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

Качественная регулировка огней происходит путем изменения соотношения газа, воздуха (или кислорода) в горячей смеси, при этом на разных позициях используют огни «мягкие», «средние» или «жесткие» (см. стр. 168). Рекомендуется наполнять заваренные колбы азотом и после снятия их с полуавтомата заварки. Это пре­ дохраняет внутреннюю поверхность колбы, арматуру, аквадаговое и люминофорное покрытие от конденсации на них влаги и за­ грязнения их промышленным атмосферным воздухом (в процессе хранения заваренных колб перед вакуумной обработкой).

Рис. 139. Технологическая схема заварки пальчиковых ПУЛ на 24-шпиндельиом полуавтомате:

а — температурный режим заварки, б — кривая охлаждения на позициях 20—22

При заварке ножки в многолучевых осциллографических и осо­ бенно в цветных трубках требуется очень высокая точность установ­ ки электронно-оптической системы (малое угловое смещение в гра­ дусах относительно бокового вывода). Это достигается специальны­ ми конструктивными центрирующими приспособлениями и шабло­ нами на полуавтомате и предварительной вакуумной калибровкой горловин по внутреннему диаметру (допуски на разброс диаметра горловин не должны превышать 0,05—0,1 мм).

Для заварки пальчиковых ПУЛ применяют 24-шпиндельные по­ луавтоматы, имеющие восемнадцать рабочих огневых позиций и шесть съемочных и разгрузочных позиций (рис. 138,139). Многие де­

210

тали и узлы этого полуавтомата унифицированы и используются в других машинах. Распределительный вал 23 с кулачками целевых механизмов и вспомогательный вал 17 с кулачком поворота кару­ сели 11 выполнены раздельно. Привод полуавтомата осуществляет­ ся от электродвигателя 1, движение от которого передается через клиноременную передачу 4 на механизм поворота карусели и вра­ щения шпинделей и на распределительный вал. Механизм поворота карусели работает следующим образом: при нажатии кулачком 24 на рычаг 22 вилка 21 отводит клин 20, освобождая шток 13, кото­ рый под действием пружины 12 подается в осевом направлении и попадает в один из кольцевых пазов непрерывно вращающегося червячного колеса передачи 9. Так соединяются червячное колесо с кулачком поворота карусели, в результате чего кулачок начинает вращаться. Кулачок 19, жестко связанный с кулачком поворота ка­ русели, возвращает клин в исходное положение. В конце поворота карусели, когда шток 13, скользя по плоскости клина 20, выходит из зацепления с червячным колесом, поворотный куличок останавли­ вается. Пружина 10 служит для уменьшения воздействия инерцион­ ных усилий, возникающих при включении поворотного кулачка. На вспомогательном валу 17, где установлен кулачок поворота кару­ сели, закреплена коническая шестерня 18, сцепленная с шестер­ ней 16. В свою очередь, шестерня 16 закреплена на одном валу с шестерней 15, вращающей зубчатое колесо 14 и связанное с ним зубчатое колесо 7, которое передает вращение шестерням 8 шпинде­ лей. В патронах вращающихся шпинделей закрепляются лампы.

Кинематическая цепь распределительного вала 23 начинается от электродвигателя 1, проходит через муфту 2, вариатор скоро­ стей 3, клиноременную передачу 5 и червячную цепь 6.

На каждой позиции полуавтомата устанавливаются по две не­ подвижные горелки (таким образом равномерность прогрева шва обеспечивается вращением стеклооболочки между неподвижными горелками). Для ускорения подогрева на первых позициях могут устанавливаться дополнительные горелки, обогревающие донышко тарелочки ножки. Горелки на каждой позиции имеют свой смеси­ тель, что позволяет в широких пределах регулировать характер их пламени.

Первые четыре позиции полуавтомата предназначены для уста­ новки ламп. На позиции 4 специальным уравнителем строго фикси­ руются лампы в патроне по высоте с тем, чтобы огневая система полуавтомата обеспечивала концентрацию тепла именно в месте сварки.

