МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА
Титул
Курс лекций:
ВАКУУМНАЯ ТЕХНИКА
Михайлов Валерий Павлович
Лекция 13
Неразборные вакуумные соединения
Неразборные соединения выполняют методами пайки и
сварки.
Паяные соединения металлических конструкций
Вакуумно-герметичная пайка обеспечивает изготовление
узлов из различных материалов: стали, керамики, стекла,
молибдена и др.
Зазор в месте спая должен быть в пределах 0,05 … 0,12 мм.
По сравнению со сваркой герметичная пайка металлов
позволяет значительно уменьшить температуру разогрева.
По тугоплавкости припои делятся на твердые (температура
плавления более 300оС) и мягкие (температура плавления менее
300оС).
Химический состав и температура плавления мягких припоев
Марка
припоя
Химический состав, %
Температура
плавления, оС
Sn
Pb
Cu
Sb
Начало
Конец
ПОС-30
30
Остальное
0,15
2
183
256
ПОС-40
40
«
0,10
2
183
235
ПОС-61
61
«
0,10
0,9
183
183
Химический состав и температура плавления
твердых припоев
Марка
припоя
Химический состав, %
Температура
плавления, оС
Cu
Ag
Zn
Au
Si
Начало
Конец
ПСр-45
30
45
Остальное
-
-
660
725
ПСр-72
28
72
-
-
-
779
779
ПЗлМ80
20
-
-
80
-
889
889
ПМК4
96
-
-
-
4
910
1000
Медь МБ
100
-
-
-
-
1083
1083
Виды паяных соединений
а) рациональные соединения
б) нерациональные соединения
Групповое паяное соединение, выполняемое
одновременно
Паяные соединения цилиндрических деталей
а – е – трубы; ж – и – заглушки, фланцы и днища; к
– патрубки; л, м – сильфоны с фланцами
Часто приходится соединять металл со стеклом или
керамикой. Герметичный спай образуется только в том случае,
когда на поверхности металла имеется слой оксида. Оксиды
металлов, как и стекло, имеют ионную структуру и, хорошо
растворяясь в стекле, образуют вакуумно-плотное соединение.
Спаи
стекла
с
металлом
могут
быть
трех
видов:
согласованные, несогласованные и с металлическим припоем.
В согласованных спаях стекло и металл имеют близкие
температурные коэффициенты линейного расширения во
всем диапазоне рабочих температур.
Для технического стекла = (3 – 10)10-6 град-1.
Для металлов и сплавов = 4,410-6 град-1 (для вольфрама) …
17,8 10-6 град-1 (для меди).
При этом напряжения, возникающие в согласованных спаях
при охлаждении от температуры размягчения стекла до
комнатной температуры, меньше предела прочности стекла.
Согласованные спаи металла со стеклом
а – в – трубчатые; г – е – дисковые;
ж, и – смотровые окна
В
несогласованных
спаях
температурные
коэффициенты линейного расширения стекла и металла
значительно различаются.
В
этом
случае
опасные
напряжения
в
стекле
предотвращают следующими способами:
• Применением конструкций с гибким элементом;
• Использованием металлических элементов малого диаметра;
• Использованием металла с малым пределом текучести;
•
Применением
конструкций,
в
которых
повышенная прочность стекла на сжатие.
используется
Несогласованные спаи металла со стеклом
а – в – трубчатые; г – е – смотровые окна
В спаях с металлическим припоем на поверхность стекла
наносится слой серебра, к которому после облуживания
припаивается медная втулка. В таком спае в зазор между
медной втулкой и стеклянной трубкой залит легкоплавкий
припой,
хорошо
смачивающий
металл
и
компенсирующий их температурные деформации.
стекло
и
Спаи металла с керамикой
Спаи керамики с металлами имеют более высокую
термостойкость. Их изготавливают с применением активных
припоев,
образующих
в
процессе
плавления
химические
соединения с керамикой.
В этом случае по аналогии спаев стекла с металлами опасные
напряжения
в
керамике
предотвращают
следующими
способами:
•Применением
конструкций
с
гибкими
элементами
и
согласованными спаями;
•Использованием металлических элементов малого диаметра.
