關于新版HB5425《航空制件熱處理爐有效加熱區(qū)測定方法》標準使用建議

西安航空動力股份有限公司(710021）王 軍 柴俊彬

熱處理是通過將零件加熱到一定溫度，保溫一段時間，然后以一定方式冷卻的工藝，熱處理的核心是對熱處理爐的溫度精確控制和測量，才能保證熱處理的質量，達到熱處理的目的，滿足零件的使用要求。航空發(fā)動機零件服役條件苛刻，對熱處理爐的溫度測量和控制更加嚴格，而HB5425—2012《航空制件熱處理爐有效加熱區(qū)測定方法》（以下簡稱為測定方法）對規(guī)范熱處理爐有效區(qū)的檢測尤為重要。

2012版與1989版的測定方法有許多的改變，其中引入了最新版AMS2750E《高溫測量》中的一些方法和規(guī)定，這是一個很大的進步。AMS2750E《高溫測量》是國際通用的用于熱處理爐溫度測量的技術標準，其比較全面地給出了技術要求和測量方法，是一個先進的、系統的技術標準。將先進的國際技術標準應用于我國的航空制造業(yè)，這無疑是好事，是有意義的事。根據筆者多年參與熱處理NADCAP審核的體會和現場工作經驗，對新版HB5425在使用過程中提出一些建議和看法，供大家參考。

一、測定條件與測定溫度

熱處理爐是保證熱處理工藝正確實施的關鍵，其有效加熱區(qū)的溫度分布狀態(tài)以及變化情況直接關系到熱處理的質量。進行溫度均勻性檢測，是證明其有效加熱區(qū)溫度特性是否滿足工藝要求的最直接和最有效的方法。由于我國航空制造業(yè)的技術水平參差不齊，設備狀態(tài)差異較大，采用各種技術標準時，可能存在一定的風險。各單位應根據熱處理爐的使用、性能，進行必要的技術評估，制定本單位的標準，對測定條件及測定溫度作適當的調整。

1.測定條件的確定

測定方法規(guī)定了有效加熱區(qū)的初始測定條件，延長周期測定的許可。為了考核新購置或大修后爐子的加熱、保溫及控制等系統的穩(wěn)定性，初始測定給出了較短的測定周期。經過一段時間使用后，爐子的各項指標仍滿足要求，可延長檢測周期。

測定方法5.1.2規(guī)定了初始測定的條件，因為維修可能導致爐子的加熱、保溫和控制系統發(fā)生變化，需要重新考核各個系統的穩(wěn)定性，進行初始測定是必要的。不過，測定方法5.1.3規(guī)定，“熱處理爐在使用過程中，如果發(fā)生較小的維修、部分元件或構件的替換或局部更新以及將爐子恢復其原始狀態(tài)的預防性維修，并預計不會對已測定的有效加熱區(qū)產生改變或對有效加熱區(qū)溫度均勻性產生不良影響時，均不需重新進行有效加熱區(qū)測定，當出現以下情況時可不重新進行有效加熱區(qū)測定”。測定方法列出了部分或全部更換與原來一樣的加熱元件、保溫材料等10種情況。這些維修不需要進行各系統的穩(wěn)定性考核，但應評估維修對溫度均勻性的影響。如果一概不進行有效加熱區(qū)測定，意味著溫度均勻性不符合要求的爐子可能用于熱處理生產。

實踐證明，設備在有效期內進行多次、多部位、不規(guī)范更換部分的加熱元件，盡管更換了與之前型號的加熱元件，幾個月后的溫度均勻性檢測結果仍會出現較大的超差。其他的維修也一樣，因為使用過的材料和未使用過的材料還是存在較大的不同，即使更換相同類型的控制傳感器，也會因為熱傳導特性和系統的變化，導致溫度均勻性發(fā)生變化。可能導致不合格品（抽檢到的零件是合格的）流入下一道工序、組裝成產品甚至交付用戶，質量追溯將是復雜的過程。為了避免此問題，建議在進行了測定方法中5.1.3列出的維修后，進行必要的技術評估，根據評估結果確定是否進行有效加熱區(qū)測定。如果沒有評估或評估結果不可靠時，最好進行有效加熱區(qū)測定，以測定結果驗證維修是否影響溫度均勻性，如果符合要求，可按延長后的周期進行后續(xù)的測定，不必采用初始測定的周期。

