книги из ГПНТБ / Варламов В.А. Сборочные операции в электровакуумном производстве учеб. пособие
.pdfДля 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).
6-2210 |
81 |
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.
6* |
83 |
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
|
|
делять вредных газов и не взаимодейст |
|
|
вовать с защитной атмосферой печи. |
|
|
Чаще всего материалом для приспо |
|
|
соблений выбирают нержавеющую сталь, |
—I—!— |
- j—j - |
молибден, никель, ковар, мало- и средне- |
углеродистые стали, керамику, а также |
||
г= гъсг| |
- -г=.„і |
используют специальные покрытия — хро- |
------- >! |
I ---- —' |
мирование, алундирование. |
Рис. 53. Многоместное при способление для центровки и фиксации деталей:
I |
|
А Ä |
А |
X і
} — отверстие |
для выхода |
газов |
МТ |
|
|
|
|
при |
нагреве, |
2 —-буртик |
для |
|
|
|
|
уменьшения |
контакта диска с |
|
|
|
|
||
деталью, 3 — центрирующие дис |
Рис. 54. |
Подставка |
для |
неустойчивых |
|||
ки, 4, 5 — детали узла, б — место |
|||||||
спая, |
7 — центрирующая |
ось, |
|
деталей: |
|
||
8 — втулка для подъема |
дета- |
; — узел, |
2 — базовые |
стержни, 3 — основание,. |
|||
леГі в зону нужной температуры, |
|||||||
|
9 — основание |
|
4 — штыри |
для удобства установки в печи* |
|||
|
|
|
|
|
Пі и /72 — места |
пайки |
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
Н аплы вы припоя
1
избы т ок,
припоя
Плохая смачибаемость и
растекаем ость
Неправильное
расположение
припоя
-
4— Недогоед
Незаполнение |
Д еф ект ы |
- Смещение |
ш б о б |
поверхностей |
дет алей |
1 |
1 |
1 |
Недостаток |
иерегрео |
Неправильная |
припоя |
конструкция |
|
|
|
узл а |
Неправильный |
П лохая |
Неправильная |
Выбор |
подготовка |
сборка |
загород |
поверхности |
узл а |
Недостаточ- |
П лохая за - |
Неправильная |
|
щ и т а пр и |
или изношен- |
сост оянии |
п а й к е |
ная оснастка |
|
|
|
Сдвиг дет а- |
дзаимодейст |
непраоильное |
проведение |
||
лей в нагретом |
вие припоя с |
нагрева или |
состоянии |
деталями |
охлаждения |
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:
зпвальцонка, 0 — запрессовка, в — зажимание, г — обкатка, |
й, ѵ, ж ~ клепка, з ~ сшивка, и — фальцовка, |
к — перевязывание, л - соединенно »литами, |
м — соединение клином |
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