На позициях 5—8 шаблон прогревается мягким газовым пламе­ нем. При прогреве баллона также разогревается ножка (под дейст­ вием излучения), это предотвращает ее растрескивание на последую­ щих огневых позициях (где на нее направляется пламя горелок).

На позициях 9— 14 мягкое пламя одной из горелок направляется на рант баллона и ножку (вторая горелка продолжает нагревать шаблон). Постепенно температура стекла в области будущего спая доводится до 400° С. На позиции 15 мягкое пламя двух горелок на­

правляется на рант колбы и заканчивается предварительный разо­ грев тарелочки ножки и края колбы.

На следующих трех-четырех позициях жестким газокислород­ ным пламенем производится непосредственно заварка ножки в кол­ бу с одновременной проваркой и обкаткой шва конусным роли­ ком *. На этих позициях пламя направляется по касательной к ран­

с использованием мягкого пламени горелок. В течение всего зава­ рочного цикла (подогрев, заварка, отжиг) в лампы через штенгель поддувается нейтральный или восстановительный газ. Продолжи­ тельность нахождения колбы на каждой позиции 8—10 сек. Ней­ тральный газ, например азот, распределяется и поддувается в шпиндели полуавтомата с помощью золотника. Золотник состоит из двух дисков: верхнего — неподвижного и нижнего, периодически движущегося вместе с каруселью. Нижний диск золотника имеет 24 отверстия, которые соединены со шпинделями.

Применяют также 36-позиционные полуавтоматы, технологиче­ ский цикл которых состоит из предварительного радиационного на­ грева стеклозаготовок (со скоростью »= 1200 град/мин), заварки газокислородным пламенем с обкаткой и отжига заваренных ламп с принудительной скоростью охлаждения в секционированной элек­ трической печи (позволяющей на разных стадиях отжига вести ох­ лаждение с различной скоростью).

В последнее время создаются комбинированные автоматы, на которых производится не только заварка, но и вакуумная обработ­ ка ламп (например, нормально-осветительных). Применение ком­ бинированных полуавтоматов имеет три существенных преимуще­ ства:

1)резко сокращается перерыв между операциями заварки и от­ качки. Как известно, при хранении заваренных колб перед откач­ кой может происходить отравление катода загрязненным атмосфер­ ным воздухом и интенсивное газопоглощение деталями внутренней арматуры прибора;

2)отпадает необходимость в туннельных печах для обезгажива-

ния стекла, которые устанавливаются на обычных откачных полу­ автоматах, ввиду того, что колбы достаточно прогреваются в про­ цессе заварки;

3) уменьшается вероятность окисления деталей внутренней ар­ матуры прибора ввиду уменьшения температуры и длительности принудительного отжига после заварки и отсутствия подсоса в кол­ бу воздуха. (Подсос холодного воздуха обычно имеет место при ох­ лаждении заваренной колбы — во время ее снятия с заварочного станка и установки в печь отжига).

* От формы заварочного шва зависит прочность крепления прибора с цоко­

лем.

212

§ 59. ГАЗОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРКА ОБОЛОЧЕК КИНЕСКОПОВ

В основу газоэлектрической сварки заложена способность нагре­ того стекла проводить электрический ток. При электрической сварке стеклянных деталей (как и при сварке металлических деталей *) для размягчения стекла используют джоулево тепло, выделяющееся при прохождении через стекло электрического тока.

Принципиальная технологическая схема газоэлектрической сварки состоит из трех основных процессов;

1)предварительный разогрев стекла пламенем газовых горелок до температуры, при которой стекло становится проводником элек­ трического тока;

2)размягчение всей толщи стекла и сварка стеклянных деталей

путем пропускания электрического тока через предварительно на­ гретое стекло (формование стекла);

3) отжиг заваренной стеклооболочки.

