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

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.

Галогенные лампы сравнительно дороги из-за высокой стоимости кварца и повышенной трудоемкости изготовления, но по габаритным размерам они в десятки раз меньше обычных; поэтому их преимущественно наполняют криптоном и ксеноном, которые хотя и дороже аргона, зато позволяют существенно повысить световые параметры ламп.

Различным для разных типов ламп является и давление наполняющих газов. Для одного и того же состава газа, чем больше давление наполнения, тем выше при неизменном сроке службы могут быть световые параметры ламп. Однако имеются пределы давления, при превышении этих давлений лампы становятся взрывоопасными.

Галогенные лампы очень чувствительны к составу и состоянию газового наполнения. При одинаковых геометрических размерах и конструктивном оформлении тела накала и других элементов лампы световые и электрические параметры источников света, а также стабильность во времени определяются газовым наполнением. Отклонения состава и давления газового наполнения влияют на параметры ламп и, прежде всего на срок службы.

Методы и способы введения галогенных соединений должны удовлетворять следующим требованиям:

-- постоянство концентрации галогена в лампах;

-- из-за чрезвычайно малых количеств вводимого галогена, точная дозировка с минимальными отклонениями от нормы;

-- технологичность процесса наполнения в промышленных условиях и гарантия их воспроизводимости.

Имеется большое количество методов введения галогенов, причем каждый из авторов по-своему обосновывает преимущества и достоинства своих методов. Предложены методы нанесения различных твердых соединений непосредственно на внутренние детали ламп, а также введения в лампы определенных порций твердых веществ. Имеются описания ряда способов введения жидких растворов галогенных соединений путем их впрыскивания в лампы определенными дозами. Однако как показали многочисленные экспериментальные данные, наиболее технологичными в работе оказываются газообразные соединения. Их можно точно дозировать, и, что очень важно, в таком виде они пригодны для механизации процессов откачки и наполнения ламп.

В газообразном состоянии галогенные соединения можно вводить в лампу двумя способами: индивидуальным дозированием каждой лампы в отдельности и применением готовых нормированных газогалогенных смесей.

На сегодняшний день общепринятым является метод введения галогена путем предварительной заготовки соответствующей смеси инертного газа с галогенной добавкой.

Схема установки для подготовки такой газогалогенной смеси показана на рисунке 2.3.

1 - емкость с галогенным соединением; 2,3,5 - вакуумные краны; 4 -образцовый мановакуумметр: 6 - газовый редуктор; 7 - вакуумный насос; 8 -баллон с готовой газогалогенной смесью; 9 - баллон с инертным газом.

Рисунок 2.3 - Схема установки для приготовления газогалогенной смеси.

Порядок работы следующий: баллон 8 тщательно откачивают и из емкости 1 подают расчетное количество галогенного соединения. Перекрывая трехходовым краном 3 емкость 1, открывают кран 5 и добавляют в баллон 8 из баллона 9 расчетное количество инертного газа. Такую газогалогенную смесь приготовляют обычно в маленьких 5 - 10-литровых баллонах и наполняют до давления (10 ч15)*10⁵ Па, что вполне достаточно для изготовления большого количества ламп. Составленную смесь положено выдерживать 2-3 суток для полного выравнивания концентраций газов. Ввиду того, что количество вводимой в лампу готовой газогалогенной смеси сравнительно велико, ее дозировка по давлению не составляет трудности и, что очень важно, чревата меньшей погрешностью, так как относительные отклонения давления значительно меньше сказываются на количестве галогена, попавшего в лампу. Метод смеси технологичен, и это позволяет его использовать при механизированном изготовлении ламп. Введение в лампу смеси по сути не отличается от общепринятой технологии наполнения инертными газами обычных ламп накаливания.

Смешивать пары галогенных соединений нужно только с одним, как правило, инертным газом - аргоном, криптоном или ксеноном. Второй инертный компонент (когда это необходимо) - азот - вводится в лампу отдельно, в чистом виде.

Основной параметр, по которому контролируется дозировка галогенной добавки, - это давление, определяемое по образцовому манометру. Контрольную проверку проводят методами химического анализа готовых ламп, разбиваемых в закрытых объемах, и сравнением полученных результатов с данными анализа газовой смеси, отбираемой непосредственно из баллонов.

Нужно всегда иметь в виду, что если количество галогенных соединений и состав смеси выбраны правильно для ламп данной конструкции, стенки оболочки остаются практически чистыми в процессе эксплуатации.

