Использование вакуума в современных технологиях

     2.3 Вакуумная сварка

       Сварку и пайку объединяет то, что для обоих процессов необходимо расплавление либо соединяемых материалов, либо третьего материала — припоя. А нельзя ли при сварке плавить только один из соединяемых материалов? Конечно, можно.  Иногда этот процесс называют «сварка оплавлением», и  технологически он больше похож на сварку, а физически — это пайка одного металла расплавленным другим. Практически так соединяют металлы, один из которых существенно более  тугоплавок, чем другой, например молибден и медь, вольфрам и молибден. Если попробовать их сваривать, «как обычно», то когда мы расплавим один, второму будет чуть тепло, а когда мы расплавим второй, первого уже не останется — он закипит и испарится. Но можно соединять материалы вообще без плавления. Если их плотно сжать и нагреть, то за счет диффузии молекулы одного проникнут в другой. Этот процесс называется диффузионной сваркой. Ее обычно производят в вакууме, чтобы соединяемые поверхности были чистыми, и диффузия  неминуемо соединяет очищенные, плотно сложенные, сдавленные и достаточно нагретые поверхности. Правда, в диффузионной зоне (зоне взаимного проникновения) могут образовываться непрочные соединения и шов рассыпется, но это может  произойти и при любой другой сварке. Диффузионная сварка, как и пайка, применяется в основном не при изготовлении вакуумной аппаратуры, а в производстве электровакуумных приборов. К категории неразъемных соединений относится большинство электровводов и окошек. В качестве диэлектрика в электровводах и окнах применяют многочисленные сорта стекла и керамики, ситаллы, кварц, иногда слюду и даже такие экзотические для вакуумной техники материалы, как кремний,  германий и сапфир (монокристаллическая окись алюминия). Кварц и сапфир хорошо пропускают инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, а кремний и германий — инфракрасное (про них говорят «прозрачный в инфракрасном диапазоне», «прозрачный в ультрафиолете»). Так что без этих материалов не обойтись, но если различные методы изготовления вакуумного спая стекло — металл разрабатываются с конца прошлого века, с первых ламп накаливания, то спаи кремния и германия со стеклом и сапфира с металлом и стеклом созданы относительно недавно.

     Проблема, возникающая при соединении различных  материалов между собой, — согласование термических расширений. Если одна деталь должна была бы при нагреве  расшириться на большую величину, чем другая, спаянная с ней, то в  первой при нагреве возникают  напряжения сжатия, во второй — растяжения. Действительно, деталь, которая должна была бы  расширяться меньше, не будет давать расширяться другой, т. е.  будет ее сжимать. В случаях, когда «согласованный спай» металла с диэлектриком сделать нельзя, стараются металлическую деталь сделать тонкой, чтобы она легко деформировалась и не давала  напряжениям в хрупком материале достигнуть опасных значений. Так соединяют стекло и медь (у меди тепловое расширение значительно больше, чем у стекла), кварц и металлы (у кварца тепловое расширение очень мало). Но такие спаи менее надежны, их стараются все же избегать, соединяя медь со стеклом через сплавы, хорошо согласующиеся со стеклом, кварц с металлами — через несколько переходных стекол с промежуточными значениями коэффициента теплового расширения. Чтобы сделать переход, надо последовательно спаять 4—6 стекол специально подобранных марок.

     Любая техническая задача имеет несколько  решений. Какое решение эффективнее? Для ответа на этот вопрос надо знать, что важнее — малая стоимость или быстрота  реализации? Хорошие технические параметры или малый «технический риск» (малая вероятность неудачи)? Никогда одно не может быть настолько важнее другого, чтобы это другое игнорировать совсем. Учитывать надо все — в этом и состоит мудрость. Ситуация выбора при оценке многих параметров имеется и при выборе способа соединения материалов. Например, один тип спая металла с керамикой надежнее, а другой имеет меньшие габариты. А тот, который и мал, и надежен, требует для изготовления дефицитных материалов. И так далее... К неразъемным соединениям сводится заметная часть вакуумного «конструктора». Остальное — это разъемные  соединения и «вводы движения». К разъемным соединениям  относится коммутационная аппаратура — все, редназначенное для открытия и закрытия трубопроводов: краны, вентили, затворы. К ним также относятся предназначенные для проникновения внутрь вакуумных систем шлюзы (промежуточные камеры, которые можно откачивать) и люки.

     А что такое «ввод движения»? Очень  часто надо, чтобы в вакууме что-то перемещалось, причем чтобы этим  перемещением мы могли точно управлять. Иногда надо перемещать с микрометрической точностью! Проще всего сделать в стенке вакуумного объема отверстие, пропустить через него  металлический вал, а место прохода вала через отверстие уплотнить резиновой прокладкой. Действительно, выводят же из  подводных лодок валы гребных винтов! Правда, в вакуумной технике требования к герметичности выше и такие уплотнения применяются редко, обычно в том случае, если нужен не очень высокий вакуум.

