王宏杰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024)

基于AMS2750標(biāo)準(zhǔn)中高溫真空爐溫均勻性測(cè)試的研究

王宏杰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024)

介紹了AMS2750標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)高溫真空爐爐溫均勻性測(cè)試要求，以及高溫真空爐概述及其TUS測(cè)試過(guò)程與方法，提出了高溫真空爐爐溫均勻性測(cè)試中遇到的主要問(wèn)題和解決方法。

AMS2750；高溫真空爐；TUS測(cè)試

1 AMS2750標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于爐溫均勻性

AMS2750是Nadcap關(guān)于熱處理認(rèn)證的重要依據(jù)，現(xiàn)執(zhí)行是E版，即2750E;是國(guó)際汽車工程師協(xié)會(huì)（socicty of automotive engineers，SAE）發(fā)布的關(guān)于在熱處理過(guò)程中高溫測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)，主要對(duì)熱電偶、儀表校準(zhǔn)、熱處理爐等級(jí)及儀表類型、系統(tǒng)精度測(cè)試（System accuracy tests，SAT）、溫度均勻性測(cè)試（Temperature uniformity survcys，TUS）等5個(gè)方面作出詳細(xì)的規(guī)定，在國(guó)家航空航天產(chǎn)品熱處理中起重要作用。

爐溫均勻性測(cè)試在AMS2750中是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，該指標(biāo)合格與否直接影響熱處理真空爐使用性能。爐溫均勻性基本概念為：在熱處理爐合格工作區(qū)內(nèi)的溫度相對(duì)于設(shè)定溫度的變化（通常以±度表示）；爐溫均勻性測(cè)試（TUS）概念為：在熱處理爐達(dá)到熱平衡前后，使用校準(zhǔn)過(guò)的儀器裝置和熱傳感器對(duì)工作區(qū)溫度變化進(jìn)行一系列測(cè)試。

在AMS2750標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)不同等級(jí)爐子爐溫均勻性、以及其所使用儀表等級(jí)和爐溫均勻性測(cè)試周期均進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定，如表1所示；對(duì)不同等級(jí)爐子所使用儀表最大允許補(bǔ)償值也進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定，如表2所示。

表1 爐子等級(jí)、儀表類型、TUS間隔

表2 爐子等級(jí)、儀表類型、儀表最大補(bǔ)償值

TUS傳感器的分布按照體積法進(jìn)行測(cè)試，體積法要求TUS傳感器三維放置以體現(xiàn)爐子整個(gè)有效工作區(qū)的溫度。根據(jù)TUS傳感器固定裝置的體積，TUS傳感器數(shù)量應(yīng)滿足表3所示的要求；TUS傳感器的分布應(yīng)符合規(guī)則：爐子有效工作區(qū)體積小于0.085 m3，把4支TUS傳感器放在四角和一支放在中間；爐子有效工作區(qū)體積大于0.085 m3，則8 支TUS傳感器放置8個(gè)角，1支放置在中間；爐子有效工作區(qū)體積大于6.4 m3時(shí)，按照表3要求增加TUS傳感器并均勻放置在最能體現(xiàn)爐子有效工作區(qū)的位置。

在每個(gè)測(cè)試溫度點(diǎn)，爐子或TUS傳感器首次達(dá)到溫度容差下限之前就開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，這樣無(wú)論爐子還是TUS傳感器哪個(gè)超出溫度均勻性容差上限都能清楚地探測(cè)到。當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，每隔2 min至少記錄一套所有TUS傳感器的溫度數(shù)據(jù)，控制或記錄傳感器均不能超過(guò)溫度均勻性公差上限；爐子應(yīng)保持在測(cè)試溫度直到所有傳感器達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定后在30 min內(nèi)連續(xù)采集數(shù)據(jù)，所有的測(cè)試熱電偶都在允許的溫度范圍內(nèi)，并保持穩(wěn)定，不能有漂移超出最高限或低于最低限。

