Способ сортировки жидкометаллических герконов Советский патент 1981 года по МПК H01H11/02 H01H1/08 

(54) СПОСОБ СОРТИРОВКИ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ГЕРКОНОВ

t

Изобретение относится к электро технике жидких проводников и может быть применено в промышленном производстве, жидкометаллических герконов (ЖГ) для сортировки их по группам надежности, скрытым дефектам и для анализа причин брака.

Известен способ сортировки ЖГ по группам надежности, заключающийся в ресурсном испытании некоторой выборки ЖГ из данной партии на износоустойчивость в режиме Нормальной или форсированной нагрузки и определения затем, в зависимости от резулзта1тов испытаний, надежности всей партии ЖГ по ряду критериев годности для ЖГ выборки наряду с их визуальным осмотром. Аналогичным образом определяют надежность и для каждой последующей партии ЖГ

Недостатком способа является статистический (усредненный) характер оценки надежности, причем только

для партии ЖГ, с сортировкой этих партий всего на две группы - годные и брак. Кроме того, при ресурсных испытаниях ЖГ на износоустойчивость каждый ЖГ приходит в негодность. Это не позволяет аттестовать по надеж- . ности каждый ЖГ в партии индивидуально. Кроме того, ресурсные испытания требуют продолжительного времени и связаны со значительньми энерго10затратами.

Данная сортировка ЖГ по группам надежности не является достоверной для Конкретного ЖГ, так как при этом

1$ не учитьшается возможность наличия в этих ЖГ скрытых дефектов.

