容器内进行检漏。
吸枪法：用以软管与检漏仪质谱室相连的且被抽成真空的特制吸枪（限流的针阀）沿焊缝及堵孔进行探测，如果焊缝处有漏孔时，氦气就会随同周围的空气一起被吸枪吸入到检漏仪质谱室中经分析而产生漏气指示。
在进行氦检漏时，首先采用背压法进行100%的定性检测，查看有无泄漏，若检出有泄漏时，再采用吸枪法对泄漏的位置进行精确定位，以便返回焊接室进行补焊。
2 系统设计
2.1 总体设计思路
基于对氦质谱检漏方法的深入研究和满足科研生产的需要，检测系统要求在背压工艺条件下，至少能发现10-7Pa·m3/s数量级的缺陷，因此，对氦质谱检漏系统总体设计思路围绕提高检测灵敏度和提高检测效率两方面来展开。
在提高系统检测灵敏度方面，首先需提高氦质谱检漏仪性能以获得较高的仪器灵敏度，在仪器采购中选用具有较高仪器灵敏度的检漏仪；其次预抽真空系统设计中应选取适合的材料以及正确的表面处理方式以降低材料自身存在的吸气和放气，系统连接中采用合适的装配方式和焊接以降低预抽真空系统的漏气等；最后增加真空测量装置以便对真空容器内真空度水平进行监测，增加电磁阀管路系统对系统抽气和放气进行自动控制。
在提高预抽真空系统检测效率方面，增大真空容器的容积以提高单次检测数量；提高真空泵有效抽速，设计真空泵组进行抽气以降低抽真空时间等。
氦质谱检测系统由氦质谱检漏仪、真空容器、预抽真空系统、电磁阀、控制箱、吸枪、标准漏孔、波纹管及测量数据处理计算机组成，如图1所示。以下就检测系统的几个重要组成部分展开设计。
2.2 氦质谱检漏仪技术参数确定
检测系统中对氦质谱检漏仪器的技术指标要求具体指标如下：最小可检漏率优于5×10-12Pa·m3/s；漏率显示范围：1×10-3～5×10-12Pa·m3/s；启动时间：≤2min；响应时间：≤1S；检漏口最高压力：﹥1.0×103Pa。该技术指标要求保证了氦质谱检漏仪的仪器灵敏度，同时较宽的漏率显示范围还可适用于对大的泄漏点的检测。比如：当检漏口压力降到1000～50 Pa时，系统自动进入粗检模式（Gross），当检漏口压力降到50 Pa时，系统自动进入精检模式（Normal）在本设计的研制中，采用了型号为ZQJ-542型的氦质检漏仪。
2.3 预抽真空系统
预抽真空系统主要由真空获得单元、真空测量单元和机柜三大功能单元组成。预抽真空系统在结构上采取移动机柜式结构布局设计。真空泵、真空规管以及阀门等组成单元均安装于真空获得机箱内，测量、控制以及电源模块安装在测量机柜表面，以便于操作。机柜四周门均可打开，可方便就地进行系统维修与器件更换。预抽真空系统结构如图2所示。
真空获得单元由真空泵组和真空系统管道所构成。采用机械泵和测量真空装置联接构成真空泵组，连接真空容器的管路采用了不锈钢的波纹管，真空容器内壁做抛光处理技术，以减小容器内壁放气。为了快速达到抽气的效果，机械泵抽速大于8 L/s；为保证不污染检漏系统，采用油蒸汽不返流的真空泵；检测系统的真空泵组可在2分钟内获得<5 Pa以下的真空度，缩短了抽真空时间，提高了检测效率。
2.4 真空容器设计
真空容器的材质采用316 L内抛光不锈钢材料，容器内壁作抛光处理，以减小容器内壁放气，外壁粗糙度小于6.3 μm，内壁粗糙度小于3.2 μm。
根据工件尺寸大小，按照每次检查5个工件的能力设计，确定真空容器的尺寸为Φ220 mm×5 mm×650 mm，确保装入工件后容器剩余空间尽可能小，缩短预抽真空的时间。
