冷壓焊接的真空可靠性分析

張 波，張文丙，杜孝超，孟昭紅，朱 剛，賀兆昌

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.安徽華東光電技術研究所，安徽 蕪湖 241001;3.安捷倫科技 (中國)有限公司，上海 201203)

0 前言

在電真空器件的制造中，對封離的可靠性要求很高，封離的質量好壞直接決定著器件的真空性能，若封離可靠性差將會導致電真空器件漏氣，內部真空度變壞，將會嚴重影響器件的特性，殘余氣體太多，會影響電參數的變化:柵流過大、特性蠕動、噪聲增大、陰極發射電流不良或不穩、輸出功率下降、管內頻繁打火、電擊穿及管內氣壓增高、甚至導致管內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，從而冷壓焊接是電真空器件制造中可靠性要求最高的環節。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備的過渡結構，一端焊接在電真空器件中，另一端在排氣時固定在排氣設備中。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;排氣后還需要進行冷壓焊進行密封分離，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，有時會在氫氣環境中進行釬焊，純銅材料內含氧量較高會產生氫病，導致材料漏氣。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，難以區別，為防止在使用時混淆，誤將純銅管當做無氧銅管使用，在每批次材料焊接使用前需進行試驗驗證其材料的氣密性，確認材料的真空性能。

利用無氧銅管材料進行兩組試驗，一組是將無氧銅管直接進行冷壓焊接，另一組將無氧銅管進行退火處理后再進行冷壓焊接，觀察其密封面和檢測氣密性。直接進行冷壓焊接的銅管，焊接后發現在銅管中間有一明顯縫隙，漏縫太大以致真空檢漏儀沒法進行檢漏。經過退火處理的銅管進行冷壓焊接后發現密封面端面良好，檢漏儀檢漏不漏氣?？梢哉f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1為冷壓焊接試驗后刀口表面的放大圖。

圖1 無氧銅冷壓焊接表面Fig.1 Surfaces of oxygen-free copper cold pressing welding

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，排管壁厚變形為80%－86%，密封狀態為冷壓金屬接近到了原子間距 (4～6)×10－8cm，由原子的擴散而形成氣密性焊接，以達到真空密封，夾斷排氣管，因此冷壓焊接前表面的清潔度與冷壓焊接的可靠性關系很大。無氧銅排管冷壓焊接前的表面狀態如油膜、水膜及其他有機雜質在冷擠壓時會延展成微小的薄膜，存在于擠壓的結合密封面，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量和可靠性，使得冷壓焊接面形成開口縫、明顯細縫和表面裂紋等缺陷。

圖2為未進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致漏氣，中圖和右圖為密封側面上存在細小裂紋導致漏氣。

進行冷壓焊接試驗得到數據，表面未進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。若在焊接前進行表面處理，一般采用細砂紙打磨無氧銅表面，用壓縮空氣吹凈其表面，然后用白棉布蘸酒精擦拭無氧銅表面，使其表面呈金屬光亮色，表面處理后進行冷壓焊接，未發現一例真空漏氣現象，真空真空可靠性良好。由此可見進行表面處理能夠提高冷壓焊接的真空氣密可靠性。

圖2 未進行表面處理的冷壓焊接表面缺陷圖Fig.2 Defects on cold pressing welding surfaces without surface treatment

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。薄壁細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行保護，一般采用浸錫保護。圖3為封離用夾鉗鉗口及封離后排氣管的封離端的斷面圖。

圖3 夾鉗鉗口及排氣管的封離端的斷面圖Fig.3 Profile diagrams for sealing separation sections of clamp jaw and exhaust pipe

手壓鉗因每次進行焊接時用力的狀態不同導致焊接的狀態不易控制，目前的冷壓焊接均采用液壓鉗進行封離，如圖3中右圖所示。冷壓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Fig.4 Schematic diagram of clamp jaw

冷壓鉗的刀口尖端一般稱為刀頭，為圓弧狀，擠壓接觸后液壓鉗上下兩片刀頭能夠完全接觸，已達到將排氣管密封分離的目的。若擠壓后刀頭平面一側能夠接觸，另一側存在縫隙，需要調整刀頭的裝配并對刀頭面進行修配，不然擠壓后排氣管會存在一側剪斷而另一側還存在一定的厚度現象，易導致漏氣。冷壓鉗刀頭到刀口均勻厚度區，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，采用這兩種角度的冷壓鉗刀口進行冷壓焊接試驗，對一定直徑d排氣管進行密封分離，排氣管的厚度為0.15 d，冷壓焊接后，排氣管焊接端面呈現一新擠壓后的刀口面，在刀口的后端有一段呈一定變形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。這里稱在排氣管上擠壓刀口出現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。進行兩組角度不同冷壓鉗的試驗后測量以上數據，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據。

表1 不同角度刀口冷壓焊接后排氣管刀口的數據表Tab.1 Exhaust pipe edge data on different angle clamp jaw after cold pressing welding

根據表1數據分析可知，使用不同角度的冷壓鉗刀口進行封離排氣管，基刀口接觸面厚度均為0.7 d、刀口的寬度均為1.3 d，說明這兩組數據和刀口的角度無關，僅和試驗用的排氣管材料的厚度有關。而刀口的長度在角度a狀態下為0.5 d、在角度b狀態下為0.9 d，角度小的刀口長度變長。同時對試驗后真空氣密性進行檢查，角度b的真空氣密不漏氣的比率為85%、角度a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，在進行冷壓焊接時，焊接位置前1.5 d長度范圍內需無別的焊接面。

4 結論

由冷壓焊接真空可靠性的影響條件進行試驗分析后可知，冷壓焊接前需要對無氧銅排氣管進行退火處理、焊接處表面處理，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。

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