真空器件夾封裝置及有限元仿真分析

陳超人

摘 要 密封可靠性是影響真空器件工作性能和壽命的重要指標(biāo)。為了保證真空器件抽氣管道的有效密封，設(shè)計(jì)了一種操作簡便的夾封裝置。采用有限元仿真分析了該裝置的關(guān)鍵受力部件，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置的有效性。

關(guān)鍵詞 真空器件;結(jié)構(gòu)仿真;密封可靠性

引言

真空器件廣泛應(yīng)用電子、半導(dǎo)體、航空領(lǐng)域，為了提高真空器件的工作性能，大量學(xué)者對真空器件的可靠性展開了研究。陳虎等人對真空器件鎳/銀鍍層的失效機(jī)理展開研究，確定了鎳銀鍍層失效的主要原因是中間層鎳層發(fā)生了氧化反應(yīng)[1];趙世柯等人研究了真空器件制造采用的焊接工藝，對激光焊和電子束焊的特點(diǎn)和適應(yīng)性進(jìn)行了比較[2];王鳳蘭等人研究了真空器件高壓擊穿現(xiàn)象和產(chǎn)生的原因，對防止真空器件高壓擊穿給出了應(yīng)對措施[3];杜斌等人為提高真空器件的抗熱震性能，對關(guān)鍵材料的熱導(dǎo)率展開研究[4];馮志良[5]對真空器件烘烤排氣過程中殘余氣體進(jìn)行檢測，分析了排氣過程的出氣規(guī)律。

本文重點(diǎn)研究對真空器件密封性能有較大影響的抽氣管道夾封工藝，設(shè)計(jì)了一種夾封裝置，為相關(guān)真空器件抽氣管道夾封工藝提供參考。

1真空器件抽充氣過程及夾封裝置

真空器件抽氣過程如圖1所示。一根金屬管道與真空玻璃器件通過銦層粘接，以實(shí)現(xiàn)金屬與玻璃之間的有效密封。氣泵通過金屬管道將玻璃器件內(nèi)部的空氣抽至1e-8Pa，然后通過金屬管道將工作氣體充入玻璃器件。工作氣體充入完畢后，金屬抽氣管道經(jīng)過夾封工藝密封處理。

為了保證玻璃內(nèi)部的密封性，抽氣管道夾封工藝的高效、可靠顯得至關(guān)重要。真空抽氣管道夾封裝置如圖2所示，由以下六部分組成，1-抽氣管道、2-夾封鉗，3-玻璃、4-三維調(diào)整臺、5-電動(dòng)液壓臺和6-光學(xué)平臺。其中光學(xué)平臺為整個(gè)夾封裝置的支撐;電動(dòng)液壓機(jī)為夾封工藝提供動(dòng)力，是夾封工藝的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，電動(dòng)液壓機(jī)最大輸出壓力為10KN，運(yùn)動(dòng)速度為2mm/s，速度可手動(dòng)調(diào)節(jié);三維調(diào)整臺為夾封操作精確定位，三個(gè)方向的調(diào)節(jié)行程均為100mm，調(diào)整精度為0.05mm;夾封鉗直接作用在抽氣管道上，是夾封操作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也是受力的關(guān)鍵部件。

2有限元仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)圖2所示，在抽氣管道夾封工藝過程中，與抽氣管道直接接觸的是夾封鉗的止桿和頂桿。因此夾封裝置的關(guān)鍵受力部件為夾封鉗的頂桿和止桿。本文采用ANSYS Workbench 18.0對關(guān)鍵部件的受力情況進(jìn)行仿真分析，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，仿真步驟如圖3所示。

2.1 參數(shù)設(shè)置

頂桿和止桿分別采用三種采用的工程材料，鋁合金2Al2T4、不銹鋼304和高強(qiáng)度合金鋼30CrMnTi;安全系數(shù)選用2.0，即許用硬應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度的一半，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分質(zhì)量直接影響仿真計(jì)算精度和運(yùn)算效率，綜合考慮精度和效率;采用HD網(wǎng)格劃分，Bodysize設(shè)置為1mm，劃分結(jié)構(gòu)如圖3所示，共7783單元和32349節(jié)點(diǎn)。

