汽车工业气体监测系统

受益于先进的氦气检漏法，成本效益与高检出率得以二者兼备　　业界对汽车制造的质量要求越来越高，但汽车制造业的盈利压力却一如既往并没有降低。对密封性的要求及其检测方法的发展状况同样如此。传统的检测方法不再可靠，而像真空氦气检漏仪这样的仪器却价格昂贵，并且过于敏感，上千种因素都能引起其变化。如今，一款常压氦检漏设备添补了空白。　　压力和气泡检测不够精确　　一直以来，大多数汽车与摩托车容纳液体的容器都需要在水槽中水检或者采用压力衰减法进行气密性检测。虽然这两种方法的检测成本较低，但其只能检测最高为10-2 至 10-3 mbar l/s的泄露。另外，由于水的表面张力，小气泡根本无法形成，所以，在水中进行气泡检测根本无法检测出较小漏孔。与此同时，空调零部件或带阀门的燃油箱的检测漏率范围为10-5 mbar l/s，但喷射阀的检测范围还是保持在10-4 mbar l/s。所以，传统的泄漏检测法在汽车业根本不适用。此外，由于有些检测部件是潮湿的，该方法不能对所有零部件进行检测，而且作为一项纯粹的需要眼力的工作，检测结果完全取决于进行检测的人的能力及其注意力。　　采用压力衰减法时(或压降法检测)，将空气以特定的压力引入到检测部件中。如果有泄露情况，压力则会降低，其差值可以被检测出来。理论上非常简单，但在实际操作中，必须应对各种变量的干扰。因为压力变化并不一定是泄露造成的。一方面，检测部件本身的弹性变化也会对压力产生影响，当空气快速地进入检测部件时，检测部件会膨胀，然后再逐渐紧缩检测。因为所测差值取决于压力和体积，所以在检测过程中需要等待，直至检测部件恢复其原始体积(稳定期)。原始体积与空气进入时的压力越大，检测部件达到稳定期所需的时间则越长。在生产情况下，检测部件体积上限约为5升。　　如果稳定期所需时间太长，该种检测法也称不上低成本了。另外，当空气进入塑料检测部件时，还需要考虑蠕变性能(检测部件的塑料部分会因载重而变形)。检测过后，取决于塑料的分子结构，检测部件的体积会有不同程度的增大，压力也会随之衰减。这种情况下，几乎不可能对低泄漏率进行可靠测量。此外，随着温度的不同，压力也会发生很大的变化。当检测压力为5巴，检测体积为1升，检测时间为30秒时，温度每下降0.1°C就会产生6*10-2 mbar l/s的虚拟泄漏率。然而，如果温度上升0.1°C，即使泄漏率为6*10-2 mbar l/s，在检测部件上也不会有所体现，这是因为，检测尽管随着温度的变化压力增加了，但这些增加的压力却被泄露而导致的压力衰减同时抵消了。制造汽车所需的很多零部件大多都直接来源于生产线，由于生产过程，这些零部件的温度一般不会低。　　如果在检测过程中冷却这些零部件，会使检测结果不真实，从而不利于对泄漏率进行有效控制。我们当然可以在检测部件达到适当稳定期之后再行检测，从而抵消这种不利影响，但浪费掉的大量时间也是影响成本的因素。或者，我们可以设立一个冷却区，但这意味着投资的大幅度增加。周围环境的温度也是一个主要问题，甚至日照变化都可能引起温度的波动，从而导致检测结果的改变。一般来说，高温是最值得警惕的问题。最后，空气湿度也会使检测结果发生变化，因为空气中水蒸气的蒸汽压会影响测量，产生差值检测。以上这些都是亚洲区域低成本生产设备的主要特点，所以在亚洲建立检测区极为复杂且富于挑战，并且这样做还会抹杀我们在成本上的优势。这种情况下，很难保证出现同一测量结果，而且，随着泄漏率变小或容积变大，各项测量数据相同的几率会持续下降。所以，就汽车行业批量生产的诸多要求来说，压降法已经无法保证其测量数据的准确性，或者可以说，该方法在某些地区已失去效用。　　真空检漏价格昂贵　　我们还可以选择其他检测方法：如将氦气作为检测气体采用质谱仪检测泄漏情况。虽然用最少的氦气就能检测出最小的泄漏率(10-11 mbar l/s)，但这必须在高度真空的条件下才能进行。就这一点而言，这种方法成本太高。真空箱必须高度密封，而且还要配备各种高性能泵才能产生真空效果，这样一来，生产和操作成本都太高。