//Logo Image
作者:柯誌偉(2004-02-03);推薦:徐業良(2004-02-09);最後更新:柯誌偉(2004-03-09)
附註:本文為九十三學年度元智大學機械工程研究所柯誌偉碩士論文「焊接型波紋管膜片斷面形狀最佳化設計」第一章。

第一章 研究背景與目的

1.1 波紋管(Bellows)簡介

「波紋管(Bellows)」是一柔性之可撓元件,從外觀上來看大致可分成兩種,一種是伸縮量較大的「焊接型波紋管(Welded Bellows)」,一種是伸縮量較小的「成形波紋管(Formed Bellows)」,圖1所示為兩種波紋管外觀,而兩種波紋管之波紋形狀如圖2所示。而無論是何種波紋管,其常見的用途是將可動的機械裝置密封起來,或作為真空管路的膨脹節,適合於真空、半導體、石化、儀器、醫療、航空和軍事方面之應用。

                      

焊接型波紋管(Welded Bellows)                          成形波紋管(Formed Bellows)

1. 兩種不同外觀之波紋管

          

焊接型波紋管(Welded Bellows)                  成形波紋管(Formed Bellows)

2. 兩種波紋管之波紋形狀示意圖

焊接型波紋管是一個由許多以衝壓方式成形的薄形中空膜片(Diaphragms),利用精密焊接所製成的高度可彎曲及伸縮之金屬管,常作為超高真空與半導體方面之應用,如圖3所示。組成方式係經由兩成型中空膜片以同心圓的方式作內緣焊接組成膜片對(Convolution),再將多個膜片對堆疊一起作外緣焊接組合成波紋段(Bellows Segment),再於兩端和端板金屬焊接組合成波紋管組(Bellows Assembly),如圖4所示,如此便可因應環境的需要與其他可動之元件一起做往復運動。

3. 焊接型波紋管在半導體設備的應用示意圖

4. 焊接型波紋管組成

成形波紋管為一體成形所製成的波紋管,所以它的壓縮量無法像焊接型波紋管那麼大,目前業界常使用的地方作為真空幫浦管路的連接膨脹管,如圖5所示。因為真空管路在抽真空及破大氣時管路會產生收縮及膨脹,所以如果沒有將某一段管路使用波紋管使之有收縮及膨脹的空間,那麼在如此頻繁的動作下真空管路就會因疲勞而有破裂的危險。

      

5. 成形波紋管(Formed Bellows)在真空管路的使用方式

 

成形波紋管成形製造方式有下列幾種方法:

(1)   液壓成形波紋管

液壓成形波紋管是成形波紋管最常使用的成形方法。利用在環管中的液體壓力使管材在限制環中膨脹成形,直至管材沿環向出現屈服,然後壓縮管材到所需長度。小直徑成形波紋管多採用這種方式。

(2)   滾壓成形波紋管

滾壓成形主要用於加工大型波紋管,是依靠設在管材中的成形輪的滾壓成形,可以用單波滾製成形,有的裝置亦可以一次成形數個波紋。

(3)   機械脹形波紋管

此成形方法是採用在管材內部擴張的治具,逐個地脹壓成波紋,初步成形後,再用內外精密輥壓定型。

(4)   沉積成形波紋管

此成形方法是利用電沉積方法將波紋管材料沉積到蕊模上,然後將蕊模熔融。這種波紋管材料是一種十分柔軟的純鎳金屬材料,且是無孔的,因此能耐高真空,並可進行焊接,但缺點則是因為成本太高,而且僅限於鎳材。

綜合以上的介紹我們得知若以成形波紋管最常使用的成形方法液壓成型波紋管,與焊接型波紋管來比較,液壓成型波紋管製程包含液壓成形及波紋管之成形管兩端與端板金屬焊接,可大量生產但壓縮量較少,且製程便宜,屬中價位產品;焊接型波紋管製程包含膜片衝壓及內外徑精密焊接,產品壓縮量大,但製程費時,屬高單價產品。

1.2 研究目的

焊接型波紋管價格很高,幾乎是成形波紋管10倍以上,若以圖3所示之晶圓半導體設備為例,一台設備有六個真空腔體(Vacuum Chamber),每一個腔體最少需兩個焊接型波紋管,以一個較具規模的晶圓半導體廠最少100台設備來算,以每一個焊接型波紋管平均價格新台幣5萬計算,一個晶圓廠所需焊接型波紋管費用為新台幣最少6千萬元,以國內半導體相關產業蓬勃發展的狀況看來,焊接型波紋管之需求量是非常大的,所以如何設計及製造更高品質的波紋管,使波紋管的使用壽命延長,因而降低成本是業界一致的目標。焊接型波紋管破壞模式為疲勞破壞,因為波紋管是以往復伸縮為工作條件,設計目標是希望能再增加波紋管內部真空環境下使用的疲勞壽命。

影響波紋管的疲勞壽命包括使用的材料、焊接的方法、及波紋管膜片的波紋形狀。常用的焊接型波紋管材料包括SUS304SUS316AM350、鎳基超合金等,其中AM350為固溶化處理之沃斯田鐵系析出硬化不銹鋼,使用極為普遍;波紋管膜片薄板端焊接製程包括微氬焊、微電漿焊、及微雷射焊等,但根據成本與品質的考量,以電漿焊接製程進行薄板端緣焊接為較佳選擇;而波紋管膜片斷面形狀,如圖6所示,必須設計一最佳形狀使膜片在伸長及壓縮時不會互相干涉且能承受最大應力,進而增加波紋管的疲勞壽命。

6. 波紋管膜片斷面形狀示意圖

焊接型波紋管的材料目前來說已經相當固定,焊接方法雖然有多種不同選擇,但都是必須視個人技術而定比較不客觀。目前已經有自動化雷射焊接技術來加入生產,比較可以排除個人技術因素,所製造的波紋管在每一個焊道的強度差別不大,已經是很成熟的技術。

因此本研究的研究重點就放在膜片斷面形狀最佳化設計,利用最佳化設計方法配合有限元素軟體,設計出最佳的膜片斷面形狀,進而將設計出的最佳化膜片斷面形狀模型建構出一個完整的波紋管模型,再利用有限元素軟體來做應力分析及模擬疲勞壽命分析,使價格昂貴的焊接型波紋管,在不用真正製作出實體的情況下,可以有合理的分析數據,以此降低測試成本,並且可以讓使用者及製造商做為使用及生產時的參考。