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

Металлы, не образующие сплавов между собой, практически не свариваются. Значительным препятствием для сварки является наличие на поверхности деталей окисных пленок. Плохо сварива­ ются детали, имеющие большую разницу в толщине, так как уча­ стки более толстой детали не успевают нагреваться, и ядро обра­ зуется фактически в тонкой детали. Здесь чаще всего наблюдаются прожоги тонкой детали.

Некоторые сочетания соединяемых металлов, хотя и образуют

.сплавы, плохо свариваются из-за склонности к структурным изме­ нениям. Дело в том, что зона вокруг ядра из-за нагрева претерпе­ вает структурные изменения, например, может стать хрупкой, иног­ да хрупким получается само ядро.

В табл. 1 приведены данные о свариваемости некоторых наи­ более применяемых в производстве ЭВП металлов и сплавов.

Наилучшей свариваемостью обладают пластичные металлы, имеющие достаточное электросопротивление при ограниченной теп­ лопроводности и удовлетворительную химическую стойкость к га­ зам воздуха. Сюда относятся никель и многие его сплавы, железо, малоуглеродистые стали, титан.

Плохо свариваются вольфрам и молибден, особенно вольфрам, отличающийся почти полным отсутствием пластичности, склон­ ностью к образованию окислов и к появлению хрупкости.

Несмотря на отличную пластичность, плохо свариваются медь и алюминий, высокая электропроводность и теплопроводность которых затрудняют образование ядра в зоне контакта. Медь и ее сплавы часто применяют для электродов, не требующих специаль­ ного охлаждения.

Алюминий плохо сваривается также из-за окислов, неизбежно присутствующих на его поверхности в обычных условиях, по этой же причине плохо сваривается хром и его сплавы.

Свариваемость улучшается с помощью специальных мер — для окисленных металлов применяют защитные среды (газы или жид­ кости) , для металлов с повышенной электро- и теплопроводностью необходимы специальные источники тока, обеспечивающие его вы­ сокую плотность при малой длительности импульса.

Точечная сварка применяется как при заготовительных процес­ сах, так и при монтаже всех типов приборов. С ее помощью соеди­ няют детали или отдельные элементы деталей электровакуумных приборов, изготовленных как из листового материала (рис. 46, а), имеющих фасонную формовку (рис. 46, б) или ребра (рис. 46, в), так и из проволоки (рис. 46, г).

При шовной сварке из отдельных точек образуется шов, необхо­ димый чаще всего для обеспечения герметичности соединения. Шов получают, как правило, с помощью ролика, поэтому иногда такую сварку называют роликовой (см. рис. 45).

Обычно ток подается в виде импульсов, паузы между которы­ ми можно регулировать, изменяя расстояние между точками; иног­ да 'применяют непрерывную подачу тока.

Для герметичности шва точки должны перекрывать одна дру­

70

гую; если же герметичность не требуется, применяют так называе­ мую шаговую сварку, при которой паузы подачи тока увеличива­ ются настолько, чтобы между точками получались заданные про­ межутки.

Безусловно, шов можно получить и с помощью точечной свар­ ки, накладывая точки одну на другую с некоторым смещением. Однако этот способ малопроизводителен, особенно из-за перегрева электродов. Ролик следует рассматривать как электрод с «распре­ деленным» рабочим участком, долговечность которого намного выше.

Рис. 46. Основные виды соединений с помощью точечной электросварки:

а —листов, б —фасонных деталей, в — на ребрах, г — детален нз проволоки

При стыковой сварке (см. рис. 45, в) детали закрепляют в изо­ лированные держатели, подводят их до соприкосновения, разогре­ вают до оплавления, пропуская ток, после чего соединяют, созда­ вая давление на стыке (осаживая детали). При стыковой сварке,

71

как правило, получается местное утолщение одной пли обеих де­ талей. Стыковая сварка широко применяется для соединения про­ волочных электродов и реже для соединения труб.

Электродуговая сварка

Как известно, при определенных условиях между двумя элек­ тродами возникает дуговой разряд — дуга. Выделяющееся при го­ рении дуги тепло' используется для плавления металла, который после затвердевания образует нужное соединение.

