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

Для пайки деталей электровакуумных приборов важное значе­ ние имеет собственная чистота припоя, а также возможность точ­ ной дозировки припоя, исключающей образование капель и выпле­ сков, способных вызвать короткие замыкания.

В зависимости от условий пайки припои применяют в виде слит­ ков, прутков, проволоки, ленты, фольги, порошка, пасты и т. п. Наи­ большее распространение получили припои в виде проволоки са­ мого разнообразного диаметра (вплоть до 0,01 мм).

Пасты получают путем замешивания мелкого порошка на спир­ те или органическом лаке. Для получения порошков применяют специальные приемы: например, серебро восстанавливают химиче­ ским способом из солей (как правило, из азотнокислого серебра): при этом образуется порошок с очень тонкой (мелкодисперсной) структурой.

Ниже даны общие сведения по применению основных припоев. Медью можно паять (обязательно в восстановительной атмос­ фере) самые разнообразные сочетания металлов — малоуглероди­ стые и нержавеющие стали, никель и его сплавы (ковар и т. п.), мо­ либден и т. д. Следует помнить, что для пайки годится только бес­

кислородная, или вакуумная медь.

Чистое серебро используют редко — главным образом для спаев железо-никелевых сплавов с металлизированной керамикой..

Сравнительно редко применяют чистое золото, например, для пайки молибденовых, вольфрамовых деталей, а также для так на­ зываемой диффузионной пайки (пайка давлением без высокотемпе­ ратурного нагрева).

Весьма широко используются сплавы серебра, золота и меди.

Серебряно-медные припои считаются основными в производ­ стве электровакуумных приборов, в первую очередь — ПСр72. Эти­ ми припоями можно паять медь, никель, ковар, медно-никелевые сплавы, титан, цирконий, стали, молибден, вольфрам. Следует пом­ нить, что для выбора марки припоя в конкретных случаях необхо­ димо пользоваться специальными справочниками или технической документацией. Например, припой марки ПСр15 из-за наличия в нем фосфора нельзя применять для железо-никелевых сплавов, так как при взаимодействии фосфора с железом и никелем полу­ чаются хрупкие химические соединения, в результате чего невоз­ можно получить качественный шов.

Медно-золотые припои используют при пайке детален из меди, стали, молибдена и т. п., предназначенных для работы в тяжелых температурных условиях или в случаях применения повышенных температур (до 700° С) обезгаживания приборов при откачке.

Введение в припои палладия повышает температуру плавле­ ния и прочность соединений, улучшает их антикоррозионные свой­ ства. Палладий также улучшает смачиваемость сплавов на основе никеля и железа.

Аналогично влияние никеля, существенно улучшающего смачиг ваемость припоями вольфрама и особенно молибдена.

80

Особенности конструкции паяных узлов электровакуумных приборов

Пайку вакуумных соединений чаще всего производят в закры­ тых печах с контролируемой атмосферой, в условиях, исключаю­ щих какое-либо вмешательство рабочего. Поэтому качество соеди­ нения во многом зависит от исходных факторов, в первую очередь, от поверхности контакта деталей и величины зазора. Поверхность контакта соединяемых деталей определяется в большинстве слу­ чаев конструкцией основных узлов и всего прибора, а величина за­ зора целиком зависит от способа пайки и вида припоя.

Практически нельзя дать общие и единственные рекомендации по выбору зазоров, обычно зазоры подбирают опытным путем. На­ пример, рекомендуют, чтобы при пайке деталей из разнородных металлов припой сжимался наружной деталью при охлаждении. Это положение бесспорно во многих отраслях техники, однако при пайке деталей электровакуумных приборов возможны нежелательные яв­ ления — раскрытие шва из-за растягивающих усилий при термиче­ ской обработке в процессе герметизации и откачки прибора или при нагреве во время его эксплуатации.

Значительные трудности могут возникать при пайке сложных узлов с несколькими соединениями, особенно при расположении их в разных плоскостях. Необходимо стремиться, чтобы - растекание припоя и заполнение им зазоров происходило при совместном дей­ ствии двух факторов — капиллярных сил и сил тяжести. Правильно выбранные зазоры могут обеспечить быстрое заполнение швов под действием капиллярных сил даже снизу вверх — против сил тяже­ сти, однако лучше избегать таких схем размещения припоя.

Подготовка деталей и припоев к пайке

Для обеспечения высокого качества пайки поверхность деталей подвергается предварительной обработке. Применяют механиче-- скую обработку поверхностей, обезжиривание с помощью органиче­ ских растворителей, травление (химическое и электрохимическое), полирование, отжиг. Выбор способа обработки зависит от материа­ ла и конструкции деталей, а также от характера предшествующих процессов и состояния поверхности. Наряду с названными процес­ сами, широко применяемыми в производстве электровакуумных приборов для очистки деталей, часто используют специальные ме­ тоды подготовки поверхностей, связанные с особенностями паяемых материалов.

