電真空器件的制造過程中，在高真空烘烤排氣處理后將無氧銅排氣管進(jìn)行封離，應(yīng)用到冷壓焊接。冷壓焊接的真空可靠性是電真空器件能否保持真空度的最基本保證，冷壓焊接是制造中可靠性要求最高的環(huán)節(jié)。本文先論述冷壓焊接的重要性，然后從無氧銅排氣管的選材、表面處理、冷壓鉗刀口形狀等幾方面，對影響冷壓焊接的真空可靠性進(jìn)行詳細(xì)分析，得出提高冷壓焊接的可靠性條件。

　　真空技術(shù)與電真空工業(yè)有著非常緊密的聯(lián)系。電真空器件需要良好的真空環(huán)境，主要原因在于：①電真空器件原理基于利用電場、磁場等來控制電子流的運動，以達(dá)到放大、振蕩、顯示圖像等目的，如果器件內(nèi)中氣體分子較多，電子流就不可避免要與分子碰撞，改變運動的規(guī)律。②電真空器件一般都有一個電子源，如各種熱陰極、光電陰極等，它們都是一些敏感的化學(xué)性活潑表面，極易受到氣體的中毒作用而失效，只有在真空環(huán)境內(nèi)才能正常工作。由此可見一旦電真空器件的內(nèi)部真空變壞了，必然導(dǎo)致器件性能的改變，甚至完全失效。

　　電真空器件在制作過程中需要一道真空加工工序———排氣，是在不斷抽氣情況下對器件進(jìn)行各種烘烤除氣、高頻加熱除氣或者電子轟擊除氣等，使得內(nèi)部氣體被抽除，達(dá)到一定的真空度。排氣結(jié)束將電真空器件從排氣設(shè)備上進(jìn)行密封分離，現(xiàn)在排氣管一般采取金屬排氣管，密封分離時利用冷壓焊接，采用液壓鉗或者手鉗將金屬排氣管產(chǎn)生強烈塑性變形而形成真空密封的接頭，從而將器件密封且與排氣設(shè)備分離。

　　目前在電真空器件中，主要利用無氧銅排氣管的冷壓焊接對器件進(jìn)行密封分離。無氧銅排氣管冷壓焊接具有以下特點：

　　(1)封接接頭無熱影響區(qū)和軟化區(qū)，焊接質(zhì)量穩(wěn)定;

　　(2)封離的設(shè)備和進(jìn)行的工藝操作簡單;

　　(3)封離金屬排氣管可以避免封離玻璃排氣管熔融時產(chǎn)生的不必要漏氣;

　　(4) 封離時較大的焊接壓力，焊件變形大，焊接可靠性好。

　　封離無氧銅排氣管時，薄壁細(xì)排氣管一般用手夾鉗，厚壁粗排氣管一般用液壓夾鉗。冷軋焊封離后，真空器件排氣管處的封離端要進(jìn)行保護(hù)，一般采用浸錫保護(hù)。圖1 為封離用夾鉗鉗口及封離后排氣管的封離端的斷面圖。

圖1 夾鉗鉗口及排氣管的封離端的斷面圖(左圖為手夾鉗、右圖為液壓鉗)

　　在電真空器件的制造中，對封離的可靠性要求很高，封離的質(zhì)量好壞直接決定著器件的真空性能，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認(rèn)為若封離可靠性差將會導(dǎo)致電真空器件漏氣，內(nèi)部真空度變壞，將會嚴(yán)重影響器件的特性，殘余氣體太多，會影響電參數(shù)的變化：柵流過大、特性蠕動、噪聲增大、陰極發(fā)射電流不良或不穩(wěn)、輸出功率下降、管內(nèi)打火頻繁、電擊穿、管內(nèi)氣壓增高、管內(nèi)不能正常工作或失效等。

　　無氧銅排氣管冷壓焊接的真空可靠性的好壞是電真空器件能否保持真空度的最基本保證，因而冷壓焊接是電真空器件制造中可靠性要求最高的環(huán)節(jié)。本文從無氧銅排氣管的材料、表面處理、冷壓鉗刀口形狀等幾方面對冷壓焊接真空可靠性的影響進(jìn)行試驗分析，得出高可靠冷壓焊接的條件。