Спаи металла с керамикой
1 – металлический стержень; 2 – керамическое кольцо; 3 –
металлический стакан (ковар, никель); 4 – втулка (ковар, никель); 5 –
кольцо (никель); 6 - припой
Сверхвысоковакуумный силовой токоввод (Тпрогр 450°С)
монтируется на ССВ фланце
Pатм
P`
1 - стенка вакуумной камеры из стали 1Х18Н10Т прогретая
(Dу16÷Dу40); 2,4 - ковар FeNiCo; 3 – керамика вакуумноплотная
qг~qг нерж.ст.; 5 – токоввод, сталь 1Х18Н10Т
Сварные соединения металлических конструкций
Для герметичного соединения деталей в вакуумной
технике применяются следующие виды сварки:
•
Газовая ацетиленовая;
•
Электродуговая;
•
Газодуговая сварка в защитной среде;
•
Холодная сварка методом пластической деформации;
•
Диффузионная сварка в вакууме и сварка трением;
•
Электронно-лучевая.
Газовая ацетиленовая и электродуговая виды сварки
применяются для соединений деталей с толщиной стенки более
2мм для НВ и СВ систем. Для ВВ и СВВ систем они не
рекомендуются из-за недостаточной герметичности.
Газодуговая сварка в защитной среде применяется для всех
типов вакуумных систем. Нержавеющая сталь, медь, алюминий
свариваются в среде аргона или гелия (например, аргонодуговая
сварка).
Холодная сварка методом пластической деформации
применяется для соединения небольших деталей из пластичных
материалов (медь, алюминий). Требует сложного прессового
оборудования.
Диффузионную сварку в вакууме и сварку трением
применяют для соединения разнородных материалов: меди и
керамики и т.д.
Электронно-лучевая сварка применяется при давлении не
более 10-3 Па для соединения химически активных и
тугоплавких материалов, ответственных узлов из стали, меди и
алюминиевых сплавов.
Ко
всем
видам
сварки
предъявляются
специальные
требования:
1. Для получения герметичных соединений сварку необходимо
вести с постоянной скоростью; перерывы и «подварки» часто
являются местом появления микротрещин, создающих течи.
2. Сварку желательно вести со стороны, обращенной в вакуум
для уменьшения числа щелей, карманов и неровностей тыльной
стороны шва.
3.
После
сварки
швы
обязательно
герметичность с помощью течеискателей.
проверяются
на
Угловые сварные соединения
а – без отбортовки; б – с отбортовкой; в – соединение деталей разной
толщины
Сварное соединение фланца с обечайкой
а – с подкладкой; б – без подкладки; в – с проточкой
Сварка сильфонов
Сильфоны из нержавеющей стали имеют толщину стенки
от 0,05 мм до 0,25 мм. Охранные кольца обеспечивают
одинаковую толщину свариваемых деталей.
а) – с трубой: 1 – труба; 2 – охранное кольцо; 3 – сильфон;
б) – с фланцем: 1 – фланец; 2 – охранное кольцо; 3 – сильфон;
в) – с валом: 1 – вал; 2 – охранное кольцо; 3 – сильфон
Примеры сварных соединений
а) стыковое без отбортовки для плоских деталей; б) стыковое без отбортовки для
цилиндрических деталей; в – г) стыковые с отбортовкой для плоских деталей; д –
ж) стыковые с отбортовкой для цилиндрических деталей; з, к) угловые с
отбортовкой для цилиндрических деталей; и) угловое без отбортовки для плоских
деталей; л) соединение фланца с тонкостенной оболочкой; м) соединение днища с
тонкостенной оболочкой
Лекция 14
Электрические вакуумные вводы
Для подвода электрической энергии к устройствам внутри
вакуумного объема используют герметичные электрические
вводы, изолированные от корпуса вакуумной камеры.
В зависимости от напряжения, силы тока, частоты,
допустимой температуры электрические вводы могут быть
разделены на основные группы:
• Низковольтные (до 250 В) низкочастотные (слаботочные
и сильноточные);
• Высоковольтные (более 250 В) низкочастотные;
• Высокочастотные (более 1500 Гц).
Вводы каждой группы могут быть разборными и
неразборными, прогреваемыми и непрогреваемыми.
Площадь поперечного сечения электрического ввода
выбирается такой, чтобы плотность тока не превышала:
Для меди – (3 … 5) 106А / м2;
Для углеродистой стали – 7 105А / м2;
Для алюминия – 2 106А / м2;
Для никеля – 8 105А / м2;
Для молибдена – 1,5 106А / м2;
Для нержавеющей стали 12Х18Н10Т – 1 105А / м2.
Низковольтные вакуумные вводы (до 250 В) делятся на
сильноточные и слаботочные. Сильноточные вводы для тока
более 100 А должны иметь водяное охлаждение.
