книги из ГПНТБ / Варламов В.А. Сборочные операции в электровакуумном производстве учеб. пособие

называется «выветриванием» стекла) объясняется химическим дей­ ствием капель влаги, конденсирующихся на поверхности стекла из влажного атмосферного воздуха. Опасность конденсации паров во­ ды на поверхности стекла особенно велика при нахождении колб в неотапливаемом, сыром помещении или под открытым небом. Капля воды, осевшая на поверхности стекла, постепенно раство­ ряет входящие в его состав силикаты.

Вода, содержащаяся в капле и растворяющая силикаты, одно­ временно разбавляет щелочь. Поэтому при кратковременном дейст­ вии капли (если она быстро высыхает) образуется щелочь с очень малой концентрацией. Чем ниже концентрация щелочи, тем мень­ ше она поглощает углекислый газ из воздуха, следовательно, мень­ ше образуется углекислых солей и менее заметен «разъед». Слабый «разъед», получающийся при быстром высыхании капли, можно легко и окончательно смыть водой. По этой же причине, если на по­ верхности стекла находятся не отдельные капли, а большое количе­ ство воды, то «разъедов» вообще не наблюдается (так как образую­ щаяся щелочь разбавляется большим количеством воды до очень малой концентрации и почти не поглощает углекислый газ из возду­ ха). Если же капля находится на стекле длительное время, то кон­ центрация щелочи в ней будет постоянно возрастать. При этом по­ верхность стекла разрушается на все большую глубину, и образую­ щийся «разъед» уже нельзя смыть водой.

«Разъеды» могут иметь самую разнообразную форму в зависи­ мости от того, какую форму приобретает конденсирующаяся на по­ верхности стекла влага. «Разъед», появлящийся на стекле под дей­ ствием влажной атмосферы, значительно усиливается после мойки стекла в плавиковой кислоте. Поэтому для предупреждения появ­ ления глубоких «разъедов» рекомендуется промывать стекло в 5%-ной соляной кислоте перед обработкой его в плавиковой кис­ лоте.

Стекло с «разъедами» имеет пониженную механическую проч­ ность, плохую термостойкость, обладает повышенным газовыделением и склонно к электрическим пробоям и утечкам (углекислые соли имеют меньшее электросопротивление, чем само стекло).

Следует также учитывать, что длительное воздействие на стекло влажного воздуха или травление стекла в агрессивных растворах (например, в плавиковой кислоте с последующим хранением во влажном воздухе) приводит к проникновению влаги в приповерх­ ностный слой. Удаление влаги из этого слоя возможно лишь при прогреве стекла в вакууме при ^=300—400° С. в течение 2—3 ч (что недостижимо при вакуумной обработке изделий на полуавтоматах).

Электрические свойства

Электрические свойства стекла (удельное объемное и поверх­ ностное электрическое сопротивление, зависимость электросопро­ тивления от температуры стекла, пробивная напряженность, электро­ лиз и т. д.) изменяются в широких пределах в зависимости от хими­

181

ческого состава,-методов термической обработки, состояния поверх­ ности, температуры (в особенности при переходе стекла из хрупкого состояния к расплаву).

При комнатных температурах стекла обладают очень высоким удельным объемным электросопротивлением ІО12—ІО15 ом-см. Электропроводность стекла обусловливается движением ионов, по­ этому при разогреве стекла его удельное объемное электросопро­ тивление резко снижается.

Интенсивность изменения электрического сопротивления при из­ менении температуры оценивается по величине температурного ко­ эффициента электрического сопротивления стекла — Т К ю о - Темпе­ ратурный коэффициент электрического сопротивления называется точкой ТКюо и показывает, до какой температуры надо нагреть стекло, чтобы его удельное электрическое сопротивление снизилось до ІО8 ом-см. Величина Т К ю о зависит от состава стекла: чем мень­ ше величина Т К ю о , тем больше зависимость сопротивления стекла от температуры и хуже его электроизоляционные свойства. Особен­ но важно иметь большую величину Т К ю о У стекла, применяемого для изготовления ножек; это предотвращает электролиз и возмож­ ность пробоев и утечек между электродами, находящимися под раз- ’ным'и потенциалами.

Поэтому для ножек обычно применяют стекла С93-1 и С52-1, имеющие высокое электрическое сопротивление. Наименьшей элек­ тропроводностью обладает кварцевое стекло.

Стекло лучше проводит ток на поверхности, чем в объеме; это объясняется наличием на его поверхности пленок щелочей, раство­ ренных в адсорбированной стеклом водяной пленке. Длительное хранение стекла во влажной атмосфере повышает его поверхност­ ную проводимость. Для снижения поверхностной электропроводно­ сти рекомендуется на поверхность стекла наносить защитные гид­ рофобные покрытия (кремнийорганические лаки).

