CN113739989B - 一种电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于机械加工技术领域，公开了一种电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法，包括以下步骤：把感应膜片焊接在电容式薄膜真空计的圆筒状的腔体的下端；腔体的材料的屈服强度比感应膜片的材料的屈服强度低；在腔体的内壁施加压力后卸载压力，使施加压力时腔体的腔壁的内侧部分、腔体的腔壁的外侧部分和感应膜片分别处于塑性变形状态、弹性变形状态和弹性张紧状态，从而使卸载压力后的感应膜片上具有所需的张紧力；该电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法有利于实现对感应膜片焊接后的张紧力的精准控制。

Description

一种电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法

技术领域

本申请涉及机械加工技术领域，具体而言，涉及一种电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法。

背景技术

电容式薄膜真空计的腔体内设置有金属感应膜片和固定电极板，工作时，被测对象的不同真空度会使金属感应膜片发生相应的形变，从而使金属感应膜片和固定电极板之间的电容发生相应的变化，根据该电容的变化情况测出被测对象的真空度。

其中，金属感应膜片上的张紧力直接关系到膜片的变形特性，进而对电容式薄膜真空计的测量精度、重复性等关键指标产生重要的影响。金属感应膜片一般是通过焊接方式与腔体连接的，焊接后如何产生或维持所需的张紧力是整个电容式薄膜真空计制造过程的关键难点。目前普遍采用的方法是在焊接之前将金属感应膜片张紧，产生一定的预张紧力，然后进行焊接，通过反复的试验确定合适焊接工艺方法和焊接工艺参数以使金属感应膜片在焊接之后具有所需的张紧力。

通过这种方式，需要多次调整焊接工艺参数以进行多次焊接试验，焊接工艺参数的确定过程复杂，试错成本较高，且依然难以有效控制获得合适的膜片张紧力，得到的膜片张紧力的随机性较大，产品合格率较低。

发明内容

本申请的目的在于提供一种电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法，有利于实现对感应膜片焊接后的张紧力的精准控制，从而有利于提高产品合格率。

本申请提供了一种电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法，包括以下步骤：

把感应膜片焊接在电容式薄膜真空计的圆筒状的腔体的下端；所述腔体的材料的屈服强度比所述感应膜片的材料的屈服强度低；

在所述腔体的内壁施加压力后卸载所述压力，使施加压力时所述腔体的腔壁的内侧部分、所述腔体的腔壁的外侧部分和所述感应膜片分别处于塑性变形状态、弹性变形状态和弹性张紧状态，从而使卸载压力后的所述感应膜片上具有所需的张紧力。

该电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法中，先把感应膜片焊接在腔体下端，再对腔体的内壁施加压力，使腔体的腔壁的内侧部分屈服从而产生塑性变形，而腔壁的外侧部分和感应膜片均处于弹性变形状态不会产生塑性变形，由于腔体的内侧部分产生塑性变形，当压力卸载之后由于塑性变形的约束，感应膜片会保持所需的张紧力，此时整个结构仍处于稳定可靠状态，不会失效。通过调节所施加的压力大小，可精确控制得到感应膜片所需的张紧力，整个过程可控、可靠且工艺稳定。

优选地，所述腔体的材料为PG 3600或inconel X600；所述感应膜片的材料为inconel X750。

选用该材料，使感应膜片的屈服强度高出腔体的屈服强度比较多，从而更有利于保证感应膜片不会发生塑性变形，同时，由于这些材料的热膨胀属性相近，可避免由于热胀冷缩时腔体和感应膜片的尺寸变化偏差过大而导致感应膜片中的张紧力变化过大，保证电容式薄膜真空计的测量精度。

优选地，所述腔体的外径与内径之比为1.2-1.4。

在该范围内，可保证腔体的内壁受压时，腔体的内外壁应力相差足够大，从而容易实现腔体的内侧部分屈服且外侧部分处于弹性变形状态的效果；同时不会由于外径与内径之比过大而导致腔体壁厚过大，避免电容式薄膜真空计的重量过大。

