Устройство для сборки под пайку герметизирующих элементов токоподводов к защитной трубчатой оболочке из лейкосапфира газоразрядной лампы с цезиевым наполнением

Полезная модель относится к области технических средств для осуществления неразъемного соединения деталей из разнородных материалов посредством пайки твердым припоем, в частности спая обращенных один к другому конгруэнтных в зоне спая участков внутренней поверхности герметизирующих элементов токоподводов с наружной боковой поверхностью трубчатой оболочки из лейкосапфира, и может быть использована при изготовлении газоразрядной лампы с цезиевым наполнением.
Известно, что необходимая совокупность свойств любого изделия с учетом его назначения определяется конструктивным исполнением этого изделия, а достижение необходимой эксплуатационной надежности этого изделия может быть обеспечено путем оптимальной взаимосвязи элементов логической цепи, характеризующей его производство: «конструкция - материал - технология - оснастка».
Одной из основных характеристик газоразрядной лампы (ГРЛ), предназначенной для использования в качестве излучающего элемента в составе бортовой станции активных помех в виде модулированного по амплитуде инфракрасного (ИК) излучения для защиты летательного аппарата (ЛА) от поражающего воздействия управляемых ракет (УР) с инфракрасной головкой самонаведения (ИК ГСН), является пиковая сила излучения в спектральном диапазоне чувствительности ИК ГСН УР- 3,5÷5,0 мкм, величина которого должна существенно (не менее чем в 10 раз) превышать собственное ИК излучение защищаемого ЛА при достаточно высокой (не менее 95%) величине глубины модуляции генерируемого ГРЛ излучения [1]. Выполнение указанного требования обеспечивается, во-первых, путем выбора оптимального состава плазмообразующей среды ГРЛ, в которой происходит электрический разряд, и, во-вторых, использованием ограничивающей разряд оболочки из прозрачного в заданной области оптического спектра материала. Известно, что ИК излучение в спектральном диапазоне 3,5-5,0 мкм обеспечивает электрический разряд в плазмообразующей среде на основе цезия [2], а ограничивающая разряд оболочка (т.н. разрядная оболочка ГРЛ) должна быть выполнена исключительно из лейкосапфира, поскольку указанный материал обладает прозрачностью в указанном спектральном диапазоне и, кроме того, устойчив к воздействию паров цезия [2]. Интенсивность генерируемого ГРЛ с цезиевым наполнением ИК излучения является функцией температуры плазмы, в которой происходит электрический разряд, причем увеличение величины средней температуры в 2,0-2,5 раза приводит к увеличению интенсивности генерируемого ГРЛ ИК излучения в 30-40 раз [2], т.е. на практике наиболее приемлемым средством увеличения пиковой силы излучения ГРЛ с цезиевым наполнением в ИК диапазоне является увеличение ее электрической мощности. Однако температура ограничивающей разряд оболочки ГРЛ достигает при этом достаточно высокой температуры - порядка 1200°С и, следовательно, генерируемое ГРЛ ИК излучение неминуемо содержит как модулированную, так и немодулированную составляющие, причем источником немодулированной составляющей ИК излучения в первую очередь является разрядная оболочка из лейкосапфира. Очевидно, что чем выше величина немодулированной составляющей, тем меньше глубина модуляции генерируемого ГРЛ ИК излучения, что с учетом ее аппаратурного назначения совершенно недопустимо. Указанный недостаток может быть устранен только при использовании в качестве излучающего элемента бортовой станции активных помех ГРЛ с двумя оболочками из лейкосапфира, которая конструктивно представляет собой наполненную плазмообразующей средой на основе цезия разрядную горелку с прямой трубчатой оболочкой из лейкосапфира, установленную соосно с образованием заполненного неоном кольцевого зазора во внешней (т.н. защитной) оболочке из лейкосапфира, на противоположных концах которой установлены токоподводы. Такая конструкция ГРЛ с цезиевым наполнением дает возможность существенного снижения немодулированной составляющей генерируемого ГРЛ ИК излучения при сохранении заданной величины модулированной составляющей за счет принудительного охлаждения разрядной оболочки путем формирования воздушного потока вдоль наружной поверхности защитной оболочки. Герметизация внутренней полости защитной оболочки из лейкосапфира осуществляется за счет вакуумплотного неразъемного соединения посредством спая обращенных один к другому конгруэнтных в зоне спая участков внутренней поверхности металлического герметизирующего элемента соответствующего токоподвода и наружной боковой поверхности защитной трубчатой оболочки из лейкосапфира [3].
