Технологический процесс изготовления кварцевой галогенной малогабаритной лампы типа КГМ 220-500

Очень существенным является изменение температуры спая в процессе эксплуатации, поскольку оно приводит к появлению новых и к перераспределению уже имеющихся напряжений в стекле. Это во многом объясняется тем, что при прохождении тока металлические токовые вводы быстро нагреваются, а отвод теплоты стеклом происходит значительно медленнее.

При конструировании следует стремиться к тому, чтобы напряжения, возникающие из-за нагрева проволоки, по возможности компенсировали существующие напряжения в стекле, а не складывались в одном направлении.

Для сохранения работоспособности стержневого спая вольфрамовая проволока, впаянная в стекло и являющаяся токовым вводом, не должна чрезмерно нагреваться в процессе эксплуатации ламп. Если в одну ножку впаяны два токовых ввода, расположенные близко , температурные условия ухудшаются и диаметр каждого из них можно увеличить до следующего за ним в таблице.

Любой токовый ввод в лампах состоит из трех частей, внутреннего звена-ввода, среднего вакуумного звена, впаиваемого в кварц и обеспечивающего вакуумноплотное соединение, и наружного звена -вывода.

В отдельных типах ламп в зависимости от их конструкции роль этих частей могут выполнять только двухзвенные токовые вводы.

2.4 Токовые вводы с ленточными спаями

Ленточные спаи по своей конструкции способны выдерживать значительно меньшие токовые нагрузки, чем стержневые. Они применяются для изготовления всех малогабаритных галогенных ламп, а также линейных и прожекторных ламп на максимальный ток 18--20 А. Ленточные спаи обеспечивает хорошую вакуумную плотность и высокую надежность ламп благодаря тому, что возникающие растягивающие напряжения очень малы и не превышают 1/20 сопротивления кварца на разрыв.

В зависимости от конструкции и параметров ламп в качестве вакуумного звена для таких спаев используется плоская молибденовая фольга в виде полоски толщиной 15-35 мкм, различной ширины и длины. При выборе геометрических размеров молибденовой фольги следует учитывать не только физические характеристики самого токового ввода, но конструктивное исполнение ламп, их габаритные размеры, параметры и назначение. При изготовлении ламп с двусторонним расположением токовых вводов (софитные) каждый спай является однофольговым. Условия работы фольги в этом случае более легкие, отсутствует дополнительное прогревание от соседних токовых вводов, практически нет ограничения на линейные размеры фольги. Ее можно изготовить любой необходимой по расчету ширины.

При изготовлении ламп с односторонним расположением токовых вводов (пальчиковые) рядом размещают два токовых ввода, что не позволяет в больших пределах варьировать ширину фольги. Длина фольги обоих случаях регламентируется конструкцией ламп. Большое значение для качественного исполнения спаси имеют правильные соотношения линейных размеров плоской штампованной кварцевой лопатки, молибденовой фольги и проволочных отрезков, служащих в качестве внутренних и внешних звеньев токовводов. Должно быть выдержано определенное расстояние между фольгой как с точки зрения взаимного перегревания, так и с учетом соблюдения условий электрической изоляции. В двухфольговых токовых вводах не всегда возможно выдерживать требуемые по расчету размеры фольги, приходится оптимальные компромиссные решения.

Наилучшие спаи получаются при использовании ленты, которая имеет в сечении эллиптическую форму. Для этого ее подвергают химическому травлению в смеси азотной и серной кислоты в соотношении 4:1 и затем электрическому травлению в 20%-ном растворе щелочи. Травленая лента должна иметь толщину в середине около I5--35 мкм и по краям не более 2 мкм. При травлении достигается также определенная шероховатость поверхности, что улучшает ее адгезию со стеклом.

Технологический процесс изготовления токовых вводов содержит ряд заготовительных и сборочных операций.

В качестве наружных звеньев -- выводов используется молибденовая проволока диаметром 0,3--1,5 мм в зависимости от конструкции и параметров ламп.

Порядок их изготовления следующий: проволока нарезается на отрезки определенной длины, затем проволоки диаметром менее 0,8--1 мм расплющивают с одного конца. Проволоки диаметром более 1 мм труднее поддаются расплющиванию, поэтому один из концов стачивают на определенную длину до половины диаметра. Плоский конец необходим для облегчения последующей приварки молибденовой фольги и улучшения электрического контакта между свариваемыми деталями.