При комнатной температуре стекло имеет высокое удельное электрическое сопротивление ( —10ІЗ-т-1017 ом-см), является изоля­ тором и практически не проводит электрический ток. Однако при нагревании стекла до 450—600° С (в зависимости от марки и физи­ ко-химических свойств стекла) удельное электрическое сопротивле­ ние его резко снижается (до 1000—10 000 ом-см**). При подведении к месту сварки двух электродов (подсоединенных к высоковольт­ ному источнику тока) по предварительно нагретому стеклу начи­ нает протекать электрический ток значительной величины. Величи­ на, до которой необходимо снизить электрическое сопротивление стекла, чтобы оно стало проводником тока, зависит от частоты тока. По мере увеличения частоты тока возрастает максимально допусти­ мая величина электрического сопротивления стекла и соответствен­ но уменьшается температура, до которой необходимо предвари­ тельно прогревать стекло.

Для электрической сварки крупногабаритных стеклянных дета­ лей с большой длиной шва обычно применяют переменный ток про­ мышленной частоты ( —50 гц). В соответствии с законом Джоуля —

увеличению силы тока. В свою очередь, увеличение силы тока со­ провождается дополнительным выделением джоулева тепла и по­ степенным прогревом все более внутренних слоев стекла (до все более высоких температур). При этом ток начинает проходить не только по поверхности, но и во всей толще стекла — происходит размягчение стекла в месте сварки и образование сварочного шва..

*См. гл. V.

*При /=800° С удельное электрическое сопротивление стекла С88-1 состав­ ляет всего 100 ом-см.

2 1 3

Схема установки газоэлектрической сварки экрана с конусом кинескопа показана на рис. 140. Электрическое напряжение к сва­ риваемым стеклянным узлам подводится контактным способом че­ рез мягкое пламя газовых горелок. Горелки 3 электрически изоли­ рованы друг от друга и подсоединены к высоковольтному источни­ ку переменного тока промышленной частоты.

Ток проходит по всему периметру сварочного шва от одного электрода — горелки к другому электроду — го­ релке. При этом чем больше длина сварочного шва, тем большее напряжение тре­ буется для сварки детален.

Пламя горелок служит: для предварительного на­

грева стекла в месте сварки до температуры, при кото­ рой стекло становится про­ водником электрического тока;

«подвижным» проводни­ ком, по которому к месту сварки стеклянных деталей подается электрическое напряжение;

последовательно включенным электрическим сопротивлением, которое позволяет регулировать силу тока, проходящего через стекло.

При электросварке деталей для достижения более равномерного нагрева зоны спая предусматривается непрерывное вращение стек­ лянных заготовок.

Иногда помимо горелок, используемых в качестве токоподводов, на станке устанавливают обычные газокислородные горелки для предварительного подогрева стеклянных заготовок. В результате прохождения электрического тока весь объем стекла в зоне сварки быстро нагревается до температуры, превышающей 1000° С.

Газоэлектрическая сварка имеет следующие преимущества по сравнению с газовоздушной (и газокислородной) сваркой:

обеспечивает быстрый и локальный (направленный) нагрев именно того участка стекла, который подвергается сварке (без зна­ чительного повышения температуры близлежащих участков стек­ ла), что уменьшает вероятность перегрева, деформации, ухудшения механических свойств и окисления металлических деталей, покры­ тий и других элементов, находящихся внутри свариваемых узлов;

уменьшает вероятность проникновения внутрь свариваемой обо­ лочки продуктов неполного сгорания газа и паров воды, что позво­ ляет резко снизить браки вида «затеки на люминесцентном экра­ не», «посерение» и «отслаивание аквадагового покрытия», «налеты на катодных подложках фотоэлектронных приборов», «загрязнение внутренней арматуры прибора».

214

При электросварке тепло выделяется в объеме, а не поступает' к поверхности деталей — это предотвращает разрушение — эрозию' поверхностных слоев стекла (эрозия возникает при перегреве по­ верхности стекла и объясняется испарением легколетучих компо­ нентов). Поэтому применение электросварки особенно целесообраз­ но для соединения толстостенных деталей (при газокислородной сварке толстостенных деталей к моменту размягчения внутренних слоев поверхностные слои стекла перегреваются до недопустимо' высоких температур).