这种方法非常有效，极小的泄漏也能被检测出来，并且检测仅需几秒就可完成，该系统非常先进，在完成几轮检测后依然可以保持最佳检测状态，即使在氦气浓度持续增高的情况下，也依然如此。　　但是，该系统并不是上述问题的最佳解决方案，因为这项检测敏感度极高，多达上千种因素都可引起其检测结果的变化，而且其购置和操作成本太高，大大抵消了其优势。另外，为检测部件而将检测室抽成真空意味着其压差通常会高达1巴。由于设计零部件时通常不会考虑到会出现如此大的压力，许多塑料部件可能会被损坏。在这种情况下，同时对检测室和检测部件进行真空处理，与之前低压下用氦气填充检测部件花费相当。另外，对于大体积检测部件如汽车水箱和其他零部件而言，真空室的大小也需相应变化。因此,一方面检测室真空处理的泵送时间以及整个检测时间都会延长 另一方面，安装工程较大，致使投资成本上涨。在汽车行业向低成本、高效率转型的今天，无论是时间的延长还是成本的增加，都已经不再适用。　　在非真空条件下进行替代检漏/混合氦气检漏　　在汽车工业中，采用空气进行检测在很多方面已经达到极限，但在真空环境下进行检测成本又过于高昂。泄漏率在10-2 到 10-5 mbar l/s之间，确实存在一个区域可以采用高性能、全自动的检测方法。如今，在大气压下，在积累箱内采用氦气或氢气进行泄漏检测(积累法)，已经成为填充这一区域最经济的解决方案(见图1)。氢气，更准确地说是一种含氢量为5%的合成气体，它与氦气一样也可用于泄漏检测。作为一种检测气体，它的价格更为合理(在美国，它只是氦气价格的1/3，在中国，这个数字是1/10)。但是采用这种气体进行检测，无法保持相同的敏感度，且对于较小泄漏率如10-3 mbar l/s而言，在检测部件净容积为10升的情况下，检测时间约为5分钟(氦气检漏为11秒)。　　就检测情况来说，氢检漏法更接近于压降法，但其在弹性和温度方面却没有压降法的那些弱点。氦气也适用于泄漏率为10-4 至 10-5 mbar l/s的泄漏检测。因为检测在正常压力下，这种检测方法不能使用质谱仪，所以需要一个敏感度高的传感器来测量不断增加的氦浓度。这些传感器采用Wise Technology专利，且仅应用于英福康系统。在检测室内通过检测气体的连接氦气被导入到检测部件中检测，如果存在泄漏，检测气体就会通过泄露处跑到积累箱中。　　风扇可以保证腔室中氦气的平均分布。如此一来，就可以在不知道泄漏位置的情况下进行精确测量。传感器可检测出大气中检测气体的含量。在英福康 T-Guard 系统中，传感器由真空玻璃管构成，该玻璃管上部带有能渗透氦的石英膜，这层石英膜像一块海绵，只有分子水平的氦气才能从中穿过。玻璃管中氦气浓度的变化可以通过辅助的压力测量装置中的电流变化测量出来。(见图2)　　采用这种方法，传感器解决方案可以确切地分辨出浓度到底是增加了25 ppb还是增加了0.025 ppm，检测能够可靠地检测出10-6 mbar l/s以内的泄漏率。在生产过程中， 对于一个5升的自由容积检测室(自由容积是指检测室容积减去检测部件容积)，该方法可以在大约30秒之内检测出1*10-4 mbar l/s的泄漏率。对于容积为1升的检测室，检测出这样的泄漏率仅需11秒。连同开机设定时间在内，每个检测部件的检测时间仅需约16秒，每小时可检测225个检测部件。(见图3)　　该检测方法还有其他特殊应用，如检测排气再循环系统内部和外部的气密性，能检测的泄漏率为2 sccm，约合3.3 * 10-2 mbar l/s。在一个体积为40升、以混合气体(含10%氦气)作为检测气体的检测箱中，检测时间为11秒，每个检测部件全部循环时间为45秒。除了速度快之外，该检测方法还有其他优点，如它可以对塑料检测部件进行检测。气体导入后，检测部件容积变大，但并不会影响该测量系统。此外，温度、湿度和弹性也都不能造成任何影响。为了检查该系统是否能达到泄漏率检测限检测部件，可将检测部件放置在检测箱的不同位置，以便进一步检查检测箱中的氦气浓度是否保持一致。　　