Технологии спайки стекла с металлами
Содержание
- Особенности технологии спайки стекла с металлами
- Внутренние напряжения в стекле
- Конструкции спаев
- Этапы выполнения работ по пайке стекла с металлом
- Когда применяется спайка стекла с металлами
При изготовлении некоторых видов приборов, электронной техники нередко требуется надежно соединить металлический элемент со стеклянным, при применении разных способов конфигурации стыкуемых заготовок. В предлагаемом обзоре рассматривается, как спаивают стекло и металл, с учетом условий технологии, внутренних напряжений, возникающих в структуре, конструкции спаев и других особенностей этих работ.
Особенности технологии спайки стекла с металлами
При спайке двух стеклянных деталей предварительно разогревают контактные участки, чтобы размягчить структуру. Затем фрагменты стыкуют и сжимают, получая неразъемное соединение. Но если предстоит спайка стекла и металла, предстоит выполнить стык размягченного стеклянного фрагмента с раскаленным металлическим элементом.
Для сохранения целостности, обеспечения прочности, соединение подвергают термической обработке. При этом учитывают совместимость материалов по условиям температурного расширения, другим физическим характеристикам и особенностям химического состава.
При некорректном выборе температурного режима в процессе закалки или прочих ошибках, могут возникнуть различные дефекты. Речь идет о следующих проблемах, снижающих надежность стыка:
- значительных тепловых напряжениях;
- расстекловывании или кристаллизации основы;
- электролизе стеклянного компонента, с образованием газовых пузырей.
Чтобы исключить эти дефекты, рассчитывают характеристики температуры, составы стыкуемых материалов, другие условия выполнения технологической операции.
Внутренние напряжения в стекле
Возникновение напряжений обусловлено несоответствием характеристик теплового расширения соединяемых материалов, неравномерным разогревом структуры или разницей в темпах остывания зоны контакта в разных местах.
Когда нагревают стекло, во внешних слоях температура увеличивается с большей интенсивностью, по сравнению с внутренними. Это создает временные напряжения, которые исчезают, если разогреть структуру равномерно.
Но при нарушении технологии напряженность может сохраниться после остывания заготовки.
Если нагрузка превысит момент разрыва, это грозит образованием трещин, вплоть до полного разрушения образца. Припаиваемая деталь может отсоединиться.
Риски в ситуации, когда значение напряженности не превосходит механической прочности заготовки, не настолько критичны.
Чтобы обеспечить высокую прочность, металлы, применяемые для спайки со стеклянными элементами, должны соответствовать следующим критериям:
- не слишком отличаться от стекла по значению линейного расширения в температурном диапазоне от точки расплава стеклянного образца до -120 градусов по Цельсию;
- хорошей пластичности, чтобы изготовить из заготовок ленту, проволоку, трубку или другой элемент методом холодной обработки, без разогрева;
- образовывать на поверхности пленку окисла, надежно сцепленную с основой, которая хорошо растворяется в массе размягченного стекла;
- обладать хорошей свариваемостью или спайкой с другими металлами.
Чтобы соединение получилось прочным, поверхности важно качественно обезжирить, исключив присутствие в составе зоны стыка посторонних примесей.
Напряжение измеряют специальным прибором – полярископом, посредством которого структуру материала изучают в условиях освещения поляризованным световым потоком.
Конструкции спаев
Поскольку величина теплового расширения в разных диапазонах температур у двух стыкуемых составов не может быть полностью одинаковой, полностью исключить фактор наличия напряжений нельзя. С учетом этого критерия, спаи бывают согласованными и несогласованными.
В первом случае разница в значении коэффициента теплового расширения несущественна, а напряжения можно снять грамотным отжигом.
Предусмотрено применение спаев следующей конструкции:
- бусинковой – если металлическая проволока точечно контактирует со стеклом;
- окошечной (внутренней) – металл спаивают, окружая стеклянный элемент кольцом или пластиной, с отверстием посередине;
- трубчатой – когда соединяют торцами металлическую и стеклянную трубки;
- дисковой – если в трубку из стекла вводят перегородку из металла.
Если нужно соединить детали несогласованной категории, разрушение связи исключают за счет особенной конструкции металлического элемента, изменяющего конфигурацию по мере тепловой деформации стеклянной заготовки. Также возможно применение следующих методов:
- тонкостенных металлических деталей или тонкой проволоки;
- мягкого металла с большой пластичностью (медных и прочих заготовок);
- утончения краев металлического элемента.
Эти приемы обеспечивают согласованность при изменении линейных размеров вследствие теплового расширения, что снижает риск разрушения образца.
Этапы выполнения работ по пайке стекла с металлом
По условиям технологии спайки стекла с деталями из металла, работы выполняют в таком порядке:
- подготавливают металлические элементы; поверхность заготовки очищают, протравливают и окисляют, чтобы снизить валентность вещества в зоне контакта; это улучшает условия стыковки, для обтекания стеклянным припоем; иногда требуется предварительная остекловка, когда на металлическую деталь наносят порошкообразную суспензию из измельченного стекла, с плавлением под нагревом;
- проводят спайку, с плотным сжатием деталей; элементы тщательно разогревают, чтобы добиться температуры, при которой стыковка осуществляется наиболее прочно; используют газовую или электрическую индукционную установку;
- отжигают сплав; соединение медленно охлаждают в заданном темпе.
Соблюдение этих условий обеспечивает прочную стыковку, чтобы надежно соединить образцы из разных материалов без угрозы нарушения целостности или образования дефектов.
Когда применяется спайка стекла с металлами
Необходимость пайки стекла с металлами возникает при изготовлении разнообразных вакуумных приборов, применяемых в промышленном производстве. Использование стеклянных деталей удобно ввиду особых свойств этого материала. Основу многих электровакуумных приборов составляет колба из стекла, обеспечивающая создание изолированной среды, необходимой для корректной работы соответствующего устройства.
Производят многочисленные полимеры, значительно превосходящие по прочности стеклянные образцы. Но применение стекла по-прежнему сохраняет актуальность, несмотря на некоторую хрупкость и сложность спаивания, ввиду следующих свойств:
- хорошей прозрачности при разных значениях спектра светового излучения, включая ультрафиолетовый и инфракрасный диапазон;
- низкой газопроницаемости, сорбционных способностях, химической устойчивости при прогреве в вакууме, что определяет привлекательность для применения в вакуумных приборах;
- высокого электрического сопротивления;
- достаточной механической прочности;
- удобства обработки, с легкостью изменения формы вследствие хорошей пластичности при нагреве.
Описанные соединения составляют необходимую часть сложных электронных устройств и приборов. Поэтому особенно важно грамотно разработать технологию стыковки, создав надлежащие условия для прочного контакта, с устойчивым состоянием спайки, без дефектов и нарушения структуры материалов в изделии.
