В производстве люминесцентных ламп к начальным сборочным операциям относят операции по специальной подготовке стеклянной трубки-колбы, а именно: нанесение на трубку-колбу люминофорного покрытия, закрепление этого покрытия, удаление из покрытия связующего вещества (биндера), нанесение и закрепление марки и зачистка концов трубки от люминофорного покрытия.
а) Нанесение люминофорного покрытия.
Для нанесения люминофорного покрытия на трубки-колбы люминесцентных ламп в настоящее время широко применяются отечественные многопозиционные машины нанесения с производительностью около 1200 шт/ч.
К машине конвейером подают трубки-колбы и люминофорную суспензию в капроновых бидонах (канистрах).
Загрузка трубок производится вручную так, чтобы трубки надежно удерживались в вертикальном положении в держателях двух непрерывных, синхронно движущихся цепей машины. Трубки при движении цепей автоматически выравниваются по высоте.
На первых позициях после загрузки предусмотрена мойка трубок обессоленной водой, подаваемой сверху на трубки через специальные форсунки. Вымытые трубки сушатся продувкой очищенного подогретого сжатого воздуха, затем охлаждаются до комнатной температуры.
При использовании заведомо чистых трубок, т. е. после их изготовления в стекольном цехе, предварительную мойку и сушку трубок на машине нанесения можно не производить.
Перемещение цепного конвейера машины производится одновременно на 4 позиции. На позициях нанесения размещен бачок, в который заливается люминофорная суспензия не менее чем на 1/3 объема бачка. Для того чтобы частицы люминофора не оседали на дно бачка и за счет этого не изменялась консистенция суспензии, производится ее непрерывное перемешивание в бачке вращающейся мешалкой или барботированием сжатым воздухом. Особо интенсивное перемешивание необходимо при работе с суспензией на основе смеси различных люминофоров.
В некоторых случаях перемешивание люминофорной суспензии имеет отрицательные последствия, например увеличивает вспенивание водной суспензии, затрудняет внедрение методов непрерывного контроля суспензии по параметрам и т. п.
После того, как четыре трубки окажутся зафиксированными над бачком, золотник машины открывает вакуумную магистраль над трубками-колбами и суспензия из бачка засасывается в трубки-колбы под действием создаваемого в них разрежения.
При подъеме суспензии до заданного уровня (на 10— 20 мм ниже верхнего торца трубки) устройство контроля Уровня на фотоэлементах подает сигнал об автоматическом перекрытии вакуумной магистрали и после выравнивания давления — о подаче сверху в трубки очищенного сжатого воздуха. Это значительно ускоряет опускание суспензии и ее слив обратно в бачок. Подъем суспензии может производиться подачей сжатого воздуха в бачок.
Использование вакуума для подъема суспензии предотвращает ее разбрызгивание в случае растрескивания одной или нескольких покрываемых трубок, что иногда наблюдается при использовании для подъема суспензии сжатого воздуха.
Однако при вакуумном способе нанесения люминофорного слоя требования, к разбросу по длине и качеству оплавления торцов трубок повышаются из-за необходимости обеспечить подъем суспензии до нужного уровня.
Сразу после нанесения люминофорного покрытия трубки попадают на позиции сушки. Для этого используют тщательно очищенный подогретый воздух, который вдувается в трубки сверху через специальные сопла.
При использовании люминофорной суспензии на бутилацетате температура воздуха для сушки должна быть в пределах 70—80 °C, для водной суспензии — свыше 100 °C (около 110—120°C). Расход воздуха в единицу времени и конкретная температура обычно подбираются опытным путем. Решающим фактором при этом является достаточно быстрое загустевание слоя суспензии на трубке, чтобы не происходило ее «сползание» к нижнему концу, и получение в результате этого неравномерного покрытия, тонкого на верхнем конце трубки и толстого на нижнем.
Стекающая с трубок люминофорная суспензия по специальному желобу через фильтр попадает снова в бачок, а ее загустевшие остатки в конце смены счищаются с желоба и могут быть повторно использованы для приготовления суспензии.
Высушенные покрытые трубки вручную или «механической рукой» выгружаются из конвейера машины и перекладываются на цепной транспортер, передающий их на следующую операцию.
Без существенной переделки машина нанесения позволяет производить предварительный облив трубок на первых позициях специальным раствором, например фосфатом аммония (ΝΗ4)2ΗΡΟ4, для улучшения адгезии люминофорного покрытия. Температура окружающего воздуха в помещении должна поддерживаться постоянной — на уровне (22±2) °C. Существенный экономический эффект получается при использовании регенеративного воздуха от машины выжигания биндера. При этом первичный нагретый воздух от машины не может быть непосредственно подан для поддува в трубки для их сушки, так как он сильно загрязнен продуктами сгорания газа и биндера. Поэтому этот воздух используется только для нагрева в специальном теплообменнике чистого воздуха, взятого из помещения (или снаружи) и подаваемого компрессорами по трубопроводам к машине нанесения и сушки люминофорного покрытия.
