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

киванию стеклооболочки в любой момент при изготовлении, хране­ нии и эксплуатации прибора, например, при наличии незначитель­ ных механических и термических нагрузок, наличии царапин, при сквозняке в помещении и т. д.

Термические временные напряжения — переходные термоупру­ гие напряжения, обусловленные неравномерным нагревом или остыванием различных слоев стекла, находящихся в твердом со­ стоянии. Эти напряжения могут возникать только при температурах ниже температуры трансформации стекла (т. е. только когда стек­ ло находится в твердом, упругом состоянии).

Временные напряжения образуются не только под действием пе­ репада температур, но и под действием механической нагрузки (на­ пример, во время вакуумной обработки приборов под действием давления окружающей атмосферы). Временные напряжения в отли­ чии от постоянных могут привести к растрескиванию стекла только в период, пока стекло нагревается, охлаждается или действует ме­ ханическая нагрузка. После остывания стекла до комнатной темпе­ ратуры (т. е. после выравнивания температуры поверхностных и внутренних слоев стекла) или после снятия механической нагрузки временные напряжения исчезают.

Коэффициентные напряжения —■остаточные напряжения, обус­ ловленные различием в КТР свариваемых материалов (например, различием КТР стекол ножки и баллона). При этом в объеме стек­ ла с меньшим коэффициентом термического расширения возникают напряжения сжатия, а в объеме стекла с большим КТР — напряже­ ния растяжения. Таким образом, в спае в наиболее опасном напря­ женном состоянии (растяжения) всегда будет находиться стекло с большим коэффициентом термического расширения.

Причиной возникновения термических напряжений является плохая теплопроводность и большая инерционность стекла.

В процессе нагрева стекла в нем могут возникать только вре­ менные напряжения. В каждый данный момент нагрева поверхно­ стные слои стекла (ввиду малой теплопроводности) имеют более вы­ сокую температуру и соответственно подвергаются большему тер­ мическому расширению, чем внутренние слои. Поэтому пока различ­ ные слои стекла имеют разную температуру, они занимают разные удельные объемы. Неравномерное расширение слоев твердого стек­ ла относительно друг друга приводит к возникновению упругих на­ пряжений, пропорциональных этим расширениям. По мере вырав­ нивания температуры разных слоев стекла эти временные напряже­ ния исчезают. Следует учесть, что при нагреве в поверхностных слоях стекла возникают временные напряжения сжатия, а во внут­ ренних — растяжения.

При охлаждении в стекле могут возникать и постоянные и вре­ менные напряжения-. В процессе охлаждения разогретые поверхно­ стные слои стекла отдают тепло обтекающему их воздуху н охлаж­ даются, внутренние слои стекла ввиду низкой теплопроводности остаются еще горячими. Охлаждение поверхностных слоев стекла сопровождается уменьшением их объема и затвердеванием. При

190

этом происходят три процесса, вызывающие возникновение напря­ жений в стекле.

1.Затвердевшие поверхностные слои стекла начинают давить и сжимать внутренние слои, которые, не успев охладиться, практиче­ ски не изменили свой объем. В свою очередь, во внутренних слоях стекла по отношению к внешним возникают растягивающие усилия, препятствующие их сжатию. Ввиду того что затвердевшие поверх­ ностные слои стекла находятся в непластичном состоянии, эти рас­ тягивающие усилия могут вызвать их разрушение (как известно, стекло на разрыв значительно менее прочно, чем на сжатие).

2.В дальнейшем происходит охлаждение и уменьшение в объеме внутренних слоев стекла. Однако поверхностные слои стекла, кото­ рые к этому моменту находятся в непластичном, затвердевшем со­

слоев стекла. Поэтому внутренние слои стекла будут удерживаться внешними слоями в объеме большем, чем нормально соответствую­ щий им при комнатной температуре, т. е. будут находиться в рас­ тянутом состоянии даже после остывания стекла. Эти растягиваю­ щие усилия, стремящиеся оторвать внутренние слои стекла от внеш­

(т. е. пока вся толща стекла не остынет до комнатной температу­ ры), они занимают различные удельные объемы (как известно, слой стекла, имеющий более высокую температуру, должен зани­ мать больший объем, чем такой слой стекла с более низкой темпе­ ратурой). Напряжения, возникающие в результате разности темпе­ ратур (пока стекло нагревается или охлаждается), являются вре­ менными напряжениями. Они существуют, пока температура всех слоев стекла не станет одинаковой.