表3 按照體積法測(cè)試時(shí)要求的TUS傳感器數(shù)量

2 高溫真空爐及TUS測(cè)試過(guò)程和方法

2.1 高溫真空爐

高溫真空爐主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)各種鈦及鈦合金、不銹鋼、高溫合金零件的真空焊接及焊后熱處理，包括真空退火、氣淬、回火及真空消除應(yīng)力等處理。與TUS測(cè)試有關(guān)的主要技術(shù)指標(biāo)：

爐溫均勻性尺寸：1000 mm（L）×1000 mm （W）×1000 mm（H）

控溫方式：三區(qū)加熱、三點(diǎn)控溫（S型熱電偶）

控溫精度：0.1級(jí)

均勻性測(cè)試：±5（AMS2750E標(biāo)準(zhǔn)500℃、650℃、800℃、950℃、1100℃、1250℃）

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

（1）真空獲得裝置：配置有三級(jí)真空泵（機(jī)械泵、羅茨泵、擴(kuò)散泵）、擋板閥以及高真空閥用于設(shè)備真空獲??；

（2）溫控儀表：采用0.1級(jí)歐陸2704單曲線三回路儀表作為溫度控制儀，通過(guò)內(nèi)置PID調(diào)節(jié)儀表三回路輸出來(lái)控制爐內(nèi)溫度；采用WEST P4100作為報(bào)警儀表，檢測(cè)三區(qū)溫度是否超溫；

（3）調(diào)壓器：采用四通三個(gè)單相可控硅調(diào)壓器，通過(guò)接收溫控儀表發(fā)出4～20 mA控制信號(hào)，輸出功率至爐子加熱元件，來(lái)調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度；

（4）真空計(jì)：采用睿寶ZDF-55227AX真空計(jì)，用于連續(xù)實(shí)時(shí)顯示爐內(nèi)真空度；

（5）溫控巡檢儀：采用浙大中控AR4512記錄儀，用于連續(xù)記錄爐內(nèi)TUS傳感器溫度值。

2.3 TUS測(cè)試過(guò)程和方法

根據(jù)高溫真空爐技術(shù)要求，參照表1～3所示，TUS按照二級(jí)爐進(jìn)行測(cè)試，選擇C類儀表，TUS傳感器數(shù)量選擇9支；將9支TUS傳感器按圖1所示序列用鎳鉻絲捆綁均勻性測(cè)溫架上。

圖1 TUS傳感器分布圖

將9支N型TUS測(cè)溫傳感器通過(guò)法蘭盤和N型補(bǔ)償導(dǎo)線轉(zhuǎn)接至溫度巡檢儀上，并按照TUS工藝升溫曲線在溫控表2704中設(shè)置完成，并在報(bào)警儀表上設(shè)置報(bào)警溫度為1 255℃；按照操作流程依次打開(kāi)三級(jí)泵及相應(yīng)閥門對(duì)爐膛抽真空，當(dāng)爐內(nèi)真空度數(shù)值達(dá)到允許升溫時(shí)，打開(kāi)加熱，開(kāi)始升溫。當(dāng)溫控表中的PV值或9支TUS傳感器中有一支達(dá)到第一個(gè)TUS點(diǎn)容差下限時(shí)，巡檢儀開(kāi)始記錄；當(dāng)9支TUS傳感器中全部達(dá)到第一個(gè)TUS點(diǎn)容差范圍內(nèi)并穩(wěn)定后，每隔2 min記錄一次，連續(xù)采集記錄30 min數(shù)據(jù)，所有TUS傳感器都在允許的溫度范圍內(nèi)，并保持穩(wěn)定，則該點(diǎn)TUS合格；如果有一點(diǎn)超出允許的溫度范圍，則該點(diǎn)TUS不合格，需將爐膛降溫，調(diào)整溫控系統(tǒng)從第一個(gè)點(diǎn)開(kāi)始全部重新測(cè)試；其余TUS點(diǎn)的測(cè)試與第一點(diǎn)測(cè)試方法一致，可參照?qǐng)?zhí)行。

