СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТЕКЛА С ИЗДЕЛИЯМИ ИЗ МЕТАЛЛОВ ПРИ ПОМОЩИ ПАЙКИ
METHOD OF JOINING ARTICLES MADE FROM GLASS WITH ARTICLES MADE FROM METALS BY SOLDERING

Настоящее изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть преимущественно использовано при изготовлении оптических приборов на основе неразъемных соединений стекла с металлической оправой с высокой прочностью, устойчивых к воздействию вибрации и работающих в широком температурном диапазоне.
Известен способ изготовления оптико-механического модуля [Патент RU 2394258, МПК G02B 7/00, С03С 27/04, опубл. 10.07.2010]. Способ включает в себя, подготовку соединяемых поверхностей размерной заготовки из оптического материала и соразмерной оправы из металла, введение между ними припоя и последующую пайку, при которой соединяемые поверхности заготовки и оправы нагревают, смачивают поверхности припоем и охлаждают, при этом процесс пайки осуществляют под давлением.
z
Недостатком известного способа является сложность технологического процесса. При подготовке к пайке необходима полировка соединяемых поверхностей до значений шероховатости R=0,1 мкм, данное требование достигается при выполнении технологических операций шлифовки и полировки на высокотехнологическом оборудовании с привлечением высококвалифицированного персонала с применением специальных приспособлений и инструментов, что соответственно приводит к усложнению технологического процесса.
Еще одним существенным недостатком данного способа является применение припоя из индия. Индий имеет длительное время затвердевания, что соответственно приводит к образованию диффузионной пористости, что в конечном итоге приводит к снижению физико-механических свойств паяемого соединения таких как, вакуумная плотность и термоустойчивость. Кроме того, из-за значительной стоимости припоя из индия приводит к удорожанию технологического процесса в целом и соответственно изготавливаемой детали.
Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков заявляемого изобретения, присуща известному способу спаивания деталей из оптического кварцевого стекла с деталями из металла [Авторское свидетельство №219770, МПК С03С 27/02, опубл. 14.06.1968]. Известный способ спаивания (наиболее близкий аналог), включающий подготовку соединяемых поверхностей, нанесение слоя титановой пасты, введение между соединяемыми поверхностями заготовки и оправы припоя, последующий нагрев в вакууме, и охлаждение.
Существенным недостатком способа, принятого за наиболее близкий аналог, является двухступенчатый технологический процесс соединения деталей, при котором сначала наносят и вжигают пасту гидрида титана, а на последующей операции собирают соединяемые детали, размещают припой и проводят термическое воздействие на конструкцию. Данная двухступенчатая технология значительно усложняет технологический процесс и делает его наиболее энергозатратным и дорогим.
В известном способе используют припой из свинца. Применение в качестве припоя чистого свинца не обеспечивает достаточной механической прочности паяного соединения.
Еще одним недостатком известного способа является неконтролируемое нанесение титановой пасты на оптический элемент, имеющий определенную эллипсность после механической обработки, с получением еще большей эллипсности после неконтролируемого нанесения пасты. В результате чего, после сборки конструкции образуется неравномерный зазор между соединяемыми деталями, который, вследствие термического воздействия на конструкцию, приводит к образованию неравномерных остаточных напряжений, возникающих при кристаллизации паяного шва из-за разности коэффициентов термического расширения соединяемых деталей, приводящих к разрушению паяного шва и конструкции в целом.
Актуальность технической проблемы, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является необходимость создания упрощенной технологии соединения стекла с металлом при помощи пайки, обеспечивающей качественное соединение материалов и изготовление качественных изделий.
Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение технологии изготовления неразъемных соединений изделий из стекла с изделиями из металлов при помощи пайки с высоким качеством соединения.
Технический результат изобретения обеспечивается тем, что в известном способе соединения деталей из стекла с деталями из металлов при помощи пайки, включающем подготовку соединяемых поверхностей, нанесение на поверхность детали из стекла слоя титановой пасты, введение между соединяемыми поверхностями детали из стекла и детали из металла припоя, последующий нагрев в вакууме и охлаждение. В отличие от известного способа слой титановой пасты наносят толщиной 150-190 мкм, нагрев производят в среде аргона до температуры 500°С со скоростью не менее 2-3°С в минуту, выдерживают при данной температуре не менее 20 минут и далее охлаждают до температуры 50-70°С со скоростью не менее 1-2°С в минуту, при этом припой, используемый для пайки, представляет собой эвтектический сплав на основе свинца с добавлением индия и серебра.
Нанесение слоя титановой пасты на поверхность детали из стекла толщиной 150-190 мкм позволяет получить неразъемное соединение металла со стеклом с высокими физико-механическими характеристиками. Нанесения пасты гидрида титана обусловлено тем, что гидрид титана является межфазно-активной добавкой и при разложении гидрида титана в припое при термическом воздействии получается активный жидкий сплав, создающий интерметаллическое соединение между металлом и оптическим элементом. При этом толщина наносимого слоя гидрида титана нанесенная меньше 150 мкм не позволяет получить хорошего растекания и взаимодействия полученного активного сплава с деталями из-за содержания малого количества титана в нем, что в свою очередь потребует высоких температур и значительного времени выдержки при термическом воздействии на соединяемые детали, что приведет к усложнению технологического процесса и снижению физико-механических свойств полученной конструкции. Также при увеличении толщины наносимого слоя гидрида титана свыше 190 мкм приведет к образованию интерметаллидов в получаемой конструкции, что в свою очередь приведет к значительному уменьшению пластичности и увеличению остаточных напряжений, приводящих к значительному снижению физико-механических свойств получаемой конструкции. В связи с вышесказанным установлено, что нанесение гидрида титана на поверхность детали из стекла толщиной 150-190 мкм позволяет в дальнейшем получить качественное паяное соединение.