优选地，所述腔体的外径与内径之比为1.3。

优选地，所述把感应膜片焊接在电容式薄膜真空计的圆筒状的腔体的下端的步骤包括：

对所述感应膜片进行张紧，使所述感应膜片处于平直状态；

把处于平直状态的所述感应膜片焊接在所述腔体的下端。

一些实施方式中，所述在所述腔体的内壁施加压力后卸载所述压力，使施加压力时所述腔体的腔壁的内侧部分、所述腔体的腔壁的外侧部分和所述感应膜片分别处于塑性变形状态、弹性变形状态和弹性张紧状态，从而使卸载压力后的所述感应膜片上具有所需的张紧力的步骤包括：

使用液体静压施压方式在所述腔体的内壁施加压力。

优选地，所述使用液体静压施压方式在所述腔体的内壁施加压力的步骤包括：

在所述腔体的上、下端分别盖接上密封盖和下密封盖，使所述腔体、所述感应膜片和所述上密封盖围成上腔室，所述感应膜片和所述下密封盖围成下腔室；所述上密封盖设置有连通所述上腔室的上进液口，所述下密封盖设置有连通所述下腔室的下进液口；

分别通过所述上进液口和所述下进液口向所述上腔室和所述下腔室通入压力相同的液体，并调整所述液体的压力，从而在所述腔体的内壁施加需要的压力。

另一些实施方式中，所述在所述腔体的内壁施加压力后卸载所述压力，使施加压力时所述腔体的腔壁的内侧部分、所述腔体的腔壁的外侧部分和所述感应膜片分别处于塑性变形状态、弹性变形状态和弹性张紧状态，从而使卸载压力后的所述感应膜片上具有所需的张紧力的步骤包括：

使用机械施压方式在所述腔体的内壁施加压力。

优选地，所述使用机械施压方式在所述腔体的内壁施加压力的步骤包括：

把过盈的芯轴从所述腔体的上端压入所述腔体中，从而在所述腔体的内壁施加需要的压力。

有益效果：

本申请提供的电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法，先把感应膜片焊接在腔体下端，再对腔体的内壁施加压力，使腔体的腔壁的内侧部分屈服从而产生塑性变形，而腔壁的外侧部分和感应膜片均处于弹性变形状态不会产生塑性变形，由于腔体的内侧部分产生塑性变形，当压力卸载之后由于塑性变形的约束，感应膜片会保持所需的张紧力，此时整个结构仍处于稳定可靠状态，不会失效。通过调节所施加的压力大小，可精确控制得到感应膜片所需的张紧力，整个过程可控、可靠且工艺稳定。使用该电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法，有利于实现对感应膜片焊接后的张紧力的精准控制，从而有利于提高产品合格率。

本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请了解。

附图说明

图1为本申请实施例提供的电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法的一种流程图。

图2为腔体内侧受压时在厚度方向上的应力分布示意图。

图3为腔体与感应膜片之间的连接结构图。

图4为通过有限元法模拟的卸载压力后的腔体和感应膜片的应力分布情况。

图5为图4中S部分的放大图。

图6为一种示例性的使用液体静压施压方式对腔体的内壁施加压力的原理图。

图7为一种示例性的使用机械施压方式对腔体的内壁施加压力的原理图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参照图1，图1是本申请一些实施例中的一种电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法，包括以下步骤：

A1.把感应膜片焊接在电容式薄膜真空计的圆筒状的腔体的下端；腔体的材料的屈服强度比感应膜片的材料的屈服强度低；

A2.在腔体的内壁施加压力后卸载压力，使施加压力时腔体的腔壁的内侧部分、腔体的腔壁的外侧部分和感应膜片分别处于塑性变形状态、弹性变形状态和弹性张紧状态，从而使卸载压力后的感应膜片上具有所需的张紧力。

在实际应用中，参考图2，当厚壁筒的内侧受到压力时，其筒壁上的应力从内到外是逐渐变小的，其中，最内侧的应力

最大，最外侧的应力

最小。当厚壁筒的内侧受到压力足够大，使厚壁筒内侧部分的应力达到屈服强度，而外侧部分的应力没有达到屈服强度时，会使厚壁筒的内侧产生塑性变形，而外侧仍然处于弹性变形状态，当撤去压力后，厚壁筒的内侧塑性变形不会恢复。利用该原理，该电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法中，先把感应膜片焊接在腔体(腔体属于厚壁筒)下端，再对腔体的内壁施加压力，使腔体的腔壁的内侧部分屈服从而产生塑性变形，而腔壁的外侧部分和感应膜片均处于弹性变形状态不会产生塑性变形，由于腔体的内侧部分产生塑性变形，当压力卸载之后由于塑性变形的约束，感应膜片会保持所需的张紧力，此时整个结构仍处于稳定可靠状态，不会失效。通过调节所施加的压力大小，可精确控制得到感应膜片所需的张紧力，整个过程可控、可靠且工艺稳定。使用该电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法，有利于实现对感应膜片焊接后的张紧力的精准控制，从而有利于提高产品合格率。

