基于AMS2750標準中高溫真空爐溫均勻性測試的研究

王宏杰

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024)

基于AMS2750標準中高溫真空爐溫均勻性測試的研究

王宏杰

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024)

介紹了AMS2750標準中對高溫真空爐爐溫均勻性測試要求，以及高溫真空爐概述及其TUS測試過程與方法，提出了高溫真空爐爐溫均勻性測試中遇到的主要問題和解決方法。

AMS2750；高溫真空爐；TUS測試

1 AMS2750標準中關于爐溫均勻性

AMS2750是Nadcap關于熱處理認證的重要依據(jù)，現(xiàn)執(zhí)行是E版，即2750E;是國際汽車工程師協(xié)會（socicty of automotive engineers，SAE）發(fā)布的關于在熱處理過程中高溫測量的標準，主要對熱電偶、儀表校準、熱處理爐等級及儀表類型、系統(tǒng)精度測試（System accuracy tests，SAT）、溫度均勻性測試（Temperature uniformity survcys，TUS）等5個方面作出詳細的規(guī)定，在國家航空航天產(chǎn)品熱處理中起重要作用。

爐溫均勻性測試在AMS2750中是一項重要的指標，該指標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)的溫度相對于設定溫度的變化（通常以±度表示）；爐溫均勻性測試（TUS）概念為：在熱處理爐達到熱平衡前后，使用校準過的儀器裝置和熱傳感器對工作區(qū)溫度變化進行一系列測試。

在AMS2750標準中對不同等級爐子爐溫均勻性、以及其所使用儀表等級和爐溫均勻性測試周期均進行了嚴格規(guī)定，如表1所示；對不同等級爐子所使用儀表最大允許補償值也進行了嚴格規(guī)定，如表2所示。

表1 爐子等級、儀表類型、TUS間隔

表2 爐子等級、儀表類型、儀表最大補償值

TUS傳感器的分布按照體積法進行測試，體積法要求TUS傳感器三維放置以體現(xiàn)爐子整個有效工作區(qū)的溫度。根據(jù)TUS傳感器固定裝置的體積，TUS傳感器數(shù)量應滿足表3所示的要求；TUS傳感器的分布應符合規(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個角，1支放置在中間；爐子有效工作區(qū)體積大于6.4 m3時，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。

在每個測試溫度點，爐子或TUS傳感器首次達到溫度容差下限之前就開始采集數(shù)據(jù)，這樣無論爐子還是TUS傳感器哪個超出溫度均勻性容差上限都能清楚地探測到。當進行數(shù)據(jù)采集時，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溫度均勻性公差上限；爐子應保持在測試溫度直到所有傳感器達到穩(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 按照體積法測試時要求的TUS傳感器數(shù)量

2 高溫真空爐及TUS測試過程和方法

2.1 高溫真空爐

高溫真空爐主要用于航空發(fā)動機各種鈦及鈦合金、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、回火及真空消除應力等處理。與TUS測試有關的主要技術指標：

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、三點控溫（S型熱電偶）

控溫精度：0.1級

均勻性測試：±5（AMS2750E標準500℃、650℃、800℃、950℃、1100℃、1250℃）

2.2 系統(tǒng)構成

（1）真空獲得裝置：配置有三級真空泵（機械泵、羅茨泵、擴散泵）、擋板閥以及高真空閥用于設備真空獲取；

（2）溫控儀表：采用0.1級歐陸2704單曲線三回路儀表作為溫度控制儀，通過內(nèi)置PID調(diào)節(jié)儀表三回路輸出來控制爐內(nèi)溫度；采用WEST P4100作為報警儀表，檢測三區(qū)溫度是否超溫；

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

（4）真空計：采用睿寶ZDF-55227AX真空計，用于連續(xù)實時顯示爐內(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測試過程和方法

根據(jù)高溫真空爐技術要求，參照表1～3所示，TUS按照二級爐進行測試，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溫架上。