2.測定溫度的選擇

測定方法在5.3.2.2中規(guī)定：“當合格溫度范圍大于300℃時，則應當在該溫度范圍高于最低溫度150℃和低于最高溫度150℃的范圍內各增加一個測試溫度點，并符合5.3.1.3規(guī)定”。測定方法在5.3.2.3中規(guī)定：“在周期測定中，每個日歷年度內對每個合格工作溫度范圍的最低和最高溫度應至少測試一次。”這兩條規(guī)定表明在周期測定時，可以不進行測試合格溫度范圍的最低溫度和最高溫度，而可以在最低及最高溫度150℃范圍選擇測試點。盡管測定方法將AMS2750E《高溫測量》中的170℃縮減至150℃，依然存在較大風險。

工廠內使用的大部分國產熱處理爐與進口爐相比，加熱元件的熱穩(wěn)定性差，爐體制造和裝配工藝落后，生產工人技術水平低，爐子的熱穩(wěn)定性較差，建議各單位對使用的爐子進行分類，性能穩(wěn)定的爐子，可按規(guī)定減少對最高和最低溫度的檢測次數，而針對那些性能不穩(wěn)定的爐子，應在每次檢測時，對最高和最低溫度進行檢測，以降低熱處理爐性能不穩(wěn)定帶來的風險。

二、測試系統的選擇與使用

為了正確有效地完成爐溫均勻性檢測，必須選擇適合的測試系統，測試系統由溫度傳感器、連接導線和測試儀表組成。

1.測試傳感器

測試傳感器一般指熱電偶或熱電阻，選用時應考慮傳感器的測量范圍、準確度等級、適用環(huán)境以及安裝方式等。因為熱處理爐包括真空爐、氣氛爐和鹽浴爐等不同加熱介質，因此，應對傳感器適應環(huán)境的能力進行評估，必要時可采用保護管對環(huán)境因素進行隔離，減少有害成分對傳感器計量特性的影響。

建議采用一次性熱電偶（有時稱為消耗性熱電偶）作為測試傳感器，根據熱電極材料一致性原理，只需要對樣品熱電偶進行校準，其余熱電偶可隨時制作后使用，具有一定的測量誤差重復性，僅限單次或極少次使用，確保熱電偶性能可靠。

選擇測試傳感器，不僅要考慮測量準確度，還要考慮計量特性的穩(wěn)定性，而且穩(wěn)定性是一個更重要的指標。當傳感器存在系統誤差時，可以通過修正予以減少或消除；當傳感器存在不穩(wěn)定特性時，既不能予以修正，也無法通過其他方式減少這種影響。考核傳感器穩(wěn)定性的方法就是在一定的時間間隔內進行校準，校準結果變化的大小表明穩(wěn)定性的優(yōu)劣。

由于制造商提供有關熱電偶性能的數據有限，簡單根據某個技術標準確定熱電偶的校準間隔，可能存在風險。確定熱電偶的校準間隔時，不僅要考慮其熱電極材料、尺寸以及絕緣材料和保護管材料，還應考慮其使用的溫度、氣氛、次數等，較短的校準間隔可減少傳感器不合格的風險。也可參考AMS2750E中給出的校準間隔和使用次數的限制。校準溫度可以是熱電偶的使用溫度，也可以不超過一定溫度間隔（一般不超過150℃）的溫度點，校準范圍不能小于熱電偶的使用范圍。

2.連接導線

當檢測傳感器為熱電阻時，與儀表連接時應采用三線制或四線制方式，可有效消除引線誤差。當檢測傳感器為熱電偶時，連接導線應是相同分度號的補償導線。在熱電偶測溫電路中，如果引用了中間導體，則應保證中間導體各處溫度一致，如果存在中間溫度，則應保證中間溫度得以適當的補償。

3.檢測儀表

用于溫度均勻性檢測的儀表一般為多通道儀表或帶自動掃描開關的儀表，以分別讀取多個檢測傳感器的顯示值。儀表應適應工作現場的環(huán)境條件，溫度、濕度、電磁場、供電等條件符合儀表使用說明書的要求。檢測儀表應該具有自動打印或存儲檢測數據的功能，并保證檢測數據的原始性，任何情況下都不應更改初始的檢測數據。