В процессе нанесения люминофорного слоя очень важно выдержать его оптимальную толщину по всей площади нанесения, установленную для данного типа и марки люминофора и лампы.
Наибольшая световая отдача имеет место только при определенной толщине слоя. Всякое отклонение толщины люминофорного слоя от оптимальной приводит к снижению светового потока лампы: при малой толщине — не полностью используется возбуждающее ультрафиолетовое излучение разряда, а при большой толщине происходит большая потеря в самом слое видимого излучения до его выхода наружу лампы.
Практически в производстве пользуются понятием не толщины люминофорного слоя, а так называемой удельной нагрузки, т. е. массы люминофора, приходящейся на 1 см2 поверхности трубки. Между толщиной люминофорного слоя и его удельной нагрузкой имеется прямое соответствие лишь в случае, если для данного типа люминофора постоянен гранулометрический состав (или постоянна насыпная масса).
Контроль удельной нагрузки люминофорного слоя можно проводить путем определения массы счищенного с готовой трубки люминофора и последующего отнесения полученной массы к площади, с которой он был счищен. Но этот способ трудоемок, связан с изъятием определенного количества трубок из производственного процесса и поэтому для массового производства малопригоден.
Повсеместное распространение получил метод косвенного контроля удельной нагрузки люминофора, основанный на соответствии толщины люминофорного слоя и его светопропускаемости.
Толщина люминофорного покрытия на трубке-колбе определяется многими факторами: вязкостью люминофорной суспензии, давлением и температурой воздуха, используемого для сушки слоя, температурой и относительной влажностью окружающего воздуха и т. д. В процессе работы все эти факторы не остаются постоянными.
Поэтому, с одной стороны, предпринимаются меры по их стабилизации, а с другой — организуется систематический контроль за качеством нанесения покрытия. Так, в условиях массового производства люминесцентных ламп удельная нагрузка люминофорного слоя проверяется не реже 1 раза в час.
Для устранения случайных ошибок, вызванных разницей в толщине стекла и диаметре отдельных трубок, для контроля с каждой линии берется несколько трубок и определяется усредненное значение удельной нагрузки.
В случае обнаружения отклонений в толщине люминофорного слоя от нормы производят корректировку люминофорной суспензии: при заниженной толщине добавляется более густая суспензия, а при повышенной — растворитель.
Контроль внешнего вида покрытых труб проводят на матовом стекле с нижней подсветкой. На трубках не должно быть потеков, пузырения, непокрытых мест и т. п.
Для высокоинтенсивных люминесцентных ламп оптимальная удельная нагрузка люминофора примерно в 1,5— 2,0 раза выше, чем у обычных ламп, и составляет (6—7) X Х10-2 кг/м2. Нанести такое покрытие без резкого увеличения неравномерности удельной нагрузки люминофора по длине трубки очень трудно. Здесь перспективен метод двукратного нанесения люминофорного слоя, состоящий в следующем: после нанесения первого слоя покрытия производится его подсушивание, затем трубка переворачивается на 180° и производится нанесение второго слоя, после этого проводится окончательная сушка покрытия.
Нанесение отражающего слоя рефлекторных ламп из подготовленной суспензии принципиально не отличается от нанесения люминофорного покрытия и может производиться методом пульверизационного полива внутренней поверхности трубки-колбы, методом подъема суспензии в трубке с помощью сжатого воздуха или вакуума. На покрытой трубке протирается «окно» для выхода излучения, в результате чего по всей длине трубки остается свободная от покрытия щель. Затем на всю внутреннюю поверхность трубки наносится люминофорное покрытие и проводится необходимая обработка по стандартной технологии.
Помимо рассмотренной выше отечественной машины нанесения используется и другое оборудование. На некоторых машинах предусмотрен компрессионный метод нанесения люминофорного слоя, а также метод полива внутренней поверхности трубок суспензией, подаваемой сверху в трубки через специальные форсунки.
б) Выжигание биндера.
После нанесения и сушки люминофорное покрытие на трубках-колбах помимо люминофора содержит связующее вещество (биндер). Оно необходимо только для предварительного закрепления люминофорного слоя на стекле. Оставлять его в покрытии готовых ламп нельзя, так как биндер постепенно разлагается и выделяет в лампу газообразные продукты, вредно влияющие на ее параметры.
Лампы с неполностью удаленным из люминофорного покрытия биндером плохо зажигаются, имеют низкий и нестабильный световой поток, малый срок службы, «шнуруют», т. е. в них кроме основного разряда наблюдается тонкий вращающийся по спирали вдоль оси лампы дополнительный разряд.
Удаление биндера производится его выжиганием при достаточно высоких температурах. Полнота выжигания определяется толщиной люминофорного покрытия, типом и массой биндера в покрытии, а также температурой и продолжительностью процесса выжигания, доступом в трубку воздуха (кислорода).
Так, ранее применяемый в качестве биндера коллоксилин имеет температуру разложения 300—350°C. Широко применяемый в настоящее время сополимер БМК-5 начинает разлагаться уже при 200—250 °C, а сгорает при более высоких температурах.