Очевидно, чем интенсивнее охлаждаются поверхностные слон стекла по сравнению с внутренними, тем более сильные напряже­ ния возникают в стекле. Перепад температуры между слоями стек­ ла и соответственно величина напряжений в стекле увеличиваются

вследующих случаях:

1)при резком снижении температуры нагревательных - элемен­

тов;

2)при низкой температуре окружающей (например, воздуш­ ной) среды;

3)при сильной циркуляции зоздуха, окружающего стеклообо­

лочку;

4)по мере увеличения толщины стекла;

5)по мере уменьшения теплопроводности стекла (т. е. в зави­

симости от сорта стекла);

6)по мере увеличения неоднородности стекла; '

7)при прочих равных условиях, чем больше КТР стекла и чем больше зависимость КТР от температуры, тем большие напряжения

возникают в стекле.

191

Назначение и технология отжига

На практике после заварки ножки в баллон в стеклооболочке создаются большие напряжения, поэтому заваренную оболочку по­ мещают в печь отжига.

Назначение отжига:

1) удалить старые термические постоянные напряжения, кото­ рые возникли в стеклооболочке при формовании заварочного шва на заварочном станке;

2) предотвратить возникновение новых напряжений, которые могут возникнуть при остывании стеклооболочки после снятия оста­ точных напряжений.

Соответственно отжиг состоит из 2 стадий: ' 1. Нагрев стекла до температуры, при которой удаляются 95%

имевшихся в стекле термических напряжений — эта температура называется верхней границей зоны отжига. Обычно эта температу­ ра на 50° С ниже температуры размягчения стекла (при более высо­ кой температуре отжига может произойти деформация стеклообо­ лочки). При температуре, равной верхней границе зоны отжига, вязкость стекла составляет ІО12—ІО13 пз. При этой вязкости стекла создается возможность быстрых взаимных перемещений молекул и атомов, что приводит к ослаблению или снятию остаточных на­ пряжений за сравнительно короткое время ( —10—30 мин). Прак­ тически при заварке ножки максимальную температуру отжига вы­ бирают даже ниже верхней границы зоны отжига. Это связано с тем, что при высокой температуре и особенно большой продолжи­ тельности отжига может происходить перегрев катода и резкое ухудшение его характеристик. Поэтому, чтобы получитьприборы с высокой и стабильной эмиссионной способностью, приходится проводить нагрев заварочного шва не до полного исчезновения

внем остаточных напряжений.

2.Медленное охлаждение стекла — это способствует равномер­ ному изменению температуры по всей толще стекла, минимальному перепаду температуры между поверхностными и внутренними слоя­ ми стекла и предотвращает образование новых термических на­ пряжений в стекле.

Особенно медленно следует охлаждать стекло в интервале от верхней до нижней границы зоны отжига. Нижняя граница зоны отжига * — это температура, которая приблизительно на 150—200° С ниже температуры размягчения стекла. В этом интервале темпера­ тур в стекле могут возникать постоянные (остаточные) напряжения.

При дальнейшем охлаждении стекла от нижней границы зоны отжига до комнатной температуры в стекле возникают временные (переходные) напряжения. Для предупреждения растрескивания

* Вязкость стекла при температуре, равной нижней границе зоны отжига, соответствует 10й пз. Если температура отжига не превышает нижней границы зоны отжига, то для удаления напряжений требуется выдержка при этой темпе­ ратуре не менее 4 ч.

192

стекла необходимо, чтобы временные напряжения не превышали предела прочности стекла.

Напряжения, вызванные различием в КТР свариваемых мате­ риалов, не устраняются путем отжига, а, наоборот, отжиг часто приводит к возрастанию коэффициентных напряжений в несогласо­ ванных спаях.

Таким образом, при отжиге удаляются только постоянные термические напряжения, а не временные и не коэффициентные.

Оптимальная скорость разо­ грева и охлаждения стекла в про­ цессе отжига зависит от толщины

итермостойкости стеклооболочки

иножки, а также способа их на­ грева и охлаждения.

ской стенки, см (если она нагревается и охлаждается с двух сто­ рон) или полная толщина стенок цилиндрической трубки (так как она нагревается и охлаждается только с наружной стороны); АТ — термостойкость стекла, т. е. максимальный перепад температур, ко­ торый стекло выдерживает без растрескивания.

Продолжительность выдержки стекла t при температурах, близ­ ких к максимальной температуре отжига (участок Б), определяет­ ся по формуле:

/ = 10 + 10а2.

Время выдержки в минутах при максимально допустимых тем­ пературах отжига для колб и трубок практически составляет 15—20 мин, а для ножек может достигать одного часа.

