冷压焊接的真空可靠性分析
电真空器件的制造过程中，在高真空烘烤排气处理后将无氧铜排气管进行封离，应用到冷压焊接。冷压焊接的真空可靠性是电真空器件能否保持真空度的最基本保证，冷压焊接是制造中可靠性要求最高的环节。本文先论述冷压焊接的重要性，然后从无氧铜排气管的选材、表面处理、冷压钳刀口形状等几方面，对影响冷压焊接的真空可靠性进行详细分析，得出提高冷压焊接的可靠性条件。
真空技术与电真空工业有着非常紧密的联系。电真空器件需要良好的真空环境，主要原因在于：①电真空器件原理基于利用电场、磁场等来控制电子流的运动，以达到放大、振荡、显示图像等目的，如果器件内中气体分子较多，电子流就不可避免要与分子碰撞，改变运动的规律。②电真空器件一般都有一个电子源，如各种热阴极、光电阴极等，它们都是一些敏感的化学性活泼表面，极易受到气体的中毒作用而失效，只有在真空环境内才能正常工作。由此可见一旦电真空器件的内部真空变坏了，必然导致器件性能的改变，甚至完全失效。
电真空器件在制作过程中需要一道真空加工工序———排气，是在不断抽气情况下对器件进行各种烘烤除气、高频加热除气或者电子轰击除气等，使得内部气体被抽除，达到一定的真空度。排气结束将电真空器件从排气设备上进行密封分离，现在排气管一般采取金属排气管，密封分离时利用冷压焊接，采用液压钳或者手钳将金属排气管产生强烈塑性变形而形成真空密封的接头，从而将器件密封且与排气设备分离。
目前在电真空器件中，主要利用无氧铜排气管的冷压焊接对器件进行密封分离。无氧铜排气管冷压焊接具有以下特点：
(1)封接接头无热影响区和软化区，焊接质量稳定;
(2)封离的设备和进行的工艺操作简单;
(3)封离金属排气管可以避免封离玻璃排气管熔融时产生的不必要漏气;
(4) 封离时较大的焊接压力，焊件变形大，焊接可靠性好。
封离无氧铜排气管时，薄壁细排气管一般用手夹钳，厚壁粗排气管一般用液压夹钳。冷轧焊封离后，真空器件排气管处的封离端要进行保护，一般采用浸锡保护。图1 为封离用夹钳钳口及封离后排气管的封离端的断面图。
图1 夹钳钳口及排气管的封离端的断面图(左图为手夹钳、右图为液压钳)
在电真空器件的制造中，对封离的可靠性要求很高，封离的质量好坏直接决定着器件的真空性能，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为若封离可靠性差将会导致电真空器件漏气，内部真空度变坏，将会严重影响器件的特性，残余气体太多，会影响电参数的变化：栅流过大、特性蠕动、噪声增大、阴极发射电流不良或不稳、输出功率下降、管内打火频繁、电击穿、管内气压增高、管内不能正常工作或失效等。
无氧铜排气管冷压焊接的真空可靠性的好坏是电真空器件能否保持真空度的最基本保证，因而冷压焊接是电真空器件制造中可靠性要求最高的环节。本文从无氧铜排气管的材料、表面处理、冷压钳刀口形状等几方面对冷压焊接真空可靠性的影响进行试验分析，得出高可靠冷压焊接的条件。
1、无氧铜排气管材料
排气管是在电真空器件制作过程中为连接电真空器件和排气设备的过渡结构，一端焊接在电真空器件中，另一端在排气时固定在排气设备中。电真空器件在排气时需要烘烤除气，要求排气管材料需要耐500 ℃的高温;排气后还需要进行冷压焊进行密封分离，要求排气管材料具有一定的塑性。常选用耐高温和具有塑性的铜作为排气管材料。铜排气管在焊接过程中，有时会在氢气环境中进行钎焊，纯铜材料内含氧量较高会产生氢病，导致材料漏气。为避免铜排气管的漏气，常采用含氧量低于0.003%的无氧铜材料作为排气管。无氧铜材料和纯铜材料除含氧量不同，外形颜色等特征均相同，难以区别，为防止在使用时混淆，误将纯铜管当做无氧铜管使用，在每批次材料焊接使用前需进行试验验证其材料的气密性，确认材料的真空性能。
确定无氧铜管材料后，我们进行两组试验，一组是将无氧铜管直接进行冷压焊接，另一组将无氧铜管进行退火处理后再进行冷压焊接，然观察其密封面和检测气密性。直接进行冷压焊接的，焊接后发现在铜管中间有一明显缝隙，漏缝太大真空检漏仪没法进行检漏。经过退火处理的铜管进行冷压焊接后发现密封面端面良好，检漏仪检漏不漏气。可以说明退火处理使得无氧铜材料性能变软，能够保证冷压焊接的真空可靠性。
