一种超高真空弹性蓄能金属密封圈及其制作方法与流程

本发明涉及密封圈加工，特别涉及一种超高真空弹性蓄能金属密封圈及其制作方法。

背景技术：

1、超高真空金属密封圈是加速器超高真空系统的关键密封元件，实现了金属对金属的可拆卸端面密封。超高真空金属密封圈实质上是一种c型弹簧蓄能密封圈，主要由金属铝、铜、银、不锈钢或其它金属材料夹套及蓄能弹簧组合而成的压力辅助密封装置，常常被应用于超高真空、核装置、航空航天、石油、低温、化工、冶金、动力机械、蒸汽容器等领域的设备上。其蓄能和密封原理一般为：当弹簧蓄能密封圈安装于密封沟槽内，施加于系统的外载荷使得弹簧受压，促使其弹簧夹套的密封面紧贴沟槽，弹簧夹套受力后产生塑性流动，弥补密封界面材料加工所形成的凹凸面、人为划痕等阻断介质通过密封面从而形成有效机械密封，施加于设备的外载荷、弹簧弹力和密封界面介质压力差共同形成密封界面所需一个的接触应力，从而实现长期有效密封。

2、目前，国内散裂中子源、北京正负电子对撞机、北京高能同步辐射光源等高真空系统由于需要耐受高温烘烤、长效辐射损伤、循环振动等严苛工作状况，市面上常规的非金属(橡胶)密封圈无法满足其使用要求，目前多采用国外进口的超高真空金属密封圈，但其价格昂贵，难以大范围推广应用，而在本领域中，关于该类超高真空金属密封圈产品的研究和开发极少。为了更好的适应国内市场的需求，降低产品成本，对于该类超高真空金属密封圈产品及其生产工艺、检测工艺等的研究和开发就极为重要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超高真空弹性蓄能金属密封圈，该密封圈产品具有优良的密封效果，可更好地应用于高能加速器等高温、高辐射设备的使用。

2、本发明的目的在于提供一种上述超高真空弹性蓄能金属密封圈的制作方法，该方法原理简单，制作成本低，且所制得的密封圈产品具有良好的密封性能，可广泛应用于高能加速器等高温、高辐射设备的使用。

3、本发明的技术方案为：一种超高真空弹性蓄能金属密封圈，包括由内到外依次设置的密封圈本体、密封圈夹层和密封圈外层，密封圈本体的径向截面呈o型，密封圈夹层和密封圈外层的径向截面分别呈带有缺口的c型，密封圈夹层的缺口位于密封圈本体的圆周外侧，密封圈外层的缺口位于密封圈夹层的缺口的外侧；密封圈外层的上下两侧分别呈中部带有密封凸起的水平面。

4、所述密封圈本体为弹簧，密封圈夹层为一侧带有开口(即开口处形成上述c型的缺口)的环形薄壁金属层，密封圈外层为一侧带有开口(即开口处形成上述c型的缺口)的软金属层。

5、所述密封圈夹层的材质是镍合金材料，密封圈外层的材质为al或pt。

6、所述密封凸起整体呈环状，位于密封圈外层上下两侧的密封凸起对称设置；密封凸起的截面呈半圆形、弧形、三角形或矩形。

7、上述密封圈结构中，其密封圈夹层和密封圈外层的径向截面设计为c型，密封时除了外载荷的作用外，还能利用密封界面内外压力差形成自密封，从而减小有效密封载荷值，并达到更加优良的密封效果。

8、密封圈外层上密封凸起的设计，是将常规的唇形密封(即面密封)改进成线密封，减小密封宽度，从而降低密封压力等级，可拓宽有效密封的压力范围。这是因为：理论上，线密封宽度与密封效果无关，但是线密封宽度越大，其密封载荷越大。

9、密封圈本体采用弹簧，可提供压缩的弹性蓄能，弥补密封状态发生的改变，且能有效保证密封圈与待密封设备的接合面始终具有足够的接触应力，确保密封可靠性。

10、密封圈夹层采用高温镍合金材料进行制作，可确保密封圈被压缩时，其薄壁软金属的密封圈外层不直接与高强度弹簧的密封圈本体接触，以免造成压溃破坏。

11、密封圈外层采用铝层或铂层等软金属，在密封过程中，若密封凸起被压平后，密封圈外层可继续提供足够的塑性变形流动，同样实现以较小的密封压力产生足够的塑性变形，有利于弥补密封圈与待密封设备之间的接合面间隙。