1、無氧銅排氣管材料

　　排氣管是在電真空器件制作過程中為連接電真空器件和排氣設(shè)備的過渡結(jié)構(gòu)，一端焊接在電真空器件中，另一端在排氣時固定在排氣設(shè)備中。電真空器件在排氣時需要烘烤除氣，要求排氣管材料需要耐500 ℃的高溫;排氣后還需要進(jìn)行冷壓焊進(jìn)行密封分離，要求排氣管材料具有一定的塑性。常選用耐高溫和具有塑性的銅作為排氣管材料。銅排氣管在焊接過程中，有時會在氫氣環(huán)境中進(jìn)行釬焊，純銅材料內(nèi)含氧量較高會產(chǎn)生氫病，導(dǎo)致材料漏氣。為避免銅排氣管的漏氣，常采用含氧量低于0.003%的無氧銅材料作為排氣管。無氧銅材料和純銅材料除含氧量不同，外形顏色等特征均相同，難以區(qū)別，為防止在使用時混淆，誤將純銅管當(dāng)做無氧銅管使用，在每批次材料焊接使用前需進(jìn)行試驗驗證其材料的氣密性，確認(rèn)材料的真空性能。

　　確定無氧銅管材料后，我們進(jìn)行兩組試驗，一組是將無氧銅管直接進(jìn)行冷壓焊接，另一組將無氧銅管進(jìn)行退火處理后再進(jìn)行冷壓焊接，然觀察其密封面和檢測氣密性。直接進(jìn)行冷壓焊接的，焊接后發(fā)現(xiàn)在銅管中間有一明顯縫隙，漏縫太大真空檢漏儀沒法進(jìn)行檢漏。經(jīng)過退火處理的銅管進(jìn)行冷壓焊接后發(fā)現(xiàn)密封面端面良好，檢漏儀檢漏不漏氣。可以說明退火處理使得無氧銅材料性能變軟，能夠保證冷壓焊接的真空可靠性。

　　圖2 為冷壓焊接試驗后刀口表面的放大圖。

圖2 無氧銅冷壓焊接表面(左圖為未退火，右圖為退火后)

2、無氧銅排氣管表面處理

　　冷壓焊接擠壓無氧銅排氣管時，將排管端面從圓形變形至錐狀的真空密封狀態(tài)，排管壁厚變形為80%~86%，密封狀態(tài)為冷壓金屬接近到了原子間距(4~6×10^-8 cm)，由原子的擴散而形成氣密性焊接，以達(dá)到真空密封，夾斷排氣管，因此冷壓焊接前表面清潔度與冷壓焊接的可靠性關(guān)系很大。無氧銅排管冷壓焊接前的表面質(zhì)量如油膜、水膜及其他有機雜質(zhì)在冷擠壓時會延展成微小的薄膜，存在于擠壓的結(jié)合密封面，影響壓焊的真空氣密性。

　　無氧銅排氣管在空氣中暴露長時間后表面會形成氧化物，還有可能在排氣后的工序中形成表面機械劃傷、表面油污等，這些在冷壓焊接時都影響焊接質(zhì)量和可靠性，使得冷壓焊接面形成開口縫、明顯細(xì)縫和表面裂紋等缺陷，影響其焊接氣密性。圖3 為未進(jìn)行表面處理的冷壓焊接表面缺陷圖，左圖為密封刀口中間段開裂導(dǎo)致漏氣，中圖和右圖為密封側(cè)面上存在細(xì)小裂紋導(dǎo)致漏氣。

圖3 未進(jìn)行表面處理的冷壓焊接表面缺陷圖

　　這里進(jìn)行冷壓焊接試驗得到數(shù)據(jù)，表面未進(jìn)行任何處理的冷壓焊接無氧銅管真空氣密不漏氣的比率為23%，可靠性能很差，不能滿足電真空器件的可靠性要求。若在焊接前進(jìn)行表面處理，一般采用細(xì)砂紙打磨無氧銅表面，用壓縮空氣吹凈其表面，然后采用白棉布蘸酒精擦拭無氧銅表面，使其表面呈金屬光亮色，表面處理后進(jìn)行冷壓焊接，未發(fā)現(xiàn)一例真空漏氣現(xiàn)象，真空可靠性良好。由此可見進(jìn)行表面處理能夠提高冷壓焊接的真空氣密可靠性。

