卤素节能泡产品设计生产技术.doc

卤素节能泡产品设计生产技术
李立胜、葛浩、周井桃、刘方方、薛战强
鹤山市广明源照明电器有限公司

前言
随着经济社会的发展和人民生活水平的提高，居民照明节电意识普遍增强，“绿色、环保、节能照明”理念逐渐深入人心。高光效照明产品市场占有率逐年提高，低光效照明产品逐渐被淘汰，选用高效照明产品已逐渐成为社会共识。自2007年初澳大利亚政府率先宣布以立法形式全面淘汰白炽灯开始，先后有十几个国家和地区已陆续发布了白炽灯淘汰计划。我国也将在十年内逐步淘汰白炽灯。可见白炽灯最终退出市场已是不可避免。为填补巨大的市场空白，一种兼具普通白炽灯优点同时又具有较高能效的光源——卤素节能泡应运而生。
节能泡以其良好的显色性、真正的连续光谱、无频闪、尺寸形状和普通白炽灯一样，可直接替代普泡、无需变压器或镇流器、直接接入电源、瞬时启动、瞬间即可达到最大光输出，可调光，使用方便。结构简单，几乎不含有任何毒有害物质，非常适合家居照明，等诸多优势一面世就受到了消费者的青睐。市场曾一度出现供不应求的局面。诚然，节能泡有其不可比拟的优越性，但和其它节能光源相比，能效始终是限制其发展不可回避的因数。卤素节能泡要想续写辉煌，必须进一步提高能效，如何设计和生产卤素节能泡将成为众多厂商关注的关键问题。

基于普通的主电压卤素灯产品 (能效等级在D或E级以及以下的) 和普泡封装生产技术已是非常成熟技术了，所以在这里只论述高效节能的卤素灯珠(能效等级C级)设计生产中常见的几个问题。

产品设计
按欧洲244指令，第1至5阶段对节能泡的要求相当于C级能效的要求，到第6阶段，即2016年9月1日之后，则必须要达到B级能效要求(引自：COMMISSION REGULATION (EC) No 244/2009)。
目前我们的产品设计必须符合欧洲244指令第1 至第5阶段的要求，达到C级能效，具体设计参数如表一。
表一：
规格
光通量（单位：Lm）
220~240V 18W
205
220~240V 28W
370
220~240V 42W
630
220~240V 53W
840
220~240V 70W
1200
现有卤素灯生产的材料、设备和技术是不能达到以上设计要求的；材料上；国产钨丝高温性能相对差一些，拉丝的一致也不好，灯丝绕制螺距控制和前期处理不稳定。造成灯珠功率和光通偏差比较大。现有国内生产高品质节能泡卤素灯的厂商多采用进口的灯丝。在使用进口灯丝的前提下，还要在以下几个方面作好控制才能达到光电参数和设计寿命要求。
1灯珠灯芯点焊技术要点
灯芯的点焊，主要是控制两个关键点，如附图一中的L1尺寸和L2尺寸。批量生产时，同样的灯丝和点焊尺寸设计，尺寸偏差如果控制在＜±0.25mm，影响灯珠的光通在1%以内；如尺寸偏差到了±0.5mm，影响灯珠的光通可以达到3%左右。
附图一：

2灯珠压封尺寸控制
压封要严格控制附图二中的L3/L4/L5尺寸，这三个尺寸确定了灯丝拉伸的比例，而灯丝拉伸的比例是结构上对光通影响最关键的；尺寸偏差如达到±0.75mm，对产品光通的影响会＞±3%。如各尺寸偏差能控制在±0.25mm，由产品结构造成的光通量的偏差在±2%以内。
附图二：

以上点焊和压封的几个关键的尺寸结构，对光通和光效会有一个综合的影响。要根据灯丝、卤气和填充气体压力等综合试验后才能确认以上尺寸设计。以下(表二)是点焊、压封尺寸与灯珠光电参数的之间关系。
有了产品的结构设计，压封设备上几个关键模具的相对位置，是保证压封尺寸的关键。主要有以下几方面；1>各工位头子灯芯座高度的一致性；2>各工位头子灯丝支撑架高度的一致性；3>夹模与灯芯座相对高度；4>打点针与灯芯座相对高度。必须严格控制好。
表二：
点焊、压封尺寸与光电参数的关系
L1
L2
L3
L4
L5
功率
光通
↑
-
-
-
↓
↓
↓
-
↑
-
↑
-
↓
↓
-
-
↑
↑
-
↑
↓
-
-
-
↓
↑
↑
↑
3压封火的控制
压封火要控制在石英管需要压封的部分烧到压封时温度在1800-2000℃。如果温度低于1800℃，一方面压封后产品泡体强度不够，灯珠工作或寿终(断灯丝时跳电)时由于高温灯内气体的膨胀，压力增大泡体可能会爆炸；另一方面会封接不严密导致产品漏气，影响产品使用寿命。如果压封的部分的温度高于2000℃石英材料会释放出硅粉(特别是局部2200℃以上时，会释放出大量硅粉)；硅粉会附着在石英管表面，影响外观。同时氮气保护如果不当硅粉也会附着在灯丝上，灯丝表面会产生SiO(或SiO2)。如附图三，上边一条是没有压封过的灯丝，表面干净有良好的金属光泽(明亮)；下面一条是压封过的，由于温度过高和氮气保护不充分，灯丝表面有白色SiO(或SiO2)。轻微的可以在排气时清洁去除掉，不会对产品寿命有太大的影响；严重的排气封口无法清除干净，排气封口后还会有部分附着在石英管内璧，会严重影响产品的使用寿命。
附图三：