Одним из самых простых, доступных и, следовательно, широко применяемых на практике приемов по обеспечению наразъемного соединения, выполненного из металла герметизирующего элемента токоподвода с оболочкой из лейкосапфира, является пайка с использованием твердого металлического припоя в печах с защитной атмосферой или в вакууме. Пайкой принято называть процесс неразъемного соединения находящихся в твердом состоянии деталей (в данном конкретном случае - это оболочка из лейкосапфира и герметизирующие элементы из металла) путем введения в зазор между ними промежуточного материала - припоя, который плавится при более низкой температуре, чем материалы, из которых выполнены соединяемые детали [4]. В состоянии расплава припой заполняет зазор между обращенными друг к другу поверхностями соединенных деталей, образуя жидкую прослойку, кристаллизация которой при остывании приводит к образованию паяного шва (спая).
Реализованный в ГРЛ с цезиевым наполнением спай защитной оболочки из лейкосапфира с выполненным из металла герметизирующим элементом относится к категории несогласованных спаев, т.к. указанные материалы обладают различными коэффициентами теплового расширения (КТР) [5]. Вакуумная плотность такого спая может быть обеспечена только за счет сохранения заданной ширины зазора между спаиваемыми деталями. Действительно, затекание жидкого припоя в узкие зазоры осуществляется под действием капиллярных сил, а скорость затекания зависит от смачивания припоем сочленяемых поверхностей, вязкости припоя в состоянии расплава и его поверхностного натяжения. Именно поэтому так важно, чтобы величина зазора между сочленяемыми деталями была неизменна, т.к. при превышении зазора на отдельном участке заданной величины действие капиллярных сил уменьшается и расплав припоя оказывается не в состоянии заполнить такой зазор.
Известна ГРЛ с цезиевым наполнением [6], содержащая токоподводы, установленные на противоположных концах защитной трубчатой оболочки из лейкосапфира посредством спая обращенных один к другому (в зоне спая) участков внутренней поверхности герметизирующего элемента к наружной боковой поверхности защитной оболочки, причем в зоне спая наружной боковой поверхности защитной оболочки придана форма прямого усеченного конуса, обращенного меньшим основанием в сторону торца указанной оболочки, а внутренней поверхности герметизирующего элемента в зоне спая также придана форма прямого усеченного конуса, т.е. обращенные друг к другу в зоне спая участки поверхности защитной оболочки и герметизирующего элемента соответствующего токоподвода выполнены конгруэнтными. Особенность такой конструкции ГРЛ, т.е. геометрия деталей, образующих паяный узел, состоит в том, что различное расширение образующих несогласованный спай деталей при температуре пайки компенсируется за счет осевого перемещения деталей, подлежащих пайке, относительно друг друга, благодаря чему геометрия зазора в зоне спая остается неизменной, что обеспечивает получение надежного в отношении вакуумлотности спая между герметизирующим элементом токоподвода и защитной оболочкой ГРЛ.
Как было указано выше, ГРЛ с цезиевым наполнением, предназначенная для использования в качестве излучающего элемента в составе бортовой станции активных помех ИК ГСН УР, содержит наполненную плазмообразующей средой на основе цезия разрядную горелку с установленными на ее противоположных концах электродными узлами, которые установлены соосно с образованием заполненного неоном кольцевого зазора в защитной оболочке из лейкосапфира с герметично установленными на ее противоположных концах токоподводами, электрически связанными с токовводами соответствующих электродных узлов разрядной горелки. Обеспечение работоспособности такой ГРЛ в условиях интенсивного принудительного воздушного охлаждения достигается за счет особой конструкции контактных элементов токовводов разрядной горелки с соответствующими токоподводами, установленными на противоположных концах защитной оболочки [7]. Так, согласно [7], контактные элементы жестко соединены с герметизирующими элементами соответствующих токоподводов, причем один из них выполнен с возможностью осевого перемещения разрядной горелки внутри защитной оболочки. Указанная конструкция обеспечивает высокую надежность функционирования контактной группы при повышении электрической мощности ГРЛ с учетом ее аппаратурного применения в условиях повышенных виброударных нагрузок. Однако такая конструкция ГРЛ требует выполнения герметизирующих элементов токоподводов в виде двух неразъемно-соединенных между собой деталей, одна из которых предварительно неразъемно соединена с защитной оболочкой ГРЛ, а другая предварительно неразъемно соединена с соответствующим контактным элементом. Известна конструкция герметизирующего элемента токоподвода ГРЛ с цезиевым наполнением [8], представляющего собой вне зоны спая с защитной оболочкой комбинацию двух коаксиальных между собой неразъемно-соединенных с образованием электрического контакта деталей, одна из которых – наружная - выполнена в виде полого тонкостенного цилиндра, другая – внутренняя - жестко соединена с контактным элементом, а неразъемное соединение образующих герметизирующий элемент деталей выполнено посредством цилиндрического спая наружной поверхности внутренней детали с внутренней поверхностью наружной детали, причем спай выполнен на основе припоя, температура плавления которого ниже, чем температура плавления припоя, используемого для спая герметизирующего элемента токоподвода с защитной оболочкой ГРЛ. Совершенно очевидно, что практическая реализация конструкции ГРЛ с цезиевым наполнением с учетом необходимых для ее эффективного функционирования технических решений [6,8] возможна только при условии, что внутренняя поверхность герметизирующего элемента токоподвода выполнена в виде комбинации двух примыкающих поверхностей, одна из которых (в зоне спая с защитной оболочкой) представляет собой боковую поверхность прямого усеченного конуса, а другая - боковую поверхность цилиндра, примыкающего к конусной поверхности со стороны меньшего основания.