При комнатной температуре поверхностное сопротивление всех стекол одинаково (в отличие от объемного электрического сопротив­ ления). При низкой влажности атмосферного воздуха поверхност­ ное сопротивление составляет 10й ом. С повышением влажности воздуха поверхностное сопротивление снижается. С повышением температуры поверхностное сопротивление растет (в отличие от объемного), так как уменьшается относительная влажность окру­ жающей атмосферы, и пленка влаги, содержащаяся на поверхно­ сти, интенсивно испаряется. Уменьшение величины поверхностного сопротивления особенно опасно для приборов, работающих при вы­ соких напряжениях и малых расстояниях между электродами.

Пробивная напряженность для большинства стекол составляет 20—30 кв/мм при 20° С и сильно снижается при повышении темпера­ туры (особенно выше 150—200° С), а также при увеличении толщины стекла и времени возрастания напряжения. Неоднородность по объ­ ему стекла, а также наличие поверхностных дефектов (например, микротрещин) значительно снижает величину пробивной напряжен­ ности.

182

В переменном электрическом поле величина пробивной напря­ женности меньше, чем в постоянном поле. Это объясняется отрица­ тельным влиянием теплового пробоя, вызываемого диэлектрически­ ми потерями (особенно в толстых стеклянных деталях). При тепло­ вом пробое повышается температура стекла, следовательно, умень­ шается его сопротивление и ухудшаются изоляционные свойства. Стекла с высоким электрическим сопротивлением менее склонны к тепловому пробою.

§ 50. ОСНОВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ ОПЕРАЦИИ ЗАВАРКИ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ

Заваркой принято называть операции окончательной сборки оболочек электровакуумных приборов перед вакуумной обра­ боткой.

Различают следующие разновидности заварочных операций: соединение между собой стеклянных узлов; соединение стеклянных узлов с металлическими.

К соединениям стеклянных узлов относятся:

заварка собранной ножки (на которую предварительно посаже­ на арматура прибора) в колбу прибора;

сварка экрана с конусом крупногабаритных ЭЛТ; соединение экранного узла цветного кинескопа с остальной

частью колбы; сварка колбы катода с экранным узлом и переходами в электрон­

но-оптических преобразователях; сварка стеклянного стакана (в который предварительно вмонти­

рован металлический блок) с горловиной — при изготовлении потенциалоскопов и др.

К соединениям стеклянных узлов с металлическими относятся: вварка металлических вводов в стеклооболочки; сварка стеклянного и металлического узлов в металлостеклян­

ных лампах и др.

На практике нашли применение семь методов выполнения зава­ рочных операций:

заварка с помощью газового пламени; электрозаварка с использованием переменного тока промышлен­

ной частоты (газоэлектрическая сварка); электродуговая заварка с использованием газового разряда;

заварка с использованием высокочастотного индукционного на­ грева;

заварка с использованием лучистой энергии; заварка с использованием луча лазера;

заварка1,с использованием оптического контакта свариваемых поверхностей;

соединение деталей стеклокристаллическими цементами.

183

§51. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ЗАВАРКИ ГАЗОВЫМ ПЛАМЕНЕМ

Требования к заваренной колбе

Заваркой ножки называется операция герметичного соединения собранной ножки с колбой, при этом образуется оболочка электро­ вакуумного прибора, внутри которой находится арматура. После заварки ножки оболочка прибора приспособлена для создания в пей вакуума в процессе вакуумной обработки прибора. Для получения герметичного и прочного спая необходимо, чтобы стекла колбы и ножки были согласованы по форме, вязкости и коэффициенту рас­ ширения.

Основные требования к заваренной колбе следующие: герметичность шва, позволяющая создать в приборе в процессе

вакуумной обработки требуемый вакуум; отсутствие напряжений, способных вызвать снижение механи­

ческой и термической прочности оболочки; соосность арматуры прибора относительно геометрической оси

■оболочки (отсутствие перекоса арматуры относительно стенок обо­ лочки) ;

отсутствие перекоса штенгеля относительно оси оболочки; отсутствие пленок окислов на электродах прибора; отсутствие пятен и налетов на поверхности стекла, на внутрен­

них покрытиях колбы и арматуре прибора (которые могут появить­ ся при отпотевании оболочки и попадании в нее в процессе заварки водяных паров, продуктов неполного горения газа и т. д.).

Принципиальная технологическая схема заварки собранной ножки в колбу состоит из следующих операций:

предварительный подогрев ңожки и колбы; сварка собранной ножки с колбой в единую оболочку; отжиг заваренной оболочки; контроль заваренной оболочки.

