基于AMS2750标准中高温真空炉温均匀性测试的研究

王宏杰

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原030024)

基于AMS2750标准中高温真空炉温均匀性测试的研究

王宏杰

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原030024)

介绍了AMS2750标准中对高温真空炉炉温均匀性测试要求，以及高温真空炉概述及其TUS测试过程与方法，提出了高温真空炉炉温均匀性测试中遇到的主要问题和解决方法。

AMS2750；高温真空炉；TUS测试

1 AMS2750标准中关于炉温均匀性

AMS2750是Nadcap关于热处理认证的重要依据，现执行是E版，即2750E;是国际汽车工程师协会（socicty of automotive engineers，SAE）发布的关于在热处理过程中高温测量的标准，主要对热电偶、仪表校准、热处理炉等级及仪表类型、系统精度测试（System accuracy tests，SAT）、温度均匀性测试（Temperature uniformity survcys，TUS）等5个方面作出详细的规定，在国家航空航天产品热处理中起重要作用。

炉温均匀性测试在AMS2750中是一项重要的指标，该指标合格与否直接影响热处理真空炉使用性能。炉温均匀性基本概念为：在热处理炉合格工作区内的温度相对于设定温度的变化（通常以±度表示）；炉温均匀性测试（TUS）概念为：在热处理炉达到热平衡前后，使用校准过的仪器装置和热传感器对工作区温度变化进行一系列测试。

在AMS2750标准中对不同等级炉子炉温均匀性、以及其所使用仪表等级和炉温均匀性测试周期均进行了严格规定，如表1所示；对不同等级炉子所使用仪表最大允许补偿值也进行了严格规定，如表2所示。

表1 炉子等级、仪表类型、TUS间隔

表2 炉子等级、仪表类型、仪表最大补偿值

TUS传感器的分布按照体积法进行测试，体积法要求TUS传感器三维放置以体现炉子整个有效工作区的温度。根据TUS传感器固定装置的体积，TUS传感器数量应满足表3所示的要求；TUS传感器的分布应符合规则：炉子有效工作区体积小于0.085 m3，把4支TUS传感器放在四角和一支放在中间；炉子有效工作区体积大于0.085 m3，则8 支TUS传感器放置8个角，1支放置在中间；炉子有效工作区体积大于6.4 m3时，按照表3要求增加TUS传感器并均匀放置在最能体现炉子有效工作区的位置。

在每个测试温度点，炉子或TUS传感器首次达到温度容差下限之前就开始采集数据，这样无论炉子还是TUS传感器哪个超出温度均匀性容差上限都能清楚地探测到。当进行数据采集时，每隔2 min至少记录一套所有TUS传感器的温度数据，控制或记录传感器均不能超过温度均匀性公差上限；炉子应保持在测试温度直到所有传感器达到稳定，稳定后在30 min内连续采集数据，所有的测试热电偶都在允许的温度范围内，并保持稳定，不能有漂移超出最高限或低于最低限。

表3 按照体积法测试时要求的TUS传感器数量

2 高温真空炉及TUS测试过程和方法

2.1 高温真空炉

高温真空炉主要用于航空发动机各种钛及钛合金、不锈钢、高温合金零件的真空焊接及焊后热处理，包括真空退火、气淬、回火及真空消除应力等处理。与TUS测试有关的主要技术指标：

炉温均匀性尺寸：1000 mm（L）×1000 mm （W）×1000 mm（H）

控温方式：三区加热、三点控温（S型热电偶）

控温精度：0.1级

均匀性测试：±5（AMS2750E标准500℃、650℃、800℃、950℃、1100℃、1250℃）

2.2 系统构成

（1）真空获得装置：配置有三级真空泵（机械泵、罗茨泵、扩散泵）、挡板阀以及高真空阀用于设备真空获取；

（2）温控仪表：采用0.1级欧陆2704单曲线三回路仪表作为温度控制仪，通过内置PID调节仪表三回路输出来控制炉内温度；采用WEST P4100作为报警仪表，检测三区温度是否超温；

（3）调压器：采用四通三个单相可控硅调压器，通过接收温控仪表发出4～20 mA控制信号，输出功率至炉子加热元件，来调节炉内温度；

（4）真空计：采用睿宝ZDF-55227AX真空计，用于连续实时显示炉内真空度；

（5）温控巡检仪：采用浙大中控AR4512记录仪，用于连续记录炉内TUS传感器温度值。

2.3 TUS测试过程和方法

根据高温真空炉技术要求，参照表1～3所示，TUS按照二级炉进行测试，选择C类仪表，TUS传感器数量选择9支；将9支TUS传感器按图1所示序列用镍铬丝捆绑均匀性测温架上。