圖1 TUS傳感器分布圖

將9支N型TUS測溫傳感器通過法蘭盤和N型補償導線轉(zhuǎn)接至溫度巡檢儀上，并按照TUS工藝升溫曲線在溫控表2704中設置完成，并在報警儀表上設置報警溫度為1 255℃；按照操作流程依次打開三級泵及相應閥門對爐膛抽真空，當爐內(nèi)真空度數(shù)值達到允許升溫時，打開加熱，開始升溫。當溫控表中的PV值或9支TUS傳感器中有一支達到第一個TUS點容差下限時，巡檢儀開始記錄；當9支TUS傳感器中全部達到第一個TUS點容差范圍內(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TUS合格；如果有一點超出允許的溫度范圍，則該點TUS不合格，需將爐膛降溫，調(diào)整溫控系統(tǒng)從第一個點開始全部重新測試；其余TUS點的測試與第一點測試方法一致，可參照執(zhí)行。

3 爐溫均勻性測試中遇到的主要問題、原因分析及解決方法

影響爐溫均勻性測試的因素很多，除真空爐爐膽熱區(qū)設計因素外，在測試過程中主要遇到以下問題：

（1）在低溫段測試時，TUS傳感器整體超過允許的容差上限。在測試低溫度段500℃、650℃時，溫控儀表上的SV值和PV值，都達到500℃、650℃，爐內(nèi)TUS傳感器能夠達到510℃、660℃，超出2750標準中±5℃允許范圍即超過505℃、655℃，保溫一段時間后，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)生這種問題的可能原因有：

1）控溫傳感器和測試TUS傳感器對熱響應時間不一致；控溫傳感器結構采用裝配式S型熱電偶，TUS測試用傳感器采用鎧裝式N型熱電偶，二者結構、偶型不同，結果對熱場反應時間不一致。在升溫過程中，實際爐內(nèi)溫度已經(jīng)達到溫控儀表中的設定值，采集到儀表內(nèi)溫度信號顯示沒有達到，導致溫控儀表持續(xù)輸出，當溫控儀表顯示達到設定值時，實際爐內(nèi)溫度已將超過允許容差范圍。

解決方法：更改溫控偶結構與使用環(huán)境。溫控偶的使用應該在大氣下使用，不建議在真空下使用，在高真空下長期使用會使偶絲揮發(fā)，減少使用壽命，關鍵熱傳導慢、熱響應遲鈍，導致爐內(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偶的結構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時間接近，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)分配與設置不合理；低溫段TUS測試點的PID參數(shù)與高溫段PID參數(shù)一致，容易導致TUS測試在低溫段超溫；在升溫過程中，高溫段儀表中的實際值跟隨設定值比較緊，二者一般僅差0.5～1℃，經(jīng)過低溫工藝過程后高溫段爐膛內(nèi)蓄熱均勻不易導致溫度過沖，而低溫段由于爐溫均勻區(qū)大、加熱時間短導致短時間內(nèi)爐膛蓄熱不夠，儀表中實際值跟隨設定值太緊極易導致溫度過沖。

解決方法：通過設置儀表內(nèi)三區(qū)各自的PID參數(shù)組分段點，合理分配各TUS測試點區(qū)域PID參數(shù)，單獨將低溫段的TUS點分配一組參數(shù)；通過自動或手動設置儀表內(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際值跟隨設定值差值達到4～5℃，爐內(nèi)的TUS各測試點也不會超過設定值，這樣當設定值達到500℃、650℃時，儀表實際值達到495℃、645℃，這時儀表會自動調(diào)節(jié)減小輸出，使得儀表實際值逐漸接近設定值，同時爐內(nèi)TUS各測試點也趨于穩(wěn)定保持在溫度允許的容差范圍內(nèi)，達到符合2750標準TUS測試的結果。

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

解決辦法：在訂購TUS測試用傳感器時，要求廠家保障所使用的鎧材必須為同一批次，且傳感器所用補償導線為同一盤導線，盡可能減少偏差不一致給TUS測試帶來的影響。

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

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

4 結束語

綜上所述，裝配式控溫熱電偶的結構選型與使用環(huán)境、爐溫均勻性測量熱電偶的合理選型、合理的控溫PID參數(shù)、測溫架的擺放位置和鎧裝熱電偶測量端的捆綁方式是影響高溫真空爐滿足符合2750標準TUS測量的關鍵因素。

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(3)：9-18.

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，工程師，現(xiàn)從事真空設備研發(fā)工作。

2015-05-11