屏錐式玻璃封接應力與燃點可靠性關系的分析

真空封接 胡平瑞 南京華東電子集團有限公司

  玻璃封接后存在內應力,會降低燈的穩定性,使其在使用過程中出現炸裂。本文對屏錐式封接玻璃應力與燃點可靠性關系進行了試驗和分析,得出一些新的結果,提供給同行作為借鑒。

  鹵素燈芯式投射燈的生產工藝通常為:燈絲制造,鹵素燈芯制造,燈芯裝架,錐體可伐帽封接,蒸鋁,然后進行定焦,封屏,排氣,清除焊料,成品檢驗,包裝等工序。

  在這些加工工藝中,燈絲制造、鹵素燈芯制造以及玻璃屏和玻璃錐封接工藝尤其重要。因為燈絲制造工藝關系著燈的壽命、燈的光強指標;鹵素燈芯工藝關系著鹵鎢循環的效果和使用可靠性。玻璃屏和玻璃錐封接工藝關系著封接質量,進而關系著燈使用可靠性———如果玻璃屏和玻璃錐封接不好,封接部位就會存在不牢固問題,出現炸裂情況。

  最近,我們對玻璃屏和玻璃錐封接處存在的應力狀況與封接質量的關系,進行了跟蹤試驗和分析,從中有了一些新認識。

1、應力等級的劃分

  應力等級是衡量玻璃封接的一個重要指標。但現代的專業書中往往只提及玻璃材料產生應力的原因以及應力對玻璃材料產生不良影響的情況,很少進行具體的分級。

  本文按照對電真空玻璃應力等級的理解將其分為4級,如表1所示。

表1 應力等級劃分

應力等級劃分

2、應力試驗

  為了弄清玻璃屏和玻璃錐封接處應力狀況與封接可靠性關系,我們進行了試驗。

  (1)按照應力等級將燈分類:將240只試驗燈逐個通過應力儀照射,標上“應力等級”;

  (2)進行燈的燃點試驗:給燈加上1.05倍的額定電壓,即額定電壓是28V,則加上29.4V,進行5個燃點循環(一個燃點循是燃點10min、熄滅10min),試驗有專人負責;

  (3)將試驗情況進行統計,結果如表2所示。

3、結果分析

  由試驗結果看出:0級應力共15只,封接處出現炸裂的數量有3只,占總數20%,比例很大;1級應力共95只,封接處出現炸裂的數量有8只,占總數8.42%;2級應力和3級應力燈沒有出現炸燈。

表2 應力等級試驗情況統計

應力等級試驗情況統計

  試驗結果出乎預料,原先認為,3級應力燈出現炸裂的可能性最大,0級應力燈出現炸裂的可能性最小,為此就導致這個結果的原因進行了分析,存在以下幾種可能:

  (1)0級應力出現炸裂的燈,可能是封接部位內在質量不高導致的,這一點,可以從“鋼化”玻璃的破碎狀態得到啟示。

  所謂“鋼化”玻璃,就是進行特殊工藝處理:先將玻璃升溫到一定溫度,然后將它突然投入某一介質中,例如:油,此時介質溫度是設定好的。由于玻璃在由高溫向低溫轉變過程中是驟變的,玻璃內部結構還來不及變化,便被按照某一方向“排列”并固定。這種結構會使玻璃內部產生內應力。工藝處理較好的鋼化玻璃損壞時,是在極短時間內整塊玻璃瞬間爆炸,同時產生蠶豆粒大小的玻璃碎片,破碎后內應力不復存在。普通玻璃損壞時,既留有大塊碎片,也留有小塊碎片。

  投射燈玻璃屏和玻璃錐的封接面呈0級應力情況,只有兩種極端可能:一是工藝控制很好、很到位,退火后達到了幾乎完美狀態;另一種是封接不好,內部出現了炸裂的小細紋。產生小細紋導致內應力徹底釋放,但此時由于玻璃屏和玻璃錐厚度較厚,小細紋并不能馬上讓燈出現漏氣情況,真正讓燈顯現問題的是“燃點循環”試驗。

