真空滅弧室新型清潔工藝的研究

［摘 要］文章針對真空滅弧室用撥片焊接波紋管，使用傳統酸洗工藝無法清潔，提出激光和等離子清潔兩種新型清潔工藝，并通過相關試驗驗證，最終解決了撥片焊接波紋管清潔問題。

［關鍵詞］真空滅弧室波紋管清潔；激光清潔技術；等離子清潔技術

［中圖分類號］TM561.5 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0118–03

1 問題提出

波片焊接波紋管因單波位移大，非常適合小型化真空滅弧室的設計結構，且機械壽命優于普通S 形波紋管。但波片焊接波紋管因其結構的特殊性，在加工出廠后無法通過傳統方法進行酸洗，而其用于真空滅弧室時，因其不銹鋼法蘭表面狀態未經過活化，不能很好地滿足滅弧室的真空釬焊工藝，會造成較高的整管漏氣率。通常，該真空滅弧室裝配前，成品的波紋管下線到滅弧室裝配，難以有效控制時間，整管出爐漏氣率在1%～10%，顯著高于普通產品0.2% 以內的漏氣率，對滅弧室的成品率造成不利影響。

2 新型清潔工藝技術

2.1 等離子清潔工藝技術

等離子體是氣體分子在真空、放電等特殊場合下產生的物質。等離子體與固體、液體或氣體一樣，是物質存在的第4 種狀態。

2.1.1 等離子潔凈原理

（1）物理作用。等離子體中電子質量小、移動速度快，可以先一步到達材料表面并使其帶有負電荷，同時對材料表面產生撞擊作用，促使表面吸附的氣體分子分解。等離子體中帶正電荷的離子對表面帶有負電荷的材料進行沖擊，所產生的濺射作用會將表面附著的顆粒性物質除去。

（2）化學作用。等離子體中自由基與物體表面發生化學連鎖反應，產生新的自由基或進一步分解成揮發性的小分子。紫外線具有很強的光能和穿透能力，可透過材料表面深達數微米而產生作用，使表面附著物質的分子鍵斷裂分解。

2.1.2 等離子體應用

等離子體可應用于對材料表面的油脂、油污等有機物及氧化層的清洗，使用范圍較廣，在濺射、油漆、粘合、健合、焊接、銅焊、鍍膜和PVD、CVD 涂覆前的預處理，得到完全潔凈和無氧化層的表面，適用于金屬、玻璃、陶瓷和各類高分子材料。

2.2 激光清潔工藝技術

高峰值脈沖、短脈沖激光通過光纖傳導至激光清潔頭，光斑快速掃描作用于工件表面，表面吸收激光，污染物產生氣化、震動、剝離等一系列復雜的物理化學反應，從機體、機材表面脫離，從而保證既不損壞機體，又不會使材料過度發熱。

激光清潔示意如圖1 所示，激光清潔前后的工件對比如圖2 所示。

3 相關試驗驗證

經初步調研，兩種工藝均有清潔效果，故擬進行試驗驗證。

3.1 初步驗證

（1）試驗1。在滅弧室靜壓板鍍銀面上涂抹電子油，使用等離子清潔前后，分別用表面張力檢測筆進行檢測。等離子清潔示意如圖3所示，清潔效果如圖4所示。

試驗小結：等離子清潔對油污有較好的清潔效果。

（2）試驗2。使用同批次相同狀態波紋管法蘭面有輕微氧化層波紋管2 件，進行等離子清潔前后焊料潤濕性試驗，等離子清潔前后焊料潤濕情況對比如圖5 所示。

試驗小結：有氧化的不銹鋼法蘭表面，經等離子清潔后，焊料潤濕效果顯著變好。

（3）試驗3。激光清潔前后零件溫度狀態變化：溫度由26℃提高至31℃試驗小結：激光清潔零件期間溫度變化較小，不會造成潔凈處理后對零件造成的高溫氧化。

（4）試驗4。激光清潔后焊料潤濕性驗證。使用不銹鋼樣品，上半部分為激光清潔，下半部分零件原始狀態，對3 個樣品進行焊料潤濕性試驗。激光清潔焊料潤濕性對例如圖6 所示。

試驗小結：激光清潔部分焊料面積大于未清潔部分，潤濕性較好。

3.2 不銹鋼圓片不同潔凈工藝對比

3.2.1 焊料浸潤性試驗

取不銹鋼廢料圓片，經氣相清洗機初步清洗后，分別進行制造部氣相清洗、酸洗、激光清潔、等離子清潔4 種處理，分為4 組，進行不同潔凈工藝后的焊料浸潤性試驗。

出爐后焊料浸潤及流散結果如圖7 所示。

數據分析如下：①試驗的不銹鋼圓片，樣品1 號、3 號、5 號采取激光清潔，焊料潤濕面積2 149 mm2、731 mm2， 總面積2 880 mm2， 樣品2 號、4 號、6 號采取酸洗清潔，焊料潤濕面積2 079 mm2、775 mm2，總面積2 854 mm2， 樣品7 號、8 號、9 號采取氣相清洗， 焊料潤濕面積1 270 mm2、547 mm2， 總面積1 817 mm2， 樣品10 號、11 號、12 號采取等離子清洗， 焊料潤濕面積2 178 mm2、750 mm2， 總面積2 828 mm2。②激光清潔的樣品與酸洗樣品焊料潤濕面積相當，僅氣相清洗的分析不銹鋼樣品上有氧化層，焊料潤濕面積最小，較酸洗潤濕的不足40%。等離子清潔潤濕面積略小于激光清潔和酸洗工藝清潔的。

從圖7 可以看出，焊料流散狀態最好的是1 號、3號、5 號，即激光清潔組。

3.2.2 焊接強度試驗

取不銹鋼抗拉件4 對，分別對焊接面進行氣相清洗、酸洗、激光清潔、等離子清潔，并放置焊料環后進爐焊接，出爐后進行抗拉試驗，測試抗拉強度。測試結果見表1。

從焊接強度看，經激光清潔后的樣品焊接強度最高，達76.3 MPa ；酸洗、等離子清潔、激光清潔樣件焊接強度相當，僅氣相清洗焊接強度最低，與酸洗樣件相比，抗拉強度低近20%。說明激光清潔工藝，對提升焊接強度有一定的效果。

3.3 裝管驗證

將工藝固化后，分別使用激光清潔和等離子清潔對波片式波紋管進行爐前處理，投產結果見表2。

4 結束語

通過新工藝調研及相關試驗，確認了激光清潔和等離子清潔對波片焊接波紋管無損清潔的效果：激光清潔和等離子清潔后，不銹鋼焊料潤濕情況顯著改善，焊縫飽滿比例顯著提高，用于整管批量試驗結果顯示真空度合格率明顯提升。以上研究說明，激光清潔和等離子清潔工藝均可作為提高波片焊接波紋管焊接性能的可靠表面處理方式，對于其他無法使用酸洗處理的零部件或產品，這兩種工藝均可作為表面潔凈的可靠方法。

參考文獻

[1] 邢宏楠，冉合利，趙慧峰，等. 激光清洗技術發展及應用[J]. 清洗世界，2018，34（5）：23-31.