4.檢測傳感器布置的數量與位置

檢測傳感器布置的數量和位置應根據爐子結構、加熱元件布局、熱交換方式等確定，不能因為技術標準有規(guī)定，忽視爐子實際情況。測定方法中給出的是最低數量，應根據爐子特點，適當增加，但不允許減少。測定方法中給出的位置也是建議的位置，為一般形狀的爐子應該布放檢測傳感器的位置。實際操作時，應觀察爐子的結構特點，將檢測傳感器布置到最能代表有效加熱區(qū)內溫度分布特征的位置。所謂的代表性就是指可能為最高溫度或最低溫度的位置，如：有效加熱區(qū)的角落或中心、加熱元件布置不均勻的地方、強制熱風循環(huán)的進風口和出風口的附近、接近爐門或爐底板的地方。

5.傳感器的固定方法

傳感器的固定方法有很多，應保證傳感器在裝入爐子以及檢測過程中，其測量端的位置不會發(fā)生變化。當空載檢測時，檢測傳感器的測量端應與測溫架之間保持一定距離，減少測溫架對測量結果的影響。測溫架放入爐子后，應對檢測傳感器在爐膛內的位置進行測量，標注并記錄。有關數據應出現在檢測報告和有效加熱區(qū)測定合格證中，以指導爐子使用時，將工件放在有效加熱區(qū)內，并且在下一次檢測時按照相同的位置放置測溫架或布置傳感器。

6.測溫試塊

測定方法允許將檢測傳感器安裝在測溫試塊內，測溫試塊應與爐子所處理制件中具有代表性材料相一致的室溫熱導率，不超過所處理制件的最小厚度，其厚度或直徑不超過13mm，與AMS2750E的要求一致。使用測溫試塊的目的是為了模擬材料或工件在加熱過程中溫度變化特性，更好的確定爐溫與工藝要求之間的一致性。以最短的時間完成熱處理過程可以節(jié)約能源，但是，必須保證溫度均勻性符合工藝要求。

測定方法的注解講到，測溫試塊是為了防止或減少加熱方式引起的爐溫波動或突變，并稱之為溫度緩沖塊，這是不確切的。如果溫度波動或突變會影響工藝質量，使產品出現過燒現象，應該通過測量獲得這些波動或突變，以減少對產品質量的影響。如果檢測人員為了減少溫度過沖，采用溫度緩沖塊，故意隱蔽有效加熱區(qū)溫度變化的特性，可能使產品出現質量隱患。使用測溫試塊應經過技術評估，也可將一部分檢測傳感器置于測溫試塊中，另一部分檢測傳感器置于測溫試塊之外，以觀察爐溫的實際變化情況。

三、檢測數據采集處理

有效加熱區(qū)測定是為了獲得爐子中指定區(qū)域溫度分布以及變化的狀態(tài)，因此，檢測過程應始終觀察檢測傳感器和工藝傳感器溫度讀數的變化，即使在升溫過程中，可以不采集檢測數據，也有必要觀察數據的變化趨勢。

1.恒溫前的數據采集

為完整、清晰地記錄整個測定過程，測定方法要求應在爐內第一支傳感器的讀數到達每一個測試溫度點要求的溫度均勻性允許的偏差范圍下限之前開始采集數據，包括檢測傳感器和工藝傳感器（不包括僅僅用于單一功能的超溫傳感器）的讀數。

一旦開始采集數據，應以不超過2min的時間間隔采集全部數據，較小的采集間隔可有效記錄檢測傳感器的數值變化，并判斷爐溫是否達到平衡或穩(wěn)定。所謂的平衡或穩(wěn)定是指熱交換的平衡或溫度測量值的穩(wěn)定，爐溫無法達到完全不變的狀態(tài)，如果變化被限制在某個較小的區(qū)間，或呈現周期性的變化，工藝傳感器的讀數以及檢測傳感器給出的實際溫度均在溫度均勻性允許的偏差范圍內，且沒有超出的趨勢，認為爐溫平衡或穩(wěn)定。爐溫平衡或穩(wěn)定過程的測量數據作為爐子使用的重要依據，在檢測報告中應有相應的數據處理以及適合的結論。

2.恒溫后的數據采集

爐溫恒定后，至少需要采集30min爐內各溫度傳感器的數據，如果部分傳感器的讀數有超出溫度均勻性允許范圍的可能，可延長采集時間或以最長工藝時間為準。采集恒溫后的數據，是為了保證有效加熱區(qū)的溫度在隨時間的變化中，能保持在一定的范圍內，不超過工藝溫度的要求。

