一種新型超高真空冷壓焊接鉗的設計

馬法杰

摘要：冷壓焊接技術是真空獲得過程中真空封離的關鍵性環(huán)節(jié)，真空封離的成功與否直接決定著真空度的好壞，冷壓鉗又是真空封離的關鍵工具，所以冷壓鉗的可靠性直接決定著封離后真空可靠性，本文在目前冷壓鉗的發(fā)展基礎上，設計了一款針對狹小空間，靈活操作，封離可靠的冷壓鉗。

Abstract： The cold press welding technology is the key link of vacuum sealing in the process of vacuum obtaining. The success of vacuum sealing directly determines the vacuum degree， the cold press clamp is the key tool of vacuum sealing， so the reliability of the cold press clamp directly determines the reliability of vacuum after sealing. Based on the development of the cold press clamp at present， this paper designs a kind of reliable cold press clamp that can be flexibly operated in a narrow space.

關鍵詞：冷壓焊接;無氧銅管;超高真空

Key words： cold pressure welding;oxygen free copper tube;ultra-high vacuum

0? 引言

在電真空器件的制造中，超高真空的獲得是一切電真空器件穩(wěn)定工作的前提，新鴻電子有限公司生產(chǎn)的多點分布式冷陰極X射線管，對真空度的要求更高，最終剪管真空度一般控制在1.0E-11torr（≈1.33E-9Pa），這樣的真空度對封離工具提出了更高的要求，另外，X射線管設計緊湊，剪管空間有限，對封離工具的體積要求更小，壓力更大，可靠性更高。

1? 真空封離原理

在真空封離環(huán)節(jié)，通常選用一定塑性，可耐一定高溫的材質，作為真空封離材料，電真空器件通常選用的是無氧銅排氣管，無氧銅具有良好的導電率，加工性能、焊接性能、耐蝕性能和低溫性能均好，一般情況下無氧銅排氣管一端釬焊可伐環(huán)（用來連接真空腔體），一端釬焊CF法蘭（用來排氣連接），真空釬焊環(huán)境一般是在氫氣環(huán)境中進行，無氧銅材質含氧量越低，越能最大可能的降低氫脆現(xiàn)象，避免漏氣風險，通常會選用TU1無氧銅，即含氧量低于0.002%的無氧銅材質。

無氧銅管在冷壓焊接的之前必須經(jīng)過退火處理，退火處理可進一步軟化銅材質，從而保證真空冷壓焊接的真空可靠性。

在真空封離的過程中，冷壓鉗在無氧銅管外側施加集中的載荷壓力，通過材料的物理接觸使待焊工件產(chǎn)生大的變形，在變形時，表面的氧化膜破裂，接頭表面區(qū)域是擠壓碎化的細晶結構，碎化的細晶結構在界面處相互咬合增加了相焊金屬間物理接觸面積，行成的碎化細晶之間晶間結合，從而形成了無氧銅結合面對接冷壓焊接。

2? 狹小空間冷壓鉗設計

新鴻電子有限公司設計生產(chǎn)的靜態(tài)多點分布式冷陰極射線管體積小，結構緊湊，排氣銅管口徑大，給冷壓鉗預留的操作空間有限，故冷壓鉗的設計，特別是刀頭的設計上要求體積小，集中壓力大，可靠穩(wěn)定。冷壓鉗一般由刀頭，手動或電動泵，壓力表組成，根據(jù)刀頭形式可分為兩種，一種是剪刀式，一種是平口式，根據(jù)壓力控制方式可以分為手動式，電動式兩種：

通常對于大口徑銅管的剪切方式，一種是采用的剪刀式刀頭如圖1所示，液壓剪刀頭的頭部是兩個圓柱銷，圓柱銷在槽內可自由滾動，液壓剪刀頭結構通過油泵壓力持續(xù)加大，將剪刀頭壓緊，圓柱銷接觸銅管后，通過持續(xù)集中的壓力，從一開始的面接觸至最后的線接觸，通過圓柱面對銅管的擠壓力，迫使銅管向擠壓兩側發(fā)力，兩個圓柱銷接觸即剪斷;另外一種是采用平口鉗方式，如圖2所示，平口鉗刀口形狀，這種冷壓鉗由于體積小，操作空間小，剪切力巨大，密封效果好。

3? 平口鉗方案設計

考慮到新鴻電子X射線管結構緊湊，銅管口徑大（DN18mm），壁厚后（2-3mm），選擇目前可靠性高的平口鉗方案設計，冷壓鉗動力源采用手動液壓泵，最高壓力70MPa，所有密封件及油管部件耐壓選用均超過100MPa，頭部運動機構采用高壓小油缸結構形式。

冷壓鉗刀頭采用一動一靜兩片結構形式，刀片分為剪切區(qū)、剝離區(qū)、分離刃、冷焊區(qū)四個部分，刀頭材質為Cr12MoV，加工完畢后經(jīng)過高溫淬火，刀頭位置經(jīng)過氮化處理，提高接觸面硬度，通常刀刃硬度達到HRC60-62。

手動泵由泵體、手柄、儲油管、工作缸組成，手動液壓泵工作原理：凸輪由手柄帶動旋轉。當凸輪推動柱塞向上運動時，柱塞和缸體形成的密封體積減小，油液從密封體積中擠出，經(jīng)單向閥排到需要的地方去。當凸輪旋轉至曲線的下降部位時，彈簧迫使柱塞向下，形成一定真空度，油箱中的油液在大氣壓力的作用下進入密封容積。凸輪使柱塞不斷地升降，密封容積周期性地減小和增大，泵就不斷吸油和排油。

4? 結論

通過上百次的測試結果，并在Phoenix L300i氦質譜檢漏儀上進行檢漏測試，在漏率1.0E-12mbar.L/s漏率下進行檢漏測試，平口鉗式冷壓鉗排氣無氧銅管真空側密封效果達到了100%的成功率。在X射線管正常工作期，未發(fā)現(xiàn)一例封接處漏氣現(xiàn)象發(fā)生。并且真空封離的過程比較干脆，銅管可自由脫離，不會產(chǎn)生黏連現(xiàn)象，目前已正式投入生產(chǎn)。

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