容器壁上设置5个对外接口，接口尺寸为KF25和KF16。其中KF25接口4个，分别接标准漏孔、真空计和检漏仪检漏口（由波纹管连接）和抽气口，KF16接口作为放气阀，放气阀为电动控制。
真空容器一端设荷叶式开门，内有密封圈，要求关闭容器门时能密封良好；保压时间要求：2 h内，真空容器内压力由10～1 Pa降至不超过1 Pa；
真空容器内部采用半“O”型的槽，可将被检工件安全放置在内，同时为了保证被检工件不被划伤，支撑工件的部分采用材质为放气率很小的聚四氟乙烯，并在支撑部分开孔以确保气体可流通，从而保证对检漏工件不会产生盲区。
3 检测系统性能验证试验 根据技术指标要求，对本套氦质谱检测系统开展仪器灵敏度测定、系统灵敏度测定和系统反应时间测定实验，以验证该检测系统是否满足技术指标要求。
3.1 系统灵敏度测定
系统灵敏度测定方法为：开启检漏仪，调节参数至正常工作状态；启动真空泵组，对真空容器抽真空至3 Pa时；打开检漏阀，使检漏仪与检漏系统连通；当仪器输出表指示值稳定后，记录仪器本底值I0并记录入表中，然后开始观测每2 min内仪器输出最大值（噪声值）连续观测三次，取三次噪声值中最大的一次计算，作为本底噪声值IN并记录入表中。打开预抽真空系统标准漏孔后，当仪器输出表指示值稳定，记录标准漏孔所产生的讯号值I0并记录入表中。
每间隔1h，重复以上操作，共重复3次，记录测量值并填入表中。
按下式计算最小可检漏率
Qmin=（IN/I-I0）×Q0（1-2）
式中：
Qmin——最小可检漏率；
IN——系统噪声值，Pa·m3/s；
I——打开标准漏孔所产生的讯号值，Pa·m3/s；
I0——系统本底值，Pa·m3/s；
Q0——标准漏孔的漏率，Pa·m3/s。
将三次Qmin取平均值得到仪器最小可检漏率，填入记录表中
经过三次实验，测得系统灵敏度（最小可检漏率）为5.7×10-11Pa·m3/s。
3.2 背压法检漏工艺灵敏度
被检件的实际漏率（等效标准漏率）值和本工艺条件下的最小可检漏率min可由下式算出：
（1-3）
式中QR——测量漏率，Pa·m3/s；
QL——等效标准漏率，Pa·m3/s；
P0——标准大气压力，1×105 Pa；
PE——氦气室内氦气的轰击压力，4×105Pa；
MA——空气的摩尔质量，2.9×10-2 kg/mol；
M——氦气的摩尔质量，4×10-3 kg/mol；
t1——加压时间，0.5 h；
t2——净化时间，10min；
V——被检件内腔净容积，m3。
根据实际检漏条件V=5cm3，t1=0.5h，t2=10min时，公式（1-3）可简化为：
可计算出该系统在以上工艺条件下的最小可检漏率为（对空气）：
=2.35×10-8 Pa·m3/s
4 结语
通过对背压法氦质谱检漏系统的设计、开发和研制，得到检测系统灵敏度达到5.7×10-11Pa·m3/s，背压工艺灵敏度达到2.35×10-8 Pa·m3/s，满足生产工艺要求，真空室的设计使检测效率达到一次可检测5个工件，抽真空时间缩短至2分钟之内，氦质谱检测系统在检测灵敏度和检测效率方面均满足要求。
参考文献
[1] 吴孝俭.泄漏检测[M].机械工业出版社，2004.
[2] 达道安.真空设计手册[M].国防工业出版社，2004.
[3] 氦质谱检漏仪使用说明书，北京中科科仪技术发展有限责任公司，2011.
