WO2006079309A1 - Verfahren zum testen einer abdichtung - Google Patents

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    • G01N33/38—Concrete; Lime; Mortar; Gypsum; Bricks; Ceramics; Glass

Definitions

  • the invention is based on a method for testing a seal in high-pressure discharge lamps with a ceramic discharge vessel.
  • the ceramic materials are evaluated with regard to their mechanical stability (resistance to crack formation) under the loading conditions prevailing during soldering of the electrodes, and corresponding critical load factors are determined.
  • Ceramic is used as a translucent and heat-resistant material for the discharge vessel. This can be some advantages over the previously used discharge vessel made of quartz glass. Thus, e.g. the temperature increases in operation and thus the spectrum better adapted to the daylight. Ceramic metal halide lamps have little color dispersion because there are virtually no tolerances in the geometry during the manufacture of the ceramic containers. In addition, they retain their color temperature over the entire useful life, because no fillers can escape from the dense ceramic vessel.
  • PCA ceramic materials
  • 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 into the tubular discharge vessel (see FIG. 1) during the cooling phase after switching off the lamp, the formation of residual stresses occurs.
  • the tungsten electrodes are at approx. 1500 to 1600 0 C soldered into the plug of the discharge vessel (mostly far predominantly from PCA).
  • the expansion coefficient of the discharge vessel 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.
  • multiple rollers may be used, advantageously two on each side.
  • Particularly preferred are two rollers with a large distance on one side and two rollers with a small distance on the other side.
  • the force is preferably exerted on one side by the two rollers with a small distance.
  • a critical tensile stress for cracking in the plug can be determined by numerical load analysis from the compressive force at failure.
  • the plugs are in particular designed as capillaries, integral with the discharge vessel or separately. This critical size can be used as a practicable measure of the mechanical stability of the plug and is thus suitable for comparing the quality of different batches or manufacturers of ceramic discharge vessels.
  • the particular similarity regarding load condition and failure behavior during testing and soldering increases the relevance of the test results.
  • the mechanical test requires relatively little effort and thus provides a convenient method for quality assessment.
  • the inventive step lies in the development of a practical mechanical test method for assessing the mechanical stability of ceramic plugs under the loading conditions during the soldering process of the electrodes.
  • Particularly noteworthy here is the targeted exploitation of the similarities of mechanical test and Einlötvorgang in terms of load condition and failure behavior. This concerns in particular the occurring in both cases circumferential tensile stresses on the inside of the plug and the formation of axial cracks.
  • Figure 1 is a metal halide lamp in section
  • Figure 2 is a method by which a defined compressive load can be applied to the plug
  • FIG. 3 is a detailed explanation of the processes in the plug.
  • Figure 4 is a detailed explanation of a second embodiment of the method.
  • the discharge vessel 1 of a metal halide lamp is shown. It consists of polycrystalline Al 2 O 3 (PCA).
  • PCA polycrystalline Al 2 O 3
  • the plugs 2 are here attached integrally to the discharge vessel as capillaries, but they can of course also be separate parts.
  • the feedthroughs 3 (made of, for example, niobium / molybdenum) are connected to the electrodes 4 (for example made of tungsten) and soldered in the plug to conventional glass solder (or ceramic) 5.
  • a conventional metal halide filling is introduced into the discharge vessel Failure mechanism in the operation of the lamp are cracks in the axial direction, which begin at the inside of the plug.This is especially true on capillaries, so very elongated thin plug with a large ratio length: diameter. The cracks grow outward through the capillary and also after inside through the glass solder 5.
  • FIG. 2 schematically shows the realization of the test course.
  • the process uses two plates 10, between which the plug 2 is inserted.
  • pressure By applying pressure (arrows in the right half)) the necessary force to form cracks 11 in the stopper is determined.
  • a single or separate stopper 2, with or without soldered electrode system, with a pressure pad of two parallel plates 10 are treated.
  • the two plates 10 exert a pressure (arrows), which leads to increasing load in the plug 2 and finally forms cracks 11 in the plug.
  • the electrode and the glass solder are not shown separately.
  • FIG. 3 shows the stress ratios in the cross-section of the plug as a result of a load analysis.
  • the test can approach state (unequipped with electrode system) on the plug 2 in Anliefe ⁇ or separately after separation an integral plug from the discharge vessel are performed.
  • the critical load ie the force
  • the plug fails Cracking 11
  • the geometry of the plugs outer and inner diameters and the pressure loaded length.
  • 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. on the inner radius of the plug 2, however, shows a tensile stress, also here with Z2 high train and with Z1 low train is indicated. Horizontal is still running a zone of low pressure D1.
  • a modified test determining the 4-point bending strength is shown.
  • the plates are replaced by an arrangement of roles.
  • a support of two rollers 21 is used in a defined smaller distance B, which are arranged in the middle between the two lower rollers 20.
  • the arrows symbolize the applied force of the two rollers 21 of the support to breakage.
  • a typical crosshead speed is 0.2 to 1 mm / min.
  • the strength ⁇ of the sample can then be calculated from the breaking force F if the outer diameter dA and the inner diameter d1 of the sample, that is to say the capillary 2, are known, since these two quantities are proportional to one another. 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.