Газоэлектросварка обеспечивает возможность получения узко­ го, чистого, недеформированного, равномерно проваренного свароч­ ного шва. Электросварка облегчает регулировку и контроль режима сварки.

К недостаткам газоэлектрической сварки относится необходи­ мость предварительного прогрева стеклянных деталей до сравни­ тельно высоких температур и соответственно неизбежность исполь­ зования (хотя и ограниченно) газового пламени.

§ 60. ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ СВАРКА СТЕКЛОЗАГОТОВОК

Увеличение частоты тока, применяемого для сварки, позволяет снизить температуру и продолжительность предварительного нагре­ ва стеклянных деталей. Это связано с тем, что электрическое сопро­ тивление стекла для токов высокой частоты меньше, чем для токовнизкой частоты. Поэтому температура, при которой стекло стано­ вится проводником токов высокой частоты, меньше температуры,, при которой стекло становится проводником тока низкой частоты. При использовании токов высокой частоты предварительный про­ грев требуется только для поверхностных слоев стекла — это позво­ ляет снизить продолжительность разогрева стекла перед пропуска­ нием по нему тока. (Внутренние слои стекла будут постепенно на­ греваться по мере прохождения тока через поверхностные слои.) На этом принципе основана сварка стеклянных оболочек токами'

высокой частоты — электродуговая сварка.

Электродуговая сварка обычно применяется, когда внутри сва­ риваемых стеклянных узлов находятся металлические детали, кото­ рые могут окисляться при предварительном прогреве места сварки газовым пламенем до сравнительно высоких температур. При элек­ тродуговой сварке осуществляется следующая последовательностьопераций.

Начальной операцией электродуговой сварки является предвари­ тельный прогрев поверхностных слоев стекла в месте сварки до тем­ ператур 200—250° С с помощью подвесных электрических печей, нихромовых излучателей или инфракрасного излучения. Такая сравнительно низкая температура оказывается достаточной ввиду применения токов высокой частоты и дополнительного разогрева поверхностных слоев стекла теплом, выделяющимся при электри­ ческом разряде газа между электродами.

215

К месту сварки подводят два ферритовых стержня, подсоединен­ ных к источнику тока высокой частоты (порядка ІО5—ІО7 гц). В промежутке между стержнями — электродами под действием по­ ля высокой частоты происходит ионизация газа, и зажигается элек­ трический дуговой разряд, который распространяется по поверхно­ сти стекла1*'. Ток электродугового разряда вызывает дополнитель­ ный разогрев стекла, что способствует постепенному повышению температуры, снижению электрического сопротивления и соответст­ венно протеканию тока высокой частоты по все более внутренним

•слоям стекла. Дальнейший процесс образования сварочного шва происходит, как и при газоэлектрической сварке.

§ 61. СОЕДИНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИМИ ЦЕМЕНТАМИ

Применение стеклокристаллических цементов

В последнее время широкое распространение получил метод соединения стеклянных, слюдяных, керамических и металлических деталей путем их склеивания специальными цементами.

Стеклоцементы позволяют соединять детали друг с другом при температурах более низких, чем температуры размягчения соеди­ няемых деталей. Стеклоцементы характеризуются газонепроницае­ мостью, механической прочностью, высокой температурой дефор­ мации и хорошей термостойкостью.

Применение стеклоцементов особенно целесообразно, когда сварка деталей при высоких температурах (с использованием га­ зового пламени или токов высокой частоты) может привести к окис­ лению и деформации деталей, изменению геометрии и расстояния между отдельными узлами, изменению состава и структуры внут­ ренних покрытий или их отравлению газами и парами, выделяю­ щимися при сварке.

При склейке стеклоцементами ножек с оболочками миниатюр­ ных ПУЛ температура оксидного катода не превышает 230° С, в то время как при обычных способах заварки оксидный катод подвер­ гается перегревам до температуры 500—600° С.

