Исследование возможностей повышения прочностных характеристик оптических склеенных сборок с высокой разностью коэффициентов линейного температурного расширения
ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА
УДК 533.317.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ СКЛЕЕННЫХ СБОРОК С ВЫСОКОЙ РАЗНОСТЬЮ КОЭФФИЦИЕНТОВ ЛИНЕЙНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО РАСШИРЕНИЯ
© 2009 г. В. В. Потелов, канд. техн. наук
ОАО “Красногорский завод им. С.А. Зверева”, г. Красногорск, Московская область
В статье рассмотрены проблемные вопросы, возникающие в процессе изготовления склеенных блоков с высокой разностью коэффициентов линейного температурного расширения отдельных элементов для оптических систем, работающих в жестких эксплуатационных условиях, и пути оптимизации технологии склеивания вышеуказанных сборок.
Ключевые слова:
Коды OCIS: 160.4670
Поступила в редакцию 03.03.2008
В процессе разработки оптических систем с предельными выходными оптическими характеристиками для оптических и оптикоэлектронных приборов и комплексов, работающих в жестких эксплуатационных условиях, возникает необходимость использования блоков, склеенных из оптических элементов с высокой разностью коэффициентов линейного температурного расширения (КЛТР).
Как правило, склеенные блоки, изготовленные из оптических элементов с различными КЛТР по классической технологии склеивания, не выдерживают перепадов температур от –60 °С до +65 °С, вследствие чего в зоне склеивания возникают поверхностные разрушения.
На предприятии ОАО “Красногорский завод им. С.А. Зверева” для создания объектива с относительным отверстием 1:1,74 и фокусным расстоянием 135 мм с целью получения предельных оптических характеристик в составе оптической системы использован склеенный блок, состоящий из двух сферических элементов из стекол ТФ-104 и СТК-112 (рис. 1).
Адгезионная прочность на разрыв для оптических клеев [1] определяется для соединений образцов из марки стекла К-8 с высоким содержанием диоксида кремния в стекле [2]. С уменьшением содержания диоксида кремния в стекле снижается прочность соединения, что связано с
1 2 R 139,96
77f9 66
25,6 0,1
Эскиз склеенного блока, состоящего из
двух сферических компонентов. 1 – стекло
С=Т5К7-×11102–(7n°DС=–11, ,г6р9у1п9п),а
КЛТР–60 °С…+20 °С = химической устой-
чивости – КЛТР–60
5, 2 – стекло ТФ-104 °С…+20 °С = 78×10–7
°(nСD–1=,
1,7462) группа
химической устойчивости – 4. Разность
коэффициентов линейного температурного расширения составляет 21×10–7 °С–1.
уменьшением гидроксильных групп на поверхности стекла. Уменьшение содержания диоксида кремния в стекле ТФ-1 на 20% снижает предел
68 “Оптический журнал”, 76, 6, 2009
прочности клеевых соединений с 90 Кгс/см2 для К-8 до 40 Кгс/см2, а у СТК-9 – до 50 Кгс/см2.
С целью исключения дефекта “расклейка” в оптической сборке в процессе эксплуатации изделий совместно со специалистами НПК “ГОИ им. С.И. Вавилова” проведена серия экспериментальных и исследовательских работ, позволивших оптимизировать технологию склеивания оптических элементов.
1. Экспериментально подтверждена необходимость подбора деталей для комплектации оптических поверхностей под склейку; суммарное отклонение формы поверхностей N не должно превышать 5 (“яма”), местная ошибка N – не более 0,5.
2. Учитывая высокую степень химической неустойчивости применяемых марок стекол (образование налета в течение 5 ч после окончательного полирования), введена операция нанесения защитного покрытия, а ограничение промежутка времени перед склеиванием не должно превышать 5 ч.