На старых заварочных устройствах каждая операция заварки выполняется на отдельном оборудовании: предварительный подо­ грев в ящичных или карусельных газовых или электрических печах; заварка — пламенем газовых горелок на одношпиндельных или многошпиндельных горизонтальных или вертикальных станках; от­ жиг — в ящичных, карусельных или конвейерных газовых или элек­ трических печах.

На современных заварочных устройствах операции подогрева, заварки и отжига производятся на одном и том же оборудовании — многошпиндельных карусельных полуавтоматах.

§ 52. ТЕХНОЛОГИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ПРОГРЕВА УЗЛОВ ПЕРЕД ЗАВАРКОЙ

На практике применяют три способа предварительного прогрева ножки и баллона:

184

огневая обработка с помощью газовых горелок; теплоотдача в электрических печах;

излучение от накаленных спиралей или инфракрасных источни­ ков света.

Скорость разогрева стекла зависит от способа нагрева и должна быть тем ниже, чем больше толщина стенок и меньше термостой­ кость стекла. Скорость разогрева стекла пламенем газовых горелок не должна превышать 200 град/мин. Вследствие малой величины теплопроводности стекла более быстрый нагрев приводит к нерав­ номерному прогреву внешних и внутренних слоев стекла и соответ­ ственно к появлению сильных временных внутренних напряжений и растрескиванию стекла. Разогрев излучением можно вести со скоростью 1000 град/мин. Это объясняется тем, что лучистая энер­ гия поглощается всей толщей стекла и малая теплопроводность стекла не может привести к неравенству и перепаду температуры по его толщине и к появлению избыточных напряжений.

При использовании газовых печей подогрева штенгель прибора должен находиться по возможности дальше от газового пламени с тем, чтобы продукты неполного сгорания газа, сажа и копоть не попадали внутрь прибора.

При предварительном прогреве места заварки (а также в про­

Следует учесть, что изменение температуры и формы пламени оказывает значительно большее влияние на разрушение стекла на операциях подогрева, чем непосредственно на заварке. Во время подогрева баллона и ножки стекло имеет сравнительно низкую тем­ пературу и находится в непластичном состоянии, поэтому резкие изменения интенсивности нагрева создают значительный темпера­ турный перепад по толщине и диаметру ножек, что приводит к воз­ никновению сильных напряжений и растрескиванию стекла.

§ 53. ТЕХНОЛОГИЯ ЗАВАРКИ НОЖКИ В КОЛБУ

На заварочном станке или.заварочных позициях полуавтомата обычно происходит размягчение стекла ножки и колбы в месте за­ варки, соединение ножки и баллона, образование заварочного шва и придание ему механической прочности и вакуумной плотности.

Колба нагревается открытыми огнями, а тарелочка ножки — теплопередачей через стенки баллона.

185

Во избежание растрескивания ножки наконечник свечи, в кото­ рую вставляется штенгель ножки, должен быть тщательно прогрет.

Сначала колбу (рис. 130, а) обогревают «мягким» газовым пла­ менем (рис. 130,6), затем «жесткими» огнями газовоздушных или газокислородных горелок (рис. 130, в).

Равномерное, постепенное повышение температуры стекла пре­ дотвращает его растрескивание. При достижении температуры раз­ мягчения стекла дальнейший нагрев может производиться с любой скоростью (так как в размягченном стекле не образуется напря­ жений) .

При дальнейшем нагреве стекло колбы в зоне тарелочки раз­ мягчается настолько, что начинается его деформация как под дей­ ствием собственного веса, так и под давлением потока газов горел­ ки. Деформация стекла сопровождается уменьшением диамётра и толщины стенок колбы в месте сварки (рис. 130, г). Наконец, зазор между колбой и тарелочкой исчезает и они свариваются (рис. 130,6). При размягчении стекла колбы и ножки происходит взаимное растворение одного стекла в другом *. При этом создается промежуточный по составу и свойствам тонкий слой расплава двух стекол, который надежно и герметично соединяет ножку и колбу. Азот, поддуваемый через свечу, способствует лучшему взаимному растворению стекла ножки и колбы.

Чем меньше вязкость стекла в момент спаивания, тем легче про­ исходит взаимное растворение стекол и прочнее спай.

Формование стекла пламенем газовой горелки может произво­ диться, когда интервал вязкости стекла 10е—104 пз. В этом интерва­

* В зависимости от состава и марки стекол их взаимное растворение проис­ ходит при температуре 750—1200° С.

186

ле вязкости стекло находится в пластичном состоянии в виде стекло­ образного расплава (см. стр. 170).