Наиболее близким по технической сущности является способ сортировки жидкометаллических герконов, за20ключакщийся в том, что герконы, после заполнения агрессивной средой и покрытия контакт-деталей жидким металлом, подвергают механическим и тер3мическим воздействиям с последующим визуальным осмотром и разделением н группы Годных и отбракованных 21, Недостатком известного способа та является статистический (усредненный) характер оценки надежности ЖГ для каждой партии, что не исключает наличия в партии, например, годных некоторого количества дефектных и наоборот. Способ не пригоден для сп ного (поштучного) контроля надежнос ЖГ, не удается выявить в ЖГ наличие ц них скрытых дефектов, не удается также распознать причины и природу тостепенных отказов ЖГ. Кроме того, процесс испытания выборки ЖГ являет ся разрушающим, приводящим ЖГ в негодйость, на процесс испытаний тратится MHorfl времени и энергии, сортировка же ЖГ происходит только партиями и только на две группы: годные и брак. Цель изобретения - повьвпение качества сплошного и неразрушающего контроля и выявление причин отказов ЖГ. Поставленная цель достигается тем, что в известном способе сорти.ровки жидкометаллических герконов, заключающимся в том, что герконы после заполнения агрессивной средой И покрытия контакт-деталей жидким металлом подвергают механическим и термическим воздействиям с последующим визуальным осмотром и разделением на группы годных и бракованных каждый жидкометаллический герконг подвергают одновременным механическим и термическим воздействиям , за счет кратковременной наработки в ре жиме, близком к предельно допустимому, по коммутируемой мощности, обе печивают наличие градиента теплового поля вдоль баллона геркона и его контакт-деталей в диапазоне от температуры кипения жидкого металла до температуры окружающей среды и измеряют значение указанного градиента теплового поля, после чего подвергают герконы визуальному осмотру и сортируют по виду, характеру и месту расположения выявленных скрытых дефектов на контакт-деталях подвергают каждую из рассортированных групп герконов одновреиенньм механическим и термическим воздейст ВИЯМ в paiBHOMepHOM температурном поле с температурой выше температуры кипения агрессивной среды, но ни 94 же температуры кипения жидкого металла и ниже температуры, при которой возможно повреждение баллона геркона, приводят повторшлй визуальный осмотр герконов с последующим выявлением и сортировкой герконов по виду, характеру и месту расположения контакт-деталей новых и ранее замеченных открытых дефектов и окончательно разбраковывают герконы. Необходимо отметить, что причины развития скрытых дефектов смачивания контакт-деталей ЖГ обусловлены в основном наличием в них конденсированной влаги и растворимых в ней загрязнений, которые образуют слой агрессивной электролитической среды, пленкой, распространенной по поверхности жидкого металла и деталей ЖГ. При наличии даже микродефектов сплошности смачивания контакт-деталей жидким металлом образуются коррозионные гальванические микроэлементы, электрохимические процессы в которых постепенно увеличивают площадь дефектов смачивания. Конденсированная агрессивная среда в баллоне ЖГ появляется в основном за счет влаги, проникшей через стенки баллона (особенно в металлополимерных ЖГ), за счет влаги, конденсированной в микрокапиллярах, образованных шероховатостью поверхностей конструктивных элементов (особенно на внутренних поверхностях металлических трубчатых и щелевых элементов) и попадающей на поверхность контакт-деталей вследствие тепломассообмена, за .счет влаги, образукщейся из пленок окислов на контакт-деталях при их смачивании жидким металлом, например, амальгамировании, в процессе изготовления ЖГ, а также за счет влаги или кислорода, мигрирующих на поверхность раздела сред из глубины конструкционных матехжалов ЖГ. Отметим, что существует некоторая веростность коррозионШ|1х процессов, обусловленная возможностью наличия в ЖГ (некоторых видов) солевых загрязнений типа твердых электролитов, могущих привести к определенного вида деградационным процессам. При функционировании ЖГ подвергаются механическим воздействиям, при котором обычно происходит перемещение исполнительных контакт-деталей ЖГ виброударного типа, связанное с упругой деформацией, наклепом и трением контакт-деталей. При этом деформируются и скрытые дефекты, на ходящиеся обычно на поверхности кон такт-деталей, Это обстоятельство сп собствует проявлению скрытых дефек тов, наблюдаемых затем визуально. ПредпочтительнЬ- использовать функционирование ЖГ с частотой наивысших собственных виброударных колебаний контактной системы. ЖГ, так ка режим работы на частоте механическо го резонанса для ЖГ является наибол жестким, а для его возбуждения требуется в несколько раз меньше энергии, чем в других режимах функциони рования ЖГ. Подбор и оптимизацию режима механического воздействия на ЖГ производят экспериментальньм путем для каждого конкретного типа ЖГ Функционированию ЖГ подвергаются под электрической нагрузкой, по комм тируемой мощности, близкой к предельно допустимой, предпочтительно в режиме без искрогасительных цепей. Конкретные значения тока и напряжения подбираются также заранее экспериментальным путем для каждого типа ЖГ, таким же образом определено и вр мя наработки под электрической нагрузкой, равной 0,1-1 ч. Чаще обычно го напряжение должно быть не менее 10 В, а ток не менее 70 мА чтобы режим коммутации сопровождался интенсивным искрением контактов ЖГ. Температура искры достигает несколько тысяч градусов, поэтому интенсивность и продолжительность электродугоБых явлений в зоне контакта ЖГ под бирается так, чтобы испарение жидкого металла в зоне коммутируюяцпс поверхностей контактов.не приводило бы к оголению смоченных им поверхностей контакт-деталей. Ометим, что для каждого ЖГ тепловой баланс и допустимый нагрев жидкометаллического контакта определяется составом и давлением газового наполнения ЖГ, наличием и свойствами жидкого диэлектрика, свойствами жидкого металла и теплоотводом за счет свойств твердых контакт-деталей. Предпочтительно режим электрической нагрузки выбирать таким образом, что в зоне коммутирующего контакта температура жидкого металла бьша на уровне .его кипения в условиях, имеющихся 296 в баллоне ЖГ.. Выводы ЖГ, находятся обычно в условиях по температуре близких к нормальной температуре окружающей cpeip i. Таким образом, вдоль контакт-деталей образуется градиент температуры для каждого сечения контакт-детали, т.е. установившееся значение температуры, различное для каждого сечения контакт-детали. Это значение температуры постепенно снижается от сечения, соответствун цвго сечению коммутации с искрой, до сечения выхода из полости баллона ЖГ, наконец, до сечения подсоединения в схему вьшода ЖГ. Естественно, в 6ajyiOHe ЖГ различные сечения жидкометаллической пленки иа контактдеталях и пленочного слоя агрессивного электролита на ней будут иметь температуру, определяемую температурой данного сечения контакт-детали. Известно, что интенсивность электрохимических процессов адекватно цеградационных процессов) зависит эт температуры согласно закону Аррениуса и что в сложных взаимодейстВИЯХ при различных температурах проявляются наиболее интенсивно различные электрохимические процессы. Таким образом, наличием в полости ЖГ температурного градиента обеспечивается локальное разделение вдоль контакт-деталей, смоченных жидким металлом, участков поражения омачивания за счет скрытых дефектов ЖГ, обусловленных различными по своей электрохимической и физической природе деградационньет процессами. Результаты испытания ЖГ в условиях наличия градшента теплового поля вдоль баллона ЖГ могут служить критериями идентификации количества крытых дефектов,, либо причин потепенных отказов ЖГ, основой для одбора режимов теплового воздейтвия ва ЖГ для различньлх видов доускного контроля ЖГ на наличие в их того или другого вида загрязений, кретериями при анализе приоды и причин открытых дефектов, еградационных процессов и брака Г. Определение истинной темперауры в различных сечениях контактеталей можно проводить непосредтвенными измерениями или на основе редварительного определения ее орреляции с градиентом температуры доль поверхности баллона ЖГ.