Таким образом, необходимость неразъемного соединения герметизирующих элементов токоподводов с защитной оболочкой ГРЛ с цезиевым наполнением посредством конического охватывающего спая не вызывает сомнений, т.к. коническая форма сопрягаемых в зоне спая деталей при нагреве до температуры пайки самопроизвольно обеспечивают оптимальную величину зазора для данного типа припоя [9], однако при таком соединении сопрягаемых под пайку деталей велика вероятность смещения деталей относительно друг друга, что приводит к нарушению их соосности, а это совершенно недопустимо и, следовательно, практическая реализация такой геометрии спая возможна только при использовании специального устройства, конструкция которого обеспечивает заданную пространственную ориентацию сопрягаемых деталей в процессе сборки и пайки.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в обеспечении надежности относительной ориентации элементов сборочной единицы ГРЛ с цезиевым наполнением в составе защитной трубчатой оболочки из лейкосапфира и полой детали герметизирующего элемента каждого из токоподводов при сборке и в процессе пайки.
Технический результат заключается в высокой степени воспроизводимости операции неразъемного соединения посредством спая герметизирующих элементов каждого из токоподводов с защитной трубчатой оболочкой из лейкосапфира в единый вакуумплотный узел и увеличении, соответственно, процента выхода годных при серийном производстве ГРЛ с цезиевым наполнением, предназначенных для использования в составе бортовой станции активных помех для защиты ЛА от УР с ИК ГРН.
Принимая во внимание, что с учетом назначения аналоги заявляемого устройства неизвестны, формула полезной модели составлена без выделения отличительной части.
Заявляемое устройство для сборки под пайку герметизирующих элементов токоподводов с защитной трубчатой оболочкой из лейкосапфира ГРЛ с цезиевым наполнением содержит закрепленный на горизонтальном основании держатель в виде размещенного вертикально металлического стержня с цилиндрической ступенчатой двухсторонней наружной поверхностью с уменьшением его диаметра в обоих направлениях, больший диаметр которого выбран из условия его примыкания к внутренней поверхности упомянутой трубчатой оболочки вне ее концевых участков, имеющих конические зоны спая, и центрирующий блок, обеспечивающий соосность паяемых деталей, который содержит две установленные на держателе у его противоположных концов идентичные по форме металлические цилиндрические втулки, наружняя боковая поверхность каждой из которых выполнена с возможностью примыкания к ней части внутренней боковой поверхности соответствующего герметизирующего элемента вне его зоны спая, образованной конической поверхностью, охватывающей с заданным зазором коническую зону спая трубчатой оболочки, причем каждая из упомянутых втулок имеет кольцевую ступень с возможностью примыкания к ней торцевой поверхности соответствующего герметизирующего элемента, при этом одна из втулок установлена торцом на основании, другая втулка установлена с возможностью перемещения относительно держателя, а держатель и втулки центрирующего блока выполнены из молибдена.