Стекла, которые находятся в размягченном состоянии в боль­ шом интервале температур, называются «длинными» (эти стекла мало изменяют свою вязкость в интервале от ІО3 до ІО7 пз даже при значительном изменении температуры). Стекла, которые при незна­ чительном изменении температуры переходят из размягченного со­ стояния в твердое, называются «короткими». У «коротких» стекол (например, С47-1) изменение температуры ~ на 30° С приводит к изменению вязкости с ІО7 до 104 пз\ у «длинных» стекол (напри­ мер, С93-1) изменение вязкости на ту же величину происходит при изменении температуры на 100° С.

«Длинные» стекла можно формовать в большем диапазоне тем­ ператур — без опасности перехода стекла из размягченного (пла­ стичного) состояния в твердое (упруго-напряженное) при случайных колебаниях температуры пламени. Это облегчает формование стек­ ла, позволяет придать ему любую форму и снижает браки по треску (треск стекла непосредственно при заварке происходит от напря­ жений, возникающих при быстром переходе стекла из размягчен­ ного состояния в твердое).

Во всех случаях при заварке ножки внутренние детали прибора не должны соприкасаться с сильным газовым пла­ менем, с нагретым воздухом, с горючи­ ми продуктами неполного сгорания га­

за, содержащими пары воды и серу; иначе теряется смысл пред­ шествующей очистки арматуры приборов.

Следует учесть, что оптимальную интенсивность и расположе­ ние огней (относительно ножки прибора) на операциях размягче­ ния стекла выбирают в зависимости от толщины стенок колбы. Огни должны располагаться тем ниже и распределяться на тем большую поверхность стекла, чем тоньше стенки колбы. При высо­ ком расположении огней и сильных огнях стекло колбы преждевре­ менно размягчается и частично стекает ниже кромки ножки, в ре­ зультате горло прибора получается тонкостенным, а шов непроч­ ным. Когда огни направлены на малую поверхность колбы, горло

187

щая сил, сцепления между частицами стекла в одном направлении равна равнодействующей этих сил в других направлениях *.

Напряжением в стекле в каком-либо направлении называется отношение равнодействующей сил сцепления между частицами стекла в этом направлении к суммарной поверхности взаимодейст­ вующих частиц. Таким образом, в нормальном стекле, которое на практике обычно называется ненапряженным, в действительности всегда имеются напряжения, одинаковые по абсолютной величине во всех направлениях и компенсирующие друг друга. При этом, чем больше величина равномерно распределенных напряжений в стекле (одинаковых по всем направлениям), тем выше его механическая прочность (так как больше силы сцепления между отдельными ча­ стицами стекла). Стекло, в котором имеются большие, постоянные равномерно распределенные и компенсирующие друг друг.а напря­ жения, называется закаленным.

Напряженным принято называть стекло, в котором к внутрен­ ним взаимно скомпенсированным силам взаимодействия между ча­ стицами стекла добавлены нескомпенсированные силы, стремящие­ ся расширить или сжать стекло в каком-либо одном избирательном направлении. Таким образом, в напряженном стекле напряжения в различных направлениях неодинаковы и не компенсируют друг дру­ га. Поэтому напряженное стекло имеет различные свойства в раз­ личных направлениях. Эти добавочные напряжения называются на­ пряжениями растяжения или сжатия в зависимости от их направ­ ления. Если эти добавочные напряжения сжатия и особенно-растя­ жения велики и превышают силы сцепления между частицами стек­ ла, то стекло разрушается (растрескивается). Таким образом, сни­ жение механической прочности стекла и его растрескивание обу­ словливается не наличием напряжений в стекле, а неравномерным распределением напряжений (наличием нескомпенсированных на­ пряжений).

В процессе заварки в стекле могут образовываться три разно­ видности дополнительных неравномерно распределенных (неском­ пенсированных) напряжений сжатия или растяжения.

Термические постоянные напряжения — остаточные термопла­ стичные напряжения, обусловленные неравномерным остыванием различных слоев стекла в процессе его перехода из размягченного (пластичного) состояния в твердое (упругое). Эти-напряжения мо- - гут образовываться только в интервале температур: от температу­ ры размягчения до температуры затвердевания стекла (т. е. пока стекло находится в пластичном -состоянии с -высокой вязкостью) **.

Постоянные напряжения остаются (сохраняются) в стекле даже после того, как вся толща стекла остынет до комнатной темпера­ туры. Наличие постоянных напряжений может привести к растрес­

* За определяющие направления принимаются взаимно перпендикулярные направления, соответствующие координатам X, Y, Z.

** При температурах, выше температуры размягчения стекла, в нем вообще не могут образовываться напряжения.

189