Виды спаев металла со стеклом и требования к ним

2.3 Виды спаев металла со стеклом и требования к ним

Достижения современной электровакуумной техники тесно связаны с успехами в области вакуумно-плотных спаев различных металлов со стеклами разных марок, в том числе и с кварцем. Обеспечение качественной вакуумной плотности токовых вводов в галогенных лампах имеет первостепенное значение.

Для получения идеального спая стекла с металлом необходимо выполнение двух основных условий:

температурные коэффициенты линейного расширения металла и стекла должны быть одинаковыми во всем интервале температур от комнатной до температуры изготовления спая;

температурные зависимости температурных коэффициентов линейного термическою расширения спаиваемых материалов и скорости их изменения должны быть равными.

При выполнении этих условий спаи называются согласованными, при невыполнении — несогласованными.

В природе нет металлов с такими низкими температурными коэффициентами линейного расширения, как у кварца; кроме того, имеются физические различия в характере изменения температурных коэффициентов линейного расширения у металлов и стекол— расширение металла следует, как правило, обычному линейному закону, а расширение стекла имеет экспоненциальную зависимость.

В повседневной жизни имеют дело с несогласованными спаями, в которых всегда имеются различия в температурных свойствах стекла и металла. Таким спаям всегда присущи температурные напряжения.

Теоретические исследования и практический опыт. показывают, что добиваться идеальных спаев путем абсолютного совпадения температурных коэффициентов линейного расширения нет необходимости. Различными конструктивными и технологическими приемами всегда можно значительно снизить температурные напряжения а также целенаправленно создать такое благоприятное распределение напряжений в спае, которое дает желаемые результаты.

Так как идеально согласованных спаев в природе нет, обычно под термином «согласованный спай» принято называть спаи стекла с металлом, у которых температурные коэффициенты линейного расширения мало отличаются друг от друга и в рассматриваемых интервалах температур их разница не превышает допустимых пределов.

В технике накоплен большой опыт по изготовлению не только таких «согласованных» спаев, но и удовлетворительных по качеству несогласованных спаев.

Качество спая определяется в значительной степени адгезией стекла к металлу и должной подготовкой поверхности металла, геометрическими размерами спаиваемых деталей и конструктивным исполнением спая, технологическими приемами изготовления, обработки и отжига как исходных материалов, так и готового спая, правильностью расчета теплоотвода от металлических деталей, подверженных тепловым нагрузкам.

Дефекты спаев вызываются в основном появлением и действием внутренних напряжений в стекле в результате его неравномерного нагревания и охлаждения, что приводит к появлению в толще стекла отдельных зон с различной степенью деформации, которые, взаимодействуя между собой, ведут к образованию трещин, сколов, а также отлипанию стекла от металла. Поэтому при конструировании вводов нужно все это учитывать и подбирать условия таким образом, чтобы напряжения в стекле были минимальными и, что очень важно, чтобы напряжения сжатия преобладали над напряжением растяжения, поскольку предел прочности стекла на сжатие (600 —1800 МПа) значительно выше, чем на растяжение (30-50 МПа).

Кварцевое стекло по своим физическим свойствам существенно отличается от стекол остальных групп, Очень малый коэффициент термического расширения делает невозможным получение полностью согласованных спаев с металлами, поскольку у последних он значительно выше. Поэтому в кварцевых галогенных лампах для получения вакуумно-плотных соединений вынуждены пользоваться, где это возможно, несогласованными спаями. Когда использование таких спаев невозможно, применяют стекла, называемые переходными, с промежуточными температурными коэффициентами линейного расширения, близкими между собой и находящимися внутри интервала (6÷40)·10^-7К^-1. Благодаря такому набору удается уменьшить напряжения на границах отдельных переходов до допустимых значений. Изготовление таких промежуточных переходов путем последовательного набора ряда стекол с разными коэффициентами термического расширения — трудоемких технологический процесс, однако он позволяет удовлетворительно решить проблему герметичности токовым вводов.

Хороший спай вольфрама го стеклом получается, если их температурные коэффициенты линейного расширения отличаются не больше чем на 10·10^-7

Вакуумно-плотные соединения кварцевого стекла с металлами можно получить двумя способами:

изготовлением ленточных (фольговых) спаев, которые хотя и являются несогласованными, но при выполнении ряда требований позволяют получить вакуумно-плотные соединения;

изготовлением стержневых (проволочных) спаев с пользованием переходных стекол со значениями коэффициентов термического расширения, находящимися внутри интервала крайних значений.

Ленточными спаи называются потому, что используемый металл имеет вид тонкой гладкой неширокой фольги толщиной не более 0,01—0,05 мм и шириной не более 10 mm. В этом случае металл и стекло соприкасаются плоскими поверхностями, и так как фольга тонкая и эластичная, она легко деформируется, следуя за деформацией стекла, не вызывая при этом напряжений.

Ленточные спаи широко используются в электровакуумной технике, в том числе при изготовлении галогенных ламп многих типов. Они сравнительно легки в изготовлении и технологичны, однако пригодны только для вводов на малые точки.

