СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОЙ ИЛИ КВАРЦЕВОЙ ТРУБКИ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ВТУЛКОЙ Российский патент 1994 года по МПК B23K20/00 H01J5/50 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при изготовлении газоразрядных ламп, электровакуумных приборов, в двигателе- и ракетостроении и других областях техники.

Известен способ соединения кварцевой или керамической детали, имеющий форму трубки с металлической деталью с помощью диффузионной сварки. Сущность метода заключается в образовании физического контакта между трубкой и металлической деталью под воздействием давления и температуры с выдержкой при определенной температуре для образования диффузионного слоя на границе соединяемых поверхностей. На соединяемые поверхности может предварительно наноситься слой из пластичного металла для обеспечения релаксации внутренних напряжений, образовавшихся в процессе диффузионной сварки для приближения коэффициентов термического расширения (КТР) свариваемых материалов, для снижения температуры сварки. Недостатком данного способа соединения является его малая надежность при работе в условиях циклически изменяющихся температуры и механической нагрузки. Разрушения сварочного соединения имеют, как правило, усталостный характер и являются следствием наличия на границе двух несогласованных по КТР материалов достаточно хрупкого диффузионного слоя. Практическая ценность метода ограничена масштабным фактором и термомеханическими условиями эксплуатации изделий - амплитудой изменения температуры и механической нагрузки и количеством циклов их изменения. Например, сварное соединение охватывающего типа кварцевой трубки диаметром 30 мм с алюминием выдерживает до разрушения не более 400 циклов изменения температуры от 300 до 500 К; керамические детали, сваренные с металлом после предварительно нанесенными на свариваемые поверхности слоями из пластичного металла, выдерживают несколько десятков циклов до потери вакуумной плотности.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ соединения цилиндрической кварцевой колбы с металлическим цоколем, который образуется при помощи нагрева цоколя, посадки конца колбы в цилиндрическую часть цоколя и образования сжимающей посадки при охлаждении соединения до нормальной температуры [1]. Недостатком способа является ненадежность обеспечения вакуумной плотности соединения из-за некачественного физического контакта соединяемых поверхностей, получаемого в условиях незначительной пластической сдвиговой деформации при образовании натяга. Кроме того, данный способ предполагает применение дорогостоящих кварцевых труб с прецизионно-точным диаметром или высокоточного изготовления цоколя для его соединения с трубой фактического диаметра, что составляет большую трудоемкость.

Задачей изобретения является повышение надежности при снижении трудоемкости и стоимости получения соединения керамической или кварцевой детали с металлической втулкой, а также увеличение усталостной долговечности соединения при его работе в условиях циклически изменяющихся температур и механической нагрузки.

Поставленная задача решается тем, что в зону соединения по меньшей мере на одну из соединяемых поверхностей наносят слой из пластичного металла. В нагретую втулку запрессовывают конец кварцевой или керамической трубки с завальцованным краем. Наружный диаметр трубки выполняют с превышением по отношению к внутреннему диаметру втулки для получения натяга, который обеспечивал бы деформацию стенки трубки при запрессовке в пределах запаса пластичности ее материала. При этом осуществляется сдвиговая пластическая деформация промежуточного слоя, обеспечивающая образования надежного физического контакта по всей поверхности соединения. Сдвиг металла слоя облегчается наличием завальцованного края.

Для повышения уровня упругих и прочностных свойств материал втулки подвергают термообработке. Термообработку втулки осуществляют после или во время проведения запрессовки. Запрессовка трубки во втулку, изготовленную из дисперсионно-твердеющих сплавов, проводят перед дисперсионным твердением. Если втулку изготавливают из сплава, упрочняемого закалкой, то запрессовку проводят при температуре нагрева под закалку с последующим охлаждением в закалочной жидкости. Затем проводят отпуск.

Технологические допуски на изготовление трубки и втулки обуславливаются физико-механическими свойствами применяемого сплава и толщиной стенки втулки, прочностью материала трубки и необходимой прочностью конструкции.

Для изготовления токовводов газоразрядных ламп наиболее оптимальные толщины стенки втулки лежат в пределах 0,1-0,3 мм, что позволяет при применении распространенных сплавов, при широких допусках изготовления внешнего диаметра трубки и внутреннего диаметра втулки получать качественное вакуумноплотное соединение. Это снижает стоимость и позволяет автоматизировать процесс производства токовводов.

При эксплуатации соединения в условиях температурных нагрузок изменения линейных размеров втулки практически равны изменениям соединяемой части трубки. Согласованность изменения линейных размеров материалов, имеющих разные КТР, достигается тем, что материал втулки, имеющий большее его значение, деформирован на растяжение. Эта деформация сохраняется в широком диапазоне температур.

На фиг. 1 изображена трубка со сформованным кольцом 1, завальцованный край 2; на фиг.2 - соединение конца трубки 1 с металлической втулкой 2.

Кварцевая или керамическая трубка запрессовывается в предварительно нагретую втулку 2. Наружный диаметр кольца выполняется с превышением внутреннего диаметра втулки для образования натяга, обеспечивающего пластическую деформацию стенки втулки. На одну из поверхностей предварительно или в процессе образования соединения наносят слой из пластичного металла. После проведения запрессовки материал втулки упрочняется.

П р и м е р. Кварцевая трубка диаметром 17,0 мм, толщиной стенки 2,5 мм с концом для соединения, имеющим конус с углом между образующей и основанием 80^о, с кольцом шириной 1 мм и диаметром 18,0 ± 0,1 мм запрессовывалась во втулку, изготовленную их сплава 36НХТЮ с толщиной стенки 0,2 мм и внутренним диаметром 17,0 ± 0,1 мм при температуре 1100 К. Внутренняя поверхность втулки предварительно покрывалась слоем из меди толщиной 6-9 мкм. После запрессовки сплав втулки подвергался упрочнению термоообработкой при температуре 1000 + 10 К в течение 6 ч. Проведенные испытания на термическую усталость путем многократного нагрева и охлаждения в диапазоне температур 300-870 К показали, что вакуумная плотность соединения не нарушается в течение 10000 циклов.

Использование: при изготовлении газоразрядных ламп, электро-вакуумных приборов в двигателе и ракетостроении и других областях технике. Сущность изобретения: соединение керамической или кварцевой трубки с металлической деталью, имеющей втулку, осуществляется путем нагрева конца втулки и запрессовки в него трубки с натягом. В зону соединения, по меньшей мере, на внутреннюю поверхность втулки или на наружную поверхность трубки наносят слой из пластичного металла. Конец трубки предварительно завальцовывают и выполняют с наружным диаметром, превышающим внутренний диаметр втулки. После запрессовки трубки во втулку материал втулки упрочняют дисперсионным твердением или закалкой. В последнем случае запрессовку проводят при температуре закалки. Получают вакуум-плотные соединения, обладающие высокой термостойкостью и термомеханической выносливостью. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОЙ ИЛИ КВАРЦЕВОЙ ТРУБКИ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ВТУЛКОЙ, при котором осуществляют нагрев конца втулки и запрессовку в него трубки с натягом, отличающийся тем, что наносят слой из пластичного металла в зоне соединения по меньшей мере на внутреннюю поверхность втулки, при этом конец трубки предварительно завальцовывают и выполняют с наружным диаметром, превышающим внутренний диаметр втулки. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при соединении втулки из дисперсионно-твердеющего сплава запрессовку проводят перед дисперсионным твердением. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при соединении втулки из сплава, упрочняемого закалкой, запрессовку проводят при температуре нагрева под закалку.