     Другой  способ передачи движения в вакуум — через гибкую стенку. Если стенка достаточно тонкая, то, нажимая на нее  с одной стороны, легко вызвать  ее деформацию и движение предмета, прижатого к ней с другой стороны. Разновидностью гибкой стенки являются так называемые сильфоны (рис. 15), похожие на гофрированный шланг — только металлический и, естественно, тонкостенный. Впрочем, когда-то применялись и стеклянные сильфоны. Они допускали меньшие перемещения, чем металлические. Еще способ передачи движения через стенку — посредством магнитного поля. Ротор электродвигателя располагают одной стороны стенки, а статор — с другой (рис. 16, а). А можно воспользоваться и постоянными магнитами (рис. 16, б). От такой передачи один шаг до помещения в вакуум электродвигателя целиком. И такие двигатели существуют, но статор а точнее, его обмотку, поместить в вакуум много сложнее, чем ротор, на котором обмотки может и не быть, и без нужды такие двигатели не применяют. Дело в том, что газовыделение изоляции обычных проводов обильно и длительно. Впрочем, существуют провода в стеклянной изоляции — тонкое стекло гибко. Любую техническую задачу можно решить многим способами.  

     Вернемся  к разъемным соединениям. К ним  сводится вся остальная вакуумная  арматура, а основа их — мягкая прокладка между двумя твердыми деталями (рис. 17). Если твердые детали так сжимают мягкую прокладку, что между ними нигде не остается ни щелки, мы имеем вакуумное уплотнение. Прокладка может быть упругой, например резиновой (для непрогреваемых вакуумных систем), или неупругой, из мягких металлов, таких, как индий, или более твердых — например алюминия и меди. Прокладки из металлов можно прогревать вместе с установкой, но так, чтобы они не расплавились. Впрочем, при малой толщине расплавленный металл не вытечет, ибо его удержит поверхностное натяжение. Расплавленный индий растворяет сталь (между стальными фланцами можно зажать тонкий слой индия или  медную проволоку, покрытую тонким слоем индия). Постоянно ведутся поиски термостойких пластмасс с малым газовыделением; применяют, например, фторопласт (тефлон), допускаю- допускающий прогрев до 200 °С, есть и более термостойкие полимеры (нитон). 

     Различных видов разъемных соединений существует великое множество, люки и краны бывают диаметром от сантиметра до метров, управляют ими и вручную, и моторами, бывают они прогреваемые, непрогреваемые и даже охлаждаемые (чтобы не перегреть резину при общем обезгаживании  установки прогревом), но основной принцип их работы таков: мягкое между твердым. И главный вопрос — насколько мягкое.

     Чем выше вакуум, который надо получить, тем, как правило, сильнее надо прогревать установку, тем более тугоплавким  должен быть материал прокладки, но тем  он оказывается и тверже, и для  его деформации нужны большие  давления. А чтобы усилия при уплотнении не были слишком велики (удобство эксплуатации), надо деформировать прокладку чем- то острым (ведь и шьют иглой, а не гвоздем). Поэтому уплотнения имеют обычно острые кромки и зубья, врезающиеся в прокладки (рис. 18), а для изготовления таких уплотнений нужна высокая точность обработки.

     Заключение

     Интерес к окружающему миру живуч, и даже те, кто 

     занимается  вакуумом и только вакуумом, иногда с гордостью 

     окидывают взглядом технику и науку «в целом». Где только

     не  применяется вакуум! Везде. Ко всем областям техники он

     предъявляет свои требования — требования новых  материалов,

     новых конструкций, новых приборов и всем он дает: дает

     возможность вести новые процессы, получать новые  мате-

     материалы и приборы. Вакуум дал людям почти все, что известно

     об  элементарных частицах и почти все, что известно

     о поверхности твердого тела. И даст, наверное, еще много 

     нужного и интересного. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Список  литературы

1. Физическая энциклопедия, т.5. Стробоскопические приборы — Яркость/ Гл. ред. А. М. Прохоров. Ред.кол.:А. М. Балдин,А. М. Бонч-Бруевич и др. — М.:Большая Российская Энциклопедия,1994, 1998.-760 с.:ил. ISBN 5-85270-101-7 , стр.644
2. Вакуум для науки и техники.—М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987.—128 с—(Б-чка «Квант». Вып. 58.)
3. Карасев Н.Н. Вакуум в современных технологиях. М.: Наука, 2000
4. Стеркин А.Н., Демин Р.К. Вакуумная техника и ее использование. М.: Машиностроение, 2001
5. Зубков Б.В., Чумаков С.В. Энциклопедический словарь юного техника. М.: Педагогика, 1980