Путем сварки нельзя соединять конус с экраном (с нанесенным на него люминесцентным покрытием) цветного кинескопа, так как при высокой температуре сварки может произойти изменение соста­ ва и структуры люминофора (что вызовет снижение яркости экра­ на), а также окисление и деформация маски (что вызовет ухудше­ ние разрешающей способности и чистоты передачи цветов).

* Распространение электрического разряда по поверхности стекла происхо­ дит под действием дополнительного снижения электрического сопротивления стекла при его нагреве теплом, выделяющимся при зажигании разряда.

21 6

Склейка стеклоцементами рекомендуется также при изготов­ лении:

фотоэлектронных приборов и электронно-оптических преобразо­ вателей (склейка плоских окошек, катодных подложек, слюдяных экранов);

счетчиков Гейгера — Мюллера (для герметичного соединения слюдяных окошек с фланцами из стекла, металла или керамики); миниатюрных сеток (для закрепления витков тончайшей воль­

фрамовой проволоки на молибденовых траверсах).

Физико-химические процессы при соединении деталей стеклоцементами

В процессе определенной термической обработки стеклоцементы образуют однородную мелкокристаллическую структуру, ориенти­ рованную в пространстве и создающую жесткий прочный каркас, который соединяет склеиваемые детали между собой.

Как известно, некоторые стекла под воздействием внешних фак­ торов склонны к кристаллизации (см. § 49). Однако процесс кри­ сталлизации обычных стекол является неуправляемым — он проте­ кает неравномерно и преимущественно на поверхности стекла. При этом на поверхности стекла образуется неоднородная крупнокри­ сталлическая структура, которая вызывает снижение механической и термической прочности стекла.

Путем подбора определенного состава и режима термической обработки стеклоцемента удается сделать процесс кристаллизации управляемым, при этом образуется мелкокристаллическая струк­ тура, равномерно распределенная во всем объеме стекла.

Размеры кристаллов у стеклокристаллических веществ намного меньше, чем у обычных кристаллических материалов, и не превы­ шают 2 мкм. Между кристаллами равномерно распределена стекло­ образная аморфная фаза, при этом чем выше прозрачность.стекло­ кристаллического вещества, тем больше стеклообразной фазы со­ держится в цементе. После образования кристаллической фазы тем­ пература плавления (деформации) цемента становится гораздо вы­ ше температуры размягчения стекла, из которого изготовляется цемент. Это способствует прочности шва при последующих терми­ ческих операциях с прибором.

В качестве катализаторов — зародышей кристаллизации (до­ бавляемых в стеклоцементы) используют соединения, которые лег­ ко кристаллизуются из расплава или вызывают его расслоение — фториды щелочных или щелочноземельных металлов, сернистое же­ лезо, двуокись тйтана и т. д.

Кристаллическая фаза стеклоцементов обычно имеет следующий состав

/гРЬО • kZnO • /?гВ20 3, kZnO • /?гВ20 3 и /гРЬО • я іВ20 3,

217

висит не только от его исходного состава, но и от температуры, при которой происходит кристаллизация.

При склеивании стеклоцемеитами в слое стеклоцемента и в склеиваемых деталях по границе соприкосновения с цементом воз­ никают напряжения растяжения или сжатия *.

Величина напряжения зависит от следующих факторов: темпера­ турного режима склеивания (температуры, при которой произво­ дится кристаллизация стеклоцемента, продолжительности выдерж­ ки при максимальной температуре, скорости подъема и снижения температуры), толщины слоя стеклоцемента, состава и удельной поверхности порошка стеклоцемента.

Величина допустимых остаточных напряжений в спае стекло­ цемента составляет 60 ммкм/см. При напряжениях более 180 ммкм/см наблюдается растрескивание цемента и стекла по гра­ нице его соприкосновения с цементом. Следует учесть, что при склеивании стеклоцементами наиболее опасны временные напряже­ ния, которые могут превышать остаточные напряжения более чем

в15 раз. Наиболее опасные временные напряжения растяжения

.возникают в интервале температур 320—380° С.

