Способ сортировки жидкометаллических герконов

ОП ИСАНИЕ 858129ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспубееи. Кл 01 Н 11/О 01 Н 1/08 вударетюай квинтет ССьР ю аелам изабрвтеикЯ и вткрмтвЯ3) Приорите бликовано 23.08.81, Бюллетень Мта опубликования описания 30.08.) СПОСОБ СОРТИРОВКИГЕРКОНО МЕТАШИЧЕСКИХ Изобретение технике жидких быть применено изводстве,жидк конов ( ЖГ ) для нос тся к электро ников и может мышленном проических геровки их по гр ым дефектам овод проеталлорти пам надежности, скрыти для анализа причинИзвестен способ со брака.ртировки ЖГз аключ ающийнии некоторойпартии на изжиме йормальнагрузки изависимостиний, надежноряду критериборки наряду ром, Аналогично н по группам ад ся в ресурсно выборки ЖГ иэ носоустойчиво ной или форси испыт ратами. но в но т надежностщей партии Недостатистический способа является ста среднениый) характерсти, причем только енки на определения затем, в от результатов испыт сти всей партии ЖГ п ев годности для ЖГ в с их визуальным осмо ным образом определяю и для каждой последую ЖГ 11. для партии ЖГ, сортировкой этихпартий всего н две группы - годныеи брак. Кроме того, при ресурсныхиспытаниях ЖГ на износоустойчивостькаждый ЖГ приходит в негодность, Этоне позволяет аттестовать по надежности каждый ЖГ в партии индивидуально. Кроме того, ресурсные испытания требуют продолжительного времении связаны со значительными энергоДанная сортировка ЖГ по группам надежности не является достоверной для онкретного ЖГ, так как при этом не учитывается возможность наличия в этих ЖГ скрытых дефектов.Наиболее близким по технической сущности является способ сортировки жндкометаллических герконов, заключающийся в том, что герконы, после заполнения агрессивной средой и покрытия контакт-деталей жидким металлом. подвергают механическим и тер3 8581 мическим воздействиям с последующим визуальным осмотром и разделением на группы годных и отбракованных 21.Недостатком известного способа также является статистический (усреднен 5 ный) характер оценки надежности ЖГ для каждой партии, что не исключает наличия в партии, например, годных ЖГ, некоторого количества дефектных и наоборот. Способ не пригоден для сплошО ного (поштучного) контроля надежности ЖГ, не удается выявить в ЖГ наличие В них скрытых дефектов, не удается также распознать принины и природу постепенных отказов ЖГ. Кроме тогоф 5 процесс испытания выборки ЖГ является разрушающим, приводящим ЖГ в негодйость, на процесс испытаний тратится много времени и энергии, сортировка же ЖГ происходит "толькопартиями и только на две группы:годные и брак.Цель изобретения -повышение качества сплошного и неразрушающего контроля н выявление причин отказов ЖГ.25 20 Поставленная цель достигается тем, что в известном способе сортировки 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 геркон. подвергают одновременным механическим и термическим воздействиям, эа счет кратковременной наработки в режиме, близком к предельно допустимому по коммутируемой мощности, обеспечивают 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 одновременным механическим и термическим воздействиям в равномерном температурном ноле с температурой выше температуры кипения агрессивной среды, но ни-,30405055 29 4же температуры кипения жидкого металла и ниже температуры, при которой возможно повреждение баллона геркона, приводят повторный визуальный осмотр герконов с последующим выявлением и сортировкой герконов по виду, характеру и месту расположения контакт-деталей новых я ранее замеченных открытых дефектов и окончательно разбраковывают герконы.Необходимо отметить, что причины развития скрытыхдефектов смачивания контакт-деталей ЖГ обусловлены в основном наличием в них конденсированной влаги и растворимых в ней загрязнений, которые образуют слой агрессивной электролнтической 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,. образующейся 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 материалов ЖГ. Отметим, что существует некоторая веростность коррозионнв 3 х процессов, обусловленная воэможностью 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-деталей5 8581 ЖГ виброударного типа, связанное .