В новых рецептах люминофорных суспензий все чаще в качестве биндера используются водные растворы таких веществ, как оксиметилцеллюлоза, поливиниловый спирт и др. Их выжигание также не вызывает больших трудностей и не требует существенной перестройки имеющегося оборудования.
Покрытые люминофором трубки по конвейеру передаются от машины нанесения к машине выжигания биндера. Перед непосредственным помещением трубок в печь во время их нахождения на загрузочном накопителе производится их автоматическая маркировка с одного конца по наружной поверхности колбы. Механизм маркировки обеспечивает совместную прокатку трубки и валика со штемпелем, который периодически смазывается маркировочной мастикой. После нагрева трубки в печи выжигания марка прочно закрепляется на стекле. Правильно обожженная марка не должна стираться даже при протирке ее увлажненной тканью.
По способу нагрева печи выжигания делятся на электрические и газовые.
Электрические печи малоэкономичны, имеют невысокую производительность, но позволяют гибко изменять режим выжигания в широких пределах и не загрязняют люминофор продуктами сгорания топлива. Их использование в лабораторной практике вполне оправдано.
В массовом производстве широкое распространение получили газовые печи выжигания, оборудованные беспламенными радиационными горелками. По краям каркаса печи выжигания движутся две цепи, в которых закреплены своими концами стальные вращающиеся валки. Поверх валков перемещаются трубки-колбы. Вращение от валков машины передается трубкам. Это обеспечивает их более равномерный нагрев. Над каркасом установлен теплоизолирующий кожух, система вытяжной вентиляции и керамические радиационные горелки. С целью интенсификации процесса выжигания биндера через торцы трубок может производиться поддув в трубки кислорода или воздуха.
Распределение температуры в печи по длине трубок должно быть равномерным, а скорость нагрева и охлаждения трубок не слишком большой, чтобы избежать возникновения в стекле опасных внутренних напряжений. Максимальная температура выжигания должна быть близкой к температуре размягчения стекла, т. е. 550 °C. Хотя выжигание биндера может происходить и при более низких температурах, ее повышение ускоряет процесс выжигания, обеспечивает повышение производительности оборудования. Кроме того, при достижении температур, близких к температуре размягчения стекла, возможно выпрямление трубок при использовании гладких несущих валков.
Однако использование гладких валков имеет также ряд недостатков: увеличивается площадь контакта стеклотрубки с валком, возрастает расход теплоты на выжигание и т. п. Поэтому многие машины выжигания имеют валки с наваренной на них в виде спирали с большим шагом (10—12 см) стальной проволокой диаметром 4—5 мм. В таком случае трубка касается валка не по всей длине, а лишь в отдельных точках (по проволоке). В таких машинах повышать температуру выжигания до значения, близкого к температуре размягчения стекла, нельзя, так как на стекле остаются вмятины от проволоки.
При выжигании биндера почти всегда происходит потеря в яркости свечения люминофора. Это связано со сложным процессом «отравления» люминофора продуктами сгорания газа и биндера, а также другими еще недостаточно изученными факторами.
Режим выжигания, как правило, определяется опытным путем для конкретного случая. Например, режим выжигания биндера при использовании поливинилового спирта включает в себя следующие этапы:
- нагрев трубок до 480—520 °C в течение приблизительно 75 с с поддувом внутрь трубок воздуха под давлением (0,7—0,8)·105 Па;
- нагрев трубок до 520—480 °C в течение 75 с без поддува воздуха;
- естественное охлаждение трубок в течение 4 мин.
Вышедшие из горячей зоны печи трубки проходят естественное охлаждение на втором накопителе в виде наклонных направляющих, по которым трубки скатываются к механизму автоматической зачистки концов трубки от люминофора. Это необходимо для того, чтобы освободить от слоя люминофора место последующей заварки трубки с ножкой. Если этого не сделать, то люминофор, попавший в заварочный шов, может вызвать его растрескивание из-за разницы в ТКЛР люминофора и стекла.
Зачистка ведется путем вставления в открытые концы трубки металлических держателей с резиновыми пластинами («флажками»), которые в момент принудительного вращения трубки прижимаются к стеклу и стирают с этого места люминофор. Счищенный люминофор отсасывается из трубки и улавливается фильтром.
При нахождении трубок на втором накопители (склизе) и нижней подсветке в них легко обнаруживаются различные браки:
- стекольный брак (трещины, сколы, отколы концов трубки и др.):
- дефекты нанесения покрытия (потеки, осыпание, грязь и др.);
- дефекты маркировки (смазанная, нечеткая, неотожженная марка);
- дефекты выжигания биндера и зачистки.
Особое внимание следует уделять выявлению трубок с желтизной и коричневыми пятнами по люминофорному покрытию, что свидетельствует о неполном выжигании биндера: либо из-за слишком толстого люминофорного слоя, не рассчитанного на данный режим выжигания, либо по причине заниженной температуры выжигания.
На современных линиях сборки люминесцентных ламп трубки после выжигания биндера в конце склиза захватываются «механической рукой», переворачиваются в вертикальное положение и перегружаются в конвейер, подающий их на автомат заварки.