2.3 施加載荷

頂桿和止桿通孔處均采用固定約束Fix support，對圓柱面施加固定載荷10KN。

2.4 靜力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

靜力學(xué)分析應(yīng)用于研究時(shí)不變載荷作用下結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力。以常用材料2Al2T4為例，仿真分析止桿和頂桿的受力情況，應(yīng)力分析情況圖5所示，頂桿和止桿應(yīng)力分布均為靠近刃口側(cè)的應(yīng)力遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離刃口側(cè)的應(yīng)力。其中頂桿的最大應(yīng)力為328Mpa，與材料自身的抗拉強(qiáng)度接近;止桿的最大應(yīng)力為1320Ma，遠(yuǎn)超材料自身的抗拉強(qiáng)度，因此對頂桿和止桿的材料或者結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

表2研究的頂桿和止桿分別采用三個(gè)常見的工程材料時(shí)，相應(yīng)的應(yīng)力分布情況。采用以下三個(gè)材料，對結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響較小，而且止桿最大應(yīng)力均超過材料的許用應(yīng)力，均不滿足使用要求。

圖6研究的是刃口在不同偏心尺寸對應(yīng)力分布的影響，隨著偏心尺寸由1.75mm降低到0mm，頂桿和止桿的應(yīng)力均下降了50%。頂桿的應(yīng)力最小為150Mpa，選用鋁合金2Al2T4可滿足強(qiáng)度要求;止桿的應(yīng)力最小為665Mpa，選用高剛度合金鋼30CrMnTi可滿足強(qiáng)度要求。

為了進(jìn)一步降低關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力，對頂桿和止桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。由于結(jié)構(gòu)空間有限，只對止桿和頂桿的寬度尺寸進(jìn)行調(diào)整。表4顯示的是不同寬度尺寸對結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的影響。當(dāng)寬度增加1倍時(shí)，頂桿的應(yīng)力減小30%，止桿應(yīng)力減小10%，變化較小。

綜上所述，頂桿材料選用鋁合金2Al2T4，止桿材料選用高強(qiáng)度合金鋼30CrMnTi，刃口偏心尺寸調(diào)整為0 ，寬度尺寸不進(jìn)行調(diào)整仍為15mm。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用UL-100氦質(zhì)譜檢漏儀對上述夾封后的抽氣管道的氣密性進(jìn)行檢驗(yàn)。UL-100氦質(zhì)譜檢漏儀的可測極限漏率為1.0×10-13Pa·m3/s，采用負(fù)壓噴槍對抽氣銅管夾封處噴射0.05Mpa的氦氣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示漏率小于1.0×10-13Pa·m3/s，即該夾封裝置可實(shí)現(xiàn)抽氣管道的有效密封。

4結(jié)束語

本文針對真空領(lǐng)域抽氣管道夾封工藝，設(shè)計(jì)了一種操作簡便的夾封裝置，并通過有限元仿真分析，對關(guān)鍵部件進(jìn)行了靜應(yīng)力分析，研究了不同材料、刃口偏心尺寸對應(yīng)力的影響，完成了結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化。最后采用氦質(zhì)譜儀檢漏驗(yàn)證了該裝置的氣密封進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該裝置的可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳虎，楊衛(wèi)英，唐兵華，等.電真空器件鎳/銀鍍層的中溫失效分析[J].電鍍與涂飾，2014，33（24）：1053-1055.

[2] 趙世柯，鄧峰，王建國 .高能束焊接技術(shù)在電真空器件制造工藝中的應(yīng)用與發(fā)展[J].焊接，2010（3）：52-54.

[3] 王鳳蘭，夏昕.電真空器件中的高壓電擊穿現(xiàn)象分析[J].真空電子技術(shù)，2014（1）：59-60.

[4] 杜斌，魯燕萍.電真空器件用陶瓷材料熱導(dǎo)率研究[J].真空電子技術(shù)，2014（2）：10-13.

[5] 馮志良，趙金玉，李海濤，等.電真空器件烘烤排氣過程中殘余氣體質(zhì)譜分析[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，34（4）：325-328.