2.12 Откачка и наполнение ламп

Операции откачки и наполнения являются последними в технологическом процессе вакуумной обработки ламп. Откачку и наполнение газами производят через штенгельный отросток по технологии, принятой во всей электровакуумной технике. Эти процессы выполняются как на ручных постах, так и на механизированном оборудовании. Назначение и последовательность выполнения всех операций в принципе одинаковы.

Установка откачки и наполнения ламп состоит из двух частей -откачной (вакуумной) и наполняющей (газополной), соединенных между собой системой трубопроводов и снабженных кранами (вентилями), измерительными и контрольными приборами. Трубопроводы и соединительные элементы изготовляют из нержавеющей стали, устойчивой к действию галогенных соединений. Желательно применение стеклянных деталей, однако они ломкие и менее практичны в серийном производстве. Не допускается использование резиновых шлангов.

К установке должны быть подведены трубопроводы с подачей осушенного водорода, кислорода и горючего природного газа. Инертные газы подаются из баллонов, находящихся непосредственно на рабочем месте.

Установка должна быть снабжена емкостью для заливки жидкого азота.

Вакуумная система установки включает в себя механический вращательный насос для создания предварительного низкого вакуума в лампе (1,33 0,133 Па) и диффузионный паромасляный насос для откачки до давления (1,33 0,13)*10 Па.

Наполняющая часть установки содержит баллон с заготовленной газогалогенной смесью, баллон с чистым газообразным азотом и систему подводящих трубопроводов с детандерами, регулирующими крапами, натекателями и приборами контроля давления. Вся система должна быть вакуумно-плотной и газонепроницаемой.

Особое внимание следует обращать на места сочленения металлических деталей, коммутирующих элементов и узла откачного гнезда, в которых должны применяться фторопластовые или металлические уплотнители. Соединения трубопроводов между собой должны быть жесткими и выполнены с помощью сварки. Очень важным является обеспечение того, чтобы фактическое количество газов, поданное и поступившее непосредственно в лампу, соответствовало расчетным данным. Для этого необходимо точно замерить, постоянно выдерживать и учитывать геометрические размеры трубопроводов, рабочие объемы откачного гнезда и измерительных приборов. Используемый способ введения газов в лампу называется методом ступенчатого наполнения, при котором обязательным является учет полезного объема всех соединительных элементов системы. Зная объемы лампы V₁ соединительных элементов V₂, можно рассчитать «подаваемое» давление р₂, обеспечивающее нужное давление P₁ в лампе. В процессе изготовления ламп необходимо постоянно обращать внимание на следующее: при длительном использовании баллонов с готовыми газогалогенными смесями, находящимися в вертикальном положении, возможны конденсация и некоторое фракционирование парообразных галогенных соединений, что может нарушить состав смеси. Чтобы избежать этого, необходимо систематически контролировать состав газовой смеси.

Отличительной чертой галогенных ламп является необходимость наполнения ламп газами при давлении выше 10 Па (в холодном состоянии). Применительно к технологии изготовления галогенных ламп с кварцевыми оболочками наиболее приемлемым оказался метод вымораживания наполняющих газов жидким азотом. Он позволяет вводить в лампу практически любое количество газа, и при этом отпайка штенгеля в нормальных атмосферных условиях не представляет никаких трудностей. Впоследствии в готовой лампе после отпайки штенгеля ожиженный газ испаряется, создавая при этом необходимое давление газа в газообразном состоянии. При работе лампы в результате большого повышения температуры газа внутри лампы его давление соответственно также сильно возрастает. Последовательность процессов откачки и наполнения приведена на рисунке 2.4.

Рассмотрим их подробнее. Заваренную лампу вставляют штенгелем в центральный канал откачного гнезда и поворотом рычага плотно зажимают. Затем начинают откачивать воздух механическим насосом.

Известно, что на поверхности кварцевой оболочки имеется большое количество адсорбированных газов и паров воды, которые, если их не удалить, приведут к загрязнению внутреннего объема, к нарушению галогенного цикла и преждевременному выходу ламп из строя. Поэтому уже на первой стадии следует тщательно обезгаживать оболочку путем ее разогрева пламенем ручной газовой горелки. Необходимо иметь в виду, что в рабочем состоянии оболочка лампы разогревается до высоких температур, поэтому и температура обезгаживания должна быть такой же. Обычно оболочку разогревают до красного свечения кварца, что соответствует температуре 1170--1270 К.

Необходимо также освободить от газов и внутреннюю арматуру ламп и в первую очередь тело накала от адсорбированных газов. Для этого лампу наполняют водородом при (0,8ч0,9)·10⁵ Па и прямым пропусканием электрического тока разогревают тело накала в течение 50--60 с примерно до номинальной температуры. Такая операция тренировки очень важна для ламп, для которых требуются высокая стабильность параметров в течение срока службы и высокая надежность работы. Чтобы поглощенные газы не накапливались в лампе в результате большого газовыделения, температура тела накала повышается медленным увеличением подаваемого напряжения.