3. Принципиальным вопросом для обеспечения прочности клеевого соединения оптических элементов являлся вопрос правильного подбора оптического клея, обеспечивающего не только прочность склеивания, но и минимизацию деформаций наружных поверхностей сборки вследствие температурных изменений. Наиболее адаптированными для решения вышеуказанной работы являются оптические клеи ОК-72ФТ5 и ОК-72ФТ15. Прочность клеевого соединения при равномерном отрыве для клея ОК-72ФТ5 составляет не менее 95×105 Па, для клея ОК-72ФТ15 – не менее 80×105 Па. Стойкость клеевого шва к термическому удару в интервале температур ± 60 °С для обоих клеев одинакова – не менее 65 циклов. Деформация наружных поверхностей сборок после непрерывно следующих друг за другом испытаний: для клея ОК-72ФТ5 – 3,5
интерференционных кольца, для ОК-72ФТ15 – 2,5–3. При приблизительно одинаковых физико-химических показателях клеев ОК-72ФТ15 более предпочтительный для склеивания такого класса оптических сборок, как более эластичный и упругий по сравнению с ОК-72ФТ5.
На адгезию клея ОК-72ФТ15 существенно влияет избыток влаги в поверхностных слоях склеиваемых деталей, что характерно для стекол ТФ-104 и СТК-112. Поэтому перед нанесением защитного покрытия и склеиванием оптических деталей обязателен прогрев деталей в термошкафу при температуре 30–40 °С в течение 1 ч.
4. Склеенные блоки выдерживаются при температуре 20–25 °С в течение 5–6 суток.
5. С целью упрочнения клеевого соединения введена дополнительная термообработка по специально заданной программе нагрева и остывания.
6. Через 48 ч после окончания термообработки сборки передаются на финишные операции.
7. С целью подтверждения надежности склеенных сборок проводится термоудар в режимах –60 °С и +65 °С в течение 2 ч; время переноса из одной камеры в другую – не более 5 мин.
Оптимизация технологии склеивания оптических элементов из химически нестойких марок стекол, с высокой разностью коэффициентов линейного температурного расширения позволила обеспечить промышленное изготовление объектива и изделия в целом, тем самым исключив дефект возможной расклейки сборок в процессе эксплуатации изделий.
ЛИТЕРАТУРА
1. ОСТ 3-6894-97. Клеи оптические.
2. ГОСТ 13659-78. Стекло оптическое бесцветное. Физико-химические характеристики. Основные параметры.
“Оптический журнал”, 76, 6, 2009
69
УДК 533.317.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ СКЛЕЕННЫХ СБОРОК С ВЫСОКОЙ РАЗНОСТЬЮ КОЭФФИЦИЕНТОВ ЛИНЕЙНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО РАСШИРЕНИЯ
© 2009 г. В. В. Потелов, канд. техн. наук
ОАО “Красногорский завод им. С.А. Зверева”, г. Красногорск, Московская область
В статье рассмотрены проблемные вопросы, возникающие в процессе изготовления склеенных блоков с высокой разностью коэффициентов линейного температурного расширения отдельных элементов для оптических систем, работающих в жестких эксплуатационных условиях, и пути оптимизации технологии склеивания вышеуказанных сборок.
Ключевые слова:
Коды OCIS: 160.4670
Поступила в редакцию 03.03.2008
В процессе разработки оптических систем с предельными выходными оптическими характеристиками для оптических и оптикоэлектронных приборов и комплексов, работающих в жестких эксплуатационных условиях, возникает необходимость использования блоков, склеенных из оптических элементов с высокой разностью коэффициентов линейного температурного расширения (КЛТР).
Как правило, склеенные блоки, изготовленные из оптических элементов с различными КЛТР по классической технологии склеивания, не выдерживают перепадов температур от –60 °С до +65 °С, вследствие чего в зоне склеивания возникают поверхностные разрушения.
На предприятии ОАО “Красногорский завод им. С.А. Зверева” для создания объектива с относительным отверстием 1:1,74 и фокусным расстоянием 135 мм с целью получения предельных оптических характеристик в составе оптической системы использован склеенный блок, состоящий из двух сферических элементов из стекол ТФ-104 и СТК-112 (рис. 1).
