行波管用陰極鉬支撐筒開(kāi)裂和變形原因分析

　　針對陰極組件在組裝過(guò)程中出現脫落現象，利用掃描電子顯微鏡(SEM)對呈現出不同程度開(kāi)裂和變形的鉬支撐筒進(jìn)行了微觀(guān)對比分析，找出了鉬支撐筒開(kāi)裂和變形問(wèn)題的原因。結果表明：對比焊接處采用電子束焊接方式，經(jīng)激光焊接的鉬筒易開(kāi)裂;相比焊接處采用環(huán)形結構的陰極，搭接結構的鉬筒在焊接過(guò)程易變形;焊接處采用搭接結構且經(jīng)激光焊接后的鉬筒開(kāi)裂現象較為嚴重。

　　陰極是行波管的“心臟”部件，其性能的好壞直接影響行波管的工作特性和使用壽命，自上個(gè)世紀七十年代以來(lái)，國外許多著(zhù)名的行波管制造廠(chǎng)商及研究機構(如Thomson.CSF，NASA，Hughes，NTT，NEC，ESA，1STOK 等)對陰極性能開(kāi)展了大量深入的研究，在高性能陰極制備方面發(fā)展了許多新技術(shù)和提出了許多方法。但在實(shí)際工藝過(guò)程中，從微觀(guān)角度對陰極制造過(guò)程中質(zhì)量缺陷的原因進(jìn)行探討，這方面的報道還很少。

　　鎢鋇陰極由鎢海綿體和鉬支撐筒焊接而成，焊接是整個(gè)陰極制造過(guò)程中一個(gè)重要環(huán)節，但是焊接后變形的鉬筒會(huì )影響整個(gè)結構的制造精度和使用性能，而焊接后開(kāi)裂的鉬支撐筒在后續的陰極組件裝配過(guò)程中出現大量陰極筒脫落現象，直接導致陰極失效，如果在使用過(guò)程中出現陰極筒脫落，則直接使整個(gè)行波管報廢，使行波管壽命降低。某批次陰極組件在裝配過(guò)程中出現脫落現象，針對此問(wèn)題，本工作借助SEM 對采用不同設計結構及不同焊接方式的陰極進(jìn)行微觀(guān)對比分析，試圖找出鉬筒開(kāi)裂和變形的原因，并提出了改善和預防措施。

1、樣品與實(shí)驗儀器

　　樣品分為4 批次，A 批次焊接處設計結構為環(huán)形(圖1)，采用電子束焊接;B 批次樣品焊接處為環(huán)形結構但采用激光焊接;C 批次樣品為搭接結構(圖1)，采用電子束焊接;D 批次樣品為搭接結構且焊接處用激光焊接。環(huán)形結構為鉬支撐筒與鎢海綿體焊接處成環(huán)形，搭接結構為鉬支撐筒搭接在鎢海綿體上再焊接而成。

　　實(shí)驗儀器為日本電子JSM- 6490LV 型掃描電子顯微鏡(SEM)，SEM 的工作電壓為20 kV，工作距離為10 mm。

圖1 焊接處為環(huán)形(左)和搭接(右)結構的陰極結構圖

2、分析結果與討論

2.1、不同樣品的微觀(guān)形貌對比分析

　　把4 種不同批次的樣品放在SEM 下觀(guān)察，其表面形貌圖如圖2 和3 所示。圖A 中鎢和鉬的熔合區較深，且無(wú)變形及開(kāi)裂現象，焊接較好;圖B 中的熔合區較淺，且出現鉬筒開(kāi)裂現象;圖C中的熔合區較深但鉬筒變形;圖D 中的熔合區較淺，鉬筒開(kāi)裂現象較為嚴重。

圖2 焊接處為環(huán)形結構，采用電子束焊接(A)和激光焊接(B)的陰極焊接處SEM形貌圖

圖3 焊接處為搭接結構，采用電子束焊接(C)和激光焊接(D)的陰極焊接處SEM形貌圖

　　對比圖2 中圖A 和圖B 可知，都為焊接處為環(huán)形結構的陰極筒，采用電子束焊接的鉬和鎢融合較好，而采用激光焊接的鉬筒有開(kāi)裂現象。對比圖A 和圖C 可知，通過(guò)不同結構設計的陰極焊接處都采用電子束焊接后出現不同現象，其中采用環(huán)形結構的鉬筒與鎢海綿體焊接較好，而采用搭接結構的鉬筒變形。圖D 與圖A、B 和C 對比表明，結構為搭接的陰極筒在激光焊接過(guò)程中出現較嚴重的鉬筒開(kāi)裂現象。

