DE102005003892A1 - Seal quality testing method for e.g. metal halide lamp, involves inserting mandrel between two supports, and applying pressure on mandrel by supports, where pressure is increased until arise of cracking - Google Patents

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Abstract

The method involves inserting a mandrel (2) between two supports, and applying a pressure on the mandrel by the supports. The pressure is increased until the arise of a cracking. The mandrel is equipped with an electrode (3) and soldered with the electrode. The lower support is used with a large distance from two rollers, and the upper support is used with small distance from the rollers.

Description

Technisches Gebiettechnical area

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Testen eine Abdichtung bei Hochdruckentladungslampen mit keramischem Entladungsgefäß.The The invention is based on a method for testing a seal in high-pressure discharge lamps with ceramic discharge vessel.

Im einzelnen handelt es sich insbesondere um die Entwicklung eines mechanischen Qualitätstests für keramische Entladungsgefäße für Metallhalogenidlampen. Dabei werden speziell die keramischen hinsichtlich ihrer mechanischen Stabilität (Resistenz gegen Rissbildung) unter den beim Einlöten der Elektroden herrschenden Belastungsbedingungen bewertet und entsprechende kritische Belastungsgrößen bestimmt.in the particular is the development of a particular mechanical quality tests for ceramic Discharge vessels for metal halide lamps. In this case, especially the ceramic in terms of their mechanical stability (Resistance to cracking) under the soldering of Electrode-ruling load conditions evaluated and appropriate determined critical load sizes.

In modernen Metallhalogenid-Hochdrucklampen wird Keramik als transluzentes und hitzebeständiges Material für das Entladungsgefäß verwendet. Damit lassen sich einige Vorteile gegenüber den bisher verwendeten Entladungsgefäß aus Quarzglas erzielen. So kann z.B. die Temperatur im Betrieb erhöht und somit das Spektrum dem des Tageslichts besser angepasst werden. Keramische Metallhalogenidlampen haben eine geringe Farbstreuung, weil es bei der Herstellung der Keramikgefäße praktisch keine Toleranzen in der Geometrie gibt. Zudem behalten sie ihre Farbtemperatur über die gesamte Nutzlebensdauer in etwa bei, weil aus dem dichten Keramikgefäß keine Füllstoffe entweichen können.In Modern metal halide high-pressure lamps will turn ceramic as translucent and heat resistant Material for the discharge vessel used. This can be some advantages over the previously used Achieve discharge vessel made of quartz glass. Thus, e.g. the temperature increases during operation and thus the spectrum the be better adapted to the daylight. Ceramic metal halide lamps have a low color dispersion, because it is in the production of Ceramic vessels practically no There are tolerances in the geometry. In addition, they retain their color temperature over the Total useful life at about, because of the dense ceramic vessel no fillers can escape.