Могут быть два случая — когда дуга горит между деталями и электродом, при плавлении которого получается металл, образую­ щий соединение (рис. 47, а), а также когда дуга, горящая между двумя электродами (рис. 47,6), вызывает расплавление металла соединяемых деталей.

rh

Рис. 47. Электродуговая сварка:

В производстве ЭВП дуговую сварку применяют редко, глав­ ным образом для некоторых деталей из нержавеющей стали, меди, ковара, используемых в СВЧ приборах. Дуговая сварка, проводи­ мая в атмосфере аргона, который способствует устранению вредно­ го влияния газов воздуха, называется аргонодуговой (рис. 47,а).

Дуговая сварка, проводимая в атмосфере водорода, называет­ ся атомнодуговой. Здесь происходит разложение молекулярного водорода на атомарный, который, соприкасаясь с деталями, превра-

.щается снова в молекулярный (рис. 47,6), при этом выделяется тепло, что позволяет достичь непосредственно в зоне сварки темпе­ ратуры 3700° С. Атомнодуговая сварка применяется для деталей из вольфрама и молибдена. Атомарный водород очень хорошо восста­ навливает окислы, поэтому этот метод позволяет сваривать алюми­ ний, хром и их сплавы.

Газовая сварка

Газовая сварка основана на использовании тепла, выделяюще­ гося при сгорании газа в специальной горелке. В основном газовую

72

сварку применяют в элёктровакуумном производстве при изготов­ лении многозвенных электродов (рис. 48). С точки зрения техноло­ гических возможностей этот вид сварки универсален, позволяет обеспечивать хорошее качество при достаточно разнообразных со­ четаниях металлов и форм свариваемых деталей. Однако примене­ ние газовой сварки ограничено из-за низкой•производительности, сложности настройки и других причин.

Новые способы сварки

Развитие производства электровакуумных приборов вызвало появление и совершенствование новых способов сварки.

Сварка элетронным лучом в вакууме отличается возможностью нагрева в весьма малой зоне и в заданном месте; интенсивность нагрева легко и удобно регулируется, скорость нагрева может быть

Диффузионная сварка может происходить и с нагревом дета­ лей, однако, до температур, меньших температуры плавления.

Наиболее удачно сваривают диффузионной сваркой однород­ ные металлы, а также некоторые сочетания их, например медь — никель, сталь — титан, тантал — медь и т. д.

Холодной сваркой герметизируются штенгели генераторных ламп, изготовленные из бескислородной меди или электролитиче­ ского никеля. После проведения откачки такой штенгель обжимает­ ся и обрезается — обрубается (рис. 49).

Основное условие высокого качества диффузионной сварки — чистота соединяемых поверхностей.

Холодная пластическая сварка схожа с диффузионной отсутст­ вием расплавленных металлов, однако отличается значительным увеличением давления.

Основу холодной пластической сварки составляют пластические деформации при давлениях выше предела текучести материалов. В результате наблюдаются изменения толщины, а иногда и формы

73

деталей в зоне соединения. Как и диффузионная сварка, пластиче­ ская сварка часто применяется для герметизации штенгелей мощ­ ных приборов.

Ультразвуковая сварка (рис. 50) является весьма перспектив­ ным и универсальным методом соединения деталей из самых раз­ нообразных материалов. При воздействии колебаний с частотой около 20 кгц (и более) на стыке двух материалов разрушаются окисные пленки, улучшаются условия для диффузии, возникают пла­ стические деформации, увеличивающие сцепление, происходит ме­ стный нагрев в результате трения, увеличивается площадь контак­ та вследствие сглаживания микронеровностей — все это положи­ тельно влияет на качество сварки.

Контроль сварных соединений и виды брака при сварке

Контроль качества сварки осуществляется осмотром и механи­ ческими испытаниями. При осмотре часто пользуются лупой или микроскопом.

Прочность соединений проверяют на разрывных машинах, спе­ циальных приспособлениях или вручную.

При испытаниях на разрывных машинах или приспособлениях устанавливают предельные допустимые нагрузки.

При оценке прочности вручную о качестве соединения судят по характеру его разрушения. Качественным считается соединение, когда при нагружении сваренных деталей одна из них не отрывает­ ся от другой, а разрывается в целом месте, т. е. правильно выпол­ ненное соединение не должно уступать по прочности основному ме­ таллу.

74

Проверка прочности соединений является разрушающим мето­ дом, поэтому она проводится выборочно.

В исследовательских целях применяют другие методы контро­ ля: металлографический анализ, для которого необходимо делать микрошлифы, рентгеновский и др.

Основными дефектами сварного соединения являются его недо­ статочная прочность, дефекты поверхности (непосредственно в зоне сварки или рядом с ней) и дефекты структуры материалов.

