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        新能源電動(dòng)汽車用陶瓷高壓接觸器的釬焊及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2021-03-31 08:45:26萬(wàn)建,
        汽車電器 2021年3期

        萬(wàn) 建, 李 萍

        (浙江環(huán)方汽車電器有限公司, 浙江 臺(tái)州 317607)

        陶瓷高壓接觸器廣泛應(yīng)用于新能源電動(dòng)汽車、充電樁、蓄電池供電、變頻器電容預(yù)充電、直流功率控制、電路保護(hù)及其他電動(dòng)車輛(電動(dòng)叉車) 的電源開(kāi)關(guān)控制,同時(shí)廣泛用于不間斷電源等電控系統(tǒng)。陶瓷高壓接觸器的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)是采用與航天科技同等級(jí)別的真空釬焊方式將陶瓷與可伐合金焊接在一起形成封閉的腔體,內(nèi)部充入快速冷卻的氫氣混合物,有效地在短時(shí)間進(jìn)行滅??;然而電弧燃燒時(shí)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部封裝的氣體受熱膨脹,膨脹的氣體對(duì)焊接接頭部產(chǎn)生拉力,因此高強(qiáng)度的焊接接頭部非常重要,而對(duì)接頭部強(qiáng)度影響較大的主要是陶瓷與可伐合金的封裝結(jié)構(gòu),目前廣泛采用的封裝結(jié)構(gòu)有兩種:平封和立封,因此研究?jī)煞N封裝結(jié)構(gòu)的接頭部抗拉強(qiáng)度對(duì)指導(dǎo)陶瓷高壓接觸器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。本文通過(guò)陶瓷與可伐合金的兩種封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn),比較兩種結(jié)構(gòu)焊接接頭部的抗拉強(qiáng)度,為陶瓷與可伐合金的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

        1 研究條件及方法

        1.1 陶瓷的特性及金屬化

        目前在國(guó)際上,陶瓷高壓接觸器中大部分采用三元系含95%的三氧化二鋁 (Al2O3-95%) 特種陶瓷。該陶瓷采用熱壓鑄成形,經(jīng)1750℃的高溫?zé)Y(jié),具備高致密性、絕緣等級(jí)高、品質(zhì)因素高等特點(diǎn),所以在電子陶瓷中被廣泛使用。

        高溫金屬化是保證陶瓷和金屬之間進(jìn)行焊接的關(guān)鍵。將金屬粉末涂覆在陶瓷的表面,通過(guò)1530℃的高溫?zé)Y(jié),形成液相