На фиг. 1 показано схематическое изображение заявляемого устройства. Очевидно, что геометрия и взаимное расположение деталей, подлежащих сборке под пайку (в данном конкретном случае это герметизирующие элементы 1 и 2 соответствующих токоподводов и защитная оболочка 3), является основным фактором, определяющим конструктивное выполнение устройства для обеспечения этой операции. Неразъемное соединение герметизирующих элементов 1 и 2 с трубчатой оболочкой 3 осуществляется в виде конического охватывающего спая посредством припоя 4, заготовка которого в виде кольца из металлической проволоки размещена в зазоре между герметизирующими элементами 1, 2 и оболочкой 3, и, следовательно, такие сборочные узлы (1-4-3 и 2-4-3) необходимо паять исключительно в вертикальном положении, поскольку только в этом случае увеличение величины зазора сверх допустимой величины выполненных из металла (как правило, из ковара) герметизирующих элементов 1 и 2, и защитной оболочки 3 из лейкосапфира, возникающие из-за разности их КТР, компенсируются осевым перемещением спаиваемых деталей. Следует также отметить, что, как следует из работ [9, 10, 11], конструктивное исполнение подобного устройства (с учетом его эксплуатации в тепловой печи) должно удовлетворять ряду требований:
- отсутствие непосредственного контакта со спаиваемыми деталями в зоне спая;
- отсутствие тепловой экранировки зоны спая;
- использование материалов, КТР которых не превосходит КТР паяемых деталей;
- обеспечение надежности относительной ориентации паяемых деталей за счет их сопряжения с элементами устройства;
- обеспечение заданной величины зазора между деталями в спае;
- обеспечение выполнения спаев на противоположных концах защитной оболочки за один прием, не изменяя общего положения изделия.
Именно поэтому заявляемое устройство для сборки под пайку герметизирующих элементов и защитной оболочки из лейкосапфира ГРЛ с цезиевым наполнением снабжено установленным вертикально на горизонтальном основании 5 держателем 6, выполненным в виде металлического стержня с цилиндрической ступенчатой двухсторонней поверхностью, примыкающей к внутренней поверхности защитной оболочки 3. На противоположных концах держателя 6, вне зоны кольцевой ступени, установлены образующие центрирующий блок устройства две идентичные по форме металлические цилиндрические втулки 7 и 8. Наружная боковая поверхность цилиндрических втулок 7 и 8 снабжена кольцевой ступенью 9, причем наружный диаметр указанных втулок 7 и 8 вне зоны кольцевой ступени 9 соответствует внутреннему диаметру герметизирующих элементов 1 и 2 вне зоны спая с оболочкой 3. Указанные втулки установлены на держателе 6 так, что их торцы меньшего диаметра обращены навстречу друг к другу, а торец одной из них (втулки 8) сопряжен с основанием 5. Центровка втулок 7 и 8 осуществлена за счет примыкания их внутренней поверхности (в зоне сквозного центрального отверстия) к наружной поверхности держателя 6 в зоне его концевых участков меньшего диаметра, т.е. вне зоны кольцевой ступени держателя 6. Герметизирующие элементы 1 и 2 установлены на втулках 7 и 8, соответственно, так, что внутренняя поверхность герметизирующего элемента 1 вне зоны его спая с оболочкой 3 примыкает к наружной поверхности втулки 7 вне зоны ее кольцевой ступени 9, герметизирующего элемента 2 вне зоны его спая с оболочкой 3 примыкает к наружной поверхности втулки 8 вне зоны ее кольцевой ступени 9, а торцы элементов 1 и 2 примыкают к кольцевой ступени 9 втулок 7 и 8, соответственно. Таким образом центровка оболочки 3 осуществлена по наружной поверхности держателя 6, а центровка герметизирующих элементов 1 и 2 осуществлена по наружной поверхности втулок 7 и 8, соответственно, центровка которых, в свою очередь, осуществлена по наружной поверхности держателя 6 в зоне его концевых участков, обеспечивая таким образом надежность относительной ориентации герметизирующих элементов 1 и 2 и защитной оболочки 3 в процессе пайки за один прием, не изменяя положения изделия.
-6
-6
-7
Совершенно очевидно, что температурный режим функционирования заявляемого устройства под пайку определяется температурой, при которой твердый припой 4 достигает состояния расплава. В работах [12,13] указано, что при изготовлении ГРЛ с цезиевым наполнением в качестве припоя при осуществлении пайки герметизирующих элементов 1 и 2 токоподводов и защитной оболочки 3 в качестве припоя 4 используется медь. Из [5] известно, что температура пайки для медного припоя составляет порядка 1100°С. Значение КТР лейкосапфира, из которого изготовлена защитная оболочка 3, при указанной температуре составляет порядка 7,3⋅10-8,1-10 1/град. [5] и, следовательно, в качестве материала, из которого изготовлен держатель 6, наиболее целесообразно использовать молибден, поскольку молибден обладает высокой температурой плавления (2600°С), хорошей теплопроводностью и термостойкостью, а его КТР меньше КТР лейкосапфира (5,5⋅10 1/град.), что обеспечивает возможность свободного осевого перемещения защитной оболочки 3 относительно держателя 6 в процессе пайки. Для обеспечения свободного осевого перемещения при осуществлении сборки и пайки одной из входящих в состав центрирующего блока втулок относительно держателя 6 в качестве конструктивного материала втулок 7 и 8 также используется молибден.
