密封电连接器低温空气泄漏试验方法研究

张潇，万博

（北京航空航天大学，北京100191）

ZHANG Xiao，WAN Bo

（Beihany University，Beijing 100191，China）

密封电连接器低温空气泄漏试验方法研究

张潇，万博

（北京航空航天大学，北京100191）

空气泄漏法和喷氦法是检测电连接器密封性的两种常见的试验方法，但这两种方法均存在各种不足。在对以上两种方法所存在的问题进行分析后，阐述了开发一种新的试验方法的必要性。运用氦质谱检测法的原理，设计了一套新的试验系统，并对其试验方法和试验过程进行了研究，总结出了具体的试验步骤。

密封电连接器；空气泄漏法；氦质谱检测法；试验方法；验证

0 引言

电连接器是一种依靠插针、插孔的插合和分离来实现电路通断的机电元件。电连接器广泛地应用于各种尖端技术系统、大型军用和民用系统中，其可靠性对整个系统有着十分重要的影响。

在航空、航天等领域中应用的密封电连接器，由于长期运行在低温环境中，其两侧可能会存在较大的压差，甚至是两种不同的气体介质，一旦发生泄漏就将产生严重的安全问题。因此，针对宇航级密封电连接器，需要进行一定温度范围内的空气泄漏试验，测量其漏率，以确保其具有良好的密封性。

GJB 1217A-2009对电连接器的密封性检测方法做出了规定，但因其存在精度差、操作不便等问题，笔者走访调研发现，国内厂家并未采用标准中规定的方法而是采用喷氦法来进行电连接器的漏率检测。虽然喷氦法具有较高的精度，但是却无法有效地进行低温检测。因此，本文开发了一种新型的试验方法，配合对应的试验夹具，可以精准、有效地测量常温（25℃）至低温（-55℃）范围内的密封电连接器的空气泄漏。

1 常见的检测方法及其存在的问题分析

针对密封电连接器的密封性测试试验，GJB 1217A-2009《电连接器试验方法》方法1008给出了空气泄漏法的试验设备和试验步骤。所谓空气泄漏法，即是一种在安装好的固定连接器前后之间产生一个气压差，然后在试验样品的低气压端接气管导入倒置的酒精杯中，通过观察气泡冒出的速率来判断试验样品密封处的漏泄程度的方法，其原理如图1所示。然而，该方法最大的问题是，仅仅依靠目视，难以准确地确定气泡的直径和气泡产生的频率，因此难以准确地测量样品的漏率，并且难以精准地施加温度应力。

图1 空气泄漏法密封试验原理图

因此，据笔者调研发现，国内很多电连接器生产厂家和用户往往选用喷氦法进行密封性试验。具体的做法是:首先，将电连接器的一端固定在氦质谱仪的吸盘上，并涂抹密封硅脂，打开质谱仪，此端会被吸真空；然后，在另一端用喷枪喷氦气，如图2所示。如果电连接内部有漏孔，在压差的作用下，氦气就会立即被吸入到真空系统，从而扩散到质谱室中，氦质谱检漏仪的输出就会立即有响应，并显示出漏率值。

图2 喷氦法测试电连接器的试验原理图

此方法操作方便、易行，而且由于氦质谱仪可以在很宽的范围内进行精确的数值测量，因此，喷氦法逐渐地成为了业内普遍使用的密封电连接器气密性试验方法。然而，此方法不能做不同压差下的试验，而且仅适用于常温检测。因此，很多厂家不采用此方法进行低温检测，或者先将电连接器放置于低温箱中，一段时间后取出继续上述试验。但是空气中的水汽会迅速地在低温的电连接器表面形成冰霜，堵塞漏孔，从而导致该方法无法检测出漏孔的存在。

因此，本文提供了一种改进的密封电连接器低温空气泄漏的测试方法，该方法能在低温下实时地进行空气泄漏试验，精度高，操作方便，而且不受外界环境因素的干扰。

2 装置的设计方案

相对于GJB 1217A-2009中的1008方法而言，用氦质谱仪进行直接检测的喷氦法具有较高的精度，可直接读取漏率，氦气易获取且无毒、无可燃性和安全性高。因此，本试验将基于喷氦法进行改进，并设计了一套夹具，以便于进行低温下的空气泄漏试验。