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Abstract

Das Verfahren benützt zwei Platten, zwischen denen der Stopfen eingelegt wird. Mittels Druckausübung wird die nötige Kraft zur Rissbildung bestimmt.

Description

Verfahren zum Testen einer Abdichtung
Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Testen eine Abdichtung bei Hochdruckentladungslampen mit keramischem Entladungsgefäß.
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.
Stand der Technik
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 Metallhalogenidlam- pen 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.
Die Verwendung keramischer Materialien (z.B. PCA) bewirkt aber neben den ge- nannten 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 das röhrenförmige Entladungsgefäß (siehe Fig. 1) während der Abkühlphase nach dem Abschalten der Lampe zur Bildung von Eigenspannungen. Die Wolfram-Elektroden werden bei ca. 1500 bis 16000C 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 Einlöt- prozess und damit auch die Ausbeute der Lampenfertigung hängen somit von der Bruchzähigkeit des Entladungsgefäßmaterials und der Qualität der inneren Oberflä- che 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.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfachen Test bereitzustellen, der eine Aussage über die Qualität der Einschmelzung liefert.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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 Figur 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 Einlö- ten in Umfangsrichtung orientierte Zugspannungen, die schließlich zur Rissbildung führen können (siehe auch Figur 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.
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.
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.
Der erfinderische Schritt liegt in der Entwicklung eines praxistauglichen mechani- sehen 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.
Figuren
Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1 eine Metallhalogenidlampe im Schnitt; Figur 2 ein Verfahren, mit der eine definierte Drucklast auf den Stopfen ausgeübt werden kann;
Figur 3 eine detaillierte Erläuterung der Vorgänge im Stopfen.
Figur 4 eine detaillierte Erläuterung eines zweiten Ausführungsbeispiels für das Verfahren.
Beschreibung der Zeichnungen
In Fig. 1 ist das Entladungsgefäß 1 einer Metallhalogenidlampe gezeigt. Es besteht aus polykristallinem AI2O3 (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 Figur 2 ist schematisch die Realisierung des Testverlaufs dargestellt. Das Verfahren (linke Hälfte) benützt zwei Platten 10, zwischen denen der Stopfen 2 einge- fügt 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 Figur 3 sind die Spannungsverhältnisse im Querschnitt des Stopfens als Ergebnis einer Belastungsanalyse dargestellt. Der Test kann an den Stopfen 2 im Anliefe¬ rungszustand (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 Figur 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.
Aus der Bruchkraft F folgt somit σ gemäß der Gleichung:
16 x SL x dA x F . π x (dA4 - dl4)

Claims

Patentansprüche
1. 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.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung die Größen Elastizitäts-Modul und Poissonzahl herangezogen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lager als Platten (10) ausgebildet sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass die Lager als RoI- len (20, 21 ) ausgebildet sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Rollen verwendet werden.
6. 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.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen vorher mit einer Elektrode bestückt und eingelötet worden ist.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen vor- her nach erfolgter Einlötung vom Entladungsgefäß abgetrennt worden ist.
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