Для определенных типов ламп, работающих при больших токовых нагрузках либо при высокой температуре окружающей среды, используют двойные выводы. Фольгу в этом случае приваривают к месту закругления, которое также предварительно расплющивают. Возможно использование одного вывода с петлеобразным концом. Для ламп, которые изготовляются без токоведущих цоколей, применяют молибденовые выводы с прикрепленными к ним медными или никелевыми контактами.

Фольга, предназначенная для изготовления среднего вакуумного звена токового ввода, также проходит ряд операций. Молибденовую ленту толщиной 50--70 мкм разрезают на узкие полоски такой же ширины, как фольговая часть, и длиной обычно 180--200 мм. Нарезанные полоски травят в смеси азотной и серной кислот для уменьшения толщины до 40 мкм и образования шероховатости. Поверхность молибдена после травления должна быть чистой, светлой, блестящей, без пятен и загрязнении. Размеры проверяют микрометром.

Затем полоску разрезают на заготовки определенной длины и подготавливают их для соединения с наружными выводами. Эту операцию производят на монтажно-сварочном столе путем сварки фольги с выводом в двух-трех точках. Высокое качество сварки и надежность соединения получают благодаря использованию промежуточной танталовой ленты (в виде маленького отрезка, помещенного между фольгой и выводом). Для ламп ряда типов с целью улучшения механической прочности соединения молибденовую фольгу загибают в месте будущей сварки.

Качество приварки наружного звена токового ввода к молибденовой фольге имеет большое значение для надежной работы лампы.

Заготовленные соединения вакуумного и наружного звеньев токовых вводов поступают на операции сборки и монтажа тела накала.

Внутреннее звено изготовляют отдельно из вольфрамовой или молибденовой проволоки. По технологическое схеме его сначала соединяют с телом накала и потом припаривают к молибденовой фольге.

Технология изготовления внутренних звеньев следующая. Сначала проволоку очищают от аквадага перемоткой через водородную печь. Толстые проволоки диаметром 1--1,5 мм очищают электролитически. Затем проволоку рихтуют, устраняют изгибы и придают ей прямолинейный вид. После рихтовки ее разрезают на отрезки необходимой длины и зачищают концы от заусенцев. Нарезанные, отрихтованные и очищенные отрезки молибденовых проволок расплющивают в местах будущей сварки с фольгой. Так же как внутренние звенья, концы толстой проволоки сошлифовывают. Вольфрамовые проволоки применяют обычно малых диаметров, и их концы не расплющивают.

Необходимость использования для вводов вольфрама или молибдена диктуется требованиями обеспечения нормального протекания галогенного цикла в лампах. Соединение таких вводов с вольфрамовым телом накала сваркой вызывает трудности. Использование промежуточной танталовой фольги внутри объема ламп нежелательно, потому что она быстро разрушается под действием галогенных соединении и прочность сцепления ввода с вольфрамом нарушается. Поэтому ввод с телом накала для большинства типов соединяют механическим креплением, что в свою очередь вызывает необходимость придачи присоединительным элементам внутреннего звена специальной конфигурации. Заготовленные отрезки проволок формуют определенным образом и частично навивают спирали на постоянном керне. Навитые участки вводов впоследствии вручную навинчивают на спиральное тело накала; поэтому внутренний диаметр и шаг этого навитого участка ввода должны быть равны наружному диаметру тела накала и его шагу витков.

Вводы имеют различную конфигурацию в зависимости от типа и конструктивного оформления лампы. Для ламп, тело накала которых изготовляют из тонкой вольфрамовой проволоки с большой токовой нагрузкой, на конец, ввода, подлежащий соединению с фольгой, надевают вспомогательную спираль. Такая конструкция увеличивает механическую прочность ввода, способствует лучшей свариваемости с молибденовой фольгой и обеспечивает лучший режим работы ввода в месте контакта с фольгой.

Поверхность отформованного ввода затем очищают путем кипячения в щелочи и выдержки в соляной кислотой с последующей промывкой в воде. Последней операцией подготовки вводов является их отжиг в препарировочной печи при температуре 1100-- 1200 К в течение 10--15 мин для окончательной очистки поверхности от возможных загрязнений, закрепления формы и снятия внутренних напряжений в проволоке.

Вводы являются внутренними деталями ламп, поэтому при изготовлении и обращении с ними следует соблюдать правила вакуумной гигиены.

2.5 Токовые вводы со стержневыми спаями

Для ламп, работающих при токе выше 18--20 А, ленточные спаи непригодны. Такие лампы изготовляются только со стержневыми или проволочными спаями. Они надежно работают при токе до 130-- 150 А. Такие спаи являются несогласованными и изготовляются с применением переходных стекол, обеспечивающих надежный вакуумно-плотный спай кварцевой оболочки с вольфрамовым вводом. Для этого приходится пользоваться различными конструктивными приемами для максимальною уменьшения вредного воздействия несогласованности температурных коэффициентов линейного расширения разных материалов и получения ненапряженных спаев.