Причины появления дефектов весьма разнообразны и многие из них взаимосвязаны.

Одна из причин недостаточной прочности ■— непровар, являю­ щийся, в свою очередь, следствием проведения сварки на «облег­ ченных» режимах (для контактной сварки — при уменьшенном токе или при недостаточном давлении электродов). Непровар может быть обнаружен при внешнем осмотре и нагружении соединения. Однако такой контроль не всегда гарантирует надежность соеди­ нения и непровар может выявиться уже при эксплуатации. Призна­ ком непровара могут быть отклонения формы или вида (цвета) сварной точки, особенно если возможно сравнить ее с заведомо год­ ной («эталонной») точкой.

Другой причиной недостаточной прочности являются прожоги (пережоги), которые возникают при увеличении тока сварки или давления электродов, иногда — при плохой защите зоны сварки от воздействия атмосферы. Обнаружение прожогов облегчается тем, что они вызывают дефекты поверхности или появление капель ме­ талла на деталях, в том числе и в местах, весьма удаленных от соединения.

Наконец, недостаточная прочность соединения может быть след­ ствием структурных изменений металла в сварной точке или рядом с ней. Структурные изменения могут появиться при нарушении режима, при плохой защите зоны сварки, при общем перегреве де­ тали или узла. Иногда для предупреждения или устранения этого дефекта необходима термическая обработка узла. Обнаружить структурные изменения без испытания (разрушения) соединения трудно; некоторым признаком могут служить изменения внешнего вида, например появление окисных пленок (так называемые цвета побежалости).

К дефектам поверхности относятся разрушение и изменение вида покрытий как в зоне сварки, так и рядом с ней.

В некоторых случаях при соединении деталей сваркой могут появляться дефекты узлов, связанные с деформацией или разруше­ нием входящих в узел деталей (например, тонкостенных или хруп­ ких) — из-за неудачной оснастки (или при ее износе), а также вследствие неаккуратной работы монтажниц.'

Чем хуже свариваемость материалов, тем чаще могут возник­ нуть дефекты на поверхности деталей. Как правило, для соединения деталей из материалов с пониженной свариваемостью требуется бо­ лее точно обеспечивать рекомендуемые режимы.

75

Техника безопасности при сварке

Сварка связана со многими потенциально опасными явлениями. Наиболее безопасна электроконтактная сварка, так как напря­ жения на электродах весьма малы, а образующийся жидкий ме­ талл закрыт свариваемым элементом. Для безопасной работы до­ статочно заземления корпуса, ограждения блоков питания и пер­ вичных цепей сварочного трансформатора, обязателен резиновый коврик под ногами. Смену или зачистку электродов следует прово­ дить при отключенном оборудовании. Для предупреждения раз­ брызгивания расплавленного металла не следует работать дефект­

ными электродами и варить детали с загрязнениями.

Дуговая сварка опаснее электроконтактной, так как проводит­ ся при высоких температурах и повышенном напряжении. Кроме того, весьма вредны излучения, особенно ультрафиолетовые лучи.

Аргонодуговая сварка требует осторожности при использова­ нии баллонов; дуга, как правило, должна зажигаться только при наличии ограждения, для чего необходима блокировка. При наблю­ дении за ходом сварки нужно пользоваться защитными свето­ фильтрами.

Атомноводородная сварка опасна еще тем, что водород в смеси с воздухом (кислородом) может взрываться. Важное дополнитель­ ное условие безопасной работы — отсутствие утечек водорода и надежная вентиляция.

Газовая сварка опасна открытым огнем и возможностью утечек газа в помещение. Для устранения вероятности ожогов необходи­ мы ограждения, для предупреждения взрывов — надежная венти­ ляция.

§ 23. ПАЙКА

Общие сведения

Пайкой называется процесс соединения твердых материалов (деталей) вспомогательным металлом или сплавом — припоем. Припой в жидком виде заполняет специально предусмотренные за­ зоры между соединяемыми деталями и после затвердевания фикси­ рует их взаимное положение с некоторой прочностью.

Пайку широко применяют во многих областях техники, в том числе и при изготовлении электровакуумных приборов. Пайка поз­ воляет получать сложные по конструкции узлы из сравнительно простых и удобных в изготовлении деталей, в том числе выполнен­ ных из разнородных материалов, не требует сложного и специально­ го оборудования, что определяет ее экономическую выгодность как в массовом, так и в единичном производстве.

В зависимости от температуры плавления припоя принято на­ зывать пайку мягкой при температуре ниже 300—400° С и твер­ дой — при более высоких температурах.

