許 沙，宋芳芳 ，陳可娟，呂東亞，王嚴(yán)梅

(1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州510640;2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所電子元器件可靠性物理及應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510610;3.北京真空電子技術(shù)研究所，北京100015)

真空電子器件是當(dāng)代國(guó)防裝備和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門都在使用的一類重要的電子器件之一，行波管是國(guó)防裝備中使用非常廣泛的一類微波真空電子器件［1］。電子器件的壽命和可靠性與溫度的密切相關(guān)，行波管中收集極的作用是收集和電磁場(chǎng)交換完能量的電子，并將電子注剩余能量轉(zhuǎn)化為熱量傳遞出去，收集極正是在高速電子的轟擊下而發(fā)熱，所以收集極是行波管發(fā)熱最為嚴(yán)重的部件之一，其最高溫度可以高達(dá)幾百度［2］。行波管長(zhǎng)期過熱工作時(shí)，收集極和螺旋線等部位會(huì)釋放氣體，降低行波管的真空度，引起行波管打火或陰極受損甚至導(dǎo)致失效［3-4］。

隨著技術(shù)的發(fā)展，各種大型的有限元分析軟件如ANSYS軟件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于行波管整管和各電子器件的熱分析［5-12］，但是國(guó)內(nèi)外對(duì)行波管收集極散熱分析的相關(guān)報(bào)道較少。文獻(xiàn)［7-8］介紹了不同熱加載方式對(duì)收集極溫度分布的影響，并計(jì)算了不同散熱條件下收集極的熱耗散功率。文獻(xiàn)［9-11］介紹了空間行波管散熱情況，以及考慮接觸熱阻情況下的收集極的散熱情況并在結(jié)構(gòu)上提出了修改方案。而針對(duì)收集極與底座之間的焊接缺陷造成的收集極散熱不良的影響研究，國(guó)內(nèi)外相關(guān)論述較少。在工作狀態(tài)下，由于收集極焊接缺陷造成的散熱不良而導(dǎo)致行波管失效的問題也是目前國(guó)內(nèi)行波管研制生產(chǎn)廠家急需解決的問題之一。

本文利用有限元軟件分析比較了收集極與底座在焊接理想的情況下不同加載方式下收集極溫度分布情況。同時(shí)，在靜態(tài)加載這種較極限的情況下分析焊接區(qū)域不足和焊接接觸區(qū)域不均兩種主要焊接缺陷對(duì)收集極溫度分布的影響，通過分析得到了較合理的焊接區(qū)域面積和焊接接觸位置，為行波管收集極的焊接工藝過程控制及改進(jìn)提供有效的參考和指導(dǎo)。

1 不同熱邊界條件的比較計(jì)算

1.1 有限元模型的建立

該收集極采用的是底板水冷，其組件有內(nèi)收集極、外收集極、收集極堵、連接筒、連接環(huán)、收集極瓷筒、襯筒、底座等。為了更好的接近實(shí)際情況，在收集極和底座之間填充一層厚度為0.1 mm的焊錫層，三維實(shí)體模型如圖1所示。

圖1 行波管收集極三維實(shí)體模型

1.2 邊界條件的確定

電子注經(jīng)過慢波結(jié)構(gòu)進(jìn)入到收集極時(shí)開始自由發(fā)散，在加輸入信號(hào)和不加輸入信號(hào)兩種情況下，由于電子注自身能量的不同，其發(fā)散情況也不同。當(dāng)不加輸入信號(hào)時(shí)，電子注經(jīng)過慢波結(jié)構(gòu)時(shí)沒有與電磁波進(jìn)行能量交換，電子注的動(dòng)能較大，絕大部分電子撞擊在收集的內(nèi)表面的后半段和收集極堵上，此時(shí)根據(jù)電子束軌跡和能量分布以不同比例平均加載在內(nèi)收集極后半段和收集極堵上，這種加載稱為靜態(tài)加載。當(dāng)加入輸入信號(hào)時(shí)，電子注與電磁波進(jìn)行能量交換，使得電子注能量減少，此時(shí)能量均勻加載在內(nèi)收集極內(nèi)表面，這種加載稱為動(dòng)態(tài)加載。