Die Verwendung keramischer Materialien (z.B. PCA) bewirkt aber neben den genannten Vorteilen auch die Gefahr des Lecks durch Verspröden. Ursache ist Rissbildung unter Zugbelastung. Dies ist besonders an erhöhten Ausfallraten beim "Einlöten" der Elektroden in die Stopfen, also die Qualität der Einschmelzung, bemerkbar. Eine Lampe mit Lot ist beispielsweise aus der WO 96/28839 bekannt. Dabei kommt es aufgrund der thermischen Fehlanpassung zwischen Entladungsgefäß- und Elektrodenmaterial beim Einlöten des Elektrodenpaares in die röhrenförmigen des Entladungsgefäßes (siehe 1) während der Abkühlphase nach dem Abschalten der Lampe zur Bildung von Eigenspannungen. Die Wolfram-Elektroden werden bei ca. 1500 bis 1600°C in die Stopfen des Entladungsgefäßes (meist weit überwiegend aus PCA) eingelötet. Verflüssigtes Glaslot oder Schmelzkeramik füllt bei dieser Temperatur den Zwischenraum und stellt unterhalb der Erstarrungstemperatur eine feste Verbindung zwischen Elektrodensystem und Stopfen her (Einlötvorgang). Im Fall der Metallhalogenidlampen ist der Ausdehnungskoeffizient des Entladungsgefäßes (PCA) größer als der der zu testenden Komponenten des Elektrodensystems, das normalerweise die Komponenten Niob, Wolfram, Molybdän und/oder metallisches Cermet beinhaltet. Der Stopfen schrumpft also beim Abkühlen auf das Elektrodensystem auf und ist deshalb nach dem Einlötvorgang insbesondere an der Grenzfläche zur Elektrode durch in Umfangsrichtung orientierte Zugspannungen belastet. Diese Zugspannungen können schließlich zur Bildung von Axialrissen und damit zum Versagen der Stopfen führen. Die Gefahr der Rissbildung beim Einlötprozess und damit auch die Ausbeute der Lampenfertigung hängen somit von der Bruchzähigkeit des Entladungsgefäßmaterials und der Qualität der inneren Oberfläche der Stopfen ab (Defektgrößenverteilung). Bisher existiert keine praxistaugliche Methode, um die mechanische Beständigkeit der keramischen Entladungsgefäß-Stopfen gegen Rissbildung unter Wirkung der Löteigenspannungen zu bewerten.The use of ceramic materials (eg PCA) causes in addition to the advantages mentioned also the risk of leaks due to embrittlement. Cause is cracking under tensile load. This is particularly noticeable in the case of increased failure rates when "soldering" the electrodes into the plugs, ie the quality of the meltdown. A lamp with solder is known, for example, from WO 96/28839. Due to the thermal mismatch between discharge vessel and electrode material during soldering of the electrode pair in the tubular of the discharge vessel (see 1 ) during the cooling phase after switching off the lamp to form residual stresses. The tungsten electrodes are soldered at about 1500 to 1600 ° C in the plugs of the discharge vessel (usually far predominantly from PCA). Liquefied glass solder or ceramic fills the gap at this temperature and establishes a firm connection between the electrode system and the plug below the solidification temperature (soldering process). In the case of the metal halide lamps, the expansion coefficient of the discharge vessel (PCA) is greater than that of the components of the electrode system to be tested, which normally includes the components niobium, tungsten, molybdenum and / or metallic cermet. The plug thus shrinks on cooling to the electrode system and is therefore charged after the soldering in particular at the interface to the electrode by circumferentially oriented tensile stresses. These tensile stresses can eventually lead to the formation of axial cracks and thus the failure of the plug. The risk of crack formation during the soldering process and thus also the yield of the lamp production thus depend on the fracture toughness of the discharge vessel material and the quality of the inner surface of the plug (defect size distribution). So far, there is no practicable method to evaluate the mechanical resistance of the ceramic discharge vessel plugs against cracking under the influence of the soldering residual stresses.

Darstellung der Erfindungpresentation the invention

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfachen Test bereitzustellen, der eine Aussage über die Qualität der Einschmelzung liefert.It It is an object of the present invention to provide a simple test of a statement about the quality the meltdown supplies.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.These The object is achieved by the characterizing features of claim 1 solved. Particularly advantageous embodiments can be found in the dependent claims.

Um die mechanische Beständigkeit der Stopfen gegen Rissbildung unter Wirkung der Löteigenspannungen zu bewerten, wird ein einfacher Bruchtest vorgeschlagen, der einen ähnlichen Belastungszustand und die gleiche Rissmode (Axialrisse) in den Stopfen hervorruft. Dabei werden die Stopfen quer zur Zylinderachse unter Druck belastet (siehe 2). Dafür werden zwei Lager verwendet, zwischen denen der Stopfen eingebracht ist. Als Lager eignen sich Platten oder Rollen. Bei dieser Belastungsart bilden sich an der Innenseite der Stopfen ähnlich wie beim Einlöten in Umfangsrichtung orientierte Zugspannungen, die schließlich zur Rissbildung führen können (siehe auch 3). Zum Test wird die Druckkraft bis zum Versagen der Stopfen erhöht. Der Versagensmechanismus entspricht dabei der beim Einlötvorgang beobachteten Rissmode. Es hat sich nämlich gezeigt, dass es sich in beiden Fällen um von der Innenseite beginnende Axialrisse handelt.In order to evaluate the mechanical resistance of the plugs against cracking under the effect of soldering residual stresses, a simple fracture test is proposed which causes a similar load condition and crack mode (axial cracks) in the plugs. The plugs are loaded transversely to the cylinder axis under pressure (see 2 ). For this purpose, two bearings are used, between which the plug is inserted. Suitable bearings are plates or rollers. In the case of this type of stress, tensile stresses oriented in the circumferential direction on the inside of the plugs are formed in a manner similar to that used in soldering, which can eventually lead to the formation of cracks (see also FIG 3 ). For testing, the compressive force is increased until plug failure. The failure mechanism corresponds to the crack mode observed during the soldering process. It has been shown that it is in both cases starting from the inside axial cracks.