Для ленточных спаев можно использовать различные металлы — вольфрам, молибден, тантал, платину, но чаще предпочитают применять молибден. Он имеет низкиий температурный коэффициент линейного расширения, хорошо прокатывается, обладает высокой пластичностью. Ввиду того что молибден легко окисляется на воздухе, при разогревании соединение его с кварцем нужно проводить либо в вакууме, либо в защитной среде водороде или инертных газах. Платину можно обрабатывать и на воздухе, поскольку она не окисляется при разогревании.

В некоторых случаях для улучшения механической прочности спая применяют вместо гладкой перфорированную или волнистую ленту.

Увеличение токовой нагрузки можно получить путем использования нескольких ленточных спаев, соединенных параллельно и размещенных либо в одной плоскости, либо по кругу цилиндрической кварцевой заготовки.

При изготовлении стержневых или проволочных токовых вводов обычно используется вольфрам. Разность температурных коэффициентов линейного расширения вольфрама и кварца равна примерно 38·10^-7, и для ее компенсации используют обычно два - три переходных стекла. Галогенные лампы некоторых типов благодаря определенному конструктивному исполнению токовые вводов удастся изготовлять и с одним переходным стеклом. Практически доказано, что при впаивании вольфрамовой проволоки диаметром менее 1 мм однопереходный спаи дает вполне положительные результаты. Так как абсолютное значение температурного расширения проволоки небольшого диаметра меньше, чем проволоки большого диаметра, тонкая проволока при любой температуре вызывает меньшие напряжения в спаях со стеклом.

Геометрические размеру спаиваемых деталей и форма спая имеют большое значение. Одна и та же разность температурных коэффициентов линейного расширения в одном случае может вызвать опасные напряжения, а в другом случае вполне допустима. Стержневые спаи с переходными стеклами значительно более трудоемки в изготовлении, чем ленточные, но зато позволяют получать токовые вводы на большие токи.

Различают два вида сцепления стекла с металлом — механическое и химическое (окисное). При механическом сцеплении между стеклом и металлом отсутствует какой-либо промежуточный слой. К таким соединениям относятся ленточные спаи. Химическое сцепление более прочное. В этом случае между стеклом и металлом образуется тонкий промежуточный окисный слой, который частично или полностью диффундирует в стекло и растворяется в нем. Между стеклом и металлом образуется своего рода тонкий переходный, связывающий стекло металлический слой, который (благодаря своей эластичности) без разрушения следует за деформацией металла, не вызывая больших напряжений в стекле. В зависимости от режимов обработки спая вольфрам и молибден могут образовывать как механическое, так и химическое сцепление.

На прочность спая оказывают влияние газы, поглощенные металлами. При разогреве металла они выделяются и накапливаются на поверхности раздела стекла и металла в виде пузырьков. Чтобы этого избежать металл следует предварительно тщательно прокалить.

Очень существенным является изменение температуры спая в процессе эксплуатации, поскольку оно приводит к появлению новых и к перераспределению уже имеющихся напряжений в стекле. Это во многом объясняется тем, что при прохождении тока металлические токовые вводы быстро нагреваются, а отвод теплоты стеклом происходит значительно медленнее.

При конструировании следует стремиться к тому, чтобы напряжения, возникающие из-за нагрева проволоки, по возможности компенсировали существующие напряжения в стекле, а не складывались в одном направлении.

Для сохранения работоспособности стержневого спая вольфрамовая проволока, впаянная в стекло и являющаяся токовым вводом, не должна чрезмерно нагреваться в процессе эксплуатации ламп. Если в одну ножку впаяны два токовых ввода, расположенные близко , температурные условия ухудшаются и диаметр каждого из них можно увеличить до следующего за ним в таблице.

Любой токовый ввод в лампах состоит из трех частей, внутреннего звена-ввода, среднего вакуумного звена, впаиваемого в кварц и обеспечивающего вакуумноплотное соединение, и наружного звена –вывода.

В отдельных типах ламп в зависимости от их конструкции роль этих частей могут выполнять только двухзвенные токовые вводы.

Похожие работы

Анализ энергоэффективности системы освещения учебных помещений корпуса Т (I этаж)

Скачать

98500

7

14

... 1,2-1,25 3 Плавное управление мощностью и световым потоком светильников в зависимости от распределения естественной освещенности 1,3-1,4 5. Установка энергоэффективной пускорегулирующей аппаратуры (ПРА). , (5.14) где Knpai – коэффииент потерь в ПРА существующих светильников системы освещения i-ro помещения; KnpaiN – коэффициент потерь в устанавливаемых ПРА. 6. Замена светильников ...

Товароведная характеристика сахара-песка, экспертиза качества

Скачать

66732

9

0

... присутствует сахар различных производителей и различных марок (сахар-песок, сахарная пудра, сахар-рафинад), а также различной фасовки. Предметом исследования послужили характеристики сахара-песка (фасовкой по 800 грамм) трех производителей: -"Русский сахар" Никифоровского завода, -"Услад" Добринского завода, -"Кристалл-Бел" Чернянского завода. Нами были отобранные пробы в соответствии с ...