传感器和系统　　作为泄漏检测系统的组成部分，敏感度并非是对于测量系统的唯一要求。此外，还需要易于集成、个性化设置以及低维护运行性能。另外，为迎合工厂工程需求，检检测系统还必须设计简单紧凑，这样该系统就可以与液压件和电子元件很好地进行连接，同时还可以在多种检测模式中灵活运用。(见图4)　　该积累法优势明显。首先无需对标准大气进行真空处理，这样就可以避免使用涡轮分子泵、气密性要求极高的真空箱，以及高敏质谱仪。这极大地简化了测量系统的设计，并能更好地控制或降低整个系统的采购和维护成本。另外，采用该种方法能检测得出可靠且具有重复性的检测结果，即使采用家用塑料盒也能成功完成。此外，即使检测部件体积非常大、高温度或潮湿，这种混合氦气检漏的测量值依然具有高度的重复性，检测部件无需在检测前进行长时间的冷却或干燥。从经济上考虑，快速、全自动的检测是生产线上最为关键的部分，所以这种无需真空条件的氦检漏方法是汽车零部件制造业的理想手段，能满足汽车制造业对于质量和成本的双重需求。　　图1：在常压下，氦气检漏可以填充10-2 到 10-5 mbar l/s之间的区域。(理想状态：10-6mbar l/s)　　 　　图2：传感器中心是真空玻璃管，该玻璃管上部带有能渗透氦的石英膜。　　 　　图3：常压下氦检漏过程中检测部件泄漏率与净容积之间的关系。　　 　　图4：在大气压下T-Guard就能通过简单检测箱工作，无需复杂的高真空箱及真空泵。　　 　　图5：以积累箱进行混合氦气检漏，该方法已用于检测汽车行业的扭矩转换器。　　 图6：检测箱需与检测部件尽量靠近，有限的自由容积使检测时间更短且更富有成效。　　关于英福康　　英福康(INFICON)是世界领先的检漏仪器仪表的开发商，制造商与供应商。其检漏仪被广泛应用于生产和质量监控中有较高难度的工业流程中。英福康的主要客户有制冷和空调设备的制造商与服务商，汽车制造商和汽车零部件供应商，半导体行业以及检漏系统集成商。全球几乎所有重要的汽车制造商及零部件供应商是英福康的客户，其中包括安全气囊、空调及元件、油箱、喷油器系统、各种流体容器生产商等。　　作为英福康控股(总部位于瑞士)的一个分支，检漏业务部门使用了英福康控股的其他下属业务部门的产品，如质谱仪和真空控制设备。在2006年，英福康 “智慧科技(Wise Technology)”专利的应用，为示踪气体检漏技术带来了革命性的创新。在2011年，英福康收购了Pfeiffer Vacuum(前身为Sensistor的下属部门)公司的氢泄漏检测技术。　　英福康在检漏领域拥有50多年的经验。它通过在科隆(德国)，查斯(列支敦士登)，林雪平(瑞典)，雪城(美国)和上海(中国)地区的生产据点，在重要工业国家的销售办事处，以及与销售伙伴组成的广泛销售网络来进行产品的全球销售管理和支持。在2011年，在全球范围内，英福康实现了3.15亿美元的收益，拥有员工约950名。INFICON在 SIX 瑞士交易所上市，代号为IFCN。　　英福康在中国　　英福康(中国)是英福康集团在中国的全资分公司，于2006年在中国上海投资设立了制造工厂，并在北京、上海、广州、香港分别设有销售办事处。英福康在中国同步提供集团所有系列的创新产品，并响应中国客户的生产要求，确保为综合性的销售、培训、应用支持和维修服务提供本地化的支持。截至2012年年中，英福康在中国的员工人数超出 100人。英福康在中国发展迅猛，并计划伴随中国市场的不断发展进一步扩大。　　了解更多关于英福康的信息，请浏览：http://www.inficonautomotive.com/zh/index.html