Insbesondere können mehrere Rollen verwendet werden, vorteilhaft auf jeder Seite zwei. Besonders bevorzugt sind zwei Rollen mit großem Abstand auf der einen Seite und zwei Rollen mit geringem Abstand auf der andern Seite. Dabei wird die Kraft bevorzugt einseitig durch die zwei Rollen mit geringem Abstand ausgeübt.Especially can multiple roles are used, beneficial on each side two. Particularly preferred are two rollers with a large distance on one side and two rollers at a small distance on the other side. there the force is preferably on one side by the two rollers with low Distance exercised.

Als Ergebnis des Tests kann mit Hilfe einer numerischen Belastungsanalyse aus der Druckkraft beim Versagen eine kritische Zugspannung für die Rissbildung in den Stopfen bestimmt werden. Die Stopfen sind insbesondere als Kapillaren, integral mit dem Entladungsgefäß oder separat ausgeführt. Diese kritische Größe kann als praxistaugliches Maß für die mechanische Stabilität der Stopfen benutzt werden und eignet sich somit zum Vergleich der Qualität unterschiedlicher Chargen oder Hersteller der keramischen Entladungsgefäße. Die besondere Ähnlichkeit bzgl. Belastungszustand und Versagensverhalten bei Test und Einlötvorgang erhöht die Relevanz der Testergebnisse. Andererseits erfordert der mechanische Test relativ wenig Aufwand und liefert somit eine günstige Methode zur Qualitätsbewertung.When Result of the test can be done using a numerical load analysis From the compressive force at failure, a critical tensile stress for cracking be determined in the stopper. The plugs are in particular as Capillaries, integral with the discharge vessel or executed separately. These critical size can as a practicable measure for the mechanical stability The plug can be used and is therefore suitable for comparing the Quality different Batches or manufacturers of ceramic discharge vessels. The special resemblance regarding load condition and failure behavior during test and soldering process elevated the relevance of the test results. On the other hand, the mechanical requires Test relatively little effort and thus provides a cheap method for quality evaluation.

Der erfinderische Schritt liegt in der Entwicklung eines praxistauglichen mechanischen Testverfahrens zur Beurteilung der mechanischen Stabilität von keramischen Stopfen unter den Belastungsbedingungen beim Einlötprozess der Elektroden. Besonders hervorzuheben ist dabei die gezielte Ausnutzung der Ähnlichkeiten von mechanischem Test und Einlötvorgang in Bezug auf Belastungszustand und Versagensverhalten. Das betrifft insbesondere die in beiden Fällen auftretenden Umfangs-Zugspannungen an der Innenseite der Stopfen und die Bildung von Axialrissen.Of the inventive step lies in the development of a practicable mechanical test method for assessing the mechanical stability of ceramic Plug under the loading conditions during the soldering process the electrodes. Particularly noteworthy here is the targeted utilization the similarities of mechanical test and soldering process in terms of load condition and failure behavior. That concerns especially in both cases occurring circumferential tensile stresses on the inside of the plug and the formation of axial cracks.

Figurencharacters

Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:in the The following is the invention based on several embodiments be explained in more detail. It demonstrate:

1 eine Metallhalogenidlampe im Schnitt; 1 a metal halide lamp in section;

2 ein Verfahren, mit der eine definierte Drucklast auf den Stopfen ausgeübt werden kann; 2 a method by which a defined compressive load can be exerted on the plug;

3 eine detaillierte Erläuterung der Vorgänge im Stopfen. 3 a detailed explanation of the operations in the stopper.

4 eine detaillierte Erläuterung eines zweiten Ausführungsbeispiels für das Verfahren. 4 a detailed explanation of a second embodiment of the method.