В качестве металла для стержневых спаев применяют шлифованные вольфрамовые прутки диаметром 1,5-5 мм с тщательно очищенной поверхностью.

Прутки разрезают на отрезки необходимой длины. Резка толстых вольфрамовых проволок и прутков -- трудоемкая операция и производится дисковыми алмазными кругами. Затем концы отрезков зачищают. Это делается для того, чтобы можно было легко надеть на токовый ввод смонтированное тело накала. Для мощных линейных ламп с двусторонним расположением токовых вводов используют прямолинейные отрезки проволок. Для мощных прожекторных ламп с односторонним расположением токовых вводов отрезки проволок формуют определенным образом и придают им конфигурацию, соответствующую конструкции ламп.

Механически обработанные вольфрамовые заготовки затем очищают в растворе щелочи и электролитически полируют поверхность. Целью обработок перед спаиванием является создание шелковисто-белого, слегка матового шероховатого покрытия, которое обеспечивает качественное соединение со стеклом. Для удаления адсорбированных на поверхности металла газов и окончательной очистки заготовок их отжигают в водородных печах при температуре 1200--1250 К в течение 10-- 15 мин. Готовые к спаиванию стержни должны иметь чистую поверхность, без трещин, заусенцев, рваных кромок.

Токовые вводы галогенных ламп, в которых используются вольфрамовые стержни диаметром до 2--2,5 мм, изготовляют с одним переходным стеклом. При использовании и вольфрамовых стержней диаметром свыше 2,5 мм применяют три переходных стекла.

Перед сваркой остекловывают те участки стержней, которые будут соединяться с основным стеклом. При изготовлении галогенных ламп используют безокисные спаи, которые получают благодаря применению стекол с высокими температурами спаивания. При интенсивном прокаливании вольфрамового стержня до температуры белого каления образующиеся окислы быстро испаряются. Одновременно с прокаливанием металлического стержня размягчают тонкий стеклянный штабик диаметром 2--3 мм и, вращая стержень, постепенно обматывают его размягченным стеклом на необходимую длину. Для облегчения сварки на остеклованном участке стержня в определенном месте образуют выпуклость в виде бусинки или шайбы. При остекловывании металлического стержня нельзя допускать перегрева стекла и металла, как при этом образуется большое количество газовых пузырей, избавиться от которых практически не возможно. Остеклованный участок стержня должен быть равномерным по всей длине, концы должны быть округленными и иметь гладкий переход. Цвет проволоки на участке переходного слоя должен быть металлическим.

Безокисные спаи имеют высокие нагревостойкость и: влагостойкость. Это объясняется тем, что температурный коэффициент линейного расширения переходного стеклометаллического слоя значительно выше температур, кого коэффициента линейного расширения вольфрама .(для вольфрамата натрия он равен 187·10-7К-1).

Кварцевые трубки для спаивания готовят следующим образом: разогревают интенсивно конец трубки, вводя в пламя горелки штабик первого переходного стекла, размягчают и в таком виде вращают, наматывая на торец кварцевой трубки слой переходного стекла определенной толщины (по всей длине окружности торца). Затем аналогично наносят слой второго переходного стекла и потом третьего. Переходные слои стекла формуют шпателем, они должны быть гладкими и иметь одинаковую толщину. Последнее переходное стекло закругляют и продувают в нем отверстие, диаметр которого немного меньше диаметра бусинки на остеклованном стержне. Затем стержень вставляют остеклованным участком в кварцевую заготовленную трубку и сплавляют бусинку с крайним переходным слоем стекла.

При однопереходном спае остекловывают вольфрамовый стержень стеклом с температурным коэффициентом линейного расширения (13ч15) · 10-7К-1 (П1). На заготовку кварцевой трубки в этом случае также наматывают только один переходный спой из стекла марки П1.

При изготовлении токовых вводов с тремя переходными спаями на кварцевую заготовку наматывают первый переходный слой из стекла П1, на него -- переходный слои из стекла П2 с температурным коэффициентом чиненного расширения примерно (18ч19) ·10-7К-1 и затем последний слой из стекла ПЗ с температурным коэффициентом линейного расширения (24ч25)x x10-7К-1. При этом предварительно вольфрамовый стержень остекловывают стеклом ПЗ.

