車用鋁合金零部件氣密性檢測方法及泄漏率計算

呂金旗 杜一武 / 中信戴卡股份有限公司

車用鋁合金零部件氣密性檢測方法及泄漏率計算

呂金旗 杜一武 / 中信戴卡股份有限公司

介紹了機動車常用鋁合金零部件的種類以及氣密性檢測方法。著重介紹了分別適用于鋁合金輪轂和氣門室蓋的氣密性檢測方法，包括水氣密檢測法、氦質(zhì)譜檢測法和加壓檢測法。通過泄漏率的計算簡要說明了上述三種方法的檢測原理。

車輛；鋁合金；零部件；氣密性；檢測

0　引言

在現(xiàn)代機動車工業(yè)中，隨著車輛輕量化設(shè)計的推廣，鋁合金零部件因其質(zhì)量輕、強度高、機械性能好而被各大機動車主機廠廣泛采用。

車用鋁合金零部件主要有鋁合金輪轂、鋁合金氣門室蓋、鋁合金殼體及鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)等部件。

鋁合金零部件制造多采用鑄造方法，因生產(chǎn)工藝的制約，薄壁鋁合金零部件會存在鑄造件常見的缺陷，如氣孔、砂眼、縮松、縮孔、裂紋等［1］，因此，一部分鋁合金零部件需要進行氣密性檢測，如輪轂、發(fā)動機殼體、氣門室蓋等。本文主要介紹鋁合金輪轂及鋁合金氣門室蓋的檢測方法及檢測原理。

1　常用氣密性檢測及選取方法

零部件氣密性檢測的方法很多，根據(jù)檢測原理、檢測條件和適應范圍，通常按氣密性檢測時零部件內(nèi)部所處的狀態(tài)將氣密性檢測方法分為加壓檢測和真空檢測兩大類［2］。工業(yè)上，通常用泄漏率的大小表征零部件的氣密性優(yōu)劣。

1.1加壓氣密性檢測方法

將被檢零部件內(nèi)部充入比外部壓力更高的示蹤氣體，在被檢零部件外面用合適的方法判斷有無示蹤氣體泄漏，以及泄漏部位和泄漏量的多少，從而判斷被檢零部件氣密性是否良好。車用零部件里的鋁合金輪轂及氣門室蓋可以采用加壓氣密性檢測方法進行氣密性檢測。水氣密檢測和超聲波檢測均屬于加壓氣密性檢測。

1.2真空檢測方法

將被檢零部件內(nèi)部抽成真空，形成負壓，將示漏氣體充入零部件的外部，一旦被檢零部件存在漏點，示蹤氣體會在壓力作用下進入零件的內(nèi)部，利用某種方法將示蹤氣體檢測出來，從而可以判斷零件的氣密性是否合格。例如，用于鋁合金輪轂氣密性檢測的氦氣真空檢測方法就屬于此類。

1.3氣密性檢測方法的選擇

零部件氣密性檢測方法的選擇，主要與零部件的結(jié)構(gòu)、耐壓大小、安全性能以及檢測速度等指標有關(guān)。例如，鋁合金輪轂的氣密性涉及車輛行駛的安全性，所以其氣密性要求比較嚴格，通常采用真空檢測方法判斷其氣密性的優(yōu)劣。而氣門室蓋其氣密性不涉及車輛安全性，通常其氣密性要求不是很嚴格，常用加壓檢測的方法檢測其氣密性。根據(jù)不同檢測方法可以近似得出其最小可檢泄漏率范圍，如圖1所示。

圖1　常用氣密性檢測方法及檢測范圍

2　車用鋁合金輪轂的氣密檢測

各大機動車主機廠為了機動車行駛的安全性，對鋁合金零部件的安全性能檢測要求日漸完善。例如，鋁合金輪轂的氣密性直接關(guān)系到車輛的安全行駛。如果機動車在高速路上行駛，一旦由于輪轂氣密性不良造成爆胎，會引發(fā)交通事故，所以各大機動車主機廠將鋁合金輪轂氣密性檢測列為必檢項目，要求每件輪轂在出廠前都要進行氣密性檢測。目前，針對鋁合金輪轂氣密性檢測主要有水氣密檢測和氦氣密檢測兩種方法［3］。