Оплавление деталей медью' (золотом, серебром) применяют как для улучшения смачиваемости, так и для повышения плотности сое­ динений. Это вызвано наличием дефектов в исходных материалах (особенно в железе и его сплавах). Оплавление медью лучше про­ изводить в атмосфере азота, мало растворимого в меди (по сравне­ нию с водородом).

В ряде случаев на паяемые детали химическими или электроли­ тическими методами наносят специальные покрытия, предназначен­ ные для повышения смачиваемости, создания условий для пайки материалов, имеющих окисные пленки, для предотвращения взаимо­ действия основных металлов с припоями, в результате которого об­ разуются легкоплавкие соединения, для ограничения растекаемости, для использования покрытия в качестве припоя и т. д. Наиболее употребимые покрытия, улучшающие условия пайки, — это медне­ ние или никелирование. Для ограничения растекаемости чаще все­ го применяют местное хромирование, так как хром не смачивается золотом, серебром, медью и их сплавами.

При соединении пайкой детали из керамики с другими деталями керамику предварительно металлизируют, для чего на нее сначала наносят тонкую пленку металла или сплава, а затем обжигают при высоких температурах. Например, сначала керамику покрывают мелкозернистым молибденовым порошком с добавлением несколь­ ких процентов железа и спекают в водороде при 1400° С. Затем на­ носят слой пасты из никелевого порошка, прокаливаемый при 1000° С. После этого керамическая деталь может припаиваться к металлической обычным путем — с помощью серебряных припоев или меди.

Способы нагрева деталей

,при пайке

Для пайки деталей и узлов электровакуумных приборов приме­ няют нагрев с помощью электрического тока, реже — при помощи паяльника или горелок, а также окунание в жидкий припой.

Электрический ток используют при нагреве излучением, при контактной пайке, при индукционном нагреве, при пайке электри­ ческой дугой.

Наиболее распространен способ нагрева излучением, т. е. пайка в печах — вакуумных или с защитной атмосферой (водородных). Водородные печи используются как муфельные, так и колпаковые.

Муфельные печи, как правило, довольно долго нагреваются или остывают до нужной температуры, поэтому они эксплуатируются при определенной температуре, изменяемой в редких случаях (при переходе на новую операцию или на пайку новых деталей). Пайка в муфельных печах достаточно производительна и проста, однако в ряде случаев возможно появление дефектов из-за взаимного сме­ щения деталей при передвижении в нагретом состоянии из рабочей зоны в зону остывания. Для устранения этого недостатка приходит­ ся применять специальную оснастку, часто довольно сложную.

Во многих случаях перемещение соединяемых деталей в нагре­ том состоянии вообще недопустимо, тогда применяют пайку в колпаковых печах.

Пайка в колпаковых печах менее производительна, но качество проведения процесса более высокое.

82

За ходом процесса (определение момента выключения нагре­ вателей) наблюдают по показаниям терморегистрирующих прибо­ ров или через специальные окна в колпаке •• и соответствующие фильтры. Иногда, когда-прямое наблюдение за состоянием шва не осуществимо, в печь помещают контрольную порцию припоя, рас­ плавление которой является сигналом о достижении нужной темпе­ ратуры.

Цикл пайки в вакуумных (камерных) печах заметно удлиняется за счет времени, необходимого для получения в камере требуемого вакуума, поэтому пайку в таких печах проводят только тогда, ког­ да применение водорода, азота или других защитных газов недопу­ стимо, например при пайке титана, циркония, нержавеющих сталей.

Контактный нагрев деталей при пайке осуществляется теплом, выделяющимся при прохождении тока непосредственно через спаи­ ваемые детали или через электроды, соприкасающиеся с ними. Этот способ обеспечивает весьма быстрый и экономичный нагрев, кон­ центрацию тепла непосредственно в спае, однако он эффективен лишь для весьма небольшого количества конфигураций соединяе­ мых деталей и материалов.

Индукционный нагрев отличается быстротой и возможностью ограничения зоны нагрева при достижении любой требуемой тем­ пературы (вплоть до 2000°С).

Кроме того, способность поля проникать через стеклянные и другие неметаллические детали позволяет существенно упростить и ускорить создание требуемой защитной атмосферы или вакуума, а также проводить местный нагрев и пайку непосредственно внутри прибора.

Недостатки индукционного нагрева связаны с его малой эффек­ тивностью для ряда материалов (например, меди) и необходи­ мостью подбора индукторов в соответствии с формой соединяемых деталей. Кроме того, при неточном расположении индуктора отно­ сительно детали нагрев будет неравномерным по периметру или по высоте.