本文研究的行波管收集極冷卻形式是底板水冷，確定收集極底板的溫度邊界條件可以簡(jiǎn)化模型和模擬計(jì)算時(shí)的邊界條件。對(duì)行波管收集極水冷系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)溫試驗(yàn)，測(cè)得6只管底板的平均溫度為42.83℃，考慮到測(cè)量誤差等綜合因素，不妨取底板加載溫度為恒溫45℃。

1.3 不同加載方式下的計(jì)算結(jié)果

在焊接情況很好的情況下，不同的加載方式的計(jì)算結(jié)果如圖2和圖3所示。從圖中可以看出，不同的加載方式下，其溫度分布存在較大的差別。采用動(dòng)態(tài)加載時(shí)，收集極最高溫度為170.99℃，最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)在內(nèi)收集靠近電子注進(jìn)口位置，而靜態(tài)加載時(shí)，收集最高溫度為306.2℃，最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)在收集極堵上，兩種加載方式的最高溫度在數(shù)值和分布上都存在著很大的差別。靜態(tài)加載時(shí)收集極內(nèi)部溫度較高，其工作環(huán)境較動(dòng)態(tài)加載時(shí)惡劣，同時(shí)，靜態(tài)加載是在行波管調(diào)試過程中的加載方式，也是動(dòng)態(tài)加載時(shí)的極限情況。因此在對(duì)收集極進(jìn)行熱分析時(shí)，首先要分析靜態(tài)加載情況，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)保證靜態(tài)加載的溫度分布處于合理安全范圍內(nèi)，這樣才能確保行波管在正常工作狀態(tài)時(shí)收集極的溫度分布處于安全范圍。

圖2 動(dòng)態(tài)加載時(shí)溫度分布

圖3 靜態(tài)加載時(shí)溫度分布情況

2 焊接收集極的溫度分布計(jì)算

通過分析多只行波管的收集極與底座的焊接情況(見圖4)，發(fā)現(xiàn)收集極與底座在焊接過程中存在焊接接觸面積不足和焊接接觸區(qū)域不均勻兩種主要的焊接缺陷。

在靜態(tài)加載的情況下，模擬計(jì)算行波管收集極與底座在4種焊接接觸面積(底座與焊錫層的接觸區(qū)域見圖5所示)下收集極溫度分布情況，收集極最高溫度、標(biāo)記1處的溫度、標(biāo)記2處的溫度和焊錫層最高溫度，見下表1所示。

圖4 收集極與底座的實(shí)際焊接接觸圖

圖5 底座與焊錫層接觸區(qū)域

表1 靜態(tài)加載情況下模擬結(jié)果 單位:℃

取6只某型號(hào)的行波管開展靜態(tài)加載下的測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，測(cè)得標(biāo)記1處的平均溫度值為103℃，標(biāo)記2處的平均溫度值為53.67℃，實(shí)際的焊接接觸情況只有45% ～50%左右，比較實(shí)驗(yàn)值與表1中編號(hào)3的計(jì)算結(jié)果，考慮到實(shí)驗(yàn)誤差，可以得出模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本上吻合，這說明所用模型和仿真計(jì)算方法是正確合理的。

從模擬結(jié)果可以看出:(1)隨著收集極與底座的焊接接觸面積減小(即焊接缺陷的加大)，收集極最高溫度、標(biāo)記1處溫度以及焊錫層最高溫度都在增大，只有標(biāo)記2處溫度趨于減小，說明隨著焊接區(qū)面積的減少，收集極的散熱能力在逐漸降低，導(dǎo)致收集極溫度逐漸升高，焊接區(qū)面積的大小對(duì)收集極散熱性存在一定的影響。(2)從收集最高溫度、焊錫層最高溫度與焊接區(qū)面積大小的關(guān)系曲線(見圖6)可以看出收集極和焊錫層在不同焊接情況下的最高溫度變化趨勢(shì)是一致的，即在焊接情況較好之前，兩者的溫度變化都不是很大，但是當(dāng)接觸區(qū)域小于75%，兩者的溫度都呈直線上升，焊接區(qū)域大小對(duì)收集極和焊錫層的溫升影響較大。

