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。為了保證真空器件抽氣管道的有效密封，設計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鍵受力部件，并進行了結構優化，最后通過實驗驗證了該裝置的有效性。

關鍵詞 真空器件;結構仿真;密封可靠性

引言

真空器件廣泛應用電子、半導體、航空領域，為了提高真空器件的工作性能，大量學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生了氧化反應[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和適應性進行了比較[2];王鳳蘭等人研究了真空器件高壓擊穿現象和產生的原因，對防止真空器件高壓擊穿給出了應對措施[3];杜斌等人為提高真空器件的抗熱震性能，對關鍵材料的熱導率展開研究[4];馮志良[5]對真空器件烘烤排氣過程中殘余氣體進行檢測，分析了排氣過程的出氣規律。

本文重點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，設計了一種夾封裝置，為相關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，以實現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，金屬抽氣管道經過夾封工藝密封處理。

為了保證玻璃內部的密封性，抽氣管道夾封工藝的高效、可靠顯得至關重要。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、4-三維調整臺、5-電動液壓臺和6-光學平臺。其中光學平臺為整個夾封裝置的支撐;電動液壓機為夾封工藝提供動力，是夾封工藝的動力機構，電動液壓機最大輸出壓力為10KN，運動速度為2mm/s，速度可手動調節;三維調整臺為夾封操作精確定位，三個方向的調節行程均為100mm，調整精度為0.05mm;夾封鉗直接作用在抽氣管道上，是夾封操作的執行機構，也是受力的關鍵部件。

2有限元仿真及結構優化

根據圖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對關鍵部件的受力情況進行仿真分析，并進行結構優化，仿真步驟如圖3所示。

2.1 參數設置

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和高強度合金鋼30CrMnTi;安全系數選用2.0，即許用硬應力為抗拉強度的一半，相應的結構參數如下表所示。

2.2 網格劃分

網格劃分質量直接影響仿真計算精度和運算效率，綜合考慮精度和效率;采用HD網格劃分，Bodysize設置為1mm，劃分結構如圖3所示，共7783單元和32349節點。

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 靜力學分析和結構優化

靜力學分析應用于研究時不變載荷作用下結構的變形和應力。以常用材料2Al2T4為例，仿真分析止桿和頂桿的受力情況，應力分析情況圖5所示，頂桿和止桿應力分布均為靠近刃口側的應力遠大于遠離刃口側的應力。其中頂桿的最大應力為328Mpa，與材料自身的抗拉強度接近;止桿的最大應力為1320Ma，遠超材料自身的抗拉強度，因此對頂桿和止桿的材料或者結構進行優化。

表2研究的頂桿和止桿分別采用三個常見的工程材料時，相應的應力分布情況。采用以下三個材料，對結構應力影響較小，而且止桿最大應力均超過材料的許用應力，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，頂桿和止桿的應力均下降了50%。頂桿的應力最小為150Mpa，選用鋁合金2Al2T4可滿足強度要求;止桿的應力最小為665Mpa，選用高剛度合金鋼30CrMnTi可滿足強度要求。

為了進一步降低關鍵結構件的應力，對頂桿和止桿的結構進行優化。由于結構空間有限，只對止桿和頂桿的寬度尺寸進行調整。表4顯示的是不同寬度尺寸對結構應力分布的影響。當寬度增加1倍時，頂桿的應力減小30%，止桿應力減小10%，變化較小。

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

3實驗驗證

采用UL-100氦質譜檢漏儀對上述夾封后的抽氣管道的氣密性進行檢驗。UL-100氦質譜檢漏儀的可測極限漏率為1.0×10-13Pa·m3/s，采用負壓噴槍對抽氣銅管夾封處噴射0.05Mpa的氦氣。實驗結果顯示漏率小于1.0×10-13Pa·m3/s，即該夾封裝置可實現抽氣管道的有效密封。

4結束語

本文針對真空領域抽氣管道夾封工藝，設計了一種操作簡便的夾封裝置，并通過有限元仿真分析，對關鍵部件進行了靜應力分析，研究了不同材料、刃口偏心尺寸對應力的影響，完成了結構尺寸優化。最后采用氦質譜儀檢漏驗證了該裝置的氣密封進行了驗證，實驗結果表明了該裝置的可靠性。

參考文獻

[1] 陳虎，楊衛英，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 .高能束焊接技術在電真空器件制造工藝中的應用與發展[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象分析[J].真空電子技術，2014（1）：59-60.

[4] 杜斌，魯燕萍.電真空器件用陶瓷材料熱導率研究[J].真空電子技術，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譜分析[J].真空科學與技術學報，2014，34（4）：325-328.