После выключения напряжения и остывания лампы водород откачивают и производят так называемую промывку ламп очищенным газообразным азотом. Она заключается в подаче азота до давления (0,8ч0,9)*10⁵ Па и последующей его откачке. Такой процесс повторяется 2--3 раза, что обеспечивает значительное уменьшение парциального давления вредных остаточных газов в лампе, так как при каждом наполнении азотом вредные газы смешиваются (разбавляются) с промывочным газом и вместе откачиваются.

Следующей операцией является окончательная откачка ламп сначала механическим, затем диффузионным паромасляным насосами. Имеется в виду, что все детали ламп обезгажены, удалены все возможные загрязнения и лампа подготовлена для наполнения.

Если лампу нужно наполнить смесью двух газов, то сначала подается в лампу смесь инертного газа с галогеном при более низком давлении. Затем из другого баллона вводят газообразный особо чистый азот.

Создание в лампах давления наполняющего газа выше 10⁵ Па достигается путем вымораживания газов в объеме газоподводящей системы и в самой лампе. В ожиженном состоянии давление паров низкое, что обеспечивает возможность беспрепятственной отпайки ламп в нормальных атмосферных условиях. Для проведения этой операции лампы погружают в емкость с жидким азотом и выдерживают определенное время в зависимости от объема лампы и давления наполняющих газов.

После окончания вымораживания газов и их осаждения в жидком виде в нижней части лампы ее отпаивают. Для этого штенгель разогревают двусторонней газовой горелкой до размягчения кварца, в таком виде лампу оттягивают и заплавляют образовавшийся капилляр. Стекло штенгеля во время его разогрева и размягчения выделяет определенное количество примесных газов; поэтому отпайку нужно проводить быстро. Для крупных ламп со штенгелями больших диаметров предварительно необходимо провести перетяжку штенгеля в месте будущей отпайки для уменьшения внутреннего отверстия, что позволит быстрее произвести отпайку. Чтобы место отпайки штенгеля (носик) у лампы не получилось острым, его дополнительно прокаливают пламенем горелки и в размягченном виде прижимают к плоской металлической поверхности.

Качество отпайки и форма носика в большой степени определяют внешний вид лампы. В зависимости от конструкции ламп он расположен либо на купольной части (малогабаритные лампы), либо на боковой поверхности (линейные лампы), либо в нижней части, в месте цоколевки (прожекторные лампы). По своим очертаниям размеры носика должны соответствовать установленным, он должен быть правильной формы без наплывов, не выступать за определенные оговоренные пределы и не мешать нормальной эксплуатации ламп.

Отпаянные лампы проверяют по внешнему виду и на включение при номинальном напряжении для предварительной оценки качества и отбраковки некондиционных ламп.

2.13 Типы применяемых цоколей и цоколевание

Галогенные лампы после откачки, наполнения и отпайки имеют свободно выступающие выводы. Некоторые типы малогабаритных ламп не подвергаются больше каким-либо сборочным операциям и в таком виде предназначены для использования. Концы свободно выступающих прямолинейных молибденовых выводов лишь заостряют и зачищают для лучшего вставления в патроны. Как правило, они имеют длину 10 - 20 мм, что обеспечивает хороший контакт лампы с патроном и арматурой. При вставлении таких ламп в патроны нельзя сгибать или каким-либо иным способом изменять прямолинейную форму выводов, так как при этом можно нарушить целостность стеклянной лопатки и вывести лампу из строя.

Большинство типов галогенных ламп снабжено специальными цоколями, с помощью которых лампы крепятся к патронам и подключаются к источникам питания. Имеется большое разнообразие типов и конструкций применяемых цоколей, что определяется конструкцией ламп, назначением и условиями их эксплуатации, конструктивным оформлением лопатки и узла герметизации токовых вводов. Немаловажное значение имеют и параметры ламп, в частности потребляемый ток.

Цоколи ламп должны обеспечивать прочное скрепление с кварцевой оболочкой и создавать надежный контакт с токоподводящими деталями патронов. В некоторых лампах, работающих в сочетании со светотехнической арматурой, используются фокусирующие цоколи, определенным образом юстированные по отношению к телу накала и обеспечивающие однозначное размещение лампы по отношению к оптическим элементам световых приборов. В некоторых типах ламп для обеспечения определенных габаритных размеров источника света и высоты светового центра тела накала используются специальные переходные, промежуточные детали между лампой и цоколем.