需要说明的是，此处所说的“下端”是基于图3所示的放置方式的下端，在实际应用中，该下端可以是腔体的任意一端。

其中，经过步骤A1之后的腔体与感应膜片之间的连接结构如图3所示，图中，标号为2的部分为腔体，标号为1的部分为感应膜片。其中，电容式薄膜真空计的检测腔包括圆筒状的侧壁和分别设置在该侧壁上下端的上壁板和下壁板，在该电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法中所使用的腔体为侧壁的一部分，待完成该电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法的步骤后，还需要把侧壁的另一部分连接（通过焊接或其它连接方式连接）在该腔体的下端形成整体的侧壁，并在通过焊接或其它连接方式把上壁板、下壁板安装到侧壁上、下端。

其中，腔体和感应膜片的材料可根据实际需要进行选择，实际上，感应膜片的屈服强度高出腔体的屈服强度越多，则越有利于保证感应膜片不会发生塑性变形。

优选地，腔体的材料为PG 3600或inconel X600；感应膜片的材料为inconelX750。选用该材料，使感应膜片的屈服强度高出腔体的屈服强度比较多，从而更有利于保证感应膜片不会发生塑性变形，同时，由于这些材料的热膨胀属性相近，可避免由于热胀冷缩时腔体和感应膜片的尺寸变化偏差过大而导致感应膜片中的张紧力变化过大，保证电容式薄膜真空计的测量精度。

在实际应用中，对于圆筒状的腔体，当其内侧受到压力时，其腔壁最内侧的应力

和最外侧的应力

可用以下公式估算：

；

；

其中，P是腔体内侧受到的压力（本文中提及的压力是指物理意义上的压强），K为腔体的外径与内径之比。从该公式可知，K越大，则腔体的腔壁最内侧的应力

和最外侧的应力

之间的偏差越大，从而在实施该电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法的时候，越容易实现腔体的内侧部分屈服且外侧部分处于弹性变形状态的效果，但是腔体的壁厚会越大，最终得到的电容式薄膜真空计的重量越大。

在一些优选实施方式中，腔体的外径与内径之比为1.2-1.4。在该范围内，可保证腔体的内壁受压时，腔体的内外壁应力相差足够大，从而容易实现腔体的内侧部分屈服且外侧部分处于弹性变形状态的效果；同时不会由于外径与内径之比过大而导致腔体壁厚过大，避免电容式薄膜真空计的重量过大。更优选地，腔体的外径与内径之比为1.3，最内侧的应力

和最外侧的应力

之间的偏差可达35%。

需要说明的是，虽然腔体的腔壁较薄时，通过施压使腔体的内、外侧均发生塑性变形也能够实现在感应膜片上产生所需的张紧力的效果，但会导致腔体的外部尺寸误差增大，同样会导致不合格产品的产生，不利于提高产品合格率。

优选地，把感应膜片焊接在电容式薄膜真空计的圆筒状的腔体的下端的步骤包括：

对感应膜片进行张紧，使感应膜片处于平直状态；

把处于平直状态的感应膜片焊接在腔体的下端。

通过使感应膜片处于平直状态，可避免焊接后的感应膜片有皱褶从而导致最终得到的电容式薄膜真空计中的感应膜片各方向上的张力不均匀，从而保证电容式薄膜真空计的测量精度。其中，对感应膜片进行张紧时，预张紧力的大小只需满足把感应膜片拉平直以去除皱褶即可，可预先通过试验得到。

