針對(duì)陰極組件在組裝過(guò)程中出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，利用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)呈現(xiàn)出不同程度開(kāi)裂和變形的鉬支撐筒進(jìn)行了微觀對(duì)比分析，找出了鉬支撐筒開(kāi)裂和變形問(wèn)題的原因。結(jié)果表明：對(duì)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(jié)構(gòu)的陰極，搭接結(jié)構(gòu)的鉬筒在焊接過(guò)程易變形;焊接處采用搭接結(jié)構(gòu)且經(jīng)激光焊接后的鉬筒開(kāi)裂現(xiàn)象較為嚴(yán)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(jì)七十年代以來(lái)，國(guó)外許多著名的行波管制造廠商及研究機(jī)構(gòu)(如Thomson.CSF，NASA，Hughes，NTT，NEC，ESA，1STOK 等)對(duì)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，從微觀角度對(duì)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(bào)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(jié)，但是焊接后變形的鉬筒會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)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(xù)的陰極組件裝配過(guò)程中出現(xiàn)大量陰極筒脫落現(xiàn)象，直接導(dǎo)致陰極失效，如果在使用過(guò)程中出現(xiàn)陰極筒脫落，則直接使整個(gè)行波管報(bào)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(xiàn)脫落現(xiàn)象，針對(duì)此問(wèn)題，本工作借助SEM 對(duì)采用不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及不同焊接方式的陰極進(jìn)行微觀對(duì)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(yù)防措施。

1、樣品與實(shí)驗(yàn)儀器

　　樣品分為4 批次，A 批次焊接處設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)但采用激光焊接;C 批次樣品為搭接結(jié)構(gòu)(圖1)，采用電子束焊接;D 批次樣品為搭接結(jié)構(gòu)且焊接處用激光焊接。環(huán)形結(jié)構(gòu)為鉬支撐筒與鎢海綿體焊接處成環(huán)形，搭接結(jié)構(gòu)為鉬支撐筒搭接在鎢海綿體上再焊接而成。

　　實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)的陰極結(jié)構(gòu)圖

2、分析結(jié)果與討論

2.1、不同樣品的微觀形貌對(duì)比分析

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

圖2 焊接處為環(huán)形結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，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(duì)比圖2 中圖A 和圖B 可知，都為焊接處為環(huán)形結(jié)構(gòu)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(xiàn)象。對(duì)比圖A 和圖C 可知，通過(guò)不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的陰極焊接處都采用電子束焊接后出現(xiàn)不同現(xiàn)象，其中采用環(huán)形結(jié)構(gòu)的鉬筒與鎢海綿體焊接較好，而采用搭接結(jié)構(gòu)的鉬筒變形。圖D 與圖A、B 和C 對(duì)比表明，結(jié)構(gòu)為搭接的陰極筒在激光焊接過(guò)程中出現(xiàn)較嚴(yán)重的鉬筒開(kāi)裂現(xiàn)象。

2.2、鉬支撐筒開(kāi)裂和變形的原因分析

　　機(jī)械加工產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力達(dá)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兩者孰強(qiáng)孰弱。研究表明，氧含量大于0.008%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(dá)到0.010%時(shí)，生成碳化鉬在晶界上，使鉬的塑- 脆性轉(zhuǎn)變加強(qiáng)，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(hù)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(yīng)，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(qiáng)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(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，而圖A 和C 中的鉬未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(yīng)力分布不均勻，增加的拉力容易導(dǎo)致其變形。

　　在退火過(guò)程中，陰極組件在真空爐內(nèi)熱處理去氣。采用環(huán)形結(jié)構(gòu)的鉬筒，當(dāng)焊接結(jié)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(qū)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(qiáng)容易導(dǎo)致鉬變形，如圖C 所示。如果拉力超過(guò)了鉬的強(qiáng)度，則會(huì)造成鉬筒開(kāi)裂。

3、結(jié)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(yīng)，生成物沿晶界分布，使晶界強(qiáng)度降低，脆性增強(qiáng)所致。因此，鎢和鉬金屬在焊接過(guò)程中應(yīng)該采用電子束焊接或在有保護(hù)的情況下用激光進(jìn)行焊接。

　　鉬筒變形的原因?yàn)殂f筒在采用搭接結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單、均勻、截面對(duì)稱，應(yīng)盡量采用環(huán)形結(jié)構(gòu)而不是部分搭接，避免設(shè)計(jì)出薄壁和厚壁相連且厚度懸殊的零件。