3 爐溫均勻性測(cè)試中遇到的主要問(wèn)題、原因分析及解決方法

影響爐溫均勻性測(cè)試的因素很多，除真空爐爐膽熱區(qū)設(shè)計(jì)因素外，在測(cè)試過(guò)程中主要遇到以下問(wèn)題：

（1）在低溫段測(cè)試時(shí)，TUS傳感器整體超過(guò)允許的容差上限。在測(cè)試低溫度段500℃、650℃時(shí)，溫控儀表上的SV值和PV值，都達(dá)到500℃、650℃，爐內(nèi)TUS傳感器能夠達(dá)到510℃、660℃，超出2750標(biāo)準(zhǔn)中±5℃允許范圍即超過(guò)505℃、655℃，保溫一段時(shí)間后，TUS傳感器溫度值逐漸返回到系統(tǒng)允許的±5℃容差范圍內(nèi)，產(chǎn)生這種問(wèn)題的可能原因有：

1）控溫傳感器和測(cè)試TUS傳感器對(duì)熱響應(yīng)時(shí)間不一致；控溫傳感器結(jié)構(gòu)采用裝配式S型熱電偶，TUS測(cè)試用傳感器采用鎧裝式N型熱電偶，二者結(jié)構(gòu)、偶型不同，結(jié)果對(duì)熱場(chǎng)反應(yīng)時(shí)間不一致。在升溫過(guò)程中，實(shí)際爐內(nèi)溫度已經(jīng)達(dá)到溫控儀表中的設(shè)定值，采集到儀表內(nèi)溫度信號(hào)顯示沒(méi)有達(dá)到，導(dǎo)致溫控儀表持續(xù)輸出，當(dāng)溫控儀表顯示達(dá)到設(shè)定值時(shí)，實(shí)際爐內(nèi)溫度已將超過(guò)允許容差范圍。

解決方法：更改溫控偶結(jié)構(gòu)與使用環(huán)境。溫控偶的使用應(yīng)該在大氣下使用，不建議在真空下使用，在高真空下長(zhǎng)期使用會(huì)使偶絲揮發(fā)，減少使用壽命，關(guān)鍵熱傳導(dǎo)慢、熱響應(yīng)遲鈍，導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)TUS傳感器超溫，因此要在大氣環(huán)境下使用；裝配式溫控S偶的結(jié)構(gòu)上半截采用金屬高合材質(zhì)并放在加熱爐膽外部，下半截采用陶瓷管材質(zhì)放置在爐膛內(nèi)部，中間用膠密封，其直徑盡可能與鎧裝TUS傳感器接近，這樣可防止偶絲受到污染又盡可能與鎧裝偶響應(yīng)時(shí)間接近，減少爐內(nèi)TUS傳感器超溫的可能。

2）溫控儀表內(nèi)部PID參數(shù)分配與設(shè)置不合理；低溫段TUS測(cè)試點(diǎn)的PID參數(shù)與高溫段PID參數(shù)一致，容易導(dǎo)致TUS測(cè)試在低溫段超溫；在升溫過(guò)程中，高溫段儀表中的實(shí)際值跟隨設(shè)定值比較緊，二者一般僅差0.5～1℃，經(jīng)過(guò)低溫工藝過(guò)程后高溫段爐膛內(nèi)蓄熱均勻不易導(dǎo)致溫度過(guò)沖，而低溫段由于爐溫均勻區(qū)大、加熱時(shí)間短導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)爐膛蓄熱不夠，儀表中實(shí)際值跟隨設(shè)定值太緊極易導(dǎo)致溫度過(guò)沖。