Предлагаемой наработкой ЖГ в течение 0,1-J ч под электрической нагрузкой достаточно близко имитируются естественные условия эксплуатации ЖГ. Следует отметить, что предложенное воздействие на ЖГ является более жестким, поэтому время и энергозатраты, необходимые для проявления наличия скрытых дефектов в ЖГ, существенно сокращаются. Кроме того, предлагаемый способ допускает его применение для сплошного контроля ЖГ на надежность, так как предложенный режим для годных ЖГ является неразрушающш1 {более, его можно отнести к тренировочному)j не снижающим износоустойчивости ЖГ, так как при правильном подборе материалов для контакт-деталей, в частности при вьтолнении их из материалов, практически не взаимодействующих с жидкометаллической средой физические деградационные процессы (диффузия, растворение, кристаллизация, тепломассоперенос и т.п.) не являются доминирующими. Доминирующие деградационные процессы обусловлены химическими реакциями взаимодействия материалов контакт-деталей, происходящими в баллоне ЖГ в присутствии жидкой агрессивной среды, образованной, например, за счет растворения в воде компонентов загрязнений, контакт-деталей и газовой среды ЖГ, Скрытые микродефекты смачивания жидким металлом твердой поверхности контакт-деталей при этом усиленна, развиваются, пленка жидкого металла разрьюается к микродефекты становятся видны визуально. Таким образом, при сортировке ЖГ на группы по надежности учитывается наличие в ЖГ скрытых дефектов, чем обеспечивается достоверная сортировка. Воздействие на ЖГ непостоянным в пространстве тепловым полем, которое проводят в заранее подобранном экспериментальным путем режиме, позволяет не только ускорить выявление скрытых дефектов, ной определить температуру, при которых наиболее активно проявляется TOit или иной деградационный процесс. Отметим, что в зоне термических воздействий с температурой выше температуры кипения агрессивной среды в баллоне ЖГ дефекты смачивания обычно не проявляются, что объясняется тем, что дегрдационные процессы прекращаются когда агрессивная среда высушивается, т.е влага переводится в фазу сухого пара. Тот определенный диапазон

температур, при котором деградационные процессы проявляются с наибольшей интесивностью для каждого типа ЖГ, различен и зависит от давления газа внутри баллона ЖГ, свойств

конструкционных материалов и т.д. и определяется на основе результатов обработк.и ЖГ по предлагаемому способу экспериментальным путем, время, .необходимое .для проведения впздействия на ЖГ по этому способу , таюке определяется - кспериментально, оно зависит от требуемого уровня надежности ЖГ.

Отбракованные по выявленным скрытым дефектам ЖГ по группам отра батывают при температуре выше температуры кипения жидкой агрессивной среды в баллоне ЖГ, но ниже температуры,-При которой возможно кипение жидкого металла в баллоне ЖГ и повреждение баллона ЖГ. Выбор условий осуществления процесса термообработки производится,как указано выше, для исключения возможности дальнейшего проявления деградационных процессов в ЖГ. При этом внсуошвается агрессивная среда внутри баллона ЖГ, влага переводится в

фазу сухого пара и этим обеспечиваются условия, благоприятствующие повторному смачиванию контакт-детали жидким металлом.