Приспособления для пайки

Приспособления фиксируют взаимное положение деталей с за­ данной точностью или с заданным усилием, обеспечивая тем самым ■необходимую точность узлов, высокую плотность и прочность швов. Усилия для фиксации создаются с помощью пружин, грузов или вин­ тов-, а требуемая точность достигается соответствующей конструк­ цией приспособлений (рис. 53).

Например, подставки (рис. 54) служат для размещения деталей в нужной зоне печи (камеры) при одновременной пайке нескольких одинаковых узлов, повышают устойчивость длинных и тонких уз­ лов, упрощают процесс загрузки и выгрузки деталей.

Тепловые экраны и холодильники предохраняют от перегрева тонкие части деталей или детали из стекла, а также служат для вы­ равнивания температуры по объему деталей.

К приспособлениям предъявляют следующие основные требова­ ния:

1. Масса приспособлений должна быть минимальной, чтобы не увеличивать времени разогрева и охлаждения.

2.Приспособления должны обеспечивать свободное размещение припоя и по возможности наблюдение за ним.

3.Приспособления не должны деформироваться или разрушать­ ся при быстром нагреве и охлаждении.

4.Материал приспособлений должен исключать припаивание к ним детален (это особенно важно для лотков), не вы­

Флюсы

Флюсы предназначены для улучшения качества пайки. Это до­ стигается, главным образом, удалением окисных пленок, имеющих­ ся на соединяемых поверхностях, а также вследствие предохране­ ния от окисления и улучшения смачиваемости. (Аналогично флю­ сам действуют специальные газовые среды, в первую очередь, водо­

84

род). По способу нанесения на паяемые детали различают твердые, пастообразные и жидкие флюсы.

Твердые флюсы, среди которых наиболее распространены кани­ фоль и бура, при нагреве становятся жидкими или превращаются (разлагаются) в газы и изолируют зону пайки от атмосферы.

Пасты применяют, когда твердые припои осыпаются из зоны пайки,'а жидкие стекают (например, при вертикальных швах). В качестве пастообразующих веществ используют вазелин, сало, ланолин с глицерином и др. Для удобства использования флюсы часто применяют в жидком виде, например канифоль растворяют в спирте, бензоле.

Жидкие флюсы, называемые паяльными жидкостями, представ­ ляют собой водные, спиртовые и другие растворы хлористого цин­ ка, хлористого алюминия, соляной и фосфорной кислот в различ­ ных сочетаниях. Вода или другой растворитель быстро испаряются, а активные элементы взаимодействуют с окислами и очищают де­ таль.

По способу действия флюсы делят на корродирующие и некор­ родирующие (типа смол). Большинство флюсов является корроди­ рующими, поэтому остатки флюсов требуется как можно быстрее удалять, причем иногда эти операции весьма трудоемки и не на­ дежны.

Как правило, для пайки деталей внутренней арматуры электро­ вакуумных приборов флюсы не применяют, за исключением слу­ чаев, когда в дальнейшем узлы подвергаются специальной техно­ логической обработке, уничтожающей следы флюса.

Виды брака при пайке и методы контроля паяных соединений

Виды брака, встречающиеся при пайке деталей и узлов электро­ вакуумных приборов, следующие: внешние дефекты, макродефекты сплошности шва, микродефекты шва.

Внешние дефекты (рис. 55) обнаруживают осмотром или изме­ рением узлов.

К макро- и микродефектам относятся нарушения сплошности, не обнаруживаемые внешним осмотром, но выявляемые при спе­ циальных испытаниях. Основные разновидности макродефектов по­ казаны на схеме (рис. 56).

Микродефекты обнаруживаются с большими трудностями. Влият ние микродефектов может сказываться на последующих этапах из­ готовления прибора, а также во время его эксплуатации, напри­ мер в виде натеканий и ухудшения вакуума.

Для обеспечения качественных соединений необходимо сочетать контроль технологических и конструктивных параметров до пайки, контроль режимов пайки и контроль спаянных узлов.

До пайки проверяют исходные материалы и детали (чистоту со­ ставов, геометрические размеры, качество обработки поверхностей),

85

Рис. 55. Основные виды внешних дефектов швов и их причины

Рис. 56. Основные виды ыакродефектов сплошности шва и их причины

а также качество припоев, флюсов, предварительных покрытий, В процессе пайки контролируют скорость нагрева и температу­ ру, время выдержки, скорость охлаждения, состав газовой среды,,

расход газа и т. д.

