Первое, на что необходимо обратить внимание при подготовке стекла к спаиванию — это его чистота. Слабо загрязненные стеклянные заготовки промываются в теплой подкисленной воде, затем в проточной воде с последующей сушкой в термостате. Стекло с заметными жировыми и другими трудно смываемыми загрязнениями перед промывкой в воде обрабатывают в подогретой хромовой кислоте.
Грязь, жир, влага и другие посторонние вещества на спаиваемых поверхностях стекла приводят к возникновению газовых пузырей в спае, ослабляют сцепление между металлом и стеклом и затрудняют спаивание. Поэтому нельзя допускать повторного загрязнения очищенных поверхностей, нельзя касаться их руками.
На поверхности стеклянных заготовок не должно быть следов кристаллизации, выветривания, посечек, трещин и т. п.
Особенно тщательно должна быть подготовлена плоскость цилиндрической или дисковой стеклянной заготовки
при торцевом спае. Обычно на поверхности среза стеклянной трубки имеются небольшие выступы, сколы, трещины. В первый момент нагрева сколы и трещины распространяются дальше по стеклу, приводя его в негодность. Выступы на торце образуют местные утолщения — «наплывы», вызывающие дополнительные напряжения в стекле. Сама поверхность среза часто не является правильной плоскостью и не строго перпендикулярна оси трубки.
Получение плоского торца достигается подшлифованием конца трубки. Часто для этого используется вращающийся чугунный диск с абразивной суспензией или пастой. При этом необходимо следить за тем, чтобы торец трубки оставался перпендикулярным оси.
После шлифовки с поверхности стекла необходимо удалить стеклянную пыль, остатки абразивной массы, другие загрязнения. В массовом производстве вместо шлифовки часто применяют оплавление кромок концов трубки.
Подготовка металлических деталей.
Металл, подле жащий спаиванию, в наиболее ответственных случаях, помимо общего контроля на соответствие стандарту или техническим условиям проверяют назначение ТКЛР и отсутствие металлургических дефектов. Дефектоскопия проводится с использованием метода вихревых токов или ультразвука.
В меди, предназначенной для изготовления спаев, определяют содержание фосфора, серы, растворенной закиси меди и количество абсорбированных газов, которые должны присутствовать в металле в минимальном количестве. Контроль производится химическим анализом или упрощенными методами пробного окисления нагретых образцов, испытанием на перегиб и т. п.
Из подобранного материала методом резания, штамповки, выдавливания, протягивания и тому подобными методами изготавливают детали нужной формы и размеров. Особой трудоемкостью при этом отличается изготовление деталей для лезвенных спаев. Чистота обработки поверхности должна находиться в пределах 5—7-го класса.
Хорошее качество обработки поверхности спаиваемого металла дает электролитическая и химическая полировка. После механической обработки металлические детали тщательно обезжириваются и химически травятся в подходящих составах. Заключительной операцией общей подготовки металлических деталей к спаиванию является их отжиг.
В зависимости от материала детали отжиг проводится в увлажненном или осушенном водороде или в вакууме. При отжиге происходит снятие имеющихся в металле напряжений после механической обработки, удаление газов, растворенных в металле и адсорбированных на поверхности, удаление большинства других загрязнений, обезуглероживание поверхности. Правильно проведенный отжиг предотвращает образование в спае газовых пузырей.
В ряде случаев металлические детали подвергаются специальной обработке. Основной целью специальных обработок металлических деталей является предотвращение переокисления металла.
Одним из эффективных способов предотвращения переокисления металла при изготовлении спая является предварительное покрытие поверхности летали слоем стеклянной пасты. Эта паста приготавливается из порошка стекла того же состава, что и стекло, подлежащее спаиванию. Мелкий стеклянный порошок замешивается на какой-нибудь связующей жидкости (например, метаноле, ацетоне и др.) и наносится тонким слоем на поверхность металлической детали кисточкой или пульверизатором, после чего детали просушиваются на воздухе или в термостате. В дальнейшем паста подвергается сплавлению в сплошной тонкий слой стекла путем предварительного нагрева в печи или непосредственно при спаивании. При этом на поверхности металла под слоем стекла образуется пленка окисла за счет кислорода, содержащегося в самой пасте. Слой стекла надежно защищает металл от дальнейшего окисления.
В некоторых случаях производят предварительное остекловывание металлических вводов путем их «обматывания» расплавленным стеклом вручную с помощью стеклянного штабика, нагреваемого в пламени газовой горелки.
Остекловывание может производиться путем расплавления плотно надетой на ввод тонкостенной стеклянной трубочки.
Для меди и платинита с целью защиты их поверхности от переокисления применяется бура Ν32Β4Ο7. Платинитовая проволока покрывается слоем буры в процессе изготовления проволоки. Другие медные детали покрываются бурой после их изготовления на электроламповом предприятии. Для этого обезжиренные и протравленные медные детали нагреваются до 320—350 °C и медленно охлаждаются, при этом на поверхности меди образуется тонкий слой закиси меди красного цвета. Окисленные таким образом детали выдерживаются для спекания покрытия в муфельной печи до 700 °C в течение 3—10 мин. В результате такой обработки окисленная до нужной степени медная деталь оказывается покрытой тонким стекловидным слоем сплавленной буры. Этот слой предохраняет медь от пере- окисления и обеспечивает хорошее смачивание спаиваемой поверхности расплавленным стеклом.