3.工藝傳感器的讀數

采集檢測傳感器溫度讀數的同時，要求記錄工藝傳感器的讀數，如果超溫傳感器的讀數不用于產品質量評價，可以不記錄超溫傳感器的讀數，否則，應與控制、記錄、監(jiān)測及載荷傳感器的讀數一起記錄。工藝傳感器的讀數應該是記錄曲線或數據，與爐子日常使用時的記錄方式一致，并標注記錄的起始時間和終止時間，也可以通過本次檢測的起始時間計算得到記錄的時間區(qū)段。

4.數據處理

檢測傳感器的讀數應經過傳感器、連接導線以及儀表的系統誤差修正，獲得各個檢測點實際溫度的最高值和最低值，用最高實際溫度和最低實際溫度與設定溫度之差表示溫度均勻性。對于某個檢測溫度而言，起始采集數據的結果中，最高溫度應小于溫度均勻性允許的偏差范圍的下限時，說明采集時間滿足“第一支檢測傳感器的讀數到達溫度均勻性允許的偏差范圍下限之前開始采集數據”，而工藝傳感器的讀數需要檢測人員的仔細觀察記錄。爐子達到恒溫狀態(tài)時，所有檢測傳感器的實際溫度應在溫度均勻性允許的偏差范圍內。為了保證檢測結果的有效性，建議檢測人員提前記錄檢測傳感器和工藝傳感器的讀數，并適當延長恒溫后的采集時間，在數據處理時可對多余數據進行刪減。

四、檢測結果的分析與判斷

檢測結果不僅與控制傳感器、控制儀表、加熱功率以及熱交換方式有關，也與測試系統的特性有關。當給出檢測結果時，應對檢測結果的有效性進行分析。首先應對測試系統的不確定度進行評定，一般不考慮檢測傳感器位置的影響，主要針對測試傳感器、連接導線和檢測儀表的計量特性分析；其次應評價檢測過程是否符合標準及相關工藝的要求；再者應對數據處理的正確性進行驗證，以保證給出的結果是有效的。

檢測結果應標明在升溫過程中，所有的檢測傳感器的實際溫度和工藝傳感器的讀數均未超過溫度均勻性范圍的上限，恒溫后，所有的檢測傳感器的實際溫度和工藝傳感器的讀數處于溫度均勻性范圍內。從控溫傳感器的讀數達到設定溫度開始，到有效加熱區(qū)實現溫度恒定前的時間不能超過工藝規(guī)定的最短時間。爐子使用時，操作者只能看到工藝傳感器的讀數，而質量部門或客戶也只能看到記錄曲線。如果工藝中采用了負載傳感器，該工藝保溫時間應由負載傳感器的溫度變化判斷，負載傳感器應安裝在適合的模擬工件內。

如果檢測過程中使用了補償值，甚至不同測定的溫度采用了不同的補償值，建議在完成檢測工作后，對有代表性的溫度點進行重復檢測，應驗證補償值使用對檢測結果的影響。這些溫度點可以是測定的最低溫度、最高溫度或爐子控制狀態(tài)改變的溫度。因為補償值調整的大小與有效加熱區(qū)各個位置的實際溫度變化并不是1:1的關系。在接近恒溫或恒溫狀態(tài)下的調整與升溫前已存在調整值，也會有不同的升溫和恒溫效果，可能導致溫度過沖現象。

對于測定合格的爐子，應在爐子明顯的位置懸掛有效加熱區(qū)在爐膛中的位置示意圖，以指導使用者將工件放置在有效加熱區(qū)內，并特別注意放置在爐底、爐門附近的工件位置。工件一般應安放在工裝上或料框里，工件之間以及工件與其他構件之間應保持必要的空間，以實現快速的溫度平衡。對于測定不合格爐子，應根據檢測結果對之前的產品進行質量評估，并制定調整與維修方案。

五、檢測人員的要求

熱處理爐的溫度特性直接影響熱處理工藝質量，溫度均勻性測定是評估熱處理爐是否滿足工藝要求的重要手段。作為檢測人員，僅熟知檢測技術標準是不夠的，需要懂得熱處理爐的加熱原理、爐子結構及爐溫控制系統等，明確熱處理工藝要求和操作程序，熟知影響有效加熱區(qū)內溫度分布以及變化的主要因素。

檢測人員除了提高自身的技術和技能水平外，還應與熱處理工藝人員、設備維護人員、質量評估人員進行及時溝通與協作，才能實現熱處理工藝質量的保障。