2.6 Физико-механические свойства вольфрамовой проволоки

В качестве материала для тела накала во всех лампах накаливания применяется вольфрамовая проволока.

В нашей стране и за рубежом разработаны марки вольфрама с различными легирующими присадками, в том числе предназначенные специально для галогенных ламп. В зависимости от назначения они обладают различными физико-механическими свойствами применительно к конкретным условиям эксплуатации ламп.

В отечественных галогенных лампах используется только одна марка вольфрама ВА. Ведутся работы в направлении как совершенствования технологии изготовления проволоки из такого вольфрама, так и создания новых марок, в частности с присадками цезия и кобальта, которые в большей степени, чем ВА, должны удовлетворять требованиям галогенных ламп. Это относится, прежде всего, к сохранению формы при высоких рабочих температурах и механической прочности, поскольку в галогенных лампах как высокоинтенсивных источниках света вольфрам работает при температурах, равных 0,85 - 0,9 температуры плавления. Кроме того, специфическая галогеносодержащая газовая среда вокруг вольфрама также предъявляет особые требования к качеству поверхности проволоки.

Вольфрам имеет кубическую объемно-центрированную кристаллическую структуру решетки; температура плавления 3653 К. В вакуумных лампах его принято использовать при температурах не выше 2600 - 2800 К, так как скорость испарения при более высоких температурах сильно возрастает. В галогенных лампах вольфрам применяется при температурах до 3500 К, так как вредным явлениям испарения противодействуют повышенная концентрация атомов газов в лампах и в определенной степени галогенный цикл; ограничивающим фактором является не только испарение вольфрама, но и его физико-механические свойства.

Плотность проволочного вольфрама равна 19,3 г/см2; коэффициент линейном расширения 44*10С.

Вольфрамовая проволока после волочения имеет волокнистую структуру. При ее нагреве происходят явления рекристаллизации, которые сильно изменяют механические свойства проволоки. В галогенных лампах эти изменения имеют большое значение.

Отжиг проводили в атмосфере осушенного водорода в течение 15 мин.

2.7 Конструкция и изготовление тела накала

Тело накала в галогенных лампах изготовляют из вольфрамовой проволоки как прямолинейной, так и спирализованной, причем применяют и моноспираль и биспираль. Она состоит из операций навивки, промывки в растворителях и щелочи, ряда процессов термообработки для удаления графитовой смазки, закрепления формы и образования должной структуры, из операций вытравливания керна и контроля.

В галогенных лампах нашли применение многие конструктивные исполнения тел накала, геометрические размеры и формы которых определяются конструкцией, параметрами, назначением и условиями эксплуатации ламп. Диаметры используемой вольфрамовой проволоки 0,02--2 мм. Применение проволок малых диаметров, как правило, затруднительно, поскольку они не позволяют, даже при малых размерах колб, получать температуры на стенке оболочки, необходимые для нормального протекания галогенного цикла в лампах. Применение проволоки чрезмерно больших диаметров ограничивается током, который способны выдерживать токовые вводы. Подбор оптимальных диаметров вольфрамовой проволоки очень важен при конструировании ламп.

Большинство моно- и биспиралей навивают на спиральных машинах на непрерывном проволочном молибденовом керне. Некоторые типы спиралей, особенно с малым количеством витков, большим шагом навивки, плоские и конические, изготовляют на ручных приспособлениях с использованием постоянного керна.

В процессе изготовления спиралей молибденовую проволоку, используемую в качестве керна, предварительно очищают от графитовой смазки (аквадага) либо электролитически (при малых диаметрах), либо отжигом в водородных печах (при диаметрах более 0,4 мм). Для получения качественных спиралей большое значение имеет соблюдение технологических режимов на всех операциях. Очень важно также правильное натяжение вольфрамовой проволоки при спирализации, чрезмерно большое натяжение приводит к растяжению нагретой проволоки, врезанию ее в керн, обрыву, а слабое натяжение-- к скольжению вольфрама по керну и нарушению равномерности навивки. Обязательным является нагрев вольфрама при навивке. В нагретом состоянии проволока становится более пластичной, плотнее и равномернее ложится на керн, лучше закрепляется форма витков. Нагреть вольфрам можно косвенным путем (накаленной нихромовой дужкой, расположенной на выходе керна из дюзы) или пропусканием тока через проволоку. Косвенный нагрев применяют в основном при диаметрах проволоки менее 60 мкм. Температура проволоки при навивке спирали должна быть около 670 К. При навивке вольфрамовой проволоки на керн и образовании витков на наружный слой проволоки действуют растягивающие силы, а на внутренний, касающийся керна,-- сжимающие. Эти силы могут вызвать расслоение проволоки, особенно диаметром свыше 80--100 мкм. При использовании качественной вольфрамовой проволоки, соблюдении режимов навивки и выдерживании должных соотношений между диаметрами вольфрама и расслоения не наблюдается.

