金鹵燈電極電解氧化實(shí)驗(yàn)研究

嚴(yán)劍剛, 羅 俊

(1. 上海第二工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心,上海201209;2. 上海亞爾光源有限公司,上海201801)

0 引言

在電光源產(chǎn)品的生產(chǎn)中, 需將零部件真空氣密地連接起來(lái), 構(gòu)成一個(gè)完整的真空器件[1]。為使電能輸入到燈內(nèi),首先要解決的問(wèn)題就是玻璃和金屬之間的氣密封接問(wèn)題。金鹵燈電極組件與石英玻璃的封接技術(shù)種類(lèi)較多,目前主要有: (1)加熱直接封接, 工藝簡(jiǎn)單, 缺點(diǎn)是封接處抗機(jī)械振動(dòng)的能力差,影響燈的壽命; (2)金屬焊料或玻璃焊料封接,工藝復(fù)雜, 成本較高; (3) 鉬箔封接, 雖然該方法較成熟,但當(dāng)溫度上升至350 ℃時(shí),進(jìn)入空隙內(nèi)的空氣易使鉬箔體積膨脹產(chǎn)生裂紋,導(dǎo)致燈損壞;(4)機(jī)械封接,將金鹵燈電極芯棒一端磨成平面后進(jìn)行封接,工序多,成本高[2]。玻璃和金屬是兩種性質(zhì)相異的材料,因此必須要解決玻璃和金屬的潤(rùn)濕性問(wèn)題,提高封接質(zhì)量。

熔融玻璃對(duì)金屬的潤(rùn)濕性好壞以潤(rùn)濕角θ的大小表示(見(jiàn)圖1)[3]。θ大表明潤(rùn)濕狀態(tài)差,玻璃與金屬的結(jié)合力差;θ小表明兩者的結(jié)合力強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)表明, 潤(rùn)濕角與金屬表面氧化物的性質(zhì)有關(guān)。金屬低價(jià)氧化物由于離子半徑增大,與周?chē)难蹼x子間造成較大的空隙,金屬離子與玻璃中的負(fù)氧離子獲得最大的結(jié)合力; 并且氧化物中的氧離子和玻璃中的氧離子排斥力減小,因此玻璃易于潤(rùn)濕具有低價(jià)金屬氧化物的金屬表面[4]。

圖1 熔融玻璃在金屬表面的濕潤(rùn)角Fig.1 Wetting angle of molten glass on metal surface

為了獲得氣密地封接,一定要在金屬表面形成一定厚度的低價(jià)氧化物[5]。因此,在封接前,把金鹵燈電極表面氧化成低價(jià)的金屬氧化物,來(lái)提高封接質(zhì)量。

電解是將電流通過(guò)電解質(zhì)溶液,在陰極和陽(yáng)極上引起氧化還原反應(yīng)的過(guò)程[6]。實(shí)驗(yàn)以金鹵燈電極70/100 W 為研究對(duì)象, 該產(chǎn)品小, 與石英玻璃的封接氣密性差。因此, 實(shí)驗(yàn)通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)以及數(shù)據(jù)分析,研究電解液鹽酸含量、電解電壓、電解電流、電解反應(yīng)時(shí)間4 種實(shí)驗(yàn)參數(shù)及其交互作用對(duì)氧化層質(zhì)量的影響,提高封接質(zhì)量,為今后的實(shí)驗(yàn)和實(shí)際加工提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)條件

金屬表面的氧化物可看作是金屬與玻璃的黏結(jié)劑[7]。鎢與玻璃良好封接時(shí), 封接界面處的顏色呈金黃色至棕褐色,這就是鎢的氧化物溶解于玻璃中生成的鎢酸鈉的顏色。

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及產(chǎn)品

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用LW3J2D2 直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源(見(jiàn)圖2), 該電源采用先進(jìn)的“懸浮迭加式”技術(shù), 線路由變壓器降壓整流濾波、大功率三極管調(diào)整及基準(zhǔn)取樣放大等組成[8]。雙路電源可獨(dú)立輸出,也可串聯(lián)或并聯(lián)使用,串聯(lián)時(shí)從路輸出電壓跟蹤主路輸出電壓,并聯(lián)時(shí)最大輸出電流可達(dá)到兩路獨(dú)立輸出電流之和。

圖2 直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源Fig.2 DC stabilized current power supply

實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品為金鹵燈電極70/100 W (見(jiàn)圖3), 該產(chǎn)品產(chǎn)量大、體積小,具有一定代表性。金鹵燈電極由釷鎢芯棒和鎢彈簧圈點(diǎn)焊組成。芯棒尾部至彈簧尾部間距離1/2 以上至3/4 以下是與玻璃封接位置,因此實(shí)驗(yàn)需要對(duì)此部位進(jìn)行電解氧化處理。

圖3 電極電解氧化要求Fig.3 Electrode electrolytic oxidation requirements

1.2 輔助檢測(cè)設(shè)備

電解氧化處理后用數(shù)碼顯微鏡,放大倍數(shù)可達(dá)1 000 倍,能清晰觀察氧化層表面質(zhì)量[9],并在封接后進(jìn)行漏氣檢測(cè)。

2 電解氧化實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

由于金鹵燈電極70/100 W 體積小,要在其芯棒端進(jìn)行精準(zhǔn)電解氧化處理。首先需要設(shè)計(jì)工裝夾具,同時(shí)控制好電解液液面水平度,才能保證金鹵燈電極電解氧化的尺寸要求(見(jiàn)圖3)。為此根據(jù)芯棒直徑及電極重心,設(shè)計(jì)加工電解鍍槽,可進(jìn)行批量電解氧化處理,并將電解槽置于水平架上,從而調(diào)節(jié)電解液液面水平度(見(jiàn)圖4)。