с упругой деформацией, наклепом и трением контакт-деталей. При этом деформируются и скрытые дефекты, находящиеся обычно на поверхности контакт-деталей, Это обстоятельство способствует проявлению скрытых дефектов, наблюдаемых затем визуально.ПредпочтительиЬ испольэовать функционирование ЖГ с частотой наивысших собственных виброударных колебаний контактной системы. ЖГ, так как режим работы на частоте механического резонанса для ЖГ является наиболее жестким, а для его возбуждения требуется в несколько раз меньше энергии, чем в других режимах функционирования ЖГ. Подбор и оптимизацию режима механического воздействия на ЖГ производят экспериментальньк путем для каждого конкретного типа ЖГ. 0 териями идентификации количестваскрытых Дефектовлибо причин постепенных отказов ЖГ, основой дляподбора режимов теплового воздействия на ЖГ для различных видов допускного контроля ЖГ на наличие вних того или другого вида загрязнений, кретериями при. анализе природы и причин открытых дефектов,деградационных процессов и бракаЖГ. Определение истинной темпера-фтуры в различных сечениях контактдеталей можно проводить непосредственными измерениями или на основепредварительного определения еекорреляции с градиентом температурывдоль поверхности баллона ЖГ. функционированию ЖГ подвергаютсяпод электрической нагрузкой, по коммутируемой мощности, близкой к предельно допустимой, предпочтительно врежиме без искрогасительных цепей.Конкретные значения тока и напряжения подбираются также заранее экспериментальным путем для каждого тнйа 30ЖГ, таким же образом определено и время наработки под электрической нагрузкой, равной 0,1-1 ч. Чаще обычного напряжение должно быть не менее10 В, а ток не менее 70 МА чтобы35режим коммутации сопровождался интенсивным искрением контактов ЖГ.Температура искры достигает несколько тысяч градусов, поэтому интенсивность и продолжительность электроду Оговых явлений в зоне контакта ЖГ подбирается так, чтобы испарение жидкого металла в зоне коммутирующих . поверхностей контактов.не приводилобы к оголению смоченных им поверх ностей контакт-деталей. Ометим, что для каждого ЖГ тепловой баланс и допустимый нагрев жидкометалличеюкого контакта определяется составом и давлением газового наполнения ЖГ, о наличием и свойствами жидкого диэлектрика, свойствами жидкого металла и теплоотводом за счет свойств твердых контакт-деталЕй. Предпочтительно режим электрической нагрузки 55 выбирать таким образом, что в зоне коммутирующего контакта температура жидкого металла была на уровне .его кипения в условиях, имеющихся 29 6в баллоне ЖГ Выводы ЖГ, находятся обычно в условиях по температуре близких к нормальной температуре окружающей среды. 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, соответствующего сечению коммутации с искрой, до сечения выхода из полости баллона ЖГ, наконец, до сечения подсоединения в схему вывода ЖГ. Естественно, в баллоне ЖГ различные сечения жидкометаллической плевки на контакт- деталях и пленочного слоя агрессивного электролита на ней будут иметь температуру, определяемую температурой данного сечения контакт-детали, Известно, что интенсивность электрохимических процессов адекватноеградационных 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 полостиЖГ температурного градиента обеспечивается локальное разделение вдольконтакт-деталей, смоченных жидкимметаллом, участков поражения омачивания эа счет скрытых дефектов ЖГобусловленных различными по своейэлектрохимической и Физической природе деградационными процессами.Результаты испытания ЖГ в условияхналичия градиента теплового полявдоль баллона ЖГ могут служить кридационные процессы прекращаются когда агрессивная среда высушивается,т.е. влага переводится в фазу сухого пара. Тот определенный диапазонтемператур, при котором деградационные процессы проявляются с наибольшей интесивностью для каждоготипа ЖГ, различен и зависит от давления газа внутри баллона ЖГ, свойствконструкционных материалов и т.