1、第十讲：真空密封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
2、，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。. s “ B5 S2 $ M7 _! b$ V“ O2.1 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 710-7
3、，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
4、壁金属管与玻璃封接，靠金属的塑性变形来消除内应力。3 I4 K- i z i3 8 k“ B2 c3 C j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。 q8 o( c/ s8 s23 金属与金属的焊接231 焊接方法 6 x) q*
5、% _ g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。8 * g4 A 8 c- O! 1 |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(60l00V；2060A)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
6、。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。4 U“ z+ V S% X, B/ a9 B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。* 4 D( t/ e; P5 g% j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。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。焊缝因强度需进行两
7、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。% |“ / V x B1 u8 G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。焊接密封的允许最大漏率(对于空气)，在焊缝长度上约为 10-7Pam3sm。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。5 5 f8 U+ n, 8 z# a2.4 金属钎焊: M! u f N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
8、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50200。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
9、应焊接。% i“ q9 z% y( ! M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。% G* H- n e9 o; I5 s$ y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(4002000kHz)来加热。要钎焊的零件安置在专门装配的感应线圈中。8 i6 G! C( h3 v( l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
10、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。; I4 r# G; , L, i/ D9 O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。 ; F1 A4 A+ d; k* d+ G焊件间的间隙不能宽或不规则。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。8 |3 r1 H* l+ m, g6 如果要钎焊热膨胀系
11、数不同的金属，必须使组件在冷却过程中压缩钎焊合金。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)。如果要避免钎焊合金在表面上流动，必须在面上涂碳或铬。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。 ZP=C/(Se+C)P1 (3)
12、两种情况相比较，显然P=（P1/Pd）P （4）3 U5 b1 i( b6 n9 Q3 v( i. n双重垫圈之间若用油封式机械泵抽空，建立 P1=101Pa 的压强是很容易做到的，而大气压Pd=105Pa，所以 P=10-4P。可见使用双重垫圈密封，并在双重垫圈之间抽空，可以极大地提高所获得的真空度。3.4.2 双重密封法兰结构 5 C1 ) h2 u7 R7 q$ T% C) 图 14 是采用两个 O 型橡胶圈，在内外 O 形圈之间设有排气空腔，用真空泵抽气的密封法兰结构。图 15 是橡胶 O 形圈 1 与金属 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。