4压封过程中的保护
压封过程中通常会通入一种惰性气体，作为灯丝、钼片和灯脚的保护气体。一般采用氮气或氩气作为保护气体。通入气体的流量和压力是非常关键的。流量或压力太大就会造成鼓泡和保护气体的浪费；同时过大的保护气体流量或压力也会使石英管内表面温度快速下降，封接不严漏气。流量或压力太小，就会有灯丝氧化、钼片断裂等现象，使产品达不到预期的设计寿命要求。具体的设定要根据生产设备试验确认后严格控制。保护气体的纯度也是很重要的，H2O/O2等杂质气体含量要＜10PPM。
5灯珠填充气体(卤气配方)设计
白炽灯在工作时灯丝温度会很高，钨会从灯丝上蒸发出来，附着在灯泡的内壁上，使的泡壁发黑，光效降低、寿命缩短。为了防止钨的蒸发，通常给灯泡内充入一种惰性气体。如：氪、氙、氩、氮；通过充入量的多少，来减缓钨的蒸发。它只能在点灯的初期或者较短时间内可以降低钨的蒸发速度，而不能在整个寿命过程中防止发黑。介于以上原因，人们发现了一种微量元素，可以在整个寿命中解决泡壳的发黑，这就是卤素灯。
卤素灯是在泡壳里充入微量卤素和惰性气体的灯。当在高温工作时，卤素和钨发生一些列反应；可以把蒸发出来的钨，在搬运到灯丝上去，从而形成了卤钨循环。这种灯体积小，光效高，寿命长。
卤钨灯里通常用到的卤素有：CH2Br2、CH3Br、CHClBr、HBr等等；在高光效节能泡里用的较多的惰性气体有Kr、Xe、N2或者是它们的混合气体，还会加入适当的消气剂，如：PH4、SiH4等。用CH2Br2来说；符合欧洲标准第一阶段到第五阶段要求设计的220-240V 18/28/42/53/70W： 其卤素含量一般在50ppm-1000ppm不等；每个工厂都有自己的设计，要根据工厂设备的真空能力和灯内清洁程度的实际情况来确定。
在纯Kr气（余气是N2）的卤素气体配方中，Kr气含量越高灯的光通也越高(如表三)。功率变化非常小可以忽略。

表三：

在加入Xe气（N2含量不变，随Xe气增加减少Kr气）的卤素气体配方中，Xe气含量越高灯的光通也越高(如表四)；功率会下降。因此卤素气配方中加入Xe气的比例越大同样设计的灯丝，在同样的工艺控制下，产品的光效会降低；也就是说是在其它条件不变的情况下提高产品光通降低光效，延长产品设计寿命的有效方法。同样也会大大增加卤素气体成本。
表四：