2.1水氣密檢測

水氣密檢測即氣泡檢漏法，適用于允許承受正壓的容器、管道、密封裝置等的氣密性檢驗。其特點是簡單、方便、直觀、經(jīng)濟［4］。

被檢輪轂充入一定壓力的示蹤氣體后放入液體中，氣體通過漏孔進入周圍的液體形成氣泡，氣泡形成的地方就是漏孔存在的位置。根據(jù)氣泡形成的速率、氣泡的大小以及所用氣體和液體的物理性質(zhì)可以大致估算出漏孔的泄漏率。

2.2水氣密檢測的泄漏率

假定氣泡為球狀，若某一漏孔處氣泡形成的頻率為n，測得氣泡在液面上的直徑為Db，此時，氣泡內(nèi)壓力pb為大氣壓pa和液體表面張力σ引起的壓力4σ/Db之和，即

對應于檢測溫度T和氣泡內(nèi)壓力pb的體積泄漏率L為

式中：n —— 氣泡形成的頻率，1/s；

Vb—— 氣泡體積，m3；

Db—— 液面上氣泡的直徑，m折算到標準狀態(tài)下的體積泄漏率Ls為

式中：pb—— 氣泡內(nèi)壓力，Pa；

pa—— 大氣壓，Pa；

T —— 檢測溫度，℃；

Ts—— 標準溫度，℃；

ps—— 標準大氣壓，Pa；

σ ——液體表面張力，N/m

實際檢漏時，通常用空氣作為示漏氣體，用水作為顯示液體。此時，該檢測方法的可檢測泄漏率通常在10-5～10-2Pa·m3/s范圍之間。

2.3氦質(zhì)譜檢測法

采用氦質(zhì)譜儀檢測，其核心部件是質(zhì)譜室。使不同質(zhì)量的混合氣體變成離子并在電場中運動，不同比荷的離子在電場作用下的運動軌跡不同，而相同比荷的離子會在電場作用下匯聚在一起，形成離子流。

如果在電場不變的情況下，以氦氣作為示蹤氣體，在適當位置可以設(shè)置接收器收集這些離子流，使不同質(zhì)量的氣體在氦質(zhì)譜儀的質(zhì)譜室內(nèi)按比荷分離，得到氦氣氣體的質(zhì)譜圖，從而安全、定量、快速地獲得泄漏率。該檢測方法的特點是靈敏度高，性能穩(wěn)定。特別是用氦作示蹤氣體的氦質(zhì)譜檢漏儀是真空檢漏中靈敏度最高、用得最普遍的一種檢漏儀器。

2.4氦氣密檢測的泄漏率

對于氦質(zhì)譜儀來說，其輸出示值的變化就是漏孔的泄漏率，通常與質(zhì)譜儀的靈敏度有關(guān)，因此，氦質(zhì)譜儀的最小可檢泄漏率與質(zhì)譜儀靈敏度及最小可檢信號有關(guān)，其關(guān)系為

由式（4）可知，氦質(zhì)譜儀自身的靈敏度對氣密檢測的結(jié)果有直接關(guān)系。當儀器處于最佳工作條件下，充以0.1 MPa的純氦作示蹤氣體，其檢測靈敏度約為10-10Pa·m3/s。

3　鋁合金氣門室蓋的氣密性檢測

發(fā)動機進、排氣門與氣門室蓋閥座配合緊密，進、排氣門與缸蓋閥座錐面的配合質(zhì)量直接影響發(fā)動機的輸出功率、油耗等重要性能，因此需要對氣門室蓋的氣密性進行檢測。通常采用加壓檢測方法。