Скорость медленного охлаждения от верхней до нижней грани­ цы зоны отжига (участок В) приблизительно можно определить по следующей формуле:

При отжиге заваренных ПУЛ эта скорость обычно не превышает 30 град/мин. Превышение оптимальной скорости охлаждения в этой зоне может вызвать появление постоянных напряжений и растре­ скивание стекла в любой момент уже после остывания прибора докомнатной температуры.

Скорость более быстрого охлаждения от нижней границы зоны отжига до температуры 100—150° С (участок Г) приближенно опре­ деляется по формуле:

Эта скорость выбирается из условия, чтобы временные напря­ жения, которые возникают на данной стадии отжига, не превыша­ ли предела прочности стекла. Например, предельно допустимая ■скорость охлаждения приемно-усилительных ламп в этой зоне —150 град/мин. Превышение оптимальной скорости охлаждения в этой зоне может вызвать растрескивание прибора только в процес­ се его охлаждения до комнатной температуры и не будет сказы­ ваться на механической прочности стекла после его остывания до комнатной температуры.

Скорость охлаждения от 100° С до комнатной температуры не лимитируется.

Оптимальную скорость охлаждения приборов при отжиге можно значительно (в 4—10 раз) ускорить, если их охлаждать в специаль­ ных формах или жидких средах. Например, для пальчиковых ПУЛ

изнутри асбестом. Такой способ охлаждения способствует выравни­ ванию температуры по всей поверхности оболочки прибора и обес­ печивает более равномерное распределение напряжений. В качестве жидких сред используют обычно расплавленные соли, например -селитру.

Отжиг обычно производится в стационарных ящичных, кару­ сельных и конвейерных печах с электрическим или газовым обогре­ вом. Преимущественное распространение получили печи, называе­ мые лерами. Лер представляет собой тоннель длиной 20—30 м, в котором непрерывно движется железный сетчатый конвейер. На конвейере устанавливаются подвергаемые отжигу стеклянные заго­ товки.

Если печь или лер предназначен для отжига холодных изделий ^т. е. изделий, успевших остыть после огневой операции), то теп­ ловой режим устанавливается следующим образом. Начиная от загрузочного конца тоннеля, температура постепенно повышается и достигает максимальной величины. Далее на протяжении некоторо­ го участка температура не меняется, сохраняя свое максимальное значение, — осуществляется выдержка изделия почти до полного исчезновения напряжений. Затем на оставшейся длине лера темпе­ ратура постепенно уменьшается от максимальной до температуры

помещения.

Когда лер предназначен для отжига горячих изделий, у загру­ зочного конца лера поддерживается зона максимальных темпера­ тур, равных верхней границе зоны отжига, а затем до конца лера температура постелено снижается.

194

§ 55. К О Н Т Р О Л Ь Н А П Р Я Ж Е Н И Й В С Т Е К Л Е

Контроль величины, направления и распределения напряжений в стекле производится на приборах, называемых полярископами (рис. 133). Полярископы, позволяющие количественно охарактери­ зовать величину напряжения в стекле, называются поляриметрами.

Напряжения, которые обнаруживаются’ в стекле с помощью по­ лярископов и поляриметров, являются дополнительными нескомпен­ сированными напряжениями растяжения или сжатия, возникающи­ ми в стекле (в одном или нескольких направлениях) под воздейст­ вием внешних нагрузок. Именно эти напряжения и приводят к сни­ жению механической прочности стекла.

I

Рис. 133. Полярископ ПКС-500:

Принцип работы полярископа (и поляриметра) основан на том, что стекло, в котором имеются нескомпенсированные напряжения растяжения или сжатия, вызывает двойное лучепреломление про­ ходящего через него излучения. Испытуемый стеклянный образец помещают на предметный стол 5, представляющий собой пластину из зеркального матового стекла, освещаемую снизу поляризован­ ным светом *.

* Свет представляет собой колебания электромагнитных волн. Естественный свет — это колебания электромагнитных волн во всех направлениях пространства, перпендикулярных направлению луча.'Поляризованный свет — это такой свет, у которого колебания электромагнитных волн происходят только в одной опреде­ ленной плоскости, проходящей через направление луча (или эта плоскость по­ стоянно поворачивается, следуя при этом определенной закономерности). Поля­ ризованный свет можно получить из естественного, пропуская последний через поляризаторы (призмы, специальные пластинки и т. д.).

Стекло, имеющее неодинаковую величину напряжений в различ­ ных направлениях (т. е. имеющее неокомпенсированные напряже­ ния), разлагает поляризованный луч на два луча, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях и имеющих разную ско­ рость распространения в стекле. При этом луч, распространяющий­ ся в плоскости с большим напряжением, имеет меньшую скорость по сравнению с лучом, распространяющимся в плоскости с мень­ шим напряжением. Различие в скоростях лучей зависит от разно­ сти напряжений, которые существуют в этих взаимно перпендику­ лярных плоскостях. Это значит, что омо зависит от величины неком ­ пенсированного напряжения сжатия или растяжения, действующего по одной из этих плоскостей.