2.1 整体设计方案

对电连接器实时地施加温度应力最好的方式是将电连接器直接置入温控箱内。传统的喷氦法中由于电连接器和氦质谱仪直接连接，从而无法对电连接器施加温度应力。因此，本文设计了一套隔离夹具系统，将电连接器两端密封隔离后置于温控箱，通过真空气管分别连接氦气瓶和氦质谱仪，用于在特定温度和压差下测量电连接器的漏率。整体试验原理示意图如图3所示。

图3 整体试验原理示意图

2.2 夹具设计

由于大多数的电连接两端为平面圆环的结构，因而本设计中将夹具设计成两个夹板（充气腔压板和抽气腔压板），配合固定用的螺栓，以便于固定不同尺寸的电连接器。进行低温试验后，表面会形成冰霜，因此材料选用不锈钢。针对部分插针外露的电连接器，可以加上对应尺寸的垫环，在不破坏插针的前提下，进行密封组装和测试。本设计的优点是只需根据其具体的尺寸对应加工即可，不必重新加工整个夹具，节省成本。插针外漏的电连接器和对应适配套环置于夹具中的示意图如图4所示（图中白色部分为适配套环），实物图如图5所示。

图4 插针外漏的电连接器和对应适配套环置于夹具中的示意图

图5 插针外漏的电连接器和对应适配套环置于夹具测试的实物图

2.3 其他配套仪器的要求

氦质谱仪要有足够的精度。例如: GJB 599-1993给的漏率合格判据是1×10-8Pa·m3/s，因此氦质谱仪的最小检测精度应该在1×10-9Pa·m3/s以上，本例试验选取了中科院的ZQJ-542型氦质谱检测仪，其漏率测量范围为5.1× 10-12～1 Pa·m3/s，并且自带压力测量显示系统，可以满足密封电连接器低温空气泄漏试验的精度要求。示踪气体选择氦气，由氦气瓶提供高纯度氦气，通过减压阀，能够输出指定压力的氦气。例如:国军标中的一个大气压差，因检漏端已经抽真空，供气端应提供一个大气压。如有其他不同的压差要求，则应选择对应的减压阀输出对应压力的氦气。真空皮管要求能耐得住低温（-55℃），并可以抽真空、不塌陷。温控箱可以将温度设定在试验需要的温度，如本试验从常温（25℃）到低温（-55℃），并配有侧边的连接孔，以便于箱内和箱外的连接。

3 试验方法和试验步骤研究

3.1 试验方法研究

要想测电连接器的漏率，则应在其两端产生一个示踪气体（氦气）压力差，以便示踪气体从一端通过漏孔渗透到另一端。进气端和出气端应当保持密封隔离，当发生泄漏时会影响测试准确性。所以，第一步就应当把夹具组装好，上紧螺栓，并涂抹密封硅脂，以保证气密性，并用吸枪法进行气密性检查。

进行低温试验时，由于常温下组装好的夹具在低温下会有一定的收缩，可能会导致密封性下降，因此，到达预设的温度后，需要用扳手再次加固螺栓，以保证气密性。

为了监测准确，施加的示踪气体应保持比较高的浓度。为了避免原真空管内的空气干扰，在测试前应当把空气抽走。因此，设计了一台抽气机，可以将气压抽至0.01 kPa以下。测试前打开抽气机将内部的空气排空，关闭后再打开氦气瓶，可以保证此时进气端腔体内是高纯度的氦气。经过计算，将真空管道内抽至0.01 kPa以下后，再加满一个大气压（101 kPa）99.99%纯度的氦气，可以保证99.98%以上的纯度。此纯度可以保证氦质谱仪的高精度测量。

由于氦质谱仪的工作原理，会在检测端抽真空进行检测，因此，电连接器的出气端和氦质谱仪应当在测试温度范围内保持密封连接，并且能够抽真空，因此选用壁厚的硅胶真空管，以免管道在真空下塌陷以致于影响试验结果。在试验开始时应打开氦质谱仪并调节至“精检模式”，此时氦质谱仪会将出气口管道内的空气抽至真空并进行检测。

此时，电连接器进气端会有一个大气压的高纯度氦气，出气端为真空，在一个大气压差的作用下，氦气会沿着电连接器内部的漏孔渗透至另一端，并被氦质谱仪检测到并显示出实时漏率。