图2 为冷压焊接试验后刀口表面的放大图。
图2 无氧铜冷压焊接表面(左图为未退火，右图为退火后)
2、无氧铜排气管表面处理
冷压焊接挤压无氧铜排气管时，将排管端面从圆形变形至锥状的真空密封状态，排管壁厚变形为80%~86%，密封状态为冷压金属接近到了原子间距(4~6×10-8 cm)，由原子的扩散而形成气密性焊接，以达到真空密封，夹断排气管，因此冷压焊接前表面清洁度与冷压焊接的可靠性关系很大。无氧铜排管冷压焊接前的表面质量如油膜、水膜及其他有机杂质在冷挤压时会延展成微小的薄膜，存在于挤压的结合密封面，影响压焊的真空气密性。
无氧铜排气管在空气中暴露长时间后表面会形成氧化物，还有可能在排气后的工序中形成表面机械划伤、表面油污等，这些在冷压焊接时都影响焊接质量和可靠性，使得冷压焊接面形成开口缝、明显细缝和表面裂纹等缺陷，影响其焊接气密性。图3 为未进行表面处理的冷压焊接表面缺陷图，左图为密封刀口中间段开裂导致漏气，中图和右图为密封侧面上存在细小裂纹导致漏气。
图3 未进行表面处理的冷压焊接表面缺陷图
这里进行冷压焊接试验得到数据，表面未进行任何处理的冷压焊接无氧铜管真空气密不漏气的比率为23%，可靠性能很差，不能满足电真空器件的可靠性要求。若在焊接前进行表面处理，一般采用细砂纸打磨无氧铜表面，用压缩空气吹净其表面，然后采用白棉布蘸酒精擦拭无氧铜表面，使其表面呈金属光亮色，表面处理后进行冷压焊接，未发现一例真空漏气现象，真空可靠性良好。由此可见进行表面处理能够提高冷压焊接的真空气密可靠性。
3、冷压钳刀口形状
冷压焊接挤压无氧铜排气管时，采用冷封钳将排气管从圆形变形至锥状刀口，使得排气管两端呈真空密封状态。手压钳因每次进行焊接时用力的状态不同导致焊接的状态不易控制，目前的冷压焊接均采用液压钳进行封离，如图1 中右图所示。冷封钳的刀口为锥状刀口，尖端为圆弧状，在封离时两片冷压钳刀口在液压的驱动下逐渐接近，最后刀口的尖端接触在一起，将排气管夹断，达到冷压焊接的目的。这样在冷压焊接时使得排气管变形(从圆形到锥状刀口)的角度由冷压钳刀口形状决定。图4 为冷压钳刀口示意图。
图4 冷压钳刀口示意图
冷压钳刀口的尖端如图4 所示，一般称为刀头，为圆弧状，挤压接触后液压钳上下两片刀头能够完全接触，已达到将排气管密封分离的目的。若挤压后刀头平面一侧能够接触另一侧存在缝隙，需要调整刀头的装配和对刀头面进行修配，不然挤压后排气管会存在一侧剪断而另一侧还存在一定的厚度现象，易导致漏气。冷压钳刀头到刀口均匀厚度区，一般存在一定的倾角，如图4 所示，倾角分为两种角度，一种角度为a 大约在90°左右，另一种角度为b 大约在60°左右，试验采用这两种角度的冷压钳刀口进行冷压焊接，对一定直径d 的排气管进行密封分离，排气管的厚度为0.15 d，冷压焊接后，排气管焊接端面呈现一新挤压后的刀口面，在刀口的后端有一段变形一定角度的排气管无损伤斜面，同时刀口前段的宽度大于排气管的直径d。我们这里称在排气管上挤压刀口出现新鲜挤压面处的厚度为刀口接触面厚度，刀口前段最大宽度为刀口的宽度，自刀口接触面到刀口前段的距离为刀口的长度。进行两组角度不同冷压钳的试验后测量以上数据，并检查焊接的真空气密性。表1 为不同角度刀口冷压焊接后排气管刀口的数据。
表1 不同角度刀口冷压焊接后排气管刀口的数据表
分析表1 数据，刀口接触面厚度均为0.7 d、刀口的宽度均为1.3 d，这些数据和刀口的角度无关，仅和试验用的排气管材料的厚度有关。而刀口的长度在角度a 状态下为0.5 d、在角度b 状态下位0.9 d，角度小的刀口长度变长。同时我们对试验后真空气密性进行检查，角度a 的真空气密不漏气的比率为85%、角度b 的真空气密不漏气的比率为98%，可见两种角度的真空可靠性都很好，刀口角度小点的真空可靠性更好。因此我们采用刀口角度小(60°左右)的冷压焊刀口，同时考虑到刀口接触面厚度前排气管有一定的变形，我们在进行冷压焊接时，焊接位置前1.5 d 长度范围内需无别的焊接面。经以上对冷压焊接真空可靠性的影响条件进行试验分析，焊接前需要对无氧铜排气管进行退火处理、进行表面处理同时采用刀口倾角小的液压钳刀口均可以提高冷压焊接的可靠性。