д.и определяется на основе результатовобработки ЖГ по предлагаемому способу экспериментальным путем. ьРемя, .необходимое .для проведения воздействия на ЖГ по этому способутак;се определяется кспериментально, оно зависит от требуемого уровня чадежностн 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 нроизводится 1 как указано выше, для исключения возможности дальнейшего проявления деградационных процессов в ЖГ. При этом вмсушивается 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, смачивающим при вращении ЖГ поверхности .контакт- деталей и в местах, где эти обнаруженные дефекты расположены. И здесь существует тот оптимальный диапазон температур, при котором агрессив". ная среда внутри баллона ЖГ полностью переходит в фазу сухого пара и не оказывает отрицательного влияния на процесс реставрации ЖГ, который так 7 858129 8Предлагаемой наработкой ЖГ втечение 0,1-1 ч под электрическойнагрузкой достаточно близко имитируются естественные условия эксплуатации ЖГ. Следует отметить, чтопредложенное воздействие на ЖГ является более жестким, поэтому время и энергозатраты, необходимые дляпроявления наличия скрытых дефектовв ЖГ, существенно сокращаются. Кроме того, предлагаемый способ допускает его применение для сплошногоконтроля ЖГ на надежность, так какпредложенный режим для годных ЖГявляется неразрушающим (более, егоможно отнести к тренировочному 1не снижающим износоустойчивости ЖГ,так как при правильном подборе материалов для контакт-деталей, в частности при выполнении их из материалов, практически не взаимодействующих с жидкометаллической средой,физические деградационные процессы(диффузия, растворение, кристаллизация, тепломассоперенос и т.п.) гне являются доминирующими. Доминирующие деградационные процессы обусловлены химическими реакциями взаимодействия материалов контакт-деталей, происходящими в баллоне ЖГ зов присутствии жидкой агрессивнойсреды, образованной, например, засчет растворения в воде компонентовзагрязнений, контакт-деталей и газовой среды ЖГ, Скрытые микродефектысмачивания жидким металлом твердойповерхности контакт-деталей приэтом усиленно.; развиваются, плен"ка жидкого металла разрывается имикродефекты становятся видны визуально, Таким образом, при сортировке ИГ на группы по надежности учитывавтся наличие в ЖГ скрытых дефектов, чем обеспечивается достоверная сортировка. Воздействие на ЖГнепостоянным в пространстве тепловым полем, которое проводят в заранее подобранном экспериментальным путем режиме, позволяет нетолько ускорить выявление скрытыхдефектов, но и определить температуру, при которых наиболее активнопроявляется тот или иной деградационный процесс. Отметим, что в зонетермических воздействий с температурой выше температуры кипения агрессивной среды в баллоне ЖГ дефекты смачивания обычно не проявляются, что объясняется тем, что дегра9 85812же зависит от свойств агрессивной ижидкометаллической среды, конструкционных материалов ЖГ, газового наполнения ЖГ и т.д. и определяется также заранее экспериментальным путем,Время, необходимое для осуществле"ния процесса повторного смачивания,также определяется заранее экспериментальньм путем или на основе известных технологических процессов тер мического смачивания жидким металломтвердых металлов и сплавов с учетомтребований к надежности ЖГ, которыедопускаются к группам ЖГ органической надежности, отличающимся обладанием обратимости смачивания.После этого визуально вновь осматривают ЖГ, подвергнутые техпроцессу реставрации, и по общему ихвиду с учетом исчезнувших и оставшихся в них выявленных заранее скрытыхдефектов сортируют их на группы ограниченно годных и окончательно забракованных (отказавших, необлада"ющих обратимостью смачивания). 25Таким образом, последовательноепроведение рекомендуемого воздей.