В процессе одновременных вращательных механических и термических

воздействий на ЖГ обеспечиваются условия смачивания жидким металлом всех внутренних поверхностей контакт-деталей. При этом смачиваются

и те места контакт-деталей, на которых находятся ранее выявленные скрытые дефекты (в ЖГ ограниченной надежности так как смачивание этих Мест происходит за счет их обвалакивания жидким металлом, смачиваюпщм при вращении ЖГ поверхности .контактдеталей и в местах, где эти обнаруженные дефекты расположены. И здесь существует тот оптимальный диапазон

температур, при котором агрессивная среда внутри баллона ЖГ полностью переходит в фазу сухого пара и не оказьшает отрицательного влияния на процесс реставрации ЖГ, который так- 9 же зависит от свойств агрессивной и жидкометаллической среды, конструкционных материалов ЖГ, газового наполнения ЖГ и т.д. и определяется т же заранее экспериментальным путем. Время, необходимое для осуществления процесса повторного смачивания, также определяется заранее экспериментальньм путем или на основе известных технологических процессов т мического смачивания жидким металло твердых металлов и сплэвов с учетом требований к надежности ЖГ, которые допускаются к группам ЖГ органической надежности, отличающимся облада нием обратимости смачивания. После этого визуально вновь осматривают ЖГ, подвергнутые техпроцессу реставрации, и по общему их виду с учетом исчезнувших и оставши ся в них выявленных заранее скрытых дефектов сортируют их на группы ограниченно годных и окончательно забракованных (отказавших, необладающих обратимостью смачивания). Таким образом, последовательное проведение рекомендуемого воздействия над всеми сортируемыми ЖГ позволяет обеспечить достоверную спло ную сортировку предварительно признанных годными ЖГ на не менее три группы по надежности - годные, ограниченно годные (с разделением их по группам по видам скрытых дефектов и деградационных процессов), обладающие обратимостью смачивания пригодные для менее ответственных применений, и окончательно дефектные , отбракованные как необладающие обратимостью смачивания, отказавшие при сортировке по данному способу, представляющие собой оконча-/ тельньй брак, отделенный от товарно продукции для анализа качественных и количественных показателей по , ви дам брака, а также определения параметров режимов (механического, термического и по времени - продолжительности) воздействия на ЖГ для процесса их сортировки в производственных условиях и для определения природы и причин отказов ЖГ Способ опробывался при сортировке метаплостеклянных ЖГ типа МКСР-4518 с ртутно-водородньм запо нением. Функционирование ЖГ обеспечивалось в режиме виброударных колебаний с поочередными соударения 910 ми коммутирующего конца яэычк с каждой неподвижной контакт-деталью с циклической частотой примерно 100 Гц, Экспериментально был подобран режим электрической нагрузки с параметрами 220 В, 0,3 А (66 Вт) постоянного тока, обеспечивающий выявление скрытых дефектов ЖГ при коммутации ими указанной электрической цепи в течение 20 мин. Управление осуществлялось полусинус о ди ал ьньми импульсами при МДС равной 22 5 А (полуторакратное значение верхнего предела МДС срабатывания) . При наработке измерялось термопарами распределение температуры вдоль поверхности баллона геркона, наличие залипаний и сбоев, характер искрения в зоне контактов при их замыкании и размыкании. После наработки каждым коммутирующим контактом 10 коммутаций (примерно 15 мин) ЖГ подвергали осмотру и сортировке на группы годных и отказавших с учетом общего вида ЖГ, характера вида и места расположения на контакт-деталях ЖГ выявленных скрытых дефектов. Оказалось, что наибольшее количество дефектов было, сконцентрировано в зоне диаметром примерно 2 мм вокруг оси коммутирующих контактов (как на неподвижных контакт-деталях так и на подвижном язычке) и на нижней части язычка, выступающей над резервуаром ртути (примерно на 30% ее длин). Дефекты смачивания в зоне коммутирующего контакта имели вид коль- . цевых полос, с полностью или частично нарушенной сетью полукапилляров, а дефекты на нижней части язычка были распространены по всей ширине с обеих его сторон. Наибольшая плотность дефектов была обнаружена непосредственно над поверхностью резервуара ртути, причем у некоторых ЖГ она была такой, что возможность поступления ртути на язычок по полукашшлярам была нарушена полностью. верх по капилляру плотность дефектов мачивания плавно уменьшалась. Уменьались и размеры дефектов. Температуа баллона ЖГ и язычка у поверхности езервуара не превышала 85°С, а в зое на язычке, где плотность выявленых дефектов уменьшалась практически о нуля, не превышала . Темпераура кипения ртути в баллоне ЖГ превыпала , так как давление водородного заполнения ЖГ было не менее 18 атм.