Сопряжение герметизирующих элементов 1, 2 и оболочки 3 с припоем 4, который в процессе пайки находится в состоянии расплава, обеспечивается за счет вертикального перемещения герметизирующих элементов 1 и 2 относительно оболочки 3, причем втулка 7 центрирующего блока заявляемого устройства одновременно является грузом, который обеспечивает оседание герметизирующих элементов 1 и 2 относительно оболочки 3. Очевидно, что вес (или массу) втулки 7 необходимо подобрать так, чтобы зазор между герметизирующими элементами 1, 2 и оболочкой 3 получил оптимальную величину за счет создания постоянно действующего в процессе пайки давления на торцы герметизирующих элементов 1 и 2.
Заполнение зазоров между спаиваемыми с оболочкой 3 герметизирующими элементами 1 и 2 расплавленным припоем 4 происходит, в основном, под действием капиллярных сил. Из теории капиллярных явлений известно [4], что при заполнении расплавом припоя зазора вертикального шва (в условиях полного смачивания) разность давлений (р), под действием которых припой заполняет зазор, составляет:
где σ- поверхностное натяжение припоя при температуре пайки;
cos- коэффициент смачивания припоя при температуре пайки;
a
- ширина зазора между спаиваемыми деталями.
Экспериментально установлено [4], что наибольшая прочность паяных соединений из различных материалов и припоев достигается при величине зазора от 0,02 до 0,1 мм. Таким образом, обеспечение заданной величины заполненного расплавом припоя 4 зазора между герметизирующими элементами 1, 2 и защитной оболочкой 3 (0,02-0,1 мм) может быть достигнуто, если вес втулки 7, установленной на держателе 6 с возможностью перемещения относительно его оси, выбирается из условия формирования разности давления на примыкающей к втулке 7 (в зоне кольцевой ступени 9) торцевой поверхности герметизирующего элемента 7, величина которого удовлетворяет соотношению:
где σ- поверхностное натяжение припоя при температуре пайки, Н/м;
cos- коэффициент смачивания припоя при температуре пайки;
2
р - величина давления, Н/м.
Предлагаемая конструкция обеспечивает высокую степень воспроизводимости операции спая герметизирующих элементов токоподводов с защитной трубчатой оболочкой из лейкосапфира в вакуумплотный узел, что, соответственно, обеспечивает гарантированно высокий процент выхода годных при серийном производстве ГРЛ с цезиевым наполнением. Следует отметить, что предлагаемое устройство представляет собой единичное приспособление для обеспечения спая, но его конструкция дает возможность реализовать групповой метод спая герметизирующих элементов с защитными оболочками нескольких ГРЛ одновременно при использовании многоместного основания 5 с размещенными на нем держателями 6.
Предлагаемое устройство разработано для серийного производства с использованием типовых технологий и стандартного оборудования.
Литература
1. Самодергин В.А. Исследование и разработка энергоизлучающих систем активных помех инфракрасным головкам самонаведения с оптимальными электрическими характеристиками: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 1988.
2. Гавриш С.В. Разработка и исследование импульсного источника инфракрасного излучения в парах цезия: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 2005.
3. Светотехника, 2008, №2, с. 12-18.
4. Петрушин И.Е. Физико-технические процессы при пайке, М.: Высшая школа, 1972.
5. Рубашев М.А. Термостойкие диэлектрики и их спаи с металлом в новой технике, М.: Атомиздат, 1980.
6. Патент РФ на ПМ №109918, 27.10.2011 Бюл. №30.
7. Патент РФ на ПМ №32321, 10.09.2003 Бюл. №25.
8. Патент РФ на ПМ №107641, 20.08.2011 Бюл. №23.
9. Гладков А.С.и др. Пайка деталей электровакуумных приборов, М.: Энергия, 1967.
10. Сланский А., Воллман Я. Капиллярная пайка, М.: МАШГИЗ, 1963.
11. Ковалевский Р.Е., Чекмарев А.А. Конструирование и технология вакуумноплотных паяных соединений, М.: Энергия, 1968.
12. Патент РФ на ПМ №121649, 27.10.2012 Бюл. №30.
13. Патент РФ на ПМ №146427, 10.10.2014 Бюл. №28.