Beschreibung der Zeichnungendescription the drawings

In 1 ist das Entladungsgefäß 1 einer Metallhalogenidlampe gezeigt. Es besteht aus polykristallinem Al2O3 (PCA). Die Stopfen 2 sind hier integral an das Entladungsgefäß als Kapillaren angesetzt, sie können jedoch selbstverständlich auch separate Teile sein. Die Durchführungen 3 (beispielsweise aus Niob/Molybdän sind mit den Elektroden 4 (beispielsweise aus Wolfram) verbunden und im Stopfen mit üblichem Glaslot (oder Schmelzkeramik) 5 eingelötet. Im Entladungsgefäß ist eine übliche Metallhalogenidfüllung eingebracht. In der Praxis zeigt sich, dass der bevorzugte Ausfallmechanismus beim Betrieb der Lampe Risse in axialer Richtung sind, die an der Innenseite des Stopfens beginnen. Dies trifft vor allem auf Kapillaren zu, also sehr langgestreckte dünne Stopfen mit großem Verhältnis Länge:Durchmesser. Die Risse wachsen nach außen durch die Kapillare und auch nach innen durch das Glaslot 5.In 1 is the discharge vessel 1 a metal halide lamp. It consists of polycrystalline Al 2 O 3 (PCA). The plugs 2 are here integrally attached to the discharge vessel as capillaries, but they can of course be separate parts. The bushings 3 (For example, niobium / molybdenum are with the electrodes 4 (for example made of tungsten) and in the plug with conventional glass solder (or ceramic) 5 soldered. In the discharge vessel, a conventional metal halide is introduced. In practice it turns out that the preferred failure mechanism in the operation of the lamp are cracks in the axial direction starting at the inside of the plug. This applies especially to capillaries, so very elongated thin plug with a large ratio length: diameter. The cracks grow outward through the capillary and also inward through the glass solder 5 ,

In 2 ist schematisch die Realisierung des Testverlaufs dargestellt. Das Verfahren (linke Hälfte) benützt zwei Platten 10, zwischen denen der Stopfen 2 eingefügt wird. Mittels Druckausübung (Pfeile in der rechten Hälfte)) wird die nötige Kraft zur Bildung von Rissen 11 im Stopfen bestimmt. Dabei kann bei einer systematischen Untersuchung ein einzelner oder abgetrennter Stopfen 2, mit oder ohne eingelötetes Elektrodensystem, mit einem Druckauflager aus zwei parallelen Platten 10 behandelt werden. Die beiden Platten 10 üben einen Druck (Pfeile) aus, der zu wachsender Belastung im Stopfen 2 führt und schließlich Risse 11 im Stopfen bildet. Die Elektrode und das Glaslot sind nicht extra dargestellt.In 2 is shown schematically the realization of the test process. The procedure (left half) uses two plates 10 between which the stopper 2 is inserted. By applying pressure (arrows in the right half)) becomes the necessary force to form cracks 11 determined in the stopper. In this case, in a systematic investigation, a single or separate plug 2 , with or without soldered electrode system, with a pressure support of two parallel plates 10 be treated. The two plates 10 exert a pressure (arrows), which increases the load in the stopper 2 leads and eventually cracks 11 forms in the stopper. The electrode and the glass solder are not shown separately.

In 3 sind die Spannungsverhältnisse im Querschnitt des Stopfens als Ergebnis einer Belastungsanalyse dargestellt. Der Test kann an den Stopfen 2 im Anlieferungszustand (unbestückt mit Elektrodensystem) oder einzeln nach Abtrennung eines integralen Stopfens vom Entladungsgefäß durchgeführt werden. Zur Auswertung des Tests muss die kritische Last, also der Kraftaufwand, zum Zeitpunkt des Versagens der Stopfen (Rissbildung 11) gemessen werden (einfache Kraftmessung) und die Geometrie der Stopfen bekannt sein: Außen- und Innendurchmesser und die mit Druck belastete Länge. Außerdem müssen die elastischen Eigenschaften des keramischen Materials des Entladungsgefäßes bekannt sein, insbesondere der Wert des Elastizitätsmoduls, der ein Maß für die Verformbarkeit ist, und die Poisson-Zahl. Die Analyse zeigt Zonen hohen Drucks in der Nähe der Auflagepunkte an den Platten 10. der höchste Druck ist mit D4 bezeichnet, der geringste mit D1. am Innenradius des Stopfens 2 zeigt sich dagegen eine Zugspannung, auch hier ist mit Z2 hoher Zug und mit Z1 geringer Zug angedeutet. Horizontal läuft noch eine Zone mit schwachem Druck D1.In 3 the stress ratios in the cross-section of the plug are shown as a result of a load analysis. The test can be done on the stopper 2 in delivery state (unpopulated with electrode system) or individually after removal of an integral plug from the discharge vessel are performed. For the evaluation of the test, the critical load, ie the effort, at the time of failure of the plug (cracking 11 ) (simple force measurement) and the geometry of the plugs are known: outer and inner diameter and the pressure loaded length. In addition, the elastic properties of the ceramic material of the discharge vessel must be known, in particular the value of the modulus of elasticity, which is a measure of the deformability, and the Poisson's number. The analysis shows zones of high pressure near the contact points on the plates 10 , the highest pressure is denoted by D4, the lowest by D1. at the inner radius of the plug 2 on the other hand, a tensile stress is shown, here too, Z2 indicates high tension and Z1 indicates low tension. Horizontal is still running a zone of low pressure D1.