  “燃點循環”試驗使燈體由室溫驟升變成高熱,然后又由高熱降低回到室溫狀態,再由室溫驟升變成高熱,多次的循環,令小細紋的裂口逐步擴大,直至封接處炸裂開來。

  0級應力組3只炸裂開的玻璃屏和玻璃錐端口形狀,映證了前面的分析、判斷,因為封接面不是呈熔融狀,而是呈平滑狀,說明玻璃屏與玻璃錐之間沒有充分熔合。

  (2)2級應力和3級應力燈沒有出現炸燈情況,這是因為玻璃屏和玻璃錐封接處雖然存在內應力,但它們之間沒有存在炸裂的小細紋。燃點時,燈腔體溫度上升可達300℃以上,這時作為窗口的玻璃屏,溫度上升會更快和更高,有可能達到500℃ 以上,這是光發出的熱量與燈絲發出熱量經熱傳導疊加造成的。在此狀態下,玻璃內部的分子變得活潑,應力的束縛力反而減弱,應力的破壞性急劇下降,玻璃炸裂的可能性因此降低。

  (3)解剖了幾只使用過的2級和3級應力燈,發現封接處熔合程度很好,玻璃之間熔為一體。由此推斷,在封接處留有2級應力和3級應力,可能是退火曲線把握不到位,產生較大內應力所致。因為單片玻璃屏和單片玻璃錐未加工時的內應力,曾做過檢測:絕大多數為0級,極少數為1級。當將它們封接在一起時,總的厚度增加,退火工藝需要的退火時間更長。此時如不注意,容易在玻璃內留下大的內應力。能否將單片玻璃屏和單片玻璃錐做得相對薄一些來解決上述問題?這樣既可以降低制造成本,又可以把兩玻璃件加工厚度與應力關系分析變得簡單許多。但是眾所周知,玻璃有其自身特性,它抗壓不抗張。

  燈在燃點過程中,隨著溫度上升,燈腔體內的氣體壓力也隨之增大。高色溫燈芯式PAR 燈燃點時,燈芯腔體內的氣壓是不燃點時的3~4倍。如果燈芯壓封的氣密性不高,有微量氣體從燈芯中泄漏到燈腔體內,燈腔體內的壓力會大大增加。玻璃材料抗壓性能遠遠好于抗張性能,燈腔體內大氣壓讓玻璃承受了較大壓強的抗張壓,如果燈玻璃厚度設計偏薄,極有可能引起整體爆炸,帶來的后果不堪設想。選擇單片玻璃屏和單片玻璃錐稍厚,可以提高抗張性能。

  玻璃屏和玻璃錐封接后,有的封接處內應力小,有的則很大,有可能是試驗燈在制造過程中,不同批次生產之間存有差異。

4、結論

  (1)封接質量包括兩個方面,一是玻璃屏和玻璃錐之間的熔合程度;另一個是熔合之后的退火曲線把握。熔合很好,但退火曲線把握不到位,會產生較大內應力;熔合不好,有可能出現內應力很小但內在可靠性不高的情況。

  (2)設計固然重要,但是工藝的探索和改進更為件下使用。允許變動范圍為額定值的±5%(釷鎢陰極),過高或過低的陰極電壓都會影響電子管的使用壽命。

  對于強制冷卻的電子管,在接入陰極電壓之前,必須先啟動冷卻系統;而在陰極電壓關斷后,作為冷卻電子管的水和風仍需繼續冷卻10min以上,以驅散余熱。

  對于水冷陽極的電子管,必須滿足所需要的水流量和水壓力。通常陽極入水口的水壓應為0.2~0.3MPa。

  當水流量或水壓不能滿足電子管冷卻所要求的數值時,必須降低板耗(陽極耗散功率)使用,以使進出水溫度盡量降低。出水口溫度最高不得超過70℃,進、出水口溫差在10℃左右為宜,最高不超過20℃。水冷陽極的冷卻水純度要高,以防止嚴重結垢。陽極和水套要定期清洗除垢。清洗水垢時可用10%~30%的鹽酸浸泡。嚴禁用金屬利器刮削陽極表面。電子管工作時,其陽極電流、柵極電流、板極(陽極)耗散功率、柵極耗散功率均不得超過極限值。陽極電流和柵極電流的比例要按照整機說明書中規定的范圍和實際負載情況進行調節。過大或過小的陽、柵電流比例會使陽極或柵極損耗功率超過規定值而損壞電子管。

  備用的電子管要與設備上使用的電子管交替作業,使用前要按照規定進行各項檢查和老煉。