Во многих типах ламп цоколь не является токоведущей деталью, а служит лишь для удержания и крепления ламп в осветительной арматуре. В этом случае к цоколю приваривают дополнительные гибкие провода с наконечниками для подключения к источникам питания.

Ввиду того, что с помощью цоколей лампы сочленяются с приборами и установками, выпускаемыми серийно и применяемыми в различных отраслях народного хозяйства, необходимо строго выдерживать размеры цоколей и их составных частей, особенно посадочных мест. Как правило, цоколи галогенных ламп тестированы. Для ламп особо широкого применения (автомобильных, проекционных), являющихся предметом международной торговли, конструкция и размеры цоколей стандартизованы в международном масштабе и содержатся в различных рекомендациях МЭК и СЭВ.

Имеются цоколи одноконтактные для софитных ламп и двухконтактные для ламп с односторонним расположением выводов. Конструктивно они состоят из одной или нескольких составных деталей. Корпуса цоколей изготовляют как металлическими, так и керамическими. Для каждого типа цоколя характерен определенный метод крепления к кварцевой оболочке и соединения с выводами ламп.

Рассмотрим процессы цоколевание трубчатых ламп софитной конструкции с двусторонним расположением выводов. Для таких ламп с диаметром трубки до 12 мм и током до 10 А используются два вида цоколей -- металлические пластинчатые и керамические торцовые типа R7s/15 (международное обозначение).

Металические цоколи изготовляются из никелевой ленты. Процесс цоколевания заключается в надевании цоколя на плоскую штампованную лопатку лампы и приварке ввода к нему. Цоколь к кварцу крепят ленитовой цоколевочной мастикой. Деталь цоколя -- пластина загибается вокруг лопатки и скрепляется замком, что улучшает прочность крепления к лампе.

Прочность крепления цоколя к лампе должна быть такой, чтобы выдерживалось действие растягивающей силы 10--12 Н. Лампы с такими цоколями обеспечивают надежный контакт с патронами и хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации.

Для более мощных софитных ламп приведенное выше оформление керамического цоколя непригодно. В данном случае лампы к источникам питания подключают с помощью гибких многожильных проводов в виде канатиков с наконечниками.

Для линейных ламп большой мощности (свыше 2 кВт), изготовляемых с токовыми вводами на переходных стеклах, применяют металлические цоколи цилиндрической формы, с разрезными рантами и прижимным кольцом.

Размеры цоколей для мощных ламп стандартизованы в международном масштабе и должны строго выдерживаться, поскольку они служат держателями ламп в светильниках и по размерам должны сочленяться с патронами и осветительной арматурой. Отдельную группу составляют мало- и крупногабаритные проекциионные и прожекторные лампы, для которых используют цоколи типа «бипост». Для них характерным является наличие толстых латунных или медных выводов (штифтов), непосредственно вставляемых в охлаждаемые патроны. Такие выводы обеспечивают надежный контакт ламп с токоподводяшими деталями патронов. Для ламп некоторых типов с целью их фиксированного вставления в патроны штифты цоколей имеют разные диаметры. Это позволяет одинаково ориентировать тело накала по отношению к оптической системе светового прибора.

Крепление фокусирующего кольца должно быть прочным и выдерживать осевую силу до 36 Н. Выводы ламп необходимо припаивать таким образом, чтобы лампы можно было беспрепятственно вставлять в патроны и калибры для проверки размеров и расположения контактов цоколя.

Готовые лампы проверяют на зажигание (на включение), наносят маркировку на оболочку или на цоколь и упаковывают в индивидуальные коробки.

2.14 Приготовление и применение технохимических материалов

К технохимическим материалам, применяемым при изготовлении галогенных ламп, относятся цоколевочные и маркировочные мастики, светозащитные покрытия, припои.

Цоколевочные мастики или цементы, служащие для крепления цоколей к кварцевой оболочке, должны удовлетворять следующим требованиям:

-- сохранять в оговоренных температурных условиях прочность крепленая в течение срока службы ламп;

-- не затвердевать быстро в процессе цоколевания и обладать необходимыми технологическими свойствами;

-- практически не изменять своих физических свойств в процессе срока службы ламп, не выделять веществ, вредно влияющих на свойства стекла или материал цоколя;

-- обладать определенными диэлектрическими свойствами как в нормальных, так и в оговоренных климатических условиях.

При использовании любой цоколевочной мастики необходимо предварительно очистить поверхность стекла от влаги и жировых загрязнений, так как они ухудшают прочность крепления цоколей. В зависимости от конструкции, назначения и параметров ламп применяют различные виды цоколевочных мастик. Это объясняется различными условиями эксплуатации ламп и разной температурной нагрузкой на цоколи.