При изготовлении ламп часто встречаются с явлениями хрупкости спиралей. Она может быть результатом двух причин: нарушения термообработки и загрязнения вольфрама. Большинство типов спиралей поступает на монтаж после первичной термообработки. Если исходная проволока качественная, то после отжига спираль не должна быть хрупкой. Микроструктура такой приволоки должна соответствовать стадии начала первичной рекристаллизации, когда только начинается распад волокнистой структуры. Хрупкость вольфрам появляется при полним переходе волокнистой структуры в зернистую, т. е. после окончания первичной рекристаллизации, что наблюдается при отжиге проволоки при температуре выше 1970 К. Бывает, что попаладаются отдельные партии вольфрама, которые вследствие различных причин, возникающих на стадии изготовления, обладают заниженной температурой первичной рекристаллизации. Такие спирали оказываются хрупкими уже на монтаже. Ряд типов спиралей (для автомобильных, кинопроекционных ламп) поступает на монтаж в отформованном виде после отжига при 2570--2770 К. Если спираль хорошего качества и произошла полностью вторичная, собирательная рекристаллизация, она не должна быть хрупкой. Хрупкость свидетельствует о нарушении режимов отжига или о том, что температура вторичной рекристаллизации данной партии вольфрама выше нормы и структура полностью еще не стабилизировалась.

Спираль может быть хрупкой из-за загрязнения углеродом, железом, никелем. Загрязнение является результатом плохой очистки вольфрама от аквадага. Возможно также загрязнение спирали на различных технологических операциях в процессе ее изготовления. При взаимодействии вольфрама с углеродом образуется либо твердый раствор углерода в вольфраме, либо химическое соединение WC или W2C. Оба случая вызывают хрупкость спиралей.

В производстве иногда появляется хрупкость спиралей при их приварке к токовым вводам контактной точечной сваркой. Это объясняется нарушением режимов сварки. При правильной сварке в точке соприкосновения вольфрама с токовым вводом температура не превышает 1770 К и в вольфраме не происходит никаких структурных изменений. Если ток сварки или время выдержки завышены, возможно появление хрупкости вольфрамовой проволоки. Возможны случаи окисления вольфрама в местах сварки -- такие участки имеют повышенное электрическое сопротивление, что приводит к местному повышению температуры и разрушению контакта.

Для линейных галогенных ламп софитного исполнения тела накала имеют вид длинных моноспиралей (рис. 2.1)как со сплошной, так и с прерывистой навивкой. Тела накала с прерывистой навивкой применяют в лампах для электрографических и термокопировальных аппаратов и др., где необходимо определенное светораспределение по длине лампы. Чередованием навитых и прямолинейных участков тела накала и варьированием их длины удается компенсировать охлаждающее действие токовых вводов и получать нужное распределение температуры по длине тела накала, что в конечном счете обеспечивает и заданные параметры готовых ламп.

Расчеты геометрических параметров спиралей проводят исходя из заданных световых и электрических параметров ламп. Они не отличаются от аналогичных расчетов для обычных ламп накаливания. Однако при разработке необходимо учитывать кроме световых и электрических параметров еще ряд других факторов: габаритные размеры и конструктивное исполнение ламп, требования к вибропрочности и ударопрочности тела накала, светораспределение в пространстве, срок службы и надежность работы лампы в эксплуатации. Все это требует выбора оптимальных решений и приводит к необходимости корректировать расчетные данные геометрических параметров спиралей.

2.8 Инертные газы

Для наполнения галогенных ламп, используются четыре газа - азот, аргон, криптон и ксенон; применяются и смеси этих газов. Выбор рода и состава наполняющих газов зависит от типа ламп, их параметров и назначения.

Применение инертных газов обусловлено тем, что они в обычных условиях не реагируют с какими бы то ни было элементами. Из перечисленных выше к «чисто» инертным газам относятся только аргон, криптон и ксенон. Азот в большинстве случаев также инертен, но при повышенных температурах соединяется с некоторыми металлами, образуя нитриды, которые обычно весьма стабильны даже при комнатной температуре. С некоторыми элементами азот реагирует только в присутствии катализаторов, например с водородом, образует аммиак NH.