图1 TUS传感器分布图

将9支N型TUS测温传感器通过法兰盘和N型补偿导线转接至温度巡检仪上，并按照TUS工艺升温曲线在温控表2704中设置完成，并在报警仪表上设置报警温度为1 255℃；按照操作流程依次打开三级泵及相应阀门对炉膛抽真空，当炉内真空度数值达到允许升温时，打开加热，开始升温。当温控表中的PV值或9支TUS传感器中有一支达到第一个TUS点容差下限时，巡检仪开始记录；当9支TUS传感器中全部达到第一个TUS点容差范围内并稳定后，每隔2 min记录一次，连续采集记录30 min数据，所有TUS传感器都在允许的温度范围内，并保持稳定，则该点TUS合格；如果有一点超出允许的温度范围，则该点TUS不合格，需将炉膛降温，调整温控系统从第一个点开始全部重新测试；其余TUS点的测试与第一点测试方法一致，可参照执行。

3 炉温均匀性测试中遇到的主要问题、原因分析及解决方法

影响炉温均匀性测试的因素很多，除真空炉炉胆热区设计因素外，在测试过程中主要遇到以下问题：

（1）在低温段测试时，TUS传感器整体超过允许的容差上限。在测试低温度段500℃、650℃时，温控仪表上的SV值和PV值，都达到500℃、650℃，炉内TUS传感器能够达到510℃、660℃，超出2750标准中±5℃允许范围即超过505℃、655℃，保温一段时间后，TUS传感器温度值逐渐返回到系统允许的±5℃容差范围内，产生这种问题的可能原因有：

1）控温传感器和测试TUS传感器对热响应时间不一致；控温传感器结构采用装配式S型热电偶，TUS测试用传感器采用铠装式N型热电偶，二者结构、偶型不同，结果对热场反应时间不一致。在升温过程中，实际炉内温度已经达到温控仪表中的设定值，采集到仪表内温度信号显示没有达到，导致温控仪表持续输出，当温控仪表显示达到设定值时，实际炉内温度已将超过允许容差范围。

解决方法：更改温控偶结构与使用环境。温控偶的使用应该在大气下使用，不建议在真空下使用，在高真空下长期使用会使偶丝挥发，减少使用寿命，关键热传导慢、热响应迟钝，导致炉内TUS传感器超温，因此要在大气环境下使用；装配式温控S偶的结构上半截采用金属高合材质并放在加热炉胆外部，下半截采用陶瓷管材质放置在炉膛内部，中间用胶密封，其直径尽可能与铠装TUS传感器接近，这样可防止偶丝受到污染又尽可能与铠装偶响应时间接近，减少炉内TUS传感器超温的可能。

2）温控仪表内部PID参数分配与设置不合理；低温段TUS测试点的PID参数与高温段PID参数一致，容易导致TUS测试在低温段超温；在升温过程中，高温段仪表中的实际值跟随设定值比较紧，二者一般仅差0.5～1℃，经过低温工艺过程后高温段炉膛内蓄热均匀不易导致温度过冲，而低温段由于炉温均匀区大、加热时间短导致短时间内炉膛蓄热不够，仪表中实际值跟随设定值太紧极易导致温度过冲。

解决方法：通过设置仪表内三区各自的PID参数组分段点，合理分配各TUS测试点区域PID参数，单独将低温段的TUS点分配一组参数；通过自动或手动设置仪表内部的P值、I值、D值和输出上限等各参数值，调节出每一区合理的参数，使得在低温段温控表中实际值跟随设定值差值达到4～5℃，炉内的TUS各测试点也不会超过设定值，这样当设定值达到500℃、650℃时，仪表实际值达到495℃、645℃，这时仪表会自动调节减小输出，使得仪表实际值逐渐接近设定值，同时炉内TUS各测试点也趋于稳定保持在温度允许的容差范围内，达到符合2750标准TUS测试的结果。

（2）在低温段测试时，9支TUS传感器超过允许的容差上下限，在500℃测试点时，TUS传感器中低于495℃和高于505℃均存在，原因可能为：1）TUS测试用传感器所使用的铠材不是同一批次，使经有资质的第三方机构鉴定后所出检测报告中每支测温偶的偏差方向不一致，其有正的偏差也有负的偏差。

解决办法：在订购TUS测试用传感器时，要求厂家保障所使用的铠材必须为同一批次，且传感器所用补偿导线为同一盘导线，尽可能减少偏差不一致给TUS测试带来的影响。

2）恒温区测试架位置摆放和TUS测试用传感器在测试架上的捆绑方式不同对TUS测试产生的影响。

解决办法：测试架前截面与后截面摆放位置应在加热带间隙之间，不允许正对加热带，正对加热带使得铠装热电偶对热响应快，升温过程易过冲；传感器在测温架上的捆绑方式需统一，即：远离测温架一定的距离，如果紧贴测温架捆绑会使得在升温过程温度偏低，但在保温段会使得温度过高，超过系统允许的容差范围。

4 结束语

综上所述，装配式控温热电偶的结构选型与使用环境、炉温均匀性测量热电偶的合理选型、合理的控温PID参数、测温架的摆放位置和铠装热电偶测量端的捆绑方式是影响高温真空炉满足符合2750标准TUS测量的关键因素。

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[4] 李克，许莉.高温测量[J].热处理装备与技术，2009，

(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年毕业于中北大学，工程师，现从事真空设备研发工作。

2015-05-11