Для цоколевания линейных ламп как с металлическими плоскими цоколями, так и с торцевыми керамическими применяется цоколевочная мастика на основе жидкого натриевого стекла с мраморным порошком. Такая мастика быстро схватывается с поверхностями цоколя и лопатки и обладает высокой климатической устойчивостью, но она вспучивается. Поэтому ее применяют только в местах, где нельзя наносить большой слой мастики. В условиях линейных ламп ее наносят тонким слоем на лопатку, что позволяет избежать влияния вспучивания.

Температурные нагрузки на цоколи в линейных лампах невелики.

Для этой же группы ламп нашла применение ленитовая мастика, состоящая из смеси полевого шпата, очищенного каолина, молотого талька и жидкого стекла. Основное ее достоинство -- быстрое затвердевание на воздухе в течение 15--20 мин.

Маркировку на лампу наносят либо на цоколь, либо на кварцевую оболочку. Она должна быть четкой, ясной, не должна изменять своего вида в течение требуемого времени в условиях эксплуатации ламп. В производстве галогенных ламп применяют методы маркировки как механические--накатывание и выдавливание знаков на металлические цоколи, так и химические -- использование маркировочных мастик. Для нанесения маркировки на кварцевую трубку используется мастика, состоящая из окиси серебра, борнокислого свинца и глицерина. С помощью резинового штампа наносят маркировку на трубку, после чего это место слегка прогревают водородокислородной горелкой.

Для прикрепления выводов к цоколям применяют различные припои.

Если паяные изделия имеют рабочую температуру ниже 470--520 К, используют, как правило, оловянно-свинцовые припои. Некоторые мощные лампы изготовляются с применением серебряных припоев, которые выдерживают температуру до 870--970 К.

2.15 Методы измерения электрических и световых величин

Контроль параметров ламп и испытания их на соответствие требованиям стандартов и технических условий являются последними завершающими операциями, удостоверяющими качество и пригодность ламп для эксплуатации. Электрические и световые параметры являются основными, определяющими критериями оценки и ценности ламп, характеризующими их как источники оптического излучения. Требования к лампам определяются их конкретным назначением и условиями применения. Например, для осветительных ламп основным световым параметром является световой поток. Лампы, служащие для облучения или технологических целей сушки, нагрева, должны обладать определенными спектральным составом и светораспределением. К лампам, используемым в прожекторах, предъявляются требования к габаритной яркости тела накала.

Методы измерения световых и электрических величин в основном стандартизованы, что обеспечивает единство способов и воспроизводимость полученных результатов.

Электрические и световые величины измеряют на электрических схемах с применением источников питания как постоянного, так и переменного тока промышленной частоты 50 Гц. Как установлено экспериментально, род тока не влияет на параметры галогенных ламп. Однако когда необходима особая точность измерения, рекомендуется использовать источники постоянного тока. В некоторых случаях допускается применение источников переменного тока частотой 40 Гц. Система питания должна обеспечить напряжение на лампе с погрешностью не более ±0,5%, применяемые приборы должны быть не ниже класса 0,5 для переменного тока и 0,2 для постоянного. Практически измерение электрических величин всегда совмещают с измерением некоторых световых величин.

Световой поток измеряют путем поочередного сравнения освещенностей фотометрического отверстия светомерного шара при горении светоизмерительной лампы (с известным световым потоком) и измеряемой лампы. Схема такой установки представлена на рисунке 2.5.

1 - светомерный шар; 2, 9 - экраны; 3 - светорассеивающее стекло; 4 - диафрагма; 5 - нейтральный поглотитель света; 6 - корригирующий поглотитель света; 7 - приемник излучения; 8 - шунт; Л1 - измеряемая лампа; Л2 - вспомогательная лампа.

Рисунок 2.5 - Схема фотометрической установки для измерения светового потока.

Измерение силы света проводится на фотометрической скамье.

Измеряют силу света, так же как и световой поток, методом сравнение путем поочередного освещения приемника излучения светоизмерительной и измеряемой лампами.

Для ламп ряда типов необходимо определять распределение силы света в пространстве. Такие измерения проводят на распределительных фотометрах либо с помощью поворотной головки, смонтированной на обычной фотометрической скамье и позволяющей поворачивать измеряемую лампу в нужном положении.

Измерения световых и электрических величин требуют высокой квалификации исполнителей; они должны проводиться в специализированных лабораториях, на аттестованных установках и с помощью приборов, регулярно подвергаемых периодическим поверкам.