关键词：氦质谱检漏 背压法 预抽真空系统
中图分类号：TB774 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）06（b）-0057-02
工件（毛坯板）在加工过程中，必须处于真空密封状态，其外部保护层由不锈钢框架、盖板经真空焊接而成。其密封性能是直接影响成品率的重要因素之一，一旦出现泄漏，将会导致毛坯板在轧制工艺中出现起泡、崩裂等现象，严重影响结合质量，必须其密封性能进行100%的无损检测，检测内容包括工件的8条焊缝及堵孔焊的密封性能。可采用的泄漏检测方法为背压法整体检漏和压氦后吸枪法定点检漏，为实现对工件高灵敏度和高效率检测，开展了背压法氦检漏系统的研制。
1 氦质谱检漏方法
工件采用的泄漏检测方法为氦质谱背压法和吸枪法。
背压法检测过程分为三步，首先进行氦加压，将工件置于一定压力的氦室中，有漏隙的内腔中会被渗入氦气；其次进行净化，用无水乙醇檫洗表面并用压缩空气吹扫以去除表面吸附的氦气；最后进行检漏，将工件放入检漏系统的真空容器内进行检漏。
吸枪法：用以软管与检漏仪质谱室相连的且被抽成真空的特制吸枪（限流的针阀）沿焊缝及堵孔进行探测，如果焊缝处有漏孔时，氦气就会随同周围的空气一起被吸枪吸入到检漏仪质谱室中经分析而产生漏气指示。
在进行氦检漏时，首先采用背压法进行100%的定性检测，查看有无泄漏，若检出有泄漏时，再采用吸枪法对泄漏的位置进行精确定位，以便返回焊接室进行补焊。
2 系统设计
2.1 总体设计思路
基于对氦质谱检漏方法的深入研究和满足科研生产的需要，检测系统要求在背压工艺条件下，至少能发现10-7Pa·m3/s数量级的缺陷，因此，对氦质谱检漏系统总体设计思路围绕提高检测灵敏度和提高检测效率两方面来展开。
在提高系统检测灵敏度方面，首先需提高氦质谱检漏仪性能以获得较高的仪器灵敏度，在仪器采购中选用具有较高仪器灵敏度的检漏仪；其次预抽真空系统设计中应选取适合的材料以及正确的表面处理方式以降低材料自身存在的吸气和放气，系统连接中采用合适的装配方式和焊接以降低预抽真空系统的漏气等；最后增加真空测量装置以便对真空容器内真空度水平进行监测，增加电磁阀管路系统对系统抽气和放气进行自动控制。
在提高预抽真空系统检测效率方面，增大真空容器的容积以提高单次检测数量；提高真空泵有效抽速，设计真空泵组进行抽气以降低抽真空时间等。
氦质谱检测系统由氦质谱检漏仪、真空容器、预抽真空系统、电磁阀、控制箱、吸枪、标准漏孔、波纹管及测量数据处理计算机组成，如图1所示。以下就检测系统的几个重要组成部分展开设计。
2.2 氦质谱检漏仪技术参数确定
检测系统中对氦质谱检漏仪器的技术指标要求具体指标如下：最小可检漏率优于5×10-12Pa·m3/s；漏率显示范围：1×10-3～5×10-12Pa·m3/s；启动时间：≤2min；响应时间：≤1S；检漏口最高压力：﹥1.0×103Pa。该技术指标要求保证了氦质谱检漏仪的仪器灵敏度，同时较宽的漏率显示范围还可适用于对大的泄漏点的检测。比如：当检漏口压力降到1000～50 Pa时，系统自动进入粗检模式（Gross），当检漏口压力降到50 Pa时，系统自动进入精检模式（Normal）在本设计的研制中，采用了型号为ZQJ-542型的氦质检漏仪。
2.3 预抽真空系统
预抽真空系统主要由真空获得单元、真空测量单元和机柜三大功能单元组成。预抽真空系统在结构上采取移动机柜式结构布局设计。真空泵、真空规管以及阀门等组成单元均安装于真空获得机箱内，测量、控制以及电源模块安装在测量机柜表面，以便于操作。机柜四周门均可打开，可方便就地进行系统维修与器件更换。预抽真空系统结构如图2所示。
真空获得单元由真空泵组和真空系统管道所构成。采用机械泵和测量真空装置联接构成真空泵组，连接真空容器的管路采用了不锈钢的波纹管，真空容器内壁做抛光处理技术，以减小容器内壁放气。为了快速达到抽气的效果，机械泵抽速大于8 L/s；为保证不污染检漏系统，采用油蒸汽不返流的真空泵；检测系统的真空泵组可在2分钟内获得<5 Pa以下的真空度，缩短了抽真空时间，提高了检测效率。