3.1加壓檢測方法

加壓法檢測原理比較簡單，將氣門室蓋內(nèi)充入一定壓力的壓縮空氣（一般情況下其壓力大于大氣壓力），然后關(guān)閉充氣閥門，使氣門室蓋內(nèi)腔與氣源完全隔離。通過高準確度壓力傳感器獲取氣門室蓋內(nèi)部的壓力變化。當壓力發(fā)生微小變化時，傳感器會實時檢測，經(jīng)過計算得出氣門室蓋的氣密性是否良好［5］。

3.2加壓氣密性檢測方法的泄漏率

假設(shè)氣門室蓋內(nèi)腔容積是V，在t時間內(nèi)氣門室蓋內(nèi)腔內(nèi)的壓力變化Δp，則氣門室蓋內(nèi)的總泄漏率Q為

式中：Q —— 總泄漏率；

Δp —— 壓差；

Δ —— 系統(tǒng)誤差；

V —— 容積；

t —— 測試時間

由式（5）可以得出，這種氣密性檢測方法的檢測靈敏度與氣門室蓋內(nèi)腔容積V、測試時間t以及壓力傳感器的最小可檢壓力有關(guān)。

為了減小氣門室蓋內(nèi)腔容積V對泄漏率的影響，實際檢測時通常采用增加專用夾具的方法，使其內(nèi)腔容積盡可能變小，氣門室蓋夾具如圖2所示。當氣門室蓋放置于檢測夾具上后，氣門室蓋內(nèi)腔容積變小，由于溫度變化引入的測量誤差基本可以忽略不計。

圖2　氣門室蓋夾具

為了滿足生產(chǎn)需要，測試會在幾秒內(nèi)完成，因此，因溫度變化引入的測量誤差也可以忽略不計。

通過計算分析，采用加壓氣密性檢測方法，對其測量結(jié)果影響最大的就是壓力變化量Δp的檢測。實際生產(chǎn)中，采用德國Innomatec公司的LTC-602型精密氣密測量設(shè)備對壓差Δp進行檢測。通常情況下，LTC-602型氣密測量設(shè)備可測最小壓強為0.1 Pa，其檢測靈敏度在允許范圍內(nèi)。

4　結(jié)語

隨著鋁合金零部件被機動車主機廠廣泛使用，針對鋁合金零部件性能的檢測方法也正逐步形成。文中主要介紹了車用鋁合金零部件氣密性檢測方法，針對鋁合金輪轂和氣門室蓋介紹了具體檢測方法，同時通過泄漏率計算的方法介紹了相應的檢測原理。

［1］ 董選普. 鑄造工藝學［M］.北京： 化學工業(yè)出版社，2009.

［2］ 肖祥正. 泄漏檢測方法與應用［M］ .北京： 機械工業(yè)出版社，2010.

［3］ 王柱興，呂金旗.氦氣密試驗機在鋁合金輪轂氣密性檢測中的應用［J］.工程與試驗，2011（03）：41-42.

［4］ 彭光正，紀春華，葛楠.氣密性檢測技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.機床與液壓，2008（11）：172-174.

［5］ 王勇，馬凱.氣密性檢查在發(fā)動機生產(chǎn)過程中的應用［J］.汽車工藝與材料，2009（07）：4-10.

Air tightness detecting methods and leakage rate calculation of vehicle aluminum alloy parts

Lü Jinqi，Du Yiwu
（CITIC Dicastal CO.，LTD）

This paper introduces the common-used types of aluminum alloy parts in vehicle and their air tightness detecting methods， and highlights the air tightnessdetecting methods which are suitable for the aluminum alloy wheel and valve cover respectively， including air tightness detecting methods with water， helium mass spectrometer and pressure. Through the leakage rate calculation it briefly describes the detecting principles of these three methods.

vehicle； aluminum alloy； parts； air tightness； detection