In 4 ist ein abgewandelter Test, der die 4-Punkt-Biegefestigkeit bestimmt, gezeigt. Dabei sind die Platten durch eine Anordnung von Rollen ersetzt. Es werden als Unterlager zwei Rollen 20 in einem definierten Abstand A verwendet. Gleichzeitig wird ein Auflager aus zwei Rollen 21 in einem definierten kleineren Abstand B verwendet, die in der Mitte zwischen den beiden unteren Rollen 20 angeordnet sind. Damit wird ein sogenannter 4-Punkt-Biegeversuch durchgeführt. Die Pfeile symbolisieren die aufgewendete Kraft der beiden Rollen 21 des Auflagers bis zum Bruch. Eine typische Querhauptgeschwindigkeit ist 0,2 bis 1 mm/min. Aus der Bruchkraft F lässt sich dann die Festigkeit σ der Probe berechnen, wenn der Außendurchmesser dA und der Innendurchmesser dl der Probe, also hier der Kapillare 2, bekannt sind, da diese beiden Größen einander proportional sind. Wesentlich ist zudem die Kenntnis der Spannlänge SL, also der Abstand zwischen den Rollen des Auflagers und Unterlagers in axialer Richtung.In 4 is a modified test that determines 4-point bending strength. The plates are replaced by an arrangement of roles. There are two roles as a subcamp 20 used at a defined distance A. At the same time, a support of two rolls 21 used in a defined smaller distance B, which is in the middle between the two lower rollers 20 are arranged. Thus, a so-called 4-point bending test is performed. The arrows symbolize the applied force of the two rollers 21 of the support until the break. A typical crosshead speed is 0.2 to 1 mm / min. From the breaking force F, the strength σ of the sample can then be calculated if the outside diameter dA and the inside diameter dl of the sample, ie here the capillary 2 , since these two quantities are proportional to each other. It is also essential to know the clamping length SL, ie the distance between the rollers of the support and sub-bearing in the axial direction.

Aus der Bruchkraft F folgt somit σ gemäß der Gleichung:

Figure 00050001
From the breaking force F follows σ according to the equation:
Figure 00050001

Claims (8)

Verfahren zum Testen der Qualität einer Abdichtung für keramische Entladungsgefäße von Lampen, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Stopfen (2) zwischen zwei Lagern eingebracht wird, dann ein Druck mittels der beiden Lager auf den Stopfen ausgeübt wird, dann der Druck solange erhöht wird bis sich eine Rissbildung zeigt.Method for testing the quality of a seal for ceramic discharge vessels of lamps, characterized in that first a plug ( 2 ) is introduced between two bearings, then a pressure is exerted by means of the two bearings on the plug, then the pressure is increased until it shows a cracking. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung die Größen Elastizitäts-Modul und Poissonzahl herangezogen werden.Method according to claim 1, characterized in that that for evaluation the sizes elastic modulus and Poisson's number. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lager als Platten (10) ausgebildet sind.Method according to Claim 1, characterized in that the bearings are in the form of plates ( 10 ) are formed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lager als Rollen (20, 21) ausgebildet sind.Method according to claim 1, characterized in that the bearings are used as rollers ( 20 . 21 ) are formed. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Rollen verwendet werden.Method according to claim 4, characterized in that that multiple roles are used. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterlager aus zwei Rollen mit großem Abstand A und ein Auflager aus zwei Rollen mit geringem Abstand B verwendet wird.Method according to claim 5, characterized in that that a sub-camp consists of two rollers with a large distance A and a support from two rolls with a small distance B is used. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen vorher mit einer Elektrode bestückt und eingelötet worden ist.Method according to claim 1, characterized in that that the plug had previously been equipped with an electrode and soldered is. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen vorher nach erfolgter Einlötung vom Entladungsgefäß abgetrennt worden ist.Method according to claim 1, characterized in that that the plug previously separated from the discharge vessel after soldering has been.
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