12、本发明一种上述超高真空弹性蓄能金属密封圈的制作方法，包括以下步骤：

13、(1)制作密封圈本体：

14、(1-1)采用抗拉强度大于或等于1700mpa的冷拉钢丝，检验确认钢丝无机械损伤后，将钢丝进行绕制形成直线弹簧；

15、(1-2)将直线弹簧进行热处理；

16、(1-3)将直线弹簧两端进行焊接，形成环状的o型弹簧，作为密封圈本体；

17、(2)制作密封圈夹层：

18、(2-1)采用镍合金薄片，检验确认材料表面无机械损伤之后，将镍合金薄片切割成单条状；

19、(2-2)使用夹具装配单条状的镍合金薄片，使其两端对准齐平，再对两端进行焊接，焊接后形成的零件为镍合金环带；

20、(2-3)将镍合金环带装入成型模具，施压并保压，使其形成径向截面呈u型的镍合金环带；

21、(2-4)将步骤(2-3)获得的径向截面呈u型的镍合金环带放入真空炉中进行真空固溶处理，降低硬度；

22、(2-5)重复步骤(2-3)至(2-4)至少一次；

23、(2-6)在径向截面呈u型的镍合金环带中装入步骤(1-3)获得的密封圈本体；

24、(2-7)将装有密封圈本体的镍合金环带放入收口模具中，施压并保压，使镍合金环带的径向截面逐渐成型为c型；获得一体式的密封圈本体和密封圈夹层；

25、(3)制作密封圈外层：

26、(3-1)采用纯铝环带或纯铂环带，检验确认材料表面无机械损伤；

27、(3-2)将纯铝环带或纯铂环带装入成型模具，施压并保压，使其形成径向截面呈u型的纯铝环带或纯铂环带；

28、(3-3)将步骤(3-2)获得的径向截面呈u型的纯铝环带或纯铂环带放入真空炉中进行真空固溶处理，降低硬度；

29、(3-4)重复步骤(3-2)至(3-3)至少一次；

30、(3-5)在径向截面呈u型的纯铝环带或纯铂环带中装入步骤(2-7)获得的密封圈本体和密封圈夹层；

31、(3-6)将装有密封圈本体和密封圈夹层的纯铝环带或纯铂环带放入收口模具中，施压并保压，使纯铝环带或纯铂环带的径向截面逐渐成型为c型；获得一体式的密封圈本体、密封圈夹层和密封圈外层；

32、(3-7)步骤(3-6)获得的一体式的密封圈本体、密封圈夹层和密封圈外层安装于车床上，在纯铝环带或纯铂环带的缺口处上下两侧，采用刀具对纯铝环带的外周表面进行切削，刀具上的刀口形状与密封凸起的截面形状相对应，切削过程中，刀具上的刀口处沿环形铝带或纯铂环带的表面逐渐形成环状的密封凸起，使纯铝环带或纯铂环带的上下两侧分别形成中部带有密封凸起的水平面；至此形成超高真空弹性蓄能金属密封圈。

33、所述步骤(1-2)中，对直线弹簧进行热处理时，采用井式炉，热处理的温度为280℃，热处理时间为30min。该过程中，由于绕制形成的直线弹簧具有冷作硬化的应力，因此需要热处理消除应力。

34、所述步骤(1-3)中，对直线弹簧两端进行焊接时，采用电子束焊接设备，利用螺栓将直线弹簧首尾固定后，通过电子束焊接使直线弹簧的首尾自熔为一体。该过程中，电子束焊接设备上的焊接束流值可根据弹簧的实际尺寸要求进行设置。

35、所述步骤(2-1)中，镍合金薄片的壁厚0.2mm。

36、所述步骤(2-2)中，对镍合金薄片的两端进行焊接时，采用电子束焊接设备，将安装有镍合金薄片的夹具安装在电子束焊接设备的卡盘上，通过电子束对准焊缝中心进行焊接。焊接过程中，各工艺参数要求如下：聚焦407ma，高压50kv，焊接束流0.9ma，焊接速度1000mm/min。电子束焊接采用单面焊双面成型的方式，焊接后的零件要求无烧穿、气孔等表面缺陷。

37、所述步骤(2-3)中，成型模具包括压芯、上模、下模、第一芯架和第二芯架，上模和压芯设于下模上方，上模设于压芯外周，上模和下模之间设有第一芯架和第二芯架，成型模具闭合时，压芯底面与下模相接，第一芯架、第二芯架和压芯之间形成模腔，镍合金环形带装入于模腔中。成型过程中，通过液压机施压后，压芯往下运动，第一芯架、第二芯架与橡胶芯子之间所形成的模腔截面呈u型，是所需的零件形状，使得成型后的镍合金环带的径向截面呈u型。

38、所述步骤(2-4)中，真空固溶处理时采用真空炉，其温度为998℃，处理时间为40min，处理后采用氩气进行冷却。

39、本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

40、本超高真空弹性蓄能金属密封圈具有优良的密封效果，超高真空弹性蓄能金属密封圈的制作方法原理简单，制作成本低，且所制得的密封圈产品具有良好的密封性能，可广泛应用于高能加速器等高温、高辐射设备的使用，主要体现在以下几方面：

41、(1)通过o型的密封圈本体与c型的密封圈夹层、密封圈外层的配合，密封时除了外载荷的作用外，还能利用大气压形成自密封，从而达到更加优良的密封效果。

42、(2)密封圈外层上密封凸起的设计，是将常规的唇形密封(即面密封)改进成线密封，减小密封宽度，从而降低密封压力等级，可拓宽有效密封的压力范围。

43、(3)密封圈本体采用弹簧，可提供压缩的弹性蓄能，弥补密封状态发生的改变，且能有效保证密封圈与待密封设备的接合面始终具有足够的接触应力，确保密封可靠性。密封圈夹层采用高温镍合金材料进行制作，可确保密封圈被压缩时，其薄壁软金属的密封圈外层不直接与高强度弹簧的密封圈本体接触，以免造成压溃破坏。密封圈外层采用铝层或铂层等软金属，在密封过程中，若密封凸起被压平后，密封圈外层可继续提供足够的塑性变形流动，同样实现以较小的密封压力产生足够的塑性变形，有利于弥补密封圈与待密封设备之间的接合面间隙。密封圈本体、密封圈夹层和密封圈外层三者形成一体式结构，且可利用密封圈本体的弹性、密封圈夹层、密封圈外层、密封凸起的软金属特性，在密封圈使用时可相互变形弥补，形成良好的密封结构，同时，避免橡胶的使用，可更好地应用于高能加速器等高温、高辐射设备、振动等动态密封的使用。