由于焊錫層是采用的是錫釬焊料，其熔點(diǎn)為183℃［13］。當(dāng)焊錫層的最高溫度較高時(shí)，會(huì)增加焊錫的流動(dòng)性，影響其機(jī)械性能，特別是在機(jī)載行波管中，行波管工作的環(huán)境惡劣，要承受強(qiáng)烈的振動(dòng)。因此，為保證行波管收集極更好的工作，焊錫層的最高溫度應(yīng)控制在160℃以下。本次模擬計(jì)算中對(duì)焊錫層采用的是整體建模，并且在建模過程中去掉了與焊錫層接觸的收集極上蓋，且焊錫層未與大氣進(jìn)行熱交換，所以模擬計(jì)算結(jié)果比實(shí)際情況稍高，考慮到該因素，為使收集極有足夠的焊接強(qiáng)度和散熱性，在焊接工藝過程中，需保證收集極與底座至少應(yīng)有50%以上的區(qū)域焊接接觸。

圖6 不同焊接情況下收集極和焊錫層最高溫度

3 不同焊接部位對(duì)收集極溫度的影響

研究發(fā)現(xiàn)除了焊接接觸區(qū)域不足等焊接缺陷對(duì)收集極的散熱性存在影響外，焊接接觸區(qū)域分布不均對(duì)收集極的散熱性也存在影響，因?yàn)楹附訁^(qū)域不均會(huì)直接影響收集極熱耗散路徑。本文以焊接情況較差(接觸區(qū)比例為50%)和焊接情況很差(接觸區(qū)比例為25%)這兩種情況為例，分別分析了收集極與底座只有側(cè)邊區(qū)域接觸、只有底邊區(qū)域接觸和側(cè)邊底邊區(qū)域均接觸3種情況，模擬計(jì)算的結(jié)果見表2所示。

表2 不同接觸區(qū)位置對(duì)收集極最高溫度的影響

對(duì)比兩種分析結(jié)果可看出底座凹槽的側(cè)邊和底邊兩個(gè)接觸位置對(duì)收集極最高溫度的影響是不同的，只有底邊接觸時(shí)收集極最高溫度比只有側(cè)邊接觸時(shí)收集極最高溫度要高，側(cè)邊和底邊都有接觸時(shí)收集極的最高溫度最小。這說明底座側(cè)邊相對(duì)底座底邊有利于收集極散熱，底邊和側(cè)邊都有接觸時(shí)，收集極導(dǎo)熱性最好。因此，在實(shí)際焊接過程中，除了要保證接觸區(qū)域的比例至少在50%以上外，同時(shí)還要避免焊接接觸區(qū)域不均勻，應(yīng)保證底座凹槽的側(cè)邊和底邊與收集極都要焊接上。

4 結(jié)論

本文首先分析了行波管收集極在兩種不同加載方式下的溫度分布情況，分析發(fā)現(xiàn)靜態(tài)加載是收集極內(nèi)部溫升較惡劣的情況。其次進(jìn)一步分析了在靜態(tài)加載條件下，不同焊接面積和不同焊接位置這兩種情況下的收集極的溫度分布，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。從仿真計(jì)算結(jié)果可以得出為了減小因焊接面積不足和焊接面積分布不均等缺陷造成的行波管收集極失效，在行波管研制過程中，用錫釬焊料焊接收集極與底座時(shí)，要保證收集極與底座至少有50%以上焊接接觸面積，同時(shí)還要注意控制底座凹槽的側(cè)邊和底邊與收集極都要有接觸，這樣才能使收集極在靜態(tài)加載時(shí)的溫度分布在合適的安全范圍內(nèi)，從而使行波管工作時(shí)收集極結(jié)構(gòu)的散熱和焊錫強(qiáng)度能滿足使用要求，保證行波管正常有效的工作。分析結(jié)果為行波管設(shè)計(jì)人員開展收集極散熱設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步開展收集極結(jié)構(gòu)的散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)和焊接工藝控制。

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