Газы получают с помощью воздухоразделительных машин, которые производят в огромных количествах кислород и азот с попутным извлечением аргона, криптона и ксенона.

Азота в составе воздуха почти 80%; поэтому его получение не составляет больших трудностей и он дешев. Аргона в воздухе несравненно меньше (около 1%), и его извлечение довольно трудно. Оно усложняется еще тем, что температура кипения, а значит, и улетучивания аргона находится между температурой кипения азота и кислорода. Это требует применения специальных схем ректификации.

Криптона и ксенона в воздухе - ничтожное количество, и поэтому эти газы очень дороги. Только лишь в последние годы в связи с большим развитием техники получения огромных количеств кислорода для металлургической промышленности оптовые цены на криптон и ксенон несколько уменьшились.

Газы находятся в лампах при высоких температурах и давлениях. Указанные условия, а также эмиссионные явления с поверхности раскаленного тела накала могут быть причинами ионизации газов, что в свою очередь может привести к возникновению разряда в лампах.

Галогенные лампы наполняются газами до давления выше 105 Па (в холодном состоянии) путем вымораживания введенных в лампу газов глубоким охлаждением оболочки ламп жидким азотом. Жидкий азот не опасен в работе, не воспламеняется и не ядовит. В отличие от него жидкий кислород горюч и взрывоопасен, поэтому он не используется в качестве охладителя.

Нужно иметь в виду, что при переходе от газообразного состояния к жидкому происходят большие изменения давления газа (пара). Таким образом, меняя температуру на поверхности кварцевой оболочки, можно оказывать значительное влияние на давление газов внутри готовых ламп.

2.9 Галогены и их соединения

Галогенные добавки, вводимые в лампы накаливания, составляют химически активную часть газового наполнения, выполняющую регенеративную роль путем превращения вольфрама, испаряющегося с раскаленного тела накала, в летучие соединения и последующего их обратного разложения на теле накала.

При выборе состава и количества галогенных добавок необходимо учитывать три требования: 1) должны быть созданы условия оптимального режима работы лампы и максимального использования возможностей галогенного цикла; 2) галогенные добавки по своему составу и состоянию должны позволять их точную дозировку в лампы и применение таких методов введения, которые обеспечивали бы постоянство концентрации и количества; 3) должна быть обеспечена технологичность процесса введения в лампы, безвредность в обращении, отсутствие агрессивности по отношению к откачному и наполняющему оборудованию (насосам, трубопроводам, кранам, приборам контроля).

В принципе галогенные добавки могут быть в любом виде - твердом, жидком и газообразном. Способы введения в лампы тоже могут быть разными - непосредственное введение в лампы либо нанесение на тело накала или на другие элементы конструкции ламп, либо предварительное подмешивание к инертным газам. В лампы могут быть введены один или несколько галогенов как в чистом виде, так и в виде различных соединений. При всех способах главным является максимальное обеспечение указанных выше трех требований и минимальное загрязнение ламп посторонними элементами.

Выбор методов введения галогенов, а также их состава и количества зависит от параметров и конструкции ламп.

Исторически первые галогенные лампы были изготовлены с использованием чистых галогенных элементов сначала йода, а затем и брома. Как показали многочисленные последующие работы, именно эти, наименее агрессивные галогены оказались единственно пригодными для использования в лампах накаливания. Имеются данные о попытках изготовить лампы с хлором и фтором, но от их широкого использования пришлось отказаться из-за исключительной агрессивности.

Основной недостаток применения чистых йода и брома заключается в крайней трудности соблюдения режимов их введения в лампы и необходимости строгой дозировки галогена. Эти условия имеют первостепенное значение для нормальной работы лампы. В частности, при комнатной температуре пары йода имеют очень низкое давление и поэтому ими трудно заполнить оболочку ламп до необходимого количества. Чистый бром при комнатной температуре - жидкость, что также неудобно для введения в лампы и дозировки. Избыток галогена приводит к коррозии вольфрамовых и молибденовых деталей ламп, а недостаточное количество вызывает почернение стенок оболочки; поэтому колебания концентрации галогена в лампах должны находиться в очень узких пределах. Кроме того, все галогены в чистом виде в определенной степени агрессивны, что вызывает большие трудности технологического характера, связанные с нарушением установок откачки и наполнения ламп, разъеданием составных элементов конструкций оборудования - трубопроводов, кранов и приборов.