根据美国Research And Markets 1月25日发布的最新全球汽车工业用复合材料市场分析报告，全球汽车工业复合材料市场预计将从2020年的54亿美元增长到2025年的93亿美元，2020年至2025年之间的复合年均增长率（compound annual growth rate，CAGR）为11.5％。对轻量化和节能汽车的需求以及电动汽车的新兴发展是推动汽车工业复合材料市场增长的主要因素，而提高OEM厂商对严格的政府排放控制法规的认识则是汽车复合材料市场增长的机会。但是，COVID-19疫情对汽车复合材料的负面影响对汽车行业市场增长产生了不利影响。就增强纤维类型而言：玻璃纤维复合材料仍然是汽车工业复合材料最大的细分市场。玻璃纤维具有强度、耐久性、柔韧性、稳定性、重量轻、耐热、耐温、防潮等优点，是汽车工业复合材料生产厂家的首选材料。例如，在汽车中，玻璃纤维可用于不同的应用，如车身底部系统、前端模块、甲板盖、保险杠横梁、发动机罩仪表板和风道，以及其他车身部件。但是在2020年至2025年预测期内，预计碳纤维复合材料价值和产量的复合年增长率最高。就应用结构件类型而言：车身结构是汽车工业复合材料的最大应用。放置在整体式车身外表面上的车身复合材料被称为车身外部零件。外部零件包括主要部件如保险杠、挡泥板、前端模块、门板和引擎盖等。在汽车工业中使用复合材料是一个新兴趋势，因为这些复合材料有助于实现高性能性能，如高刚度、轻量化和高强度重量比。使用复合材料制造的外部零件具有刚性，因此在发生事故时提供最小的损坏风险。复合材料也有助于减轻外部部件的重量，从而使整个车身的重量减轻，并使其更省油。外部零件位于车身外表面，由于暴露在恶劣环境和极端天气下，更容易磨损。在外部部件中使用复合材料，如挡泥板、发动机罩、保险杠横梁、行李厢盖和其他部件，增加了汽车的耐久性，确保了较长的使用寿命并降低了维护成本。就轻量化汽车的类型而言：非电动汽车仍然是汽车工业复合材料应用最大的车型，包括宝马、奥迪、雷诺、保时捷、大众、菲亚特克莱斯勒等众多车企，均在在其高端非电动汽车中使用复合材料。例如，保时捷GT3 Cup II车型制造了CFRP组装支架，而宝马和菲亚特克莱斯勒则在其轻型仪表盘支架以及阿尔法罗密欧4C跑车的整个底盘中使用碳纤维复合材料和玻璃纤维增强聚丙烯（PP）复合材料。德国汽车制造商已经开发出Rodeo概念车，这是一款基于经典保时捷911 safari拉力赛车的全轮驱动碳纤维越野车。全球OEM采取的这些举措一直在推动汽车复合材料在非电动汽车中的应用。就汽车工业复合材料区域而言：欧洲是领先的汽车复合材料市场。欧洲汽车复合材料市场的增长是由该地区汽车行业中老牌汽车制造商的存在、工业扩张以及该地区汽车工业引进的工业4.0技术推动的。汽车工业是欧洲地区的主要产业之一，比其他任何地区都高。欧盟是全球最大的汽车生产国之一，该行业是研发领域最大的私人投资者，每年约投资574亿欧元，欧盟汽车工业的营业额占GDP的7％。

为广泛征求用户的意见和需求，了解中国科学仪器市场的实际情况和仪器应用情况，仪器信息网自2008年6月1日开始，对不同行业有代表性的“100家实验室”进行走访参观。近日，仪器信息网工作人员访问了本次活动的第四十站：福建戴姆勒汽车工业有限公司品管实验室。　　福建戴姆勒汽车工业有限公司由福建省汽车工业集团有限公司、戴姆勒轻型汽车(香港)有限公司(该公司系德国戴姆勒股份公司与台湾中华汽车工业股份有限公司的合资企业)各出资50%组建而成，公司主要进行戴姆勒旗下的梅赛德斯-奔驰中高档商务车唯雅诺Viano、威霆Vito、凌特Sprinter的制造生产。福建戴姆勒汽车工业有限公司外观　　此次我们参观的实验室就是其品管实验室(以下简称为实验室)。实验室位于福建省福州市闽侯县青口投资区的福建戴姆勒汽车工业有限公司的焊装车间内，基础设施于2008年底建成，2009年1月开始导入各种仪器设备并运行。整个实验室占地面积468m2，按照功能划分为：机械分析室、化学分析室、涂料分析室、校准测量室四大块。实验室共有工作人员10名，1个实验室主管，5个工程师(其中三名硕士)，4个技术员。实验室的宗旨是：以ISO17025的标准和要求建立并运行实验室。　　据实验室工作人员介绍，实验室主要职责是：(1)负责公司所生产乘用车的国产化零部件的材料分析及质量放行工作；(2)支持供应商的新产品研发过程质量把关；(3)支持公司内部焊装、涂装、总装三大车间生产过程中的材料质量问题的分析解决；(4)负责生产车间内扭力扳手的内部校准服务及仪器设备的校准管理工作。