• Различие в скорости распространения лучей в разных плоско­ стях приводит к запаздыванию одного луча относительно другого (к появлению разности хода лучей) и соответственно к неодновре­ менному приходу их в анализатор. В анализаторе 3 два луча, рас­ пространявшихся в исследуемом стекле в различных плоскостях, снова совмещаются в одной плоскости. Однако ввиду запаздыва­ ния одного луча относительно другого наблюдается явление интер­

вновь, могут усиливать или ослаблять друг друга. Усиление или ослабление дан­ ной волны будет зависеть от длины этой волны и расстояния, на которое эта волна запаздывает относительно другой такой же волны (распространявшейся до встречи в другом направлении). В свою очередь, расстояние, на которое одна вол­ на запаздывает относительно другой, проходя через стекло (разность хода), за­ висит только от толщины исследуемого стекла и величины напряжений растяже­ ния или сжатия в направлении, по которому распространяется запаздывающая волна.

На одной и той же разности хода в зависимости от длины волны будет укла­ дываться разное число длин волн.

Волны, длина которых на разности хода укладывается целое число раз, будут усиливаться (эти волны приходят в анализатор в одной фазе). Волны, длина ко­

кратной целому числу половин длин волн, т. е. которые встречаются в анализа­ торе в противофазе).

Белый свет, которым освещается стекло, состоит из смеси различных цветов с различными, длинами волн (красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового). В результате интерференции одни цвета будут усиливаться, другие — гаснуть. Поэтому на стекле анализатора появляется цветовая гамма.

При этом каждой величине напряжения в исследуемом стекле (при постоян­ ной толщине стекла) соответствует определенный цвет окраски, наблюдаемой на стекле анализатора.

По яркости, цвету и расположению окрашенных участков в стекле можно судить о наличии, направлении и распределении в нем на­ пряжений.

Для облегчения контроля и повышения чувствительности глаза в полярископе ПКС-500 перед анализатором устанавливается квар­ цевая пластина, обладающая определенным постоянным двойным

* Т. е. две световые волны с одинаковой длиной волны.

196

лучепреломлением,— это вызывает постоянную, пурпурно-фиолето­ вую окраску всего поля зрения анализатора. На фоне постоянной пурпурно-фиолетовой окраски легко различать любые оттенки цве­ та, соответствующие различным термическим и коэффициентным напряжениям в исследуемом стекле. Участки стекла, не имеющие термических или коэффициентных напряжений, становятся пурпур­ но-фиолетового цвета, а участки стекла, имеющие эти напряже­ ния, — любого другого цвета (в зависимости от суммарной разно­ сти хода лучей, которую они приобретают, проходя последовательно испытуемый образец стекла и кварцевую пластину — табл. 7). Как видно изтабл. 7, участки стекла, имеющие наиболее сильные тер­ мические или коэффициентные напряжения, имеют при рассмотре­ нии в полярископе ПКС-500 желтый, белый и желтовато-зеленый цвет, а участки с малыми напряжениями — красный и голубой.

Следует учесть, что в зависимости от толщины и ориентировки кварцевой пластины (т. е. при пользовании другими типами поля­ рископов) одной и той же разности хода и, следовательно, одной и той же величине напряжения в стекле будут соответствовать раз­ личные цвета (поэтому табл. 7 справедлива только для полярископа ПКС-500).

Чередование неодинаковых цветов в анализаторе означает не­ равномерное распределение термических и коэффициентных напря­ жений по поверхности исследуемого стекла (т. е. наличие местных напряжений).

Характер цветовой картины, видимой в полярископе, не зависит от того, вызваны ли напряжения термическими или механическими нагрузками или различием в КТР.

Т а б л и ц а 7

Характеристика величины напряжений в стекле по цвету интерференционной картины

Ввиду того что разность хода лучей прямо пропорциональна не только величине термических и коэффициентных напряжений, но

197

и толщине стеклянной стенки, для количественной характеристики этих напряжений пользуются условной единицей

р _ А/ (разность хода лучей) Гммклі

Для измерения АI обычно применяют эталоны разности хода, пред­ ставляющие собой набор пластинок с известными значениями АI, которые при просмотре в полярископе кажутся окрашенными в разные цвета.