3.2 试验步骤

a）将密封电连接器放置于试验夹具适配套环与抽气腔压板中间，垫入低温密封硅胶垫环，中心对齐后，将4个螺栓插入定位孔，拧紧固定。4个螺栓的上紧程度应保持一致，使夹具前后两部分和电连接器紧密地接触，确保试验夹具的密封性。

b）进气孔道、出气孔道分别与真空硅胶气管相连，针对已设计的试验夹具，采用内径为12 mm，外径为18 mm的真空硅胶气管。利用卡箍卡紧连接处，确保进气端与出气端的密封性。

c）连接空气泄漏试验系统，试验夹具的进气端依次连接抽气机、气压表、减压阀和氦气瓶，试验夹具的出气端依次连接气压表和氦质谱检测仪，应确保各个连接处的密封性。

d）将试验夹具置于低温箱中，安装温度测量装置于电连接器的表面。当密封电连接器达到规定的低温时，再次拧紧加固试验夹具的4个螺栓。若进行常温试验，则直接放置于室温下进行即可。

e）打开抽气机，将进气端的腔体气压抽至0.01 kPa以下后关闭；打开氦气瓶，利用气压表和减压阀，控制进气端的腔体气压达到规定的要求。

f）进行试验夹具密封性验证，分别在进气孔道与真空硅胶气管连接处、出气孔道与真空硅胶气管连接处和密封电连接器安装部位进行吸枪法检测，检验试验夹具是否存在氦气泄漏。若存在泄漏，则从a）重新开始操作；若不存在泄漏，则进行下一步的操作。

g）打开氦质谱检测仪，开机自检完成后，选择“精检模式”，此时氦质谱仪会抽真空，将出气端的腔体气压抽至1×10-1Pa以下，进行漏率测量。

h）观察氦质谱检测仪显示屏数值。当氦质谱检测仪示数稳定时，读数即为此温度下空气泄漏试验中密封电连接器的漏率值。

4 试验结果

密封电连接器的夹具设计完成后，对测量准确度进行验证，以确保测试的准确性。

本次试验选取了5个国内厂家生产的密封电连接器作为试验样品，首先，用氦质谱仪在常温下（25℃）进行喷氦法试验，测得5组样品的漏率；然后，采用改进后的试验方法，在常温（25℃）下进行一个大气压差下的测试，测得5组样品的漏率；最后，进行低温下（-55℃）下的测试，测得5组样品的漏率。试验数据如表1所示。

表1 试验数据

与喷氦法相比，本试验方法的实测数据误差最大不超过6%，证明本方法具有较高的精度。同时发现，在低温下，大多数电连接器的漏率都有明显的上升。据推测应该是低温下漏孔形状发生变化、气体粘滞系数发生改变等因素造成的。若温度进一步地下降，漏率改变应该会进一步地加剧。因此，对于有密封要求的密封电连接器，应根据实际使用的温度，进行不同温度下的漏率测量，不能只测常温下的漏率，以保证实际使用时的密封性。

5 结束语

与国军标中的空气泄漏法和喷氦法相比，本试验方法能够方便、快捷地对被测电连接器施加温度应力，可进行常温至低温环境下密封电连接器的空气泄漏试验，并可通过调节出气口的压力而获得不同压差下的漏率测量。由于该方法通过氦质谱仪进行检测，方便直接读取漏率，具有较高的精度，因此，可以很好地替代以往的方法来进行更有效的试验，为密封电连接器的可靠性提供了保障。

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Research on the Low-temperature Air Leakage Test Method for Sealed Electrical Connector

The air leakage method and the helium injection method are two common test methods to measure the tightness of electrical connectors，but these two methods all have their own shortcomings.After analyzing the problems existing in the above two methods，the necessity of developing a new test method is expounded.Based on the principle of helium mass spectrographic method，a new test system is designed，and the test method and test process are studied，and the specific test steps are summarized.

sealed electrical connector；air leakage method；helium mass spectrographic method；test method；verification

TM 503+.5；TB 42

A

：1672-5468（2017）02-0034-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.02.008

ZHANG Xiao，WAN Bo

（Beihany University，Beijing 100191，China）

2016-08-18

2016-11-16

张潇（1988-），男，山东青岛人，北京航空航天大学，硕士研究生，从事军用电子元器件的质量管理与控制等研究工作。