Все это вместе взятое привело к мысли использовать в качестве галогенных добавок не чистые галогены, а некоторые из их неагрессивных, нетоксичных соединений. Это позволило, с одной стороны, более строго контролировать количество вводимого в лампы галогена, с другой - создавать технологические режимы их введения, пригодные для промышленного производства. Галогенные соединения внутри лампы диссоциируют при высоких температурах, высвобождая свободный галоген, который включается в регенеративный цикл путем взаимодействия с вольфрамом.

Известно большое количество химических соединений галогенов.

При выборе наиболее оптимальных из них следует руководствоваться следующим основным принципом: внутрь ламп должно попадать минимальное количество посторонних элементов, которые, не участвуя в регенеративном цикле, не вредили и не мешали бы его нормальному протеканию. Естественно, что поскольку в лампу вводится не чистый галоген, а какое-то его соединение, совсем избавиться от попутных элементов, входящих в химический состав данного соединения, невозможно. Но свести к минимуму воздействие посторонних элементов возможно.

Теоретические и экспериментальные исследования показали, что наиболее пригодными для этих целей являются галогеноводородные соединения НI,Вг, НСI и галогеноуглеводородных соединения СНХ(где X - галоген). Такие соединения имеют, как правило, низкие температуры кипения и стабильны при нормальных температурных условиях, что очень важно с технологической точки зрения.

Укажем, что йодистые и бромистые соединения обладают во многих случаях одинаковыми преимуществами и являются равнозначными для ламп многих типов. Однако, когда к лампам предъявляются особые требования по световой отдаче и цветности излучения, йодистые соединения являются менее предпочтительными, поскольку йод в газообразном состоянии в лампах имеет специфическое голубовато-фиолетовое свечение и поглощает до 10 % излучения в видимой области спектра. Кроме того, йод в большей степени, чем бром, склонен к сепарации и осаждению. В отличие от йода бром, а также хлор и даже фтор не поглощают света и образуют прозрачные соединения.

Вместе с галогеном внутрь ламп попадают углерод и водород. После диссоциации свободный углерод реагирует с вольфрамом, образуя карбиды, которые очень вредны для тела накала, приводят к его хрупкости и преждевременному разрушению. Поэтому одним из критериев выбора того или иного соединения является стремление добиться минимального загрязнения газового наполнения ламп углеродом. Другими словами, следует отдавать предпочтение соединениям, в химический состав которых входит не молекулярный, а атомарный углерод.

Что касается водорода, то, как показали теоретические и экспериментальные исследования, в определенных количествах он не только не вреден, но и играет положительную роль. Поэтому при выборе углеводородных соединений необходимо использовать такие из них, в составе которых водород находится в оптимальных количествах.

То же можно сказать и о кислороде, попадающем в лампы по различным каналам. В определенных пределах он также не оказывает пагубного действия, более того, он даже необходим.

Таким образом, самыми подходящими галогенными соединениями, которые нашли в настоящее время наиболее широкое применение в промышленном производстве галогенных ламп, являются бромистый метил СНВг и бромистый метилен СНВг.

2.10 Заштамповка арматуры и заварка ламп

В предыдущих главах были изложены операции заготовки деталей галогенных ламп и монтажа арматуры. Следующим технологическим процессом является герметичное соединение ножки с собранной арматурой и кварцевой оболочки. В электровакуумной технике такой процесс называют заваркой ламп. В прямом смысле такой термин применим в основном для мощных галогенных ламп, в которых собранная арматура на токовводах непосредственно заваривается в кварцевую трубку без изменения конфигурации последней. В большинстве же типов галогенных ламп, особенно малогабаритных, процесс герметичного соединения собранной арматуры с кварцевой трубкой-оболочкой сопровождается изменением конфигурации последней, и производится это путем формования одного или обоих концов трубки в виде плоской лопатки с одновременной заштамповкой арматуры на участках вакуумного звена токовводов.

Плоская заштампованная лопатка (или заваренный шов) должна обеспечивать вакуумную плотность спая и сохранять герметичность ламп на протяжении всего их срока службы при воздействии различных механических нагрузок и климатических факторов. Другими словами, место сварки должно быть механически-, термически- и влагостойким. Качество заштампованного и заваренного спая во многом определяет надежность ламп, их долговечность и способность к длительному хранению.

Необходимо иметь в виду, что внутри оболочки в процессе работы лампы развивается относительно большое давление наполняющих газов (до 8--10*105 Па и выше) и поэтому место спая должно быть способным длительно выдерживать такие перепады давления.

При заварке ламп спай образуется соединением двух кварцевых деталей - заготовленной чашечки и трубки.

При операции заштамповки арматуры вакуумный спай образуется соединением плоской молибденовой фольги с кварцевой трубкой.