对腔体的内壁施加压力的方式有很多，此处不对具体的施压方式进行限定。

例如，在一些实施方式中，步骤A2包括：

使用液体静压施压方式在腔体的内壁施加压力。

在一些具体实施例中，使用液体静压施压方式在腔体的内壁施加压力的步骤包括：

在腔体的上、下端分别盖接上密封盖和下密封盖，使腔体、感应膜片和上密封盖围成上腔室，感应膜片和下密封盖围成下腔室；上密封盖设置有连通上腔室的上进液口，下密封盖设置有连通下腔室的下进液口；

分别通过上进液口和下进液口向上腔室和下腔室通入压力相同的液体，并调整液体的压力，从而在腔体的内壁施加需要的压力。

如图6所示，把上密封盖3和下密封盖4分别盖接在腔体2的上、下端，上密封盖3与腔体2之间、下密封盖4与腔体2之间均设置有密封圈5，其中，上密封盖3和下密封盖4之间通过多根连接螺杆6连接，从而夹紧腔体2（实际上也可直接向上密封盖3和下密封盖4施加压力夹紧腔体1）；然后可把液体分别从上进液口301和下进液口401输入，通过调整液体的液压达到腔体的内壁施加压力的效果，其中，可事先通过计算和/或试验确定需要施加的压力数据，从而根据该压力数据调整液压。通过该方式进行施压，压力调节方便，当压力条件（即需要施加的压力）改变时，无需改变治具的结构（即上密封盖3、下密封盖4和连接螺杆6的结构），工艺调整成本较低。

在实际应用中，液压施压方式不限于此，例如，也可只在腔体的上端盖接上密封盖，并把腔体的下端放置在承托平台上，然后通过上密封盖的上进液口通入液体，并调整液体的液压，从而在腔体的内壁施加需要的压力。但这种方式与上一种方式相比，由于承托平台需要与感应膜片直接接触以提供支撑作用，容易划花感应膜片，从而影响电容式薄膜真空计的测量精度。

其中，可通过以下方式确定需要施加的压力大小：

S1.根据以下公式计算第一极限载荷：

；

其中，

为第一极限载荷，

腔体材料的屈服强度，

为腔体的内径，

为腔体的外径；

S2.根据以下公式计算第二极限载荷：

；

其中，

为第二极限载荷；

S3.在大于第一极限载荷

且小于第二极限载荷

的压力范围内按预设步长选取多个压力值，并通过有限元分析方法计算在腔体内部施加对应的压力并卸载压力后在感应膜片上残余的残余张紧力；

S4.根据所需的张紧力、上述的多个压力值和对应的残余张紧力计算得到需要施加的压力大小。例如，可通过插值计算方式，计算需要施加的压力大小；也可根据上述的多个压力值和对应的残余张紧力拟合出根据残余张紧力计算压力值的计算公式，并把所需的张紧力代入该计算公式计算得到需要施加的压力大小。

又例如，在另一些实施方式中，步骤A2包括：

使用机械施压方式在腔体的内壁施加压力。

在一些具体实施例中，使用机械施压方式在腔体的内壁施加压力的步骤包括：

把过盈的芯轴从腔体的上端压入腔体中，从而在腔体的内壁施加需要的压力。

如图7所示，把过盈的芯轴7从腔体2上端开口处插入腔体2内，从而使腔体2的内壁受到挤压，实现施加压力的效果，其中，可事先根据计算和/或试验确定芯轴7的过盈量（即芯轴7直径超过腔体2的内径的偏差量），从而使施加到腔体2的内壁的压力为需要的压力。其中，为了便于芯轴7插入腔体2，该芯轴7的下端设置有截锥状导向部。使用这种方式进行施压，操作方便，效率较高。

在实际应用中，机械施压方式不限于此，例如，也可在腔体中插入两个半圆弧型板，使两个半圆弧型板与腔体内壁相贴合，然后对该两个半圆弧型板施加径向挤压力，从而在腔体的内壁施加需要的压力。

其中，通过这种方式进行施压，施加到腔体的内壁的压力与芯轴的过盈量相关。可通过以下方式确定芯轴所需过盈量：

B1.获取多个预设过盈量数据，并通过有限元分析方法计算在腔体内插入具有对应过盈量的芯轴并抽出该芯轴后在感应膜片上残余的残余张紧力；

B2.根据所需的张紧力、上述的多个预设过盈量数据和对应的残余张紧力计算得到芯轴所需过盈量。例如，可通过插值计算方式，计算芯轴所需过盈量；也可根据上述的多个预设过盈量数据和对应的残余张紧力拟合出根据残余张紧力计算过盈量的计算公式，并把所需的张紧力代入该计算公式计算得到芯轴所需过盈量。