13、因为在真空度高于 1.310-3Pa 的真空设备中所采用的橡胶 O 形圈对真空度的影响主要有两个因素，一是材料本身的透气性；二是材料本身的蒸发或升华。前者在真空度 1.310-31.310-4Pa 时影响最显著，后者在真空度为 1.310-51.310-7Pa 时影响最显著。因此这种结构在设计上把超高真空侧的密封圈选用金属材料是较为合适的。如内侧真空容器温度较高时，外环应采用水冷，以防止橡胶过热老化。此外，在金属 O 形圈的外表面上还可以涂上聚四氟乙烯，这样会使 O 形圈与相应密封接触面间的凸凹完全填满、紧密贴合，从而可进一步提高其密封性能。这种密封装置只要把空腔用真空泵抽空到 1.310-3
14、Pa，则获得 1.310-9Pa 的超高真空是完全可能的。- a; p) z, b( u h$ j/ j3 S真空动密封连接结构与工作在常压下的密封结构有所不同。这种密封除了要求其结构本身有足够的强度、寿命和合理的外形尺寸等外，针对真空特点，它还必须保证密封的可靠性。即动密封连接在长期工作中必须保证外界环境不向真空容器内漏气或使漏气维持在设计要求的范围之内。4 W7 R Q( i4.1.1 采用固体密封物质的接触密封) N9 h X, V, U1 W4.1.1.1 液体润滑的真空动密封 C% z; i. v$ J+ j1 h/ M固体密封件中润滑的作用及润滑材料的选择 4 V“ ?9 6 Z6
15、 ! * j采用固体密封物质进行真空动密封，在摩擦区需要进行液体润滑或用真空中耐磨性能良好的润滑材料进行自润滑。固体密封件中采用润滑的作用一方面是减少运动轴表面与不运动的密封件间的摩擦，另一方面是利用润滑物质来充填接触区内微观的凸凹不平的沟槽，以防止大气通过这些沟槽渗漏到真空容器中去。7 h* g4 E1 E, p9 v, Q! d( q接触式真空动密封的结构接触式真空动密封结构，最常采用的有如下几种类型。（a）O 形橡胶圈密封又称橡胶填盒密封，其典型结构如图 33 所示。这种密封结构常用于真空度不高于 10-4Pa 的真空设备中，可以用来传递旋转运动，也可用于传递直线往复运动。其传递旋转运动
16、的转速小于 1000r/min，传递往复直线运动的速度小于 0.2m/s。当传递直线往复运动的距离较长时，通常在孔壁上开密封槽。（b）J 型橡胶圈密封$ |. L- N% j! zJ 型橡胶圈密封即所谓威尔逊密封，是真空度不高于 10-4Pa 的真空设备中应用最广泛的一种密封。在这种密封结构中，真空橡胶垫片的边缘部分被金属衬垫紧紧固定、垫片的中心孔孔径比轴径小 20%35%，安装好后弹性体在密封中呈截锥形（如图 34 所示），在大气压作用下获得良好密封。使用时必须注意此截锥的大底应位于真空一侧，大气压力才有压紧作用；如密封垫装反了，将不能起真空密封作用。这种密封结构适用于线速度小于 2m/s，
17、转速不高于2000r/min 的真空转轴密封。（c）JO 型橡胶圈密封 0 h% t* M% f; M. jJO 型橡胶圈密封的结构如图 35 所示。这种带锁紧弹簧的结构是在 J 型橡胶密封圈结构的基础上加以改进而成的，适用于线速度小于 2m/s，转速不高于 2000r/min 的真空转轴密封。4.1.1.2 自给润滑的真空动密封在上述几种动密封装置中都需要采用真空润滑油润滑，为了实现密封本身自给润滑，可借助于氟塑料进行真空动密封。图 36 是这种密封的一例。图中封件 2 是利用能自给润滑的氟塑料材料制成的。由于氟塑料本身弹性较差，易产生较大的残余变形，因此在结构上采用了附加橡胶垫圈 3，把
18、3 装在密封件 2 的外面，再用螺母 5 压紧，就可以保证氟塑料密封圈能与轴均匀而密实的压紧。这种结构的缺点是要求轴的表面粗糙度要小，一般不应低于 0.8/。 “ ; l I1 z6 Z5 M/ 0 b# E5 I! T/ l* 液体用于真空动密封的结构原理如图 39 所示。图中 a 是采用液体薄膜密封，它是利用小间隙中液体薄膜的表面张力和压差的平衡状态来实现的。在轴 1 处于静止状态时，其可靠的密封条件是2/P1 (15)式中 液体的表面张力，其值示于表 2 中P1密封高压侧压力图中 b 是具有液体静密封的装置，其中 P1-P2 应等于液柱高度，一般把密封容器 2 设置在真空室与单独抽真空的
19、中间室中间。这种装置的缺点是它只能用于轴处于垂直的位置，而且需要设置中间抽气室。一旦中间室的压力增大，则会产生向真空室喷出密封液体的危险。液体密封在高温下工作时，液体的蒸汽有污染真空室的可能性。表 3 给出了几种易熔金属的蒸气压力值。可见，这些金属做为液态密封物质是可以的。表 2 几种液体的表面张力对于不同压差的最大间隙 （m）液体密封物质 温度（oC） 表面张力（N/m）.1031.0105（Pa） 1.3104（Pa）镓 40 735 14.7 112锡 300 520 10.4 78汞 15 487 9.5 72铅 350 420 8.4 64铋 300 370 7.4 56有机液体 2
20、0 2530 0.50.6 3.84.5表 易熔金属的蒸气压力温度（oC）和蒸气压力(Pa)金属熔化温度（oC） t p t p t p t p汞 -38.9 -5 1.310-6 40 1.310-4 126 133 300 3.2710420 1.7310-1 100 40 200 2.26103 360 1.07105镓 29.8 500 10-10 711 1.310-7 859 1.310-6 965 1.310-5铟 156 500 10-10 600 1.310-8 667 1.310-7 746 1.310-6锡 232 500 10-10 823 1.310-7 - - - -铋 271 300 10-10 474 1.310-7 536 1.310-6 609 1.310-54.1.2.2 磁性流体密封! O# t& 1 J6 D磁流体真空动密封原理“ + s“ K8 a, f0 o8 v7 T5 p7 H
