第十讲：真空密封[简介]: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，就是真空室也是由多个部件，多种不同材料的组件组建而成的。

这些各式各样的零件要用不同的密封方法连接在一起，这些密封方法既要保证零件的可靠连接又要防止通过接头发生漏气，保证真空系统的密封质量，把真空系统的漏气率控制在一定范围内，所以真空密封是真空系统设计、装配过程中的重要问题。

1 概述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，就是真空室也是由多个部件，多种不同材料的组件组建而成的。

这些各式各样的零件要用不同的密封方法连接在一起，这些密封方法既要保证零件的可靠连接又要防止通过接头发生漏气，保证真空系统的密封质量，把真空系统的漏气率控制在一定范围内，所以真空密封是真空系统设计、装配过程中的重要问题。

有些真空密封除了要求不漏气之外，还要求能够允许电流传输、运动的传输、材料的递送或者让辐射传输。

为了适应各种不同要求，采用了很多种不同结构形式的密封方法，用于真空密封的材料也很多。

根据连接件的相互关系，密封方法、用途和材料的不同，可以对真空技术中所使用的密封方法进行分类。

总起来说，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。

它们的细分如图l所示。

这些密封连接方法分别适用于不同的工作条件。

2 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 玻璃与玻璃的封接玻璃与玻璃之间的封接通常是在煤气或天燃气和氧气的混合火焰中进行烧结熔化而进行的。

为了保证封接可靠，必须使封接玻璃之间的热膨胀系数极为相近，否则会因封接时产生的内应力引起玻璃的破裂。

经验证明：如果线膨胀系数之差不大于7×10-7／℃，则熔接处所产生的内应力不致引起炸裂。

如果膨胀系数太大，则应采取膨胀系数介于二者之间的中间玻璃进行过渡封接。

经过封接的地方最好采用退火工艺来消除内应力，否则封接处也易引起破裂。

玻璃热稳定性差，在封接时应注意火焰作用在玻璃上的温度，因为温度急剧变化也会引起玻璃的炸裂。

2.2 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。

这种封接分为匹配封接和非匹配封接。

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；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，为了消除玻璃与金属膨胀系数相差较大而产生的内应力，一般多采用延展性好的薄壁金属管与玻璃封接，靠金属的塑性变形来消除内应力。

图2是金属管与玻璃管的一种非匹配封接形式。

金属管管壁在封接处逐渐变薄，以利于变形，变薄的区域约等于封接区长度的一倍。

这种封接一般分为外封接(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)和双边封接(玻璃从内、外二侧包住金属管壁)三种。