在确定芯轴所需过盈量后，再把具有该所需过盈量的芯轴从腔体的上端压入腔体中，从而在腔体的内壁施加需要的压力。

以下，采用有限元法模拟该电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法的工艺过程，其中腔体的材料为inconel X600（固溶态），感应膜片的材料为inconel X750，目标张紧力为299MPa；通过调整施加的压力并卸载压力后的腔体和感应膜片的应力分布情况如图4、5所示，图4中右侧的长方形部分显示了腔体沿径向的应力分布情况，图5是图4中的S部分的放大图，此时腔体的内侧发生塑性变形，而外侧为弹性状态，而感应膜片中保持有299 MPa的张紧力，从而可证明该电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法的有效性。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法，其特征在于，包括在把腔体装配到电容式薄膜真空计的检测腔之前执行的步骤：

把感应膜片焊接在电容式薄膜真空计的圆筒状的腔体的下端；所述腔体的材料的屈服强度比所述感应膜片的材料的屈服强度低；所述腔体为所述电容式薄膜真空计的检测腔的圆筒状的侧壁的一部分；

在所述腔体的内壁施加压力后卸载所述压力，使施加压力时所述腔体的腔壁的内侧部分、所述腔体的腔壁的外侧部分和所述感应膜片分别处于塑性变形状态、弹性变形状态和弹性张紧状态，从而使卸载压力后的所述感应膜片上具有所需的张紧力。

2.根据权利要求1所述的电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法，其特征在于，所述腔体的材料为PG 3600或inconel X600；所述感应膜片的材料为inconel X750。

3.根据权利要求1所述的电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法，其特征在于，所述腔体的外径与内径之比为1.2-1.4。

4.根据权利要求3所述的电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法，其特征在于，所述腔体的外径与内径之比为1.3。

5.根据权利要求1所述的电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法，其特征在于，所述把感应膜片焊接在电容式薄膜真空计的圆筒状的腔体的下端的步骤包括：

对所述感应膜片进行张紧，使所述感应膜片处于平直状态；

把处于平直状态的所述感应膜片焊接在所述腔体的下端。

6.根据权利要求1所述的电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法，其特征在于，所述在所述腔体的内壁施加压力后卸载所述压力，使施加压力时所述腔体的腔壁的内侧部分、所述腔体的腔壁的外侧部分和所述感应膜片分别处于塑性变形状态、弹性变形状态和弹性张紧状态，从而使卸载压力后的所述感应膜片上具有所需的张紧力的步骤包括：

使用液体静压施压方式在所述腔体的内壁施加压力。

7.根据权利要求6所述的电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法，其特征在于，所述使用液体静压施压方式在所述腔体的内壁施加压力的步骤包括：

在所述腔体的上、下端分别盖接上密封盖和下密封盖，使所述腔体、所述感应膜片和所述上密封盖围成上腔室，所述感应膜片和所述下密封盖围成下腔室；所述上密封盖设置有连通所述上腔室的上进液口，所述下密封盖设置有连通所述下腔室的下进液口；

分别通过所述上进液口和所述下进液口向所述上腔室和所述下腔室通入压力相同的液体，并调整所述液体的压力，从而在所述腔体的内壁施加需要的压力。

8.根据权利要求1所述的电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法，其特征在于，所述在所述腔体的内壁施加压力后卸载所述压力，使施加压力时所述腔体的腔壁的内侧部分、所述腔体的腔壁的外侧部分和所述感应膜片分别处于塑性变形状态、弹性变形状态和弹性张紧状态，从而使卸载压力后的所述感应膜片上具有所需的张紧力的步骤包括：

使用机械施压方式在所述腔体的内壁施加压力。

9.根据权利要求8所述的电容式薄膜真空计的感应膜片焊后张紧力控制方法，其特征在于，所述使用机械施压方式在所述腔体的内壁施加压力的步骤包括：

把过盈的芯轴从所述腔体的上端压入所述腔体中，从而在所述腔体的内壁施加需要的压力。

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