Сильноточный ввод
с водяным охлаждением
Слаботочный ввод
Сверхвысоковакуумный прогреваемый токоввод (Тпрогр 450°С)
монтируется на ССВ фланце
Pатм
P`
1 - стенка вакуумной камеры из стали 1Х18Н10Т (Dу16÷Dу40);
2,4 - ковар FeNiCo; 3 – керамика вакуумноплотная qг~ qг нерж.ст.; 5
– токоввод, сталь 1Х18Н10Т
Термопарные вводы
а) Высоковакуумный термопарный ввод (Т прогр 100°С, Р`=105 … 10-5Па)
монтируется на стенке вакуумной камеры
Pатм
P`
1 – корпус ввода (с отверстием); 2 – уплотнение (прокладка кольцевая); 3 –
стенка вакуумной камеры сталь 1Х18Н10Т; 4 – изоляторы; 5 – гайка
уплотнительная; 6 – пробка уплотнитель; 7 – поршень; 8 – нажимная гайка; 9
– нить термопары
б) Сверхвысоковакуумный термопарный ввод
(Тпрогр 450°С, Р`=105 … 10-10 Па)
монтируется на стенке СВВ камеры
Pатм
P`
1 – стенка вакуумной
камеры
сталь
1Х18Н10Т;
2
–
коваровый
переход
(фланец Dу40);
3
–
керамика
вакуумноплотная;
4 – коваровый колпачок
(переход);
5
–
трубка
(Ag)
токоввод;
6 – нити термопары
–
Высоковольтный вакуумный ввод
(для напряжений более 250 В)
1 – металлический стержень; 2 - гнездо; 3 – уплотнитель из
фторопласта
Высокочастотный вакуумный ввод
(для частоты более 1500 Гц)
1 – индуктор (водоохлаждаемый); 2 – фланец;
3 – втулка из ковара; 4 – керамическая шайба (изолятор)
Смотровые окна
а) Высоковакуумное смотровое окно (Р>10-5 Па; Тпрогр 100°С)
1 – нажимной фланец;
2 – нажимная прокладка (резина,
картон, кожа);
3 – уплотнение;
4 – защитное стекло (тонкое)
5 – стекло вакуумноплотное.
Толщина
стеклянного
диска
выбирается в диапазоне h = (0,1 …
0,2) D
б) Сверхвысоковакуумное смотровое окно
(Р 10-5Па; Тпрогр 450°С)
монтируется на фланце
Pатм
P`
1 – стекло, впаянное на ковар;
2 – коваровый переходник (для
согласования к.т.р. спая);
3 – стенка (фланец Dу40-100);
4,6 – стопорные кольца;
5 – защитное стекло
в) Высоковакуумное смотровое окно с протиром
(Р>10-5 Па; Тпрогр 100°С)
1 – протир; 2 – шток; 3 – уплотнение; 4 - стекло
г) Высоковакуумное смотровое окно с поворотным диском
(Р>10-5 Па; Тпрогр 100°С)
1, 4 – сменные стекла; 2 – корпус; 3 – поворотный диск; 5 –
ручка; 6 – смотровое стекло
Коммутационная аппаратура
К коммутационной вакуумной аппаратуре относятся
краны, затворы, клапаны, натекатели и др.
Основные требования
1. Высокая герметичность.
2. Максимальная проводимость в открытом положении
(для СВВ аппаратуры, работающей при молекулярном режиме
течения газа предпочтительнее прямоточные конструкции).
3. Минимальное газовыделение. Допускается применение
только уплотнителей и смазок с малым давлением
насыщенных паров.
4. Плавная регулировка газового потока в натекателях.
5. СВВ элементы должны допускать возможность
многократного прогрева до Т = 600…1000 К.
6. Число циклов срабатывания не менее 25000 (для
непрогреваемых уплотнителей).
Коммутационная аппаратура для непрогреваемых
вакуумных систем
Непрогреваемая
коммутационная
вакуумная
аппаратура предназначена для работы при давлении
большем 510-5 Па.
В качестве уплотнительных элементов в такой аппаратуре
часто используется вакуумную маслостойкую резину марки
9024.
Стеклянный пробковый кран
Кран с винтовым приводом
Вакуумный кран с ручным винтовым приводом
Кран с дифференциальной резьбой
Кран с эксцентриковым
приводом
Клапан с пневматическим или
гидравлическим приводом
Клапан с электромагнитным
приводом
Клапан с электромеханическим приводом
Коммутационная аппаратура для прогреваемых
вакуумных систем
Прогреваемая коммутационная вакуумная аппаратура
предназначена для работы при давлении меньшем 510-5 Па.
Обезгаживание проводится при температурах 500… 900 К.