76

В производстве электровакуумных приборов мягкой пайкой сое­ диняют, главным образом, немногочисленные детали внешней ар­ матуры (например, цоколевание). Значительно чаще и с большим разнообразием применяют твердую пайку, особенно в производстве мощных генераторных ламп, магнетронов, клистронов и других приборов СВЧ.

Основные требования к припоям

Известно более тысячи различных припоев, имеющих темпера­ туру плавления от нескольких десятков до нескольких тысяч гра­ дусов, однако в производстве электровакуумных приборов исполь­ зуются лишь некоторые, удовлетворяющие специфическим требова­ ниям, связанным с особенностями изготовления и эксплуатации приборов.

1.Температура плавления припоя должна быть ниже темпера­

металлов и сплавов, а также из кера­ мики могут использоваться как твер­ дые, так и мягкие припои, причем для соединения деталей внутренней арма­ туры обычно применяют припои с тем­ пературой плавления не ниже 650° С. Весьма ограничен выбор припоев для пайки меди и ее сплавов, имеющих

■сравнительно низкую температуру плавления (ниже 1000°С), из-за опасности оплавления и деформации самих соединяемых деталей.

2. Температура плавления припоя должна быть выше максималь­ ной температуры соединения при работе прибора, а также выше вероятных температур, ожидаемых при изготовлении и обработке прибора (последующие пайки, прогрев при откачке, тренировке

ит. п.).

3.Припой должен хорошо смачивать соединяемые материалы (при выбранной температуре пайки) и растекаться по ним.

77

Твердая поверхность смачивается жидкостью, если сила сцеп­ ления между молекулами твердого тела и жидкости больше, чем между молекулами самой жидкости. В этом случае капля жидко­ сти принимает растекающуюся форму (рис. 51, а). Для сравнения на рис. 51, б показана форма капли жидкости, плохо смачивающей поверхность. Кроме собственных свойств жидкости (расплавлен­ ного припоя), на смачиваемость сильно влияет состояние поверх­ ности (предварительная обработка, наличие окислов, жиров и т. п.), наличие химической связи между веществами, раствори­ мость, состояние и вид окружающей среды (защитная атмосфера, вакуум, жидкий или расплавленный флюс).

Названные факторы воздействуют также на растекаемость при­ поя по поверхностям соединяемых деталей. Растекаемость припоя часто определяет выбор места исходного расположения припоя, причем иногда приходится принимать специальные меры, например, предусматривать для ограничения распространения припоя по по­ верхностям' деталей канавку (рис. 52).

4. Прочность и пластичность припоя должны обеспечивать необ­ ходимые механические свойства соединения.

Эти требования вызваны главным образом условиями работы соединений в электровакуумных приборах, т. е. вибрацией и удар­ ными воздействиями, а кроме того, значительными механическими перегрузками в соединениях, которые могут возникать при включе­ нии и выключении приборов, (нагреве и остывании).

5.Припой не должен содержать компонентов, интенсивно испа­ ряющихся при температурах и давлениях во время обработки и эксплуатации прибора.

Ктаким компонентам относятся «летучие» металлы, например, барий, калий, кальций, литий, магний, натрий, цинк, свинец, кад­ мий, висмут, сурьма, индий. Кроме того, ограничено применение сплавов, содержащих олово, алюминий, марганец, серебро.

6.Припой, предназначенный для вакуумно-плотных соединений, не должен иметь после затвердевания пор и трещин.

7.Припой должен быть коррозионно устойчивым, так как часто электровакуумные приборы должны работать в условиях повышен­ ной влажности и активности атмосферы.

8.Припой, предназначенный для соединения токопроводников, должен иметь электропроводность не ниже электропроводности сое­ диняемых материалов для предупреждения местного выделения тепла при прохождении сильных токов (у мощных приборов) и выз­ ванного этим ослабления шва.

Мягкие припои чаще всего являются сплавами на основе олова, свинца, цинка. В качестве дополнительных компонентов в их состав входят кадмий, висмут, серебро и некоторые другие металлы. Раз-

78

личные сочетания названных металлов образуют довольно обшир­ ную группу припоев с диапазоном температур плавления 70—400° С (табл. 2).

В качестве твердых припоев, применяемых в производстве элек­ тровакуумных приборов, используют, в основном, медь, серебро, зо­ лото, а также их сплавы между собой или с добавлением никеля, палладия, индия, олова (табл. 3).

79