圖4 電解氧化裝置Fig.4 Electrolytic oxidation device

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

電解質(zhì)中的離子常處于無(wú)序的運(yùn)動(dòng)狀態(tài), 通直流電后,離子作定向運(yùn)動(dòng)。陽(yáng)離子向陰極移動(dòng),在陰極得到電子,被還原; 陰離子向陽(yáng)極移動(dòng),在陽(yáng)極失去電子,被氧化。水電解過(guò)程中,OH?在陽(yáng)極失去電子,被氧化成氧氣放出;H+在陰極得到電子,被還原成氫氣放出。W 與O2反應(yīng)生成黃色WO3。

影響電解氧化結(jié)果的因素多種多樣,包括電解液鹽酸含量、電壓、電流、電解反應(yīng)時(shí)間及其相互的交互作用。為了從較少的實(shí)驗(yàn)中得到盡可能多的信息,實(shí)驗(yàn)采用正交實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),同時(shí)為了減少交互作用所占的列數(shù)[10],選用正交表L9(34),考察因素水平,如表1 所示。

表1 水平取值表Tab.1 Horizontal table

電解氧化處理后將金鹵燈電極移入烘焙盆, 再用去離子水浸洗,取出后用酒精脫水并烘干。觀察電解氧化處理后電極芯棒表面氧化層質(zhì)量,WO3為黃色氧化物,WO2為褐色氧化物,W2O5為藍(lán)色氧化物。通過(guò)氧化物顏色判定電解氧化處理是否符合實(shí)驗(yàn)要求。

實(shí)驗(yàn)以每組N= 100 為樣本量, 采用GB/T 2828.1 抽樣檢驗(yàn), 規(guī)定AQL = 1.0%, 檢驗(yàn)水平為II。檢索出一次正常抽樣方案為:n=20,Ac=0,Re=1(n為抽樣數(shù);Ac 為合格判定數(shù);Re 為不合格判定數(shù))。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將因素水平按照正交表的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則依次填入,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)電解氧化處理后氧化層顏色進(jìn)行檢驗(yàn), 并與石英玻璃封接后進(jìn)行漏氣檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示,表中A為電解液鹽酸含量,%;B為電壓,V;C為電流,A;D為電解反應(yīng)時(shí)間,s。匯總?cè)鐖D5,6 所示。

圖5 試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Testing result

表2 正交實(shí)驗(yàn)極差分析表Tab.2 Orthogonal test analysis table

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較得出第7 組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果最佳。直觀判斷A3B1C3D2(電解液鹽酸含量0.3%、電壓20 V、電流0.2 A、電解反應(yīng)時(shí)間25～30 s)是實(shí)驗(yàn)中最優(yōu)的組合。但實(shí)際上最優(yōu)組合可能在正交實(shí)驗(yàn)的9 組實(shí)驗(yàn)中,也有可能不在其中。因?yàn)橐粋€(gè)四因素三水平的實(shí)驗(yàn)總共有34即81 種組合實(shí)驗(yàn)方案[11]。

因此應(yīng)運(yùn)用極差計(jì)算單獨(dú)考慮每個(gè)因素,通過(guò)圖5 所示的實(shí)驗(yàn)合格率和圖6 各因素的極差值大小,可以得出在實(shí)驗(yàn)中因素B和D是影響實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的關(guān)鍵因素,其水平變化時(shí)會(huì)明顯影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)分析表找到最優(yōu)水平組合A3B1C3D2, 恰是實(shí)驗(yàn)中的最優(yōu)組合。并將產(chǎn)品與玻璃進(jìn)行封接實(shí)驗(yàn), 抽檢沒(méi)有發(fā)生漏氣現(xiàn)象(見(jiàn)圖7)。

圖6 因素影響Fig.6 Factor influence

圖7 封接漏氣檢測(cè)Fig.7 Sealing leak detection

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將實(shí)驗(yàn)組合A3B1C3D2進(jìn)行批量電解氧化處理,產(chǎn)品在數(shù)碼顯微鏡下檢驗(yàn),通過(guò)觀察電解氧化表面顏色,就能初步判斷氧化物的化學(xué)價(jià)是否符合低價(jià)氧化物要求。如圖8 所示,黃色氧化物為WO3,藍(lán)褐色氧化物為WO2和W2O5。根據(jù)幾組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到,當(dāng)氧化物顏色偏淺時(shí)可適當(dāng)增加反應(yīng)時(shí)間,加大電壓;當(dāng)氧化物顏色偏深時(shí),可減少反應(yīng)時(shí)間或降低電壓。

圖8 電解氧化后氧化物顏色Fig.8 Oxide color after electrolytic oxidation

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)金鹵燈電極進(jìn)行電解氧化處理實(shí)驗(yàn), 得出以下結(jié)論:(1)各因素對(duì)電極芯棒表面氧化物質(zhì)量的影響大小依次為電壓、電解反應(yīng)時(shí)間、電解液鹽酸含量和電流大小,并得到實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)組合(電解液鹽酸含量0.3%、電壓20 V、電流0.2 A、電解反應(yīng)時(shí)間25～30 s);(2)通過(guò)電解氧化的方法在金鹵燈電極表面氧化成低價(jià)的金屬氧化物,能與玻璃形成牢固的氣密封接,很好解決了兩種相異材料的永久封接。并在實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用了專(zhuān)用鍍槽,大大提高了電解處理的效率,產(chǎn)品質(zhì)量更可靠;(3)此實(shí)驗(yàn)為電光源中其他材料間的封接加工提供了指導(dǎo)。