Отбракованные, как отказавшие ЖГ по группам подвергали термообработке при температуре SOOC с постоянным вращением в горизонтальном положении ЖГ вокруг его продольной оси со скоростью 1 об/мин так, чтобы контактдетали ЖГ постоянно омывались амальгамой, в течение 10 мин. Затем охладили ЖГ и подвергли по группам визуальному осмотру и провели их рассортировку по группам ограниченно годнык и окончательно отбракованных. В первую грзшпу отнесли ЖГ реставрированые (обладающие обратимостью смачивания, за счет которой они приобрели первоначальный товарный вид, все . дефекты исчезли) с сохранением их при надлежности к подгруппам по бывшим дефектам смачивания и другим. Сохранив принадлежность по подгруппам и окончательному браку ЖГ, зафиксировали изменения общего вида ЖГ, а также вища, характера и места расположения на контакт-деталях ЖГ, ранее выявленных скрытых дефектов.

Затем провели сопоставительный ана ЛИЗ всех зафиксированных результатов Вкратце они могут быть сформулированы следукидим образом. Дефекты в зоне контакта обусловлены высокотемпературным нагревом из-за дуговых процессов, имеющих место при подобранном электрическом режиме, которые инициируют испарение ртути в зоне контакта. Дефекты смачивания в ней начинают развиваться когда испаряемое количество ртути перестает восполняться количеством ртути, поступающим в зону контакта по сети полукапилляров При истощении запасов ртути в зоне контакта появляются отказы в :виде дребезга, залипания, выгорания и сваривания контакт-деталей. ртути конденсируются вне зоны контакта, отдавая свое тепло газовому наполнению, отдаленным от зоны контакта участком контакт-деталей и баллону ЖГ Конденсированная ртуть оседает на поверхность внутренних элементов конструкции ЖГ, в итоге она собирается на поверхности резервуара ртути, существенно повышая ее температуру. Одновременно нагревается слой загрязнений и жидкой агрессивной среды, плёнкой, распространенной на поверхности контакт-деталей, смоченных ртутью. При. недостаточной сплошности амальгамирования контакт-деталей подогретая агрессивная среда весьма быстро развивает размеры дефектов смачивания, причем они становятся не только видны визуально, но, постепенно ухудшая условия подъему по полукапиллярам ртути в зону коммутирующего контакта,.приводит к полному перерезание упомянутой сети похгукапилляров. Уменьшение плотности выполненных дефектов в направлении по язычку связано не только с постепенным уменьшением температуры, но также и концентрации и толщины слоя агрессивной среды в этом направлении. Зона заметных разрушений смачивания ограничивается временем воздействия концентрационными и температурными условиями (в нижней части язычка).В верхней части язьгчка отсутствие плавной переходной зонь по плотности распределения дефектов смачивания объясняется тем, что температура кипения .жидкой агрессивной среды ниже температуры кипения жидкого металла (ртути) в баллоне ЖГ и слой ее прекращает существовать (испаряется) не доходя до зоны коммутирующего контакта.

Проведенные дополнительные исследования показали, что в описанном примере осуществления способа жидкая агрессивная ереда действительно представляла собой водный раствор инградиентов химической обработки контакт-деталей, недостаточна удаленных последующими мойками., Это позволило принять дополнительные обоснованные меры по обеспечению вакуумной гигиены при изготовлении ЖГ. Одновременно было обнаружено существование в ЖГ и других деградационных процессов. Эти результаты были получены путем анализа дефектов, необладакяцих обратимостью смачивания.

Таким образом, пример осуществления способа подтверждает его универсальность - применяемость в качестве средства для сортировки ЖГ с обеспечением сплошного контроля всех ЖГ без их разрушения, средства для отсеивания ЖГ, пригодных толы ко для работы в безискровом режиме кокмутации (обладающих обратимостью смачивания), средства для определения причин и природы скрытых дефек