双边封接时内侧的玻璃封接长度最好是外侧的二倍。

这类封接不大经受得住温度的反复升降，例如铜与玻璃封接时，如果温度的摆幅是室温到400℃，则仅能使用几百次。

2．3 金属与金属的焊接2．3．1焊接方法金属之间的焊接方法较多，用于真空密封中的一些焊接方法如图3所示。

无压熔焊是不使用压力将被焊件相互接触，使接触部位局部加热，由于金属表面或边缘的局部熔比而形成混合金属液。

这种金属混合液(焊料合金也如在其中)把被连接件的接触缝隙填满。

当焊接热源去掉后，金属液凝固而把零件“熔焊”在一起。

无压熔焊的热源是：火焰(气焊)、电弧或电子束。

加压焊接则是对加热或不加热金属元件用压力连接在一起。

其中电阻焊需要加热、冷焊则不需要加热。

气焊是用可燃性气体混合氧气的焊枪对被焊件进行加热焊接的。

由于这种焊接需要采用放气率较大的焊剂，因此，它在真空密封连接中只是用在焊接笨重的铜或铁容器上。

电弧焊是以工件与电极间或两个电极间的电弧所获得的热量为基础的一种焊接技术。

其中原子氢(原子弧)焊、碳弧焊、合金焊条取代钨电极的氩弧焊等方法多用于真空密封技术中。

在原子弧焊工艺中，热量是从氢气围绕的两个钨电极之间的交流电弧(60～l00V；20～60A)中获得。

通过电极夹供给的分子氢在电弧中离解成原子氢，而在与较冷的金属接触时重新化合产生高达4000℃的高温。

焊缝即均匀又干净，适用于铁、软钢，铝和铬的焊接。

但不适用于镍和铜合金。

这是因为氢在镍液(不锈钢)中是可溶的，而当金属液凝固时又会逸出从而会造成裂缝和产生小的孔洞。

铜和铜合金会因氢而变脆。

碳弧焊是在碳电极和工件之间或两个碳电极之间使用直流直接引弧(1～10A；100V)。

这种焊接可用来焊铁、镍、铝或铜。

合金焊条取代钨电极的氩弧焊则是利用直流电、自耗电极和氢或氩的保护性气体进行焊接。

这种工艺多用在铝和不锈钢的焊接上。

在惰性的氩弧或氦弧焊中，工件和钨电极间使用直流或交流，电弧在氩或氦的气氛中工作。

交流(250～300A；100V)通常用于焊铝和铝合金，直流(45～75V；15～200A)多用于焊钢、不锈钢、铜、银和钛等金属。

惰性气弧焊则是用于高真空和超高真空的真空密封焊件上。

由于电子束焊接是在1.3×10-3Pa真空条件下用电子束轰击焊件产生的热量而进行的，因此可获得高质量的焊缝。

多用于不锈钢，铝合金、钨、钼及钽的焊接上。

加压焊接中的电阻焊是对金属焊接件在相互压紧的情况下通过高强度的电流所产生的电阻热而把被焊件焊接起来的一种焊接工艺。

冷焊是通过对焊件施加足够的压力在冷态下将某些金属焊接在一起的。

冷焊所需压力因材料不同而异，铝为170～250N／mm2，铜为500～750N／mm2，不锈钢为2000N／mm2。

冷焊的焊面必须无氧化物和脱脂良好。

这种工艺多用于抽成真空的金属管子的封口。

2．3．2真空技术对焊缝的要求真空技术对焊缝有如下几点要求，在设计和焊接时应予以注意。

①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。

从图中可以看出，正确的焊接总是将焊缝放在真空一侧并且进行深度熔焊。

错误的焊接多数都会形成死空间(气囊)，即两焊缝之间堵住一些空间，里面储有气体。

②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。

③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。

④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。

⑤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。

⑥焊接密封的允许最大漏率(对于空气)，在焊缝长度上约为10-7Pa·m3／s·m。

如果漏率较高，应当将焊缝磨掉，直到露出母材，然后重新焊接。

切不要在原来产生漏气的地方进行二次焊接，因为补焊不但不易堵住漏孔，反而容易产生应力使焊缝产生新的裂缝。

2.4 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。

该方法是把被焊金属和低熔点焊料放在一起加热，使焊料熔液通过毛细管吸引作用进入两个被焊零件的很贴近的表面间的间隙中，钎焊焊接的特点是不损伤被焊的金属件，因而多用于尺寸较小的钢、铜、黄铜等零件和管道的连接。

钎焊所需的温度多在500℃以上，应比被钎焊零件的熔点低50～200℃。

真空工艺中的钎焊材料必须纯净，具有低的蒸气压、能在钎焊温度下浸润和流动，并能同焊接金属形成合金，其熔点必须低于被焊接的金属。

表l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。

在有些物理不相容性的情况中，某些钎焊合金不可与某些特别的金属一起使用。

例如，可伐(铁镍钴合金)不能用银进行钎焊，因为银渗透可伐会产生片裂。

金属钎焊的方式有火焰焊、炉焊和感应焊接。

火焰钎焊采用氧乙炔焰、氢氧焰、氧丁烷焰等除钎焊铜使用氧化焰以避免脆变外，一般均使用州性焰或还原焰。

火焰钎焊需要使用焊剂，焊后必须将焊剂从接头上仔细地清除干净，因为残留在密封的真空一侧的焊剂具有高的出气率。

炉钎焊就是在具有保护气氛(真空、中性气体)的炉中加热要钎焊的金属组件。

感应钎焊利用高频电流(400～2000kHz)来加热。

要钎焊的零件安置在专门装配的感应线圈中。

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。

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，比用大量钎焊合金时得到的焊缝要好。

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。

从图5可见，方角(图中a)会使钎焊合金顺利流过所有焊缝(图中b)，形成坚固而不漏的焊缝。

圆角阻断钎焊合金的流动。

假定加钎焊合金这端的第一个角是圆角(图中c)，钎焊合金就通不过这个角(图中d)。

只有当第二个角是圆角时(图中e)，焊缝才会比较坚固而不漏(图中f)。

压住圆角的方边同样会阻止钎焊合金的流动(图中h)。

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。

3 可拆密封连接在真空系统需要经常拆卸的地方，应用可拆密封连接，这种连接在密封性能和机械强度上虽然不如永久连接，但是真空系统某些地方是需要经常惊醒拆卸的，因此这种连接用得较多。

其结构有如下几种。

3.1 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。

真空橡胶管是用橡胶制成的一种厚壁管，多用于口径小于50mm的机械真空泵入口处，也可以连接玻璃管、金属管及其零件。

真空橡胶管连接的接头种类很多，最简单的方法是把插入橡胶管端部的接头做成图7所示的台阶形。

3.2 用于静连接的弹性体密封垫圈由于弹性体具有弹性好、受压时体积不变，可堵塞漏气路径等一系列特点，因此把氯丁橡胶、丁腈橡胶、氟橡胶、硅橡胶、聚四氯乙烯等弹性体制成圆形截面或矩形截面的环，然后将其夹在两个连接件之间并压缩，如图8所示，即可实现真空静连接密封的目的。

这种弹性体垫圈的密封性能主要取决于弹性体和被连接件之间接触面的粗糙度及弹性体本身的透气性、放气率和蒸气压等因素。

为了消除这些因素对密封性能的影响，接触部位金属表面的粗糙度至少要求加工到3.2/Δ，而且应尽量设计得使弹性体暴露在真空侧的表面最少。