解決方法：通過(guò)設(shè)置儀表內(nèi)三區(qū)各自的PID參數(shù)組分段點(diǎn)，合理分配各TUS測(cè)試點(diǎn)區(qū)域PID參數(shù)，單獨(dú)將低溫段的TUS點(diǎn)分配一組參數(shù)；通過(guò)自動(dòng)或手動(dòng)設(shè)置儀表內(nèi)部的P值、I值、D值和輸出上限等各參數(shù)值，調(diào)節(jié)出每一區(qū)合理的參數(shù)，使得在低溫段溫控表中實(shí)際值跟隨設(shè)定值差值達(dá)到4～5℃，爐內(nèi)的TUS各測(cè)試點(diǎn)也不會(huì)超過(guò)設(shè)定值，這樣當(dāng)設(shè)定值達(dá)到500℃、650℃時(shí)，儀表實(shí)際值達(dá)到495℃、645℃，這時(shí)儀表會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)減小輸出，使得儀表實(shí)際值逐漸接近設(shè)定值，同時(shí)爐內(nèi)TUS各測(cè)試點(diǎn)也趨于穩(wěn)定保持在溫度允許的容差范圍內(nèi)，達(dá)到符合2750標(biāo)準(zhǔn)TUS測(cè)試的結(jié)果。

（2）在低溫段測(cè)試時(shí)，9支TUS傳感器超過(guò)允許的容差上下限，在500℃測(cè)試點(diǎn)時(shí)，TUS傳感器中低于495℃和高于505℃均存在，原因可能為：1）TUS測(cè)試用傳感器所使用的鎧材不是同一批次，使經(jīng)有資質(zhì)的第三方機(jī)構(gòu)鑒定后所出檢測(cè)報(bào)告中每支測(cè)溫偶的偏差方向不一致，其有正的偏差也有負(fù)的偏差。

解決辦法：在訂購(gòu)TUS測(cè)試用傳感器時(shí)，要求廠家保障所使用的鎧材必須為同一批次，且傳感器所用補(bǔ)償導(dǎo)線為同一盤導(dǎo)線，盡可能減少偏差不一致給TUS測(cè)試帶來(lái)的影響。

2）恒溫區(qū)測(cè)試架位置擺放和TUS測(cè)試用傳感器在測(cè)試架上的捆綁方式不同對(duì)TUS測(cè)試產(chǎn)生的影響。

解決辦法：測(cè)試架前截面與后截面擺放位置應(yīng)在加熱帶間隙之間，不允許正對(duì)加熱帶，正對(duì)加熱帶使得鎧裝熱電偶對(duì)熱響應(yīng)快，升溫過(guò)程易過(guò)沖；傳感器在測(cè)溫架上的捆綁方式需統(tǒng)一，即：遠(yuǎn)離測(cè)溫架一定的距離，如果緊貼測(cè)溫架捆綁會(huì)使得在升溫過(guò)程溫度偏低，但在保溫段會(huì)使得溫度過(guò)高，超過(guò)系統(tǒng)允許的容差范圍。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，裝配式控溫?zé)犭娕嫉慕Y(jié)構(gòu)選型與使用環(huán)境、爐溫均勻性測(cè)量熱電偶的合理選型、合理的控溫PID參數(shù)、測(cè)溫架的擺放位置和鎧裝熱電偶測(cè)量端的捆綁方式是影響高溫真空爐滿足符合2750標(biāo)準(zhǔn)TUS測(cè)量的關(guān)鍵因素。

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Study on High Temperature Vacuum Furnace Temperature Uniformity test in AMS2750 standard based on

WANG Hongjie

(The second Research Institute of CETC，Taiyuan 030024，China)

the AMS2750 standard is introduced in this paper for the temperature of high temperature vacuum furnace uniformity testing requirements，and the introduction of high temperature vacuum furnace and TUS testing process and method，puts forward the main problems of high temperature vacuum furnace furnace temperature uniformity test and solutions.

AMS2750；high temperature vacuum furnace；TUS test

TF748.5

B

1004-4507(2015)05-0037-05

王宏杰（1981-）男，2005年畢業(yè)于中北大學(xué)，工程師，現(xiàn)從事真空設(shè)備研發(fā)工作。

2015-05-11