2.2、鉬支撐筒開(kāi)裂和變形的原因分析

　　機械加工產(chǎn)生內應力達到一定程度時(shí)，有兩種釋放方式：變形和斷裂，其取決于塑性和脆性?xún)烧呤霃娛肴�。研究表明，氧含量大�?.008%時(shí)，生成鉬的氧化物，沿晶界分布，阻礙滑移面的滑移，產(chǎn)生脆性斷裂。氮含量大于0.008%時(shí)，生成鉬的氮化物，沿晶界分布，影響加工。碳含量達到0.010%時(shí)，生成碳化鉬在晶界上，使鉬的塑- 脆性轉變加強，沿晶界脆斷的幾率增大。

　　經(jīng)過(guò)電子束焊接后的鉬筒較好而激光焊接后的鉬筒開(kāi)裂是由于電子束焊接是在高真空環(huán)境的保護下進(jìn)行，而激光焊接在大氣環(huán)境條件下進(jìn)行。在激光焊接過(guò)程中，由于空氣中存在氧、氮和碳與金屬鉬發(fā)生反應，生成的碳化物、氧化物、氮化物沿晶界分布，這既阻礙滑移面滑移而降低塑性，又降低晶界強度，容易從晶界處斷裂。因此，圖B 和D 中的鉬筒在激光焊接后出現開(kāi)裂現象，而圖A 和C 中的鉬未出現開(kāi)裂現象。在焊接過(guò)程中，由于高度集中的瞬時(shí)熱輸入，使得焊縫極其附近金屬(鎢和鉬)在不均勻的加熱和冷卻情況下產(chǎn)生非均勻的膨脹和收縮。因此，采用搭接結構的鎢海綿體和鉬筒的截面尺寸分布不均勻，會(huì )使其不能均勻受熱和散熱，從而使應力分布不均勻，增加的拉力容易導致其變形。

　　在退火過(guò)程中，陰極組件在真空爐內熱處理去氣。采用環(huán)形結構的鉬筒，當焊接結束時(shí)，盡管焊縫處在不同時(shí)刻加熱，但因焊接時(shí)間短，焊縫各處的溫差小，因此焊縫處的溫度與其它區域處于高溫，整個(gè)焊縫可以看作是整體冷卻，相互之間的收縮制約作用小，垂直于焊縫的各個(gè)截面的冷卻收縮效果基本一致，如圖A 所示。因此，采用環(huán)形結構的陰極垂直于焊縫的兩個(gè)截面組成的焊接處熔深圖形趨近于半圓，焊接較好。而焊接處采用搭接結構的鎢海綿體和鉬筒的截面尺寸分布不均勻，陰極薄壁的鉬筒先冷卻，其拉力增強容易導致鉬變形，如圖C 所示。如果拉力超過(guò)了鉬的強度，則會(huì )造成鉬筒開(kāi)裂。

3、結論

　　鉬支撐筒開(kāi)裂的原因是由于在激光焊接過(guò)程中，高溫條件下鉬和空氣中存在的氧、氮和碳發(fā)生反應，生成物沿晶界分布，使晶界強度降低，脆性增強所致。因此，鎢和鉬金屬在焊接過(guò)程中應該采用電子束焊接或在有保護的情況下用激光進(jìn)行焊接。

　　鉬筒變形的原因為鉬筒在采用搭接結構在焊接過(guò)程中由于薄壁和厚壁厚度懸殊，高度集中的瞬時(shí)熱輸入導致不均勻的加熱，使得焊縫附近的鎢鉬產(chǎn)生非均勻膨脹，并且在退火過(guò)程中薄壁優(yōu)先冷卻，產(chǎn)生了拉力引起的。因此，鎢和鉬焊接處的結構設計應盡可能簡(jiǎn)單、均勻、截面對稱(chēng)，應盡量采用環(huán)形結構而不是部分搭接，避免設計出薄壁和厚壁相連且厚度懸殊的零件。