В производстве оценка напряжений производится путем сравне­ ния контролируемого изделия с эталонным образцом, напряжения на котором известны и считаются допустимыми. Оценивать напря­ жения по эталону можно только в том случае, если разница в толщине стенок используемого образца и эталона незначительна.

§ 56. АЗОТ ПРИ ЗАВАРОЧНЫХ ОПЕРАЦИЯХ

Назначение азота

В процессе прогрева ножки и баллона, а также в процессе за­ варки и отжига необходимо поддувать внутрь оболочки либо инерт­ ный газ (например, аргон), либо нейтральный газ (например, азот), либо восстановительный газ (например, формир-газ — смесь водо­ рода с азотом).

Предварительно осушенный и подогретый азот выполняет сле­ дующие функции: вытесняет воздух* из объема оболочки прибора и создает в ней нейтральную среду; поглощает водяные пары, об­ разующиеся при сгорании газа, и предотвращает их конденсацию на стенках и покрытиях прибора (поглощение водяных паров азо­ том происходит тем интенсивней, чем суше азот и чем выше его температура); непосредственно в процессе заварки раздувает шов

испособствует устранению на нем утолщений, впадин, острых углов

идругих дефектов, где могут образовываться местные напряжения, приводящие к растрескиванию стекла, а также препятствует из­ лишней деформации стекла колбы в зоне нагрева.

Необходимо отметить, что арматура оказывает сопротивление проникновению азота внутрь прибора (особенно при малом диа­ метре штенгеля, недостаточно высоком давлении и температуре азо­ та). Конец трубки, подводящей азот, вводят внутрь оболочки при­ бора не менее чем на 5 мм. Между стенками штенгеля и трубочкой для поддува азота оставляют достаточный зазор для выхода азота после заварки ножки, иначе избыточное давление азота может де-

*В отличие от азота кислород, содержащийся в воздухе, при высокой тент пературе в процессе подогрева, заварки и отжига может вступать во взаимодей­ ствие с электродами прибора и вызывать их окисление.

193

формировать или разрушить еще мягкий и горячий спай. Соответ­ ственно чем больше этот зазор, тем под большим давлением азот может поддуваться внутрь прибора.

Азот, поддуваемый внутрь оболочки, снижает температуру де­ талей арматуры и катода (~ на 1004-150°С), что также способст­ вует уменьшению их окисления. Однако с повышением давления азота усиливается циркуляция нагретого газа внутри колбы — это может вызвать конденсацию паров воды, ранее поглощенных азо­ том, на холодных участках оболочки.

Следует учесть, что с повышением давления азота ухудшается качество отжига заваренных колб (особенно если азот поддувается в холодном состоянии). Это объясняется тем, что холодный азот повышает скорость охлаждения стеклооболочки и тем самым увели­ чивает вероятность возникновения напряжений.

Очистка азота

При атмосферном давлении азот переходит в жидкое состояние при температуре —196° С, а затвердевает при температуре —210° С. Азот не горит и практически не вступает в химические реакции с деталями электровакуумных приборов. Обычно азот получается путем фракционной перегонки жидкого воздуха и содержит значи­ тельное количество (~ 1 —2%) примесей.

Азот, применяемый в электровакуумном производстве, должен содержать не более 0,005% кислорода. Например, содержание в азо­ те 0,1% кислорода (что соответствует его парциональному давле­ нию ~'Ю-1 мм рт. ст.) достаточно, чтобы вызвать при £=300—400° С окисление молибденовых, никелевых, медных деталей внутренней арматуры прибора. О содержании в азоте паров воды судят по его температуре точки росы *. Чем ниже температура точки росы, тем более сухим является азот. Азот, применяемый на заварке, должен иметь точку росы не выше —50° С.

Назначение очистки азота •— удаление из него паров воды, кис­ лорода, углекислого газа и механических загрязнений.

На практике применяют два способа очистки азота от паров воды:

вымораживание паров воды пропусканием азота через охлади­ тельные трубы — при этом водяной пар конденсируется в воду;

гигроскопическими веществами (едким натром, фосфорным ан­ гидридом, силикагелем, хлористым кальцием и т. д.).

Щелочи (едкий натр, едкое кали) обладают большой влагопог­ лощающей способностью только при значительном содержании в азоте влаги, т. е. могут в течение длительного времени поглощать большое количество влаги. Однако их можно применять только для предварительной грубой осушки азота (так как по мере уменьшения содержания паров воды в азоте поглощающая способность щелочи снижается и она не может полностью очистить азот от паров воды).

* Точкой росы называется температура, при охлаждении до которой из иссле­ дуемого газа начлиают конденсироваться пары воды (выделяется роса).

199