ствия над всеми гортируемыми ЖГ позволяет обеспечить достоверную сплошную сортировку предварительно приз- З 0нанных годными ЖГ на не менее тригруппы по надежности - годные, ограниченно годные (с разделением ихпо группам по видам скрытых дефектов и деградационных процессов),обладающие обратимостью смачивания ипригодные для менее ответственныхприменений, и окончательно деФектные, отбракованные как необладающиеобратимостью смачивания, отказавшие при сортировке по данному способу, представляющие собой оконча-/тельиьй брак, отделенный от товарнойпродукции для анализа качественныхи количественных показателей по, видам брака, а также определенияпараметров режимов (механического,термического и по времени - продоолжительности) воздействия на ЖГдля процесса их сортировки в производственных условиях и для определения природы и причин отказов ЖГ,Дефекты смачивания в зоне коммутирующего контакта имели вид кольцевых 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 полу- .капиллярам была нарушена полностью. Вверх по капилляру плотность дефектов смачивания плавно уменьшалась. Уменьшались и размеры дефектов. Температура баллона ЖГ и язычка у поверхностиорезервуара не превышала 85 С, а в зоне на язычке, где плотность выявленных дефектов уменьшалась практически до нуля, не превышала 100 С. Темпераотура кипения ртути в баллонеЖГ преСпособ опробывался при сортировке металлостеклянных ЖГ типа55 МКСРс ртутно-водородным заполнением. Функционирование ЖГ обеспечивалось в режиме виброударных колебаний с поочередными соударения 9 Оми коммутирующего конца языка 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 укаэанной электрической цепи в течение 20 мин,Управление осуществлялось пощ- синусодиальными импульсами при ИДС 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 коммутации (при 5мерно 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 ЗОХ ее длин).11 85812вьипала 8000 С, так как давление водородного заполнения ЖГ было не менее8 атм,Отбракованные, как отказавшие ЖГпо группам подвергали термообработкепри температуре 500 фС с постояннымвращением в горизонтальном положенииЖГ вокруг егопродольной 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 годных и окончательно отбракованных. Впервую группу отнесли ЖГ реставрированые (обладающие обратимостью смачивания, за счет которой они приобрелипервоначальный товарный вид, все,дефекты исчезли) с сохранением их при-э 0надлежности к подгруппам по бывшим дефектам смачивания и другим. Сохранивпринадлежность по подгруппам и окончательному браку ЖГ, зафиксировалиизменения общего вида ЖГ, а также 25вида, характера и места расположенияна контакт-деталях ЖГ, ранее выявленных скрытых дефектов. Затем провели сопоставительный анализ всех зафиксированных результатов. Вкратце они могут быть сформулированы следующим образом, Дефекты в зоне контакта обусловлены высокотемпературным нагревом из-за дуговых процес 35 сов, имеющих место при подобранном электрическом режиме, которые инициируют испарение ртути в зоне контакта, Дефекты смачивания в ней начинают развиваться когда испаряемое ко личество 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. Пары ртути конденсируются вне зоны контакта, отдавая свое тепло газовому наполнению, отдаленньщ от эоны контакта 50 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, пленкой, распространенной на поверх 9 12ности контакт-деталей, смоченныхртутью. При недостаточной сплошностиамальгамирования контакт-деталей подогретая агрессивная среда весьмабыстро развивает размеры дефектовсмачивания, причем они становятся нетолько видны визуально, но, постепенно ухудшая условия подъему по полукапиллярам ртути в зону коммутирующего контакта,.приводит к полномуперерезанию упомянутой сети полукапилляров. Уменьшение плотности выполненных дефектов в направлении по язычкусвязано не только с постепенным уменьшением температуры, но также и концентрации и толщины слоя агрессивнойсреды в этом направлении. Зона заметных разрушений смачивания ограничивается временем воздействия концен-,трационными и температурными условиями (в нижней части язычка).