由于灯的功率和光通随气体配方的改变是有变化的，因此光效也会发生相应的变化，所以同样的灯丝设计是不能一味的通过提高Kr或Xe气含量来提高产品寿命或光通的。要根据排气封口设备的工艺能力合理配比的。
6灯珠排气封口技术要点
泡内杂质气体的清除(除气)：一般在排气点灯前后各有2次氮气（一般为高纯氮气）冲洗工位，在氮气冲入泡内前，泡内要达到低真空（X.XE-1Pa）,充入一定压力（0.01-0.04Mpa）的氮气，然后快速抽气，带走泡内的杂质气体，同时在低真空工位或者充氮气工位对灯泡外壁进行均匀的烘烤（300-600℃），可以使泡内的杂质气体(主要是水份)快速蒸发被冲洗气体带走。也可采用在较高真空下充H2低电压点灯（灯丝发红），同时抽气(抽气要滞后点灯)来清除灯丝和泡内的杂质气体（但要注意钨的蒸发问题使泡内壁发黑）。
灯丝氧化物清除：在泡内经过去除杂质和气体后，还需要对灯丝的氧化物进行还原，同时释放出氧并排出。就是对已经抽到较高真空的泡内冲入一定压力（0.03-0.08Mpa）的氢气，然后进行点灯，一般点灯2次以上。第一次点灯电压低于生产规格额定电压（如230V系列点150-200V），以还原灯丝氧化物。也可采用充入氢气的同时进行低电压点灯（灯丝要发红），同时低速抽气，可以尽早抽走被还原的杂质，避免杂质重新附着在灯泡内壁。
高真空的达到：一般情况下机械泵在进行多次抽气后泡内已经达到了较高真空(X.XE-1 Pa)，如果要达到高真空（X.XE-2或3Pa）,则必须在充入卤素气体前使用扩散泵或者分子泵等高抽速泵进行抽气，但是一定要对泵定期保养检查，避免漏气、泵油氧化或抽速过慢问题。
封口技术：封口是排气封口的最后工序，完成了封口工序，就等于灯泡的寿命已经基本确定，所以封口对灯泡来说，是非常重要的。封口之前，灯泡是需要降温的，一般采用的都是液氮降温，主要是为了在封口时使充入灯内的卤素气体液化，减少灯泡内的卤素气体压力，防止封口时出现爆裂、封口处薄弱和泡内卤气泄露，这些都会影响到灯泡的寿命，所以封口处的动作、设置和火力调整，都对烧尖质量有很大影响。
灯丝定型：可以在排气封口前/排气封口中/排气封口后进行，也可采用灯丝来料后的穿丝定型，根据不同的灯丝设计确定定型电压和定型时间。一般定型电压都会高于产品设计额定电压较多（比如230V28W的定型电压为250-350V之间，定型时间在10-30S之间）。但是针对不同灯丝设计，要结合设备的工艺能力进行试验确认具体的工艺参数（以灯泡使用过程中灯丝不易弯曲变形为益，灯泡寿命也要做为参考）
灯丝双螺旋(发光段)部分相对容易定型。良好的定型时间和电压会在灯丝双螺旋部分产生良好的再结晶。良好的晶相结构会大大延长灯的使用寿命。而不好的晶相结构(晶界)，确是影响灯使用寿命的关键点(附图四)。定型时要结合生产设备，调整定型时间和电压使灯丝双螺旋部分不(或尽量少)产生这样的晶界。
附图四：

定型时间过长或定型电压过高，灯丝双螺旋部分过度定型。会使灯丝双螺旋部分产生过大的晶粒结构。过大的晶粒结构会大大减小灯丝的强度，双螺旋部分丝身会变的太脆易断，是影响卤素灯使用寿命的非常关键的要素之一。同样正常使用超过设计寿命的60%以上时，灯丝双螺旋部分也会产生灯丝晶粒过大(镜面效应)现象(附图五左)。正常使用超过设计寿命的75%以上时的灯丝晶粒会变的更大，灯丝一般都是从这样的点断开(附图五右)。
附图五：

灯丝单螺旋(不发光段)部分相对不容易定型。良好的定型时间和电压会在灯丝单螺旋部分尽量长的产生良好的再结晶充分定型(附图六)。灯丝单螺旋部分充分定型的越长，没有定型或定型不充分部分越短，灯的寿命会越好。达不到设计寿命的产品很多都是在单螺旋定型不充分这个部位卤钨循环不好首先断开的，因此单螺旋定型的程度也是影响灯使用寿命非常重要的关键点。可以通过延长定型时间等方法使灯丝单螺旋部分更多的充分定型。
附图六

另外，排气封口时的清洁、除气和灯丝还原时，多数杂质都会排出。但残留的杂质基本上都会集中到灯丝单螺旋没有定型和定型不充分的部分，因此灯丝单螺旋部分充分定型的越长，没有定型或定型不充分部分越短，灯内的杂质含量就会越少，灯的寿命会越好。
灯丝丝身螺距分部
定型时间、电压和方向等因素还会影响到灯丝丝身螺距分部。（如图L部分）灯丝丝身靠近压封板部分10圈左右的螺距会变密集或疏松。如果L部分丝身螺距变密集，这部分灯丝在正常工作时局部温度会明显提高，卤钨循环加快灯丝过早熔断。如果L部分丝身螺距变疏松，灯珠光通会明显下降，达不到设计要求。可以通过调整定型时间、电压或电压分布和定型方向，来达到灯丝丝身螺距均匀分部。

小结：
以上论述的卤素节能泡设计生产技术可以概括为以下两点；
1/点焊和压封产品尺寸结构是产品光电参数控制的重点，灯丝设计和卤素气体配方则是产品设计光电参数控制的重点。
2/产品使用寿命的延长；要在光电参数、压封和封口密封性能良好控制的基础上，做好填充气压力、灯丝（单螺距和双螺距）定型、泡内及灯丝清洁、双螺距双螺距分布等重点控制。