В некоторых случаях вводы, изготовленные на основе сплавов железа, предварительно меднят с тем, чтобы на них можно было создать слой борированной закиси меди.
Очень широко используется покрытие спаиваемых металлов пленками хрома, имеющими высокую адгезию к стеклу и к основному металлу. Толщина пленки хрома 2,0—20,0 мкм в зависимости от типа основного металла. Хромирование производится электролитическим или термодиффузионным способом. Для дальнейшего спаивания со стеклом хромированные детали окисляются нагревом на воздухе или в увлажненном водороде. Защитные свойства хромового покрытия заключаются в том, что пленка окиси хрома очень устойчива и легко противостоит нагреву в процессе спаивания ввода со стеклом.
Распространенным способом предотвращения переокис- ления является спаивание металла со стеклом в защитном газе (азот, артон, гелий, углекислый газ и т. п.).
Спаивание стекла с металлом.
Соединение стеклянной детали с металлической после их соответствующей подготовки осуществляется по-разному в зависимости от вида спая, применяемых материалов, серийности производства и др.
Необходимый для спаивания нагрев деталей достигается за счет использования газового пламени горелок или специальных печей, высокочастотной энергии, джоулевой теплоты электрического тока и т. д.
Газовый разогрев используется наиболее широко благодаря своей универсальности, простоте осуществления, дешевизне. Например, все основные типы ножек источников света изготавливаются с использованием газового нагрева (см. § 7.6).
Рантовые, дисковые, сжатые и некоторые другие виды спаев почти исключительно изготавливаются при помощи индукционного нагрева. Для этого используются специальные вертикальные или горизонтальные станки, на которых в особых приспособлениях закрепляются и центрируются подготовленные детали. Во время спаивания детали могут быть неподвижными или синхронно вращаться. Часто рабочий объем, в котором производится спаивание, отделяется от окружающей среды стеклянным колпаком: это позволяет вести пайку в контролируемой среде (например, инертном газе).
Рис. 7.6. Схема пайки с помощью высокочастотного индуктора: а — положение деталей (1 — металлический цилиндр; 2 — стеклянный цилиндр; 3 — индуктор; 4 — кольцо); б — распределение температуры
Станок оборудуется подвижным индуктором (рис. 7.6), выбираемым из следующих соображений: зазор между нагреваемыми деталями и индуктором не должен превышать 5—10 мм, число витков индуктора должно быть не более 6—8, высота индуктора не должна превышать его диаметра и расположение нагреваемых деталей относительно индуктора должно быть таким, чтобы граница будущего спая лежала приблизительно в средней плоскости индуктора.
К индуктору подводится питание высокочастотным током от специального генератора высокой частоты.
Индукционная нагревательная катушка устанавливается строго коаксиально спаиваемым деталям во избежание неравномерного нагрева. После включения питания индуктора за счет высокочастотного электромагнитного поля в металлической спаиваемой детали наводятся вихревые токи, которые разогревают ее.
При разогреве металлической детали до светло-красного каления (800—900°C) стеклянная деталь перемещается вдоль оси и приводится в соприкосновение с раскаленным металлом. В результате этого находящийся в соприкосновении с раскаленным металлом торец стеклянной детали быстро нагревается до размягчения и, начиная с этого момента, само стекло становится электропроводящим. При последующем нагреве это стекло способно дополнительно разогреваться за счет находящихся в нем вихревых токов от индуктора.
Окончательно размягченное по месту спая стекло осаживается на торец металлической детали и после кратковременной выдержки нагрев выключается. Индуктор сдвигается в исходное положение, а охлажденный спаянный узел освобождается из оправки и снимается со станка.
Спаивание при использовании нагрева джоулевой теплотой электрического тока осуществляется путем прямого пропускания тока через металлическую спаиваемую деталь (диск — в дисковом спае, отрезок проволоки с нанизанной стеклянной бусой — в бусинковом). Нагрев стекла до температуры спаивания достигается теплопроводностью от раскаленного металла. Режим спаивания легко контролируется по току.
Отжиг спаев.
Отжиг представляет собой тепловую обработку спаев с целью устранения временных («закалочных») напряжений и управления в известных пределах остаточными внутренними напряжениями. Это достигается благодаря пластической деформации стекла, которая происходит при выдержке спая в течение определенного времени при некоторой температуре с последующим охлаждением его до комнатной температуры. Это создает в нем желательное распределение остаточных напряжений.
Отжиг согласованных спаев осуществляется просто: нагрев изделия с заданной скоростью до температуры, близкой к температуре размягчения стекла, выдержка при этой температуре и сначала медленное, затем быстрое охлаждение до комнатной температуры.
Более сложен отжиг несогласованных спаев, когда из-за большой разницы ТКЛР спаянных материалов возможно разрушение спая в самом процессе отжига. Большие возможности для получения надежных спаев несогласованного типа открывает внедрение дифференцированного (или дифференциального) отжига. Сущность этого отжига состоит в том, что при его проведении в спаиваемых материалах поддерживается одно и то же значение теплового сжатия. С этой целью охлаждение металла и стекла ведут с разными скоростями, а не с одинаковой скоростью, как при обычном отжиге.
Требуемая разность температур на практике создается замедлением охлаждения металла или стекла с помощью асбестовых колпачков, пропусканием тока через металлическую деталь. Аналогичный эффект может быть получен ускоренным охлаждением стекла или металла путем обдувания детали сжатым воздухом, опускания детали в охлаждающую ванну и т. п.