Адгезионная прочность на разрыв для оптических клеев [1] определяется для соединений образцов из марки стекла К-8 с высоким содержанием диоксида кремния в стекле [2]. С уменьшением содержания диоксида кремния в стекле снижается прочность соединения, что связано с
1 2 R 139,96
77f9 66
25,6 0,1
Эскиз склеенного блока, состоящего из
двух сферических компонентов. 1 – стекло
С=Т5К7-×11102–(7n°DС=–11, ,г6р9у1п9п),а
КЛТР–60 °С…+20 °С = химической устой-
чивости – КЛТР–60
5, 2 – стекло ТФ-104 °С…+20 °С = 78×10–7
°(nСD–1=,
1,7462) группа
химической устойчивости – 4. Разность
коэффициентов линейного температурного расширения составляет 21×10–7 °С–1.
уменьшением гидроксильных групп на поверхности стекла. Уменьшение содержания диоксида кремния в стекле ТФ-1 на 20% снижает предел
68 “Оптический журнал”, 76, 6, 2009
прочности клеевых соединений с 90 Кгс/см2 для К-8 до 40 Кгс/см2, а у СТК-9 – до 50 Кгс/см2.
С целью исключения дефекта “расклейка” в оптической сборке в процессе эксплуатации изделий совместно со специалистами НПК “ГОИ им. С.И. Вавилова” проведена серия экспериментальных и исследовательских работ, позволивших оптимизировать технологию склеивания оптических элементов.
1. Экспериментально подтверждена необходимость подбора деталей для комплектации оптических поверхностей под склейку; суммарное отклонение формы поверхностей N не должно превышать 5 (“яма”), местная ошибка N – не более 0,5.
2. Учитывая высокую степень химической неустойчивости применяемых марок стекол (образование налета в течение 5 ч после окончательного полирования), введена операция нанесения защитного покрытия, а ограничение промежутка времени перед склеиванием не должно превышать 5 ч.
3. Принципиальным вопросом для обеспечения прочности клеевого соединения оптических элементов являлся вопрос правильного подбора оптического клея, обеспечивающего не только прочность склеивания, но и минимизацию деформаций наружных поверхностей сборки вследствие температурных изменений. Наиболее адаптированными для решения вышеуказанной работы являются оптические клеи ОК-72ФТ5 и ОК-72ФТ15. Прочность клеевого соединения при равномерном отрыве для клея ОК-72ФТ5 составляет не менее 95×105 Па, для клея ОК-72ФТ15 – не менее 80×105 Па. Стойкость клеевого шва к термическому удару в интервале температур ± 60 °С для обоих клеев одинакова – не менее 65 циклов. Деформация наружных поверхностей сборок после непрерывно следующих друг за другом испытаний: для клея ОК-72ФТ5 – 3,5
интерференционных кольца, для ОК-72ФТ15 – 2,5–3. При приблизительно одинаковых физико-химических показателях клеев ОК-72ФТ15 более предпочтительный для склеивания такого класса оптических сборок, как более эластичный и упругий по сравнению с ОК-72ФТ5.
На адгезию клея ОК-72ФТ15 существенно влияет избыток влаги в поверхностных слоях склеиваемых деталей, что характерно для стекол ТФ-104 и СТК-112. Поэтому перед нанесением защитного покрытия и склеиванием оптических деталей обязателен прогрев деталей в термошкафу при температуре 30–40 °С в течение 1 ч.
4. Склеенные блоки выдерживаются при температуре 20–25 °С в течение 5–6 суток.
5. С целью упрочнения клеевого соединения введена дополнительная термообработка по специально заданной программе нагрева и остывания.
6. Через 48 ч после окончания термообработки сборки передаются на финишные операции.
7. С целью подтверждения надежности склеенных сборок проводится термоудар в режимах –60 °С и +65 °С в течение 2 ч; время переноса из одной камеры в другую – не более 5 мин.
Оптимизация технологии склеивания оптических элементов из химически нестойких марок стекол, с высокой разностью коэффициентов линейного температурного расширения позволила обеспечить промышленное изготовление объектива и изделия в целом, тем самым исключив дефект возможной расклейки сборок в процессе эксплуатации изделий.
ЛИТЕРАТУРА
1. ОСТ 3-6894-97. Клеи оптические.
2. ГОСТ 13659-78. Стекло оптическое бесцветное. Физико-химические характеристики. Основные параметры.
“Оптический журнал”, 76, 6, 2009
69