В верхнейчасти язычка отсутствие плавной переходной зоны по плотности распределения дефектов смачивания объясняетсятем, что температура кипения, жидкойагрессивной среды ниже температурыкипения жидкого металла ртути) вбаллоне ЖГ и слой ее прекращает существовать (испаряется) не доходядо эоны коммутирующего контакта. Проведенные дополнительные исследования показали, что в описанном примере осуществления способа жидкая агрессивная среда действительно представляла собой водный раствор инградиентов химической обработки контакт- деталей, недостаточно 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, необладающих 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 толь ко для работы в безискровом режиме коммутации 1 обладающих обратимостью смачивания), средства для определения причин и природы скрытых дефек13 8 тов и средства для их разбраковки ЖГ по видам скрытых дефектов и деградационных процессов для последующего исследования и анализа физики постепенных отказов ЖГ. Необходимо отметить, что для осуществления способа требуются общеизвестные технические средства и что данное изобретение обладает. определенными технико-экономическими преимуществами перед известными техническими решениями в этой области, которые указаны вьппе.Достоверность сортировки и охват ею ЖГ является равным 1003. Вследствие неразрушающего определения надежности ЖГ процент их выхода возрастет примерно за 10-157. Ускорение процесса сортировки примерно на ЗОХ. Кроме того, предлагаемый способ может быть положен в основу или использован для обоснования конкретных режимов воздействия на ЖГ при сокращенном, упрощенном или допусковом контроле ЖГ и их сортировке по определенным уровням надежности.Указанная цель изобретения достигается последовательным выполнением операции по предлагаемому способу. Особо следует отметить, что обязательное при способе обнаружение скоытых дефектов и раскрытие природы и причин их проявления позволяет значительно увеличить достоверность сортировки, причем каждого ЖГ,Указанные выше данные техникоэкономических преимуществ данного изобретения получены по результатам испытаний опытных изделий, проведенных на предприятии-заявителе. 58 29 14воздействиям с последующим визуальньм осмотром и разделением нагруппы годных и отбракованных,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повьппения качества сплошного и неразрушающего контроля и выявления причин отказа, каждый жидкометаллический геркон .подвергаютодновременным механическим и термическим воздействиям за счет кратковременной наработки в режимеблизком к предельно допустимому покоммутируемой мощности, обеспечиваютналичие градиента теплового полявдоль баллона геркона и его контактдеталей в диапазоне от температурыкипения до температуры окружающейсреды и измеряют значение указанного градиента теплового поля, послечего подвергают герконы визуальномуосмотру и сортируют по виду, характеру и месту расположения выявленныхскрытых дефектов на контакт-деталях, подвергают каждую из рассортированных групп герконов одновременным механическим и термическимвоздействиям в равномерном температурном поле с температурой вьппетемпературы кипения агрессивной среды, но ниже температуры кипения жидкого металла и ниже температуры,при которой возможно повреждение баллона геркона, проводят повторныйвизуальный осмотр герконов с последующим выявлением и сортировкой герконов по виду характеру и месту расфположения на контакт-деталях новыхи -ранее замеченных открытых дефектов и окончательно разбраковывают40 герконы.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Зарецкас В.-С.С., Рагульскене В.Л Ртутные калибрующие элеи менты для устройств автоматики. И.,"Энергия", 1971, с. 232. ОСТВ 11360.004-75 "Контактымагиитоуправляеююе герметиэированные". Общие технические условия.ю 1916, с. 18, 35, 40-45.ю Формула изобретения Способ сортировки жидкометаллических герконов, заключакнцийся в, том, что герконы после заполнения агрессивной средой и покрытия контакт-деталей жидким металлом подвергают механическим и термическим Составитель Д.ПучковТехред А.Бабинец Корректор В. Синицкая Редактор В.Лазаренко филиал ППП Патент , г. Ужгород, ул. Проектная,Заказ 7258 86 Тираж 184 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5