检测的项目涉及金属材料(主要是车身钣金和金属零部件)、非金属材料(主要是汽车内饰件塑料橡胶等材料)、涂料、胶粘剂及汽车服务液体等材料的物理性能、化学性能的测试。　　实验室里共有仪器设备52台套，基本都为欧美品牌。实验室工作人员解释到，“作为德国品牌在中国的合资公司，对于检测仪器的要求较高，并且资金方面也比较充足，故在仪器选择上主要参考德国戴姆勒公司的设备及品牌。”金属材料的腐蚀老化测试、胶及外饰件的耐环境老化试验以及汽车内饰件的耐环境老化试验设备　　德国WEISS恒温恒湿试验箱(左)：为塑料、橡胶、胶黏剂等提供加速耐候老化试验　　美国ATLAS氙灯老化试验箱(右)：为塑料、橡胶等提供模拟加速太阳光老化试验　　德国Erichsen的盐雾试验箱(左)：为金属零部件及胶黏剂等提供盐雾腐蚀试验　　美国Q-LAB QUV老化试验箱(右)：为汽车面漆试板模拟UV加速老化试验金属材料及非金属材料的力学及硬度等机械性能测试设备　　德国ZWICK10KN 的万能材料试验机(左)：主要分析橡胶或胶黏剂材料的拉伸试验　　　德国ZWICK250KN的万能材料试验机(右)：主要分析金属材料的拉伸试验　　　　美国wilson（Instron旗下）显微维氏硬度计(左)：测试金属显微维氏硬度　　美国wilson（Instron旗下）万能硬度计(中)：测试金属用的30KN布氏、维氏、洛氏一体机　　美国wilson（Instron旗下）邵氏硬度计(右)：测试橡胶的邵氏硬度金属及非金属材料宏观和金属微观的分析设备德国徕卡体式显微镜（左）及金相显微镜（右）　　汽车涂料及金属涂层、塑料涂层物理性能测试设备　　德国Erichsen杯凸仪(左上)：主要测试汽车漆附着性能　　德国Erichsen石子冲击仪(左中)：主要测试汽车漆层的抗石击性能　　　　美国X-rite光源灯箱(左下)：用于油漆色板的颜色外观放行　　德国Erichsen摆杆冲击仪(右)：测试油漆涂层的软硬度　　汽车用化学品及养护品的密度、粘度、水分、pH值等测试设备　　奥地利安东帕密度计&折光率仪(左上)：主要分析车用化学品，防冻液及风窗玻璃清洗液的密度及折光率指数　　奥地利安东帕粘度仪SVM3000(左中)：主要分析车用油品的运动粘度及动力粘度　　瑞士万通KF水分仪(左下)：主要分析车用油品中微量水分含量　　瑞士万通自动电位滴定仪(右)：主要用于涂装车间中槽液的酸碱滴定塑料橡胶定性分析设备　　德国耐驰差示扫描量热仪(左)：主要为塑料橡胶提供定性分析，测试材料的熔融点、玻璃化转变温度等　　德国耐驰热重分析仪(右)：主要为塑料橡胶提供定性分析，测试材料的灰分、微量水分等　　非金属材料及油品定性分析设备赛默飞世尔FTIR金属制样设备Struers研磨抛光机(左上)、Struers热镶样机(左下)、Struers切割机(右)　　实验室的工作人员介绍说，“汽车行业特别重视耐老化性能测试，如盐雾加速腐蚀试验、模拟阳光老化试验、模拟紫外老化试验，高低温交变老化试验等。针对这些测试，实验室具备了较强的仪器设备能力。限于规模，实验室在光谱、色谱及元素分析等仪器能力配备较弱，所以对于金属元素分析及VOC检测等化学分析项目，则采用外送第三方检测机构进行检测的方式。”　　　　谈到实验室资质问题时，实验室工作人员告诉笔者，“虽然目前还未有申请相关资质认证的意向，但作为企业实验室，我们严格按照ISO17025的标准和要求建立并运行实验室。公司德国总部的实验室运营多年，相关管理规则健全，积累了丰富的经验，而且实验室三分之二的工程师曾经在德国经过三个月的培训，总之，实验室主要参照德国总部实验室进行管理与运营，我们用戴姆勒的高标准为奔驰的商务车品质把关。”　　关于仪器的维修，实验室工作人员表示：“我们实验室的仪器设备品牌都是口碑好，性能高的产品，出现问题比较少，即便有问题，相关厂商从上海或广州也能保证48小时到场进行维修。”