Кристаллизация большинства стеклоцементов производится в температурном интервале 380—460° С. Практика показывает, что при повышении этой температуры на 20° С снижаются термические напряжения на поверхности склеиваемых деталей приблизительно

в2 раза, но увеличивается вероятность деформации деталей, окис­ ления внутренней арматуры и ухудшения качества покрытий.

Наоборот, кристаллизация стеклоцемеита при пониженных тем­

■стеклянных деталей.

Напряжения резко повышаются при увеличении толщины слоя стеклоцемеита. Поэтому наибольшая вероятность растрескивания наблюдается в местах наплывов стеклоцемента, где его толщина практически достигает 3—4 мм.

При расчетах механической прочности следует учитывать, что ■атмосферное давление вызывает на участках склейки напряжения растяжения порядка 100 ммкм/см.

Основные требования

кстеклоцементам

1.КТР цемента должен быть равен КТР склеиваемых деталей При КТР цемента, большим КТР материала детали, в самом це­

менте после затвердевания возникают напряжения растяжения

* Знак напряжений зависит от соотношения КТР склеиваемых стеклянных деталей и стеклоцемента (см. § 49).

2 1 8

(а в детали — напряжения сжатия) — это может привести к рас­ трескиванию соединительного шва. При КТР цемента, меньшим КТР материала стеклянной детали, напряжения растяжения возни­ кают в стекле (а в слое цемента — напряжения сжатия), в результа­ те может произойти растрескивание склеиваемых деталей.

2. Температура растекания цемента до его кристаллизации (’^растекания) должна быть по возможности ниже. Обычно температу­ ра растекания стеклоцемента выбирается на 200—250° С ниже тем­ пературы размягчения стекла (для большинства цементов темпера­ тура растекания 360—400° С). При температуре растекания (до кристаллизации) стеклоцемент должен обладать достаточной теку­ честью и хорошо смачивать соединяемые детали. При растекании стеклоцемент должен активно взаимодействовать с поверхностью соединяемых деталей, например, путем образования химических соединений, твердых растворов, ионного обмена.

3. Температура кристаллизации стеклоцемента (■/кристаллизация) должна быть значительно ниже температуры, при которой может происходить окисление или деформация деталей прибора или «от­ равление» нанесенных внутри прибора покрытий. Температура кри­ сталлизации большинства стеклоцементов и формования соедини­ тельного шва 380—500° С.

4. Температура размягчения стеклоцемента после кристаллиза­ ции (/деформации) должна быть по возможности высокой — значи­ тельно выше максимальной температуры, до которой может нагре­ ваться соединительный шов на последующих операциях изготовле­ ния прибора. Обычно температура деформации после кристаллиза­ ции цемента на 100—150° С превышает температуру растекания це­ мента до кристаллизации и лежит в интервале 490—530° С.

5.Стеклоцемент должен обладать химической стойкостью осо­ бенно по отношению к агрессивному воздуху промышленного пред­ приятия, углекислому газу и парам воды.

6.Стеклоцемент должен обеспечивать получение вакуумно-плот­ ного и механически прочного спая.

7.Стеклоцемент должен иметь минимальное газовыделение и не разлагаться при нагревании в вакууме.

Состав стеклоцементов и технология склейки деталей

В качестве стеклоцементов обычно применяют свинцово-борат­ ные стекла, содержащие большое количество окиси свинца (от 70—85%). Окись свинца снижает температуру размягчения и расте­ кания цемента в процессе образования соединительного шва. Одна­ ко по мере увеличения содержания окиси свинца повышается КТР стеклоцемента; при содержании окиси свинца сверх 85% КТР це­ мента становится значительно больше КТР склеиваемых стекол. Борный ангидрид снижает поверхностное натяжение и улучшает смачивающую способность и растекание стеклоцемента, снижает

219