Наиболее сложен контроль спаянных узлов, так как обычно для осмотра доступна лишь незначительная, внешняя часть шва, а остальные части находятся внутри узла. Однако значение осмотра велико, причем не только с точки зрения прямого обнаружения де­ фектов, а также и для выявления узлов, требующих специальных методов испытания. Например, излишнее растекание припоя (по’ сравнению с другими аналогичными узлами) указывает на опас­ ность недостаточного заполнения швов припоем (по каким-либо пока неизвестным причинам), что требует дополнительной проверки.

Очень наглядны металлографические методы анализа, напри­ мер, микро- и макрошлифы, однако эти методы связаны с разруше­ нием изделий, т. е. они допустимы в качестве выборочных.

Для оценки вакуумной плотности применяют течеискатели, кото­ рые позволяют определить качество шва без точного указания де­ фектных мест, что снижает значение испытаний для анализа и пре­ дупреждения брака.

Очень редко применяют рентгеновские методы исследования, так как дефекты швов настолько малы, что в большинстве случаев не выявляются.

Техника безопасности при пайке

Проведение технологических процессов пайки связано с приме­ нением нагревательных устройств, а также с использованием га­ зов, в том числе и взрывоопасных (водород). Обеспечение безопас­ ной работы связано с соблюдением комплекса мер, являющихся обязательными для персонала, обслуживающего вакуумные и водо­ родные печи, электронагревательные устройства и горелки. Какихлибо специфических мер, характерных только для пайки, не тре­ буется.

§ 24. МЕХАНИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ СОЕДИНЕНИЯ

Элементы деталей и узлов соединяют с помощью механических методов в тех случаях, когда они обеспечивают высокую произво­ дительность, простоту процесса и когда не приемлемы сварка, пайка и другие методы или их применение связано с большими трудно­ стями.

Известно много вариантов механических соединений как в мас­ совом, так и в мелкосерийном производстве электровакуумных при­ боров.

87

Рис. 57. Механические способы соединения детален:

Закатка (завальцовка) (рис. 57,а) выполняется в три перехо­ да: на одной из деталей делают надрез (насечку), затем в надрез укладывают проволоку и с помощью специального инструмента эту проволоку закатывают. При правильном выполнении закатка обес­ печивает надежное закрепление, усилие которого может превышать прочность проволоки (при натяжении проволока рвется, но не вы­ ходит из места закрепления). Этот способ соединения применим для достаточно пластичных металлов, например, никеля, меди, мало­ углеродистой стали.

Недостатком закатки является появление на участках, подвер­ гающихся соединению, остаточных напряжений, под действием ко­ торых детали могут значительно деформироваться как в процессе изготовления, так и после нагрева в собранном приборе.

Запрессовка (рис. 57, б) похожа на завальцовку, однако при этом способе предварительно насечки не наносят, поэтому она мо­ жет применяться лишь при высокой твердости и достаточно малом диаметре проволоки и одновременно хорошей пластичности держа­ телей. Как правило, держатели делают из никеля, а проволоку — из вольфрама.

Зажимание (рис. 57, в) применяют для соединений нитей с дер­ жателями, выполненными из более толстой пластичной проволоки, чаще никеля. Предварительно концы держателей расплющивают и загибают в виде петли. Вставляют нить в петлю и последнюю сжи­ мают, фиксируя положение нити.

Обкатку используют для соединения с траверсами эмиттеров фотоэлектронных умножителей, изготовленных из материалов, пло­ хо поддающихся сварке (рис. 57, г).

Клепка позволяет собирать детали из листового материала, пло­ хо поддающегося сварке, в основном вольфрама, молибдена и тан­ тала, а также детали из слюды и керамики. Заклепки используют молибденовые сплошные (рис. 57, д) и в виде пистонов (рис. 57, е). Иногда, если позволяет материал одной из деталей, применяют клепку с помощью цапф, выдавленных заранее (рис. 57, ж):

Сшивка также предназначается для соединения листового мате­ риала, например, при изготовлении анодов (рис. 57, з).

Весьма похож на сшивку метод фиксации электродов в изоля­ торах с помощью отгибания ушек (см. § 33).

Фальцовка (соединение «в замок») служит для прочных соеди­ нений деталей из листа и ленты (рис. 57, и).

Перевязывание (рис. 57, к) применяют редко, например для за­ крепления на держателях и токоподводах относительно толстой вольфрамовой и молибденовой проволоки. .

Иногда детали соединяют винтами с помощью хомутиков (рис. 57, л) или клином — штифтом (рис. 57, м).

Соединения, полученные с помощью механических способов, мо­ гут иметь дефекты, вызванные многими причинами:

1) недостаточная прочность может быть следствием мелких ка­ навок (при завальцовке), слабого обжатия (при завальцовке, за­

89