Технологические процессы заштамповки и заварки имеют отличительные черты и специфические особенности, зависящие от размеров и конструкции свариваемых деталей, которые в свою очередь определяются конкретными типами ламп.

Любой процесс заварки или заштамповки производится горячей обработкой стекла и состоит из трех этапов: медленного разогрева кварцевого стекла до его размягчения, соединения свариваемых деталей в одно целое и отжига места сварки. Эти процессы производятся на специальном технологическом оборудовании с применением различных по мощности газовых или водородно-кислородных горелок. Для кварцевых трубок малых диаметров с малой толщиной стенки возможно использование газокислородных горелок.

При заштамповке таких ламп в специальный держатель устанавливают и закрепляют заготовку кварцевой трубки с приваренным заранее штенгельным отростком. На конец штенгеля надевают наконечник гибкой трубки для подачи внутрь лампы инертного газа. Ввиду небольших размеров ламп и большой компактности размещения арматуры неминуем разогрев внутренних деталей ламп, а это может привести к их окислению; поэтому использование защитного инертного газа обязательно. Применение постоянной продувки такого газа сквозь внутренний объем ламп необходимо еще и для защиты от окисления молибденовой фольги и вывода токоввода. Для этих целей обычно используется газообразный азот, тщательно очищенный и осушенный до точки росы не выше 218 К, что соответствует содержанию паров воды в газе 0,02 г/см В газообразном азоте не должно быть кислорода более 0,005 % во избежание окисления металлических деталей ламп.

Продувка ламп инертным газом во время заштамповки необходима также для правильной формовки очертаний места заштамповки и перехода от плоской лопатки к цилиндрической части ламп. Находясь под убыточным давлением защитного газа, размягченное стекло немного раздувается и приобретает плавные переходы.

Закрепив должным образом кварцевую трубку, устанавливают на другом держателе собранную арматуру, отцентровывают ее относительно трубки и закрепляют таким образом, чтобы края молибденовой фольги находились в определенном положении относительно нижнего торца трубки, в соответствии с конструктивными размерами лампы. Детали лампы не должны смещаться относительно друг друга, так как в процессе их сваривания и заштамповки формируются в основном габаритные размеры и конструктивное исполнение лампы в целом.

Включив подачу защитного газа во внутренний объем трубки, необходимо проследить по ротаметру его поступление в необходимом количестве и исключить образование застоя газа. После этого разогревают участок кварцевой трубки в месте будущей заштамповки до ее размягчения и путем двух-трехкратного сближения штампующих губок формуют лопатку и плотно прижимают размягченный кварц к молибденовой фольге. Затем отжигают заштампованный участок мягким пламенем горелок.

У линейных ламп с двусторонним расположением токовводов (рис. 2.2,а) сначала штампуют первый конец лампы затем второй в последовательности, указанной выше. Отличительной чертой линейных ламп является длинное тело накала, расположенное по оси кварцевой трубки и поддерживаемое кольцевыми держателями. Нужно следить, чтобы во время заштамповки не сместилось тело накала и не изменились его геометрические размеры. При заштамповке второго конца рекомендуется слегка натянуть тело накала для придания ему прямолинейной, упругой формы.

На рис. 2.2(б) показана заваренная линейная лампа большой мощности, в которой из-за повышенной токовой нагрузки неприменим фольговый спай. Здесь используется стержневой токовый ввод. Заварка таких ламп производится без штамповки, путем соединения в размягченном состоянии кварцевой трубки и заранее заготовленного остеклованного токового ввода.

В результате интенсивной обработки огнем на части оболочки может образоваться белый налет частиц испарившегося кварца. Необходимо принять защитные меры, чтобы такой налет появлялся на минимальной поверхности, причем только в зоне заварки в нижней части ламп. Только в таком случае его можно безболезненно удалить на последующих операциях.

Заштампованные и заваренные лампы еще не обеспечивают полной герметизации внутренней арматуры, так как через открытый конец штенгеля могут попадать внутрь плата, посторонние частицы и другие загрязнения. Поэтому после заштамповки необходимо закрыть отверстие штенгеля пробкой и хранить лампы в соответствующих условиях. В дальнейшем нужно соблюдать общее правило для всех электровакуумных приборов -- минимально сократить время от заварки до откачки и наполнения ламп.

2.11 Методы составления газовых смесей и введения галогенных соединений в лампы

Газовое наполнение галогенных ламп состоит из двух частей: химически неактивной из одного или смеси двух или более инертных газов и химически активной, содержащей пары галогенных соединений.

Страницы: 1, 2, 3