При прогреве не должно происходить заклинивания
клапанов и нарушения герметичности. Уплотняющие
элементы должны выдерживать многократные прогревы и
охлаждения и обеспечивать большое число циклов (более
1000).
В качестве материалов уплотнительных элементов в такой
аппаратуре
используются
медь,
алюминий,
индий.
Уплотнение клапанов происходит за счет пластической
деформации металла.
Иногда для уплотнения используют легкоплавкие
металлы (сплавы индия), которые расплавляются и
затвердевают при открытии и закрытии клапана.
Конусное уплотнение с
индиевым кольцом
Уплотнение с расплавляемым
металлом (галлий, индий, олово,
свинец)
Конусные уплотнения с
медной тарелью
Плоское уплотнение с
медной тарелью
Конусное уплотнение
с медным кольцом
Цельнометаллический клапан с ручным приводом
Цельнометаллический клапан с электромеханическим
приводом
Устройства для напуска газа
в вакуумные системы (натекатели)
Для создания дозированного потока газа в вакуумный
объем используются натекатели.
Существуют различные типы натекателей: игольчатые,
диффузионные, термодиффузионные и др.
В диффузионных натекателях применяют пористые
материалы (керамику, металлокерамику, стекла). Наиболее
распространен гелиевый диффузионный натекатель для
калибровки
гелиевых
масс-спектрометрических
течеискателей.
Работа термодиффузионных натекателей основана на
увеличении диффузии газа (водорода) через материалы
(палладий, никель, железо, платина) при нагреве до 750 К и
выше.
Для напуска кислорода используют серебряную
трубку, нагреваемую до высокой температуры.
Диффузионный
натекатель
Термодиффузионный
натекатель
Игольчатый натекатель
В игольчатых натекателях поток газа в диапазоне
110-8… 110-3 м3 Па /с регулируется перемещением
тонкой стальной иглы в отверстии медного седла.
Общий вид игольчатого натекателя
Быстродействующий натекатель с электромагнитным
приводом
Длительность
импульсов
срабатывания 50 … 100 мс
Автоматизированные устройства
для напуска газа
Регуляторы
расхода
газа
РРГ-10
и
РРГ-12
взаимозаменяемы с импортными аналогами компаний MKS,
Brooks, Bronkhorst
и другими по габаритным,
присоединительным, электрическим и основным техническим
характеристикам.
Регулятор
РРГ-12
оснащен
микропроцессорной схемой измерения и регулирования
расхода газа и имеет цифровой и аналоговый выходы.
Регуляторы расхода обеспечивают измерение и
регулирование массового расхода газа с погрешностью до
0,5 % от верхнего предела измерений в единицах: см3/мин
или л/мин при стандартных условиях (температуре 00С и
давлении 1 атм.).
Внешний вид регуляторов расхода газа РРГ-10 (а) и
РРГ-12 (б)
а)
б)
Регулятор расхода газа компании Sierra Instruments, Inc.
Схема регулятора расхода газа (а) и
электромагнитного натекателя (б)
1,4 – входной и выходной штуцеры; 2 – устройство дросселирования
потока газа; 3 – электромагнитный натекатель; 5 – седло; 6 – клапан; 7
– упругая мембрана; 8 – якорь; 9 – э-м. катушка
Внешний вид цифрового дросселирующего клапана
компании MKS Instruments Inc.
Для
повышения
возможностей
управления газовыми потоками можно
использовать
дросселирующий
MKS
цифровой
клапан
Instruments
монтируется
Inc.
на
компании
Клапан
патрубке
высоковакуумной откачки и позволяет
дросселировать
поток
газа,
выходящего из вакуумной камеры. Он
выполнен в виде блока, в котором
объединены привод заслонки и система
управления.
Регулятор давления газа
Рабочее давление газа: на входе – 0 … 16 МПа; на выходе – 0 … 0,4 МПа
Система регулирования расхода газа (от 4 до 8 каналов)
Скорость откачки постоянна, регулирование расхода газа
происходит за счет изменения потоков напускаемых газов
Система регулирования давления газа на выходе (от 4 до 8
каналов)
Потоки напускаемых газов постоянны, регулирование давления
газа происходит за счет изменения скорости откачки при
помощи дросселирующего (мотылькового) клапана
Система регулирования давления газа на входе (от 4 до 8
каналов)
Скорость откачки постоянна, регулирование давления газа
происходит за счет изменения потоков напускаемых газов
Совместное использование системы напуска газа и
дросселирующего клапана в установке рентгенолитографии