2.4 真空容器设计
真空容器的材质采用316 L内抛光不锈钢材料，容器内壁作抛光处理，以减小容器内壁放气，外壁粗糙度小于6.3 μm，内壁粗糙度小于3.2 μm。
根据工件尺寸大小，按照每次检查5个工件的能力设计，确定真空容器的尺寸为Φ220 mm×5 mm×650 mm，确保装入工件后容器剩余空间尽可能小，缩短预抽真空的时间。
容器壁上设置5个对外接口，接口尺寸为KF25和KF16。其中KF25接口4个，分别接标准漏孔、真空计和检漏仪检漏口（由波纹管连接）和抽气口，KF16接口作为放气阀，放气阀为电动控制。
真空容器一端设荷叶式开门，内有密封圈，要求关闭容器门时能密封良好；保压时间要求：2 h内，真空容器内压力由10～1 Pa降至不超过1 Pa；
真空容器内部采用半“O”型的槽，可将被检工件安全放置在内，同时为了保证被检工件不被划伤，支撑工件的部分采用材质为放气率很小的聚四氟乙烯，并在支撑部分开孔以确保气体可流通，从而保证对检漏工件不会产生盲区。
3 检测系统性能验证试验 根据技术指标要求，对本套氦质谱检测系统开展仪器灵敏度测定、系统灵敏度测定和系统反应时间测定实验，以验证该检测系统是否满足技术指标要求。
3.1 系统灵敏度测定
系统灵敏度测定方法为：开启检漏仪，调节参数至正常工作状态；启动真空泵组，对真空容器抽真空至3 Pa时；打开检漏阀，使检漏仪与检漏系统连通；当仪器输出表指示值稳定后，记录仪器本底值I0并记录入表中，然后开始观测每2 min内仪器输出最大值（噪声值）连续观测三次，取三次噪声值中最大的一次计算，作为本底噪声值IN并记录入表中。打开预抽真空系统标准漏孔后，当仪器输出表指示值稳定，记录标准漏孔所产生的讯号值I0并记录入表中。
每间隔1h，重复以上操作，共重复3次，记录测量值并填入表中。
按下式计算最小可检漏率
Qmin=（IN/I-I0）×Q0（1-2）
式中：
Qmin——最小可检漏率；
IN——系统噪声值，Pa·m3/s；
I——打开标准漏孔所产生的讯号值，Pa·m3/s；
I0——系统本底值，Pa·m3/s；
Q0——标准漏孔的漏率，Pa·m3/s。
将三次Qmin取平均值得到仪器最小可检漏率，填入记录表中
经过三次实验，测得系统灵敏度（最小可检漏率）为5.7×10-11Pa·m3/s。
3.2 背压法检漏工艺灵敏度
被检件的实际漏率（等效标准漏率）值和本工艺条件下的最小可检漏率min可由下式算出：
（1-3）
式中QR——测量漏率，Pa·m3/s；
QL——等效标准漏率，Pa·m3/s；
P0——标准大气压力，1×105 Pa；
PE——氦气室内氦气的轰击压力，4×105Pa；
MA——空气的摩尔质量，2.9×10-2 kg/mol；
M——氦气的摩尔质量，4×10-3 kg/mol；
t1——加压时间，0.5 h；
t2——净化时间，10min；
V——被检件内腔净容积，m3。
根据实际检漏条件V=5cm3，t1=0.5h，t2=10min时，公式（1-3）可简化为：
可计算出该系统在以上工艺条件下的最小可检漏率为（对空气）：
=2.35×10-8 Pa·m3/s
4 结语
通过对背压法氦质谱检漏系统的设计、开发和研制，得到检测系统灵敏度达到5.7×10-11Pa·m3/s，背压工艺灵敏度达到2.35×10-8 Pa·m3/s，满足生产工艺要求，真空室的设计使检测效率达到一次可检测5个工件，抽真空时间缩短至2分钟之内，氦质谱检测系统在检测灵敏度和检测效率方面均满足要求。
参考文献
[1] 吴孝俭.泄漏检测[M].机械工业出版社，2004.
[2] 达道安.真空设计手册[M].国防工业出版社，2004.
[3] 氦质谱检漏仪使用说明书，北京中科科仪技术发展有限责任公司，2011.