3、冷壓鉗刀口形狀

　　冷壓焊接擠壓無氧銅排氣管時，采用冷封鉗將排氣管從圓形變形至錐狀刀口，使得排氣管兩端呈真空密封狀態(tài)。手壓鉗因每次進(jìn)行焊接時用力的狀態(tài)不同導(dǎo)致焊接的狀態(tài)不易控制，目前的冷壓焊接均采用液壓鉗進(jìn)行封離，如圖1 中右圖所示。冷封鉗的刀口為錐狀刀口，尖端為圓弧狀，在封離時兩片冷壓鉗刀口在液壓的驅(qū)動下逐漸接近，最后刀口的尖端接觸在一起，將排氣管夾斷，達(dá)到冷壓焊接的目的。這樣在冷壓焊接時使得排氣管變形(從圓形到錐狀刀口)的角度由冷壓鉗刀口形狀決定。圖4 為冷壓鉗刀口示意圖。

圖4 冷壓鉗刀口示意圖

　　冷壓鉗刀口的尖端如圖4 所示，一般稱為刀頭，為圓弧狀，擠壓接觸后液壓鉗上下兩片刀頭能夠完全接觸，已達(dá)到將排氣管密封分離的目的。若擠壓后刀頭平面一側(cè)能夠接觸另一側(cè)存在縫隙，需要調(diào)整刀頭的裝配和對刀頭面進(jìn)行修配，不然擠壓后排氣管會存在一側(cè)剪斷而另一側(cè)還存在一定的厚度現(xiàn)象，易導(dǎo)致漏氣。冷壓鉗刀頭到刀口均勻厚度區(qū)，一般存在一定的傾角，如圖4 所示，傾角分為兩種角度，一種角度為a 大約在90°左右，另一種角度為b 大約在60°左右，試驗采用這兩種角度的冷壓鉗刀口進(jìn)行冷壓焊接，對一定直徑d 的排氣管進(jìn)行密封分離，排氣管的厚度為0.15 d，冷壓焊接后，排氣管焊接端面呈現(xiàn)一新擠壓后的刀口面，在刀口的后端有一段變形一定角度的排氣管無損傷斜面，同時刀口前段的寬度大于排氣管的直徑d。我們這里稱在排氣管上擠壓刀口出現(xiàn)新鮮擠壓面處的厚度為刀口接觸面厚度，刀口前段最大寬度為刀口的寬度，自刀口接觸面到刀口前段的距離為刀口的長度。進(jìn)行兩組角度不同冷壓鉗的試驗后測量以上數(shù)據(jù)，并檢查焊接的真空氣密性。表1 為不同角度刀口冷壓焊接后排氣管刀口的數(shù)據(jù)。

表1 不同角度刀口冷壓焊接后排氣管刀口的數(shù)據(jù)表

　　分析表1 數(shù)據(jù)，刀口接觸面厚度均為0.7 d、刀口的寬度均為1.3 d，這些數(shù)據(jù)和刀口的角度無關(guān)，僅和試驗用的排氣管材料的厚度有關(guān)。而刀口的長度在角度a 狀態(tài)下為0.5 d、在角度b 狀態(tài)下位0.9 d，角度小的刀口長度變長。同時我們對試驗后真空氣密性進(jìn)行檢查，角度a 的真空氣密不漏氣的比率為85%、角度b 的真空氣密不漏氣的比率為98%，可見兩種角度的真空可靠性都很好，刀口角度小點的真空可靠性更好。因此我們采用刀口角度小(60°左右)的冷壓焊刀口，同時考慮到刀口接觸面厚度前排氣管有一定的變形，我們在進(jìn)行冷壓焊接時，焊接位置前1.5 d 長度范圍內(nèi)需無別的焊接面。經(jīng)以上對冷壓焊接真空可靠性的影響條件進(jìn)行試驗分析，焊接前需要對無氧銅排氣管進(jìn)行退火處理、進(jìn)行表面處理同時采用刀口傾角小的液壓鉗刀口均可以提高冷壓焊接的可靠性。