超高真空腔（室）表面处理加工工艺改良

超高真空腔（室）表面处理加工工艺改良

李春

费勉仪器（南京）科技有限公司 江苏南京 210000

摘要：本文就超高真空腔（室）生产制造过程中，表面处理工艺的制定和优化做个简单的阐述。主要分为超高真空腔（室）简介、超高真空腔（室）加工工艺简介、原腔体表面处理工艺的介绍及不足之处分析、传统喷砂工艺的改进、腔体表面处理工艺的改良—拉丝工艺的引入几个部分。

一、超高真空腔（室）简介

1、概念：

（1）超高真空腔（室）：简单来说是指内部真空度能够达到超高真空的设备。

（2）超高真空UHV简单描述:压力范围10^-7 …10^-12 hpa。

2、产品应用

（1）超高真空腔（室）广泛应用于半导体、精密仪器、生物基因、高低温等领域。其中分子束外延技术，是半导体等新材料研发制备的关键技术。而分子束外延生产技术（MBE）系统的核心部件就是超高真空腔（室）。

（2）超高真空腔（室），又可分为生长腔，预处理腔、进样腔，传样腔，存储腔等。

3、简单结构介绍

（1）生长腔：材质SS316不锈钢，球型或柱状结构。

（2）预处理腔/进样腔：材质SS316不锈钢，方形腔，圆柱，钟罩结构。

（3）传样腔：材质SS316不锈钢球形，碟形，直线结构。

4、腔体外表面处理工艺：分为喷砂，拉丝及镜面三种。本文对前两种工艺进行分析及简单论述。

二、超高真空室加工工艺简介

超高真空室，加工步骤及顺序简单概括如下几点：

工序1：材料处理、工序:2：尺寸配合、工序3：主体焊接、工序4：核验尺寸、工序5：焊后处理、★工序6：表面处理、工序7：氦质谱仪真空检漏、工序:8：送检。

本文将对标★的步骤做分析和论述。

三、原表面处理工艺的介绍及不足之处分析

在超高真空室的整个生产加工过程中，对金属腔体的内外表面要求十分高。参照标准：表面粗糙度应符合GB/T 1031-2009中Ra3.2-Ra6.3μm。

清洁度参照GB 8923.1-2011中的Sa2 1/2等级要求。

以工序5：焊缝处理”为例：处理后焊缝最终的要求是：银白色金属光泽，均匀的鱼鳞纹路，不得有黑点，杂色出现在焊缝上。因为任何细小的杂质残留，都有可能导致腔体在使用过程（高温烘烤环境）中，释放出的杂质吸附于样品上，影响样品品质，造成巨大损失。

以工序7：氦质谱仪真空检漏”过程为例：在检漏之前（之后）必须要做外观检查，检查内容要求：无白斑、无水渍自、无油污、无划痕、无凹坑、无字迹、无指痕，洁净等。因为任何细微的瑕疵和缺陷，都能导致腔体在抽真空检漏中，真空度始终无法降至EX10-10pam3s-1，无法进行质谱仪检漏作业，造成返工，严重影响工期同时增加成本。

另外，超高真空室在整个使用过程中都必须处于高真空状态下，所以腔体生产就是不断追求更高要求的表面为目的，所以我们在早期加工过程中，也采取了多种办法，以确保产品表面洁净度的高要求。

具体采取的办法简单介绍如下：

办法（1）：自工序1：材料处理”开始，即主管或者封头激光开孔后，按常规金属加工工艺的要求对开孔四周进行去毛刺处理，并且编写工艺指导文件。

办法（2）：工序3：主体焊接，作业之前要求焊工对将要焊接的部位，指定的范围进行去毛刺，打磨处理，并且编写工艺指导文件。

办法（3）：工序5：焊后处理：

①电解抛光液对焊缝进行处理：用电解刷毛蘸取电解抛光液，刷洗焊缝及色变的部位。顽固色变，可稍作停顿，待反应冒泡，反应充分后移开。检查电解抛光部位，恢复金属光泽。

②电解抛光后大量制定要求的液体冲洗至少5分钟。

③用干燥气体挨个吹扫整个腔体：每个部位必须吹扫、所有法兰，孔，螺孔都必须吹扫、整个过程不得损伤刀口，表面、肉眼观察表面无水分。

④如图顺序，按图纸规定的要求处理腔体的表面缺陷。

根据缺陷的大小选择整个处理过程或部分处理过程。

• ＞2mm的凹坑，先补焊→打磨→研磨→手工拉丝→擦拭的顺序进行处理。

• ＞2mm的划痕，鼓包，先打磨→研磨→手工拉丝→擦拭的顺序进行处理。

• 1-2mm左右浅划痕，鼓包，沙眼，焊缝发黑部分，先研磨→手工拉丝→擦拭的顺序进行处理。

• ＜1mm的划痕，或轻微 损伤，水渍，色差，白斑等， 考虑：手工拉丝→擦拭顺序进行处理。

• 注意：请根据实际情况选择相应的工具。

办法（4）：引入表面喷砂工艺。

虽然有前面3个办法的保证，但是实际效果并不十分理想，腔体表面偶尔还是会出现各种缺陷问题，并且不可控制。主要原因分析如下：

①加工过程复杂，工序周转多，周转过程不可控；

②加工工期长，经手的环节和人员较多，人员不可控；

③此行业国内空白，无相关技术的专业人才指导；

④原材料缺陷，金属管材内壁成型缺陷（如凹坑等），材料原因不可控；

综上几点，采取对腔体内外表面进行委外喷砂处理。

喷砂工艺好处在于：不仅可以杜绝一般表面缺陷，还可以修复一些机械手法无法恢复的缺陷以及一些不太明显缺陷（例如：焊缝处理后发白，水渍，焊缝发黑等）。

委外喷砂缺点如下：

①喷砂前后处理过程较为复杂：喷砂前需要对每一个法兰口面进行专门的保护处理，喷砂后需要对保护进行拆除，导致工期加长。

②增加成本高。

③喷砂后的腔体经过高温烘烤之后，整体泛黄，影响美观。

④不能满足对腔体外观有特殊要求的客气需求。

⑤委外喷砂质量无法控制。

综上所述，为了提高超高真空腔体加工质量，满足客户定制外观的需求，能够跟上同类产品生产厂家步伐，我们势必要考虑新的工艺及办法，来改善此前的种种问题。

好在，经过大家的努力，我们终于找到几点切实可行的优化路径，并通过实践验证，自主研发表面拉丝腔体，以及对传统喷砂工艺优化改进，成功制定了新的生产工艺，并取得成功。

四、传统喷砂工艺的改进

1、工艺流程的改进。原流程中自检作业未给出标准，新流程详细规范了自检作业。

（1）卸货自检：作业人员必须更换或佩戴一双干净的一次性PU手套（无硅），去除腔体表面各类防护，由专人清点，检查记录。

（2）喷砂前自检。

①自检环境：喷砂前作业人员在光线良好的地方，对腔体进行表面检查。

②检查标准：管壁内没有可见的焊渣，划痕。

③检查后不符合标准的，使用锉刀、砂纸、拉丝专用工具进行适当修磨。

④密封处检查：确认腔体各处密封法兰的刀口已做好防护。刀口保护圈、密封垫的紧固螺栓无松动，分布均匀。如有松动，使用规格合适的扳手进行紧固。若有遗漏防护的，可使用橡胶板裁切合适的密封垫片进行防护。

⑤专人检查，做好记录。

3、过程检验：喷枪与工件相距指定距离，喷枪与工件的喷射角度固定。

4、喷砂后自检：

①环境：将腔体移到合适的位置，保证光线充足。

②目视检查粗糙度与均匀度：表面粗糙度应符合GB/T 1031-2009中Ra3.2-Ra6.3μm。

③目视检查表面清洁度：参照GB 8923.1-2011中的Sa2 1/2等级要求即工件表面应无可见的油、脂和污物，并且应无氧化皮、铁锈、涂层和外来杂质。表面大部分应具有均匀的金属光泽（达到Sa3的水平），污染物的残留痕迹仅呈现为局部点状、条纹状的轻微色斑。

2、按上述步骤编写工艺技术文件，验证，签字后执行。

五、不锈钢表面处理工艺的改良—拉丝工艺的引入

1、拉丝工艺的引入

超高真空腔体主要原材料是SS316管材，管材直径从40mm-460mm，壁厚2-5mm。具备拉丝效果的腔体，不仅满足客户对腔体表面的定制需求，还将取代喷砂工序，简化生产过程，降低成本。

2、拉丝作业有以下几点具体流程步骤：①拉丝作业前期准备工作。②拉丝纹路选择。③拉丝场地的规划。④拉丝设备及工具的选型。⑤拉丝参数的设定。⑥拉丝过程检验及作业完成后检验标准。⑦拉丝后覆膜保护作业。⑧焊接后取膜作业。⑨拉丝作业后周转的影响。

3、按上述几点编写工艺技术文件。

4、验证后实施。

参考文献

[1]陈天玉.不修钢表面处理技术.化学工业出版社，2016（1）.

[2]Pfeiffer 真空技术手册.普发真空，2013（1）