Припой, применяемый при пайке изделий из стекла с изделиями из металла, с добавкой межфазно-активных металлов представляет собой эвтектический сплав на основе свинца с добавлением индия и серебра и позволяет улучшить следующие технические характеристики паяного соединения за счет того, что свинец обладает относительно большой прочностью и высокой упругостью пара, а небольшие добавки индия и серебра повышают механические и коррозионные свойства. Кроме того, температура рекристаллизации эвтектического сплава ниже комнатной, поэтому в процессе пайки не будут возникать остаточные напряжения в паяной конструкции.
В качестве среды для пайки используется инертный газ проточный аргон, препятствующий подсосу воздуха из атмосферы, а также осуществляющий удаление с поверхности соединяемых деталей кислорода и других газообразных продуктов, образующихся при диссоциации окислов. Также пайка в среде проточного аргона позволяет снизить температуру пайки на 100°С. А нагрев до температуры 500°С со скоростью не менее 2-3°С в минуту позволит произвести равномерный прогрев и термостабилизирующий отжиг соединяемых деталей.
Время выдержки при температуре 500°С в течение не менее 20 минут обосновано тем, что при выдержке меньше 20 минут титановая паста распределена по границе оптического кварца, а при достижении температуры 500°С с выдержкой не менее 20 минут происходит перемещение ее к поверхности припоя, взаимодействия с ним, в результате чего происходит резкая смачиваемость и растекаемость припоя по соединяемым деталям.
Очень важным условием в данной технологии является правильное охлаждение полученного изделия, а именно со скоростью не менее 1-2°С в минуту до температуры 50-70°С. Охлаждение в таком режиме поможет избежать трещин в паяемых швах, которые возникают под действием напряжений и деформаций металла изделия в процессе охлаждения. В процессе быстрого охлаждения возникают холодные и горячие трещины. Холодные трещины возникают при температуре до 200°С, горячие при температуре выше 200°С. Эти трещины имеют кристализационные и полигонизационное происхождение. Если в процессе кристаллизации скорость охлаждения высока, и возникающие напряжения велики, а деформационная способность металла шва мала, то появляются кристаллизационные трещины.
Реализация способа поясняется на примере соединения заготовки из стекла (оптического кварца) диаметром 100 мм, высотой 50 мм с металлической оправой, изготовленной из стали 12Х18Н10Т при помощи припоя, представляющего собой сплав Pb-In-Ag (свинец 95%, индий 2,5% и серебро 2,5%), через титановую пасту, наносимую на оптический кварц. Пайка производится в вакуумной печи в один прием.
Для реализации способа выполняется технологический процесс, состоящий из следующих операций:
а) Подготовка оптического кварца: деталь из оптического кварца подбирают с минимальной эллипсностью по наружному диаметру. Допускается изменение диаметра до 0,3 мм. Производят обезжиривание поверхностей ацетоном, спиртом и сушку при температуре +60°С в течение 2-3 минут.
б) Подготовка металлических деталей: паяемые поверхности металлических деталей должны быть без механических повреждений. Размер металлических деталей должен обеспечить зазор под пайку 1±0,5 мм. Перед сборкой с оптическим кварцем металлическую деталь обезжиривают ацетоном и спиртом.
в) Нанесение титановой пасты на кварц: готовят титановую пасту непосредственно перед нанесением. Готовую пасту кисточкой равномерным слоем наносят на очищенную паяемую поверхность оптического кварца, просушивают при температуре 60±10°С в течение 10 минут. После окончательного затвердевания пасты производят замер ее толщины микрометром. Толщина пасты должна быть 150-190 мкм. После замера толщины, обезжиривают ацетоном место соединения оптического кварца с металлом.
г) Подготовка титановой пасты: пасту готовят из титанового порошка с величиной зерна 10 мкм и раствора акриловой смолы на растворителе Р-5 (30% смолы, 70% растворителя). Титановый порошок замешивают на растворе смолы в соотношении 1:3.
-2
д) Сборка и пайка моделей: детали закладывают друг в друга и в зазор закладывают припой. Собранную модель устанавливают в вакуумную камеру и производят вакуумирование рабочего объема камеры до остаточного давления 2⋅10 мм.рт.ст.. Затем в камеру проточным способом подают аргон, который подают в рабочий объем из баллона, а на выходе пропускают через вакуумное масло, чем обеспечивают поддержание в рабочей камере избыточного давления 0,2 атм.
е) Режимы пайки:
- нагрев до температуры 500°С со скоростью не менее 2-3°С в минуту;
- выдержка при температуре 500°С не менее 20 минут;
- охлаждение до температуры 50-70°С со скоростью 1-2°С в минуту;
- охлаждение до комнатной температуры естественным путем.
Способ проверен практически при изготовлении оптического резонатора химического лазера.
К достоинствам соединения, полученного заявленным способом, относятся:
- простота в получении надежного неразъемного соединения стекла с металлической оправой при помощи пайки при изготовлении оптических приборов;
- устойчивость в широком температурном диапазоне от минус 75°С до плюс 150°С;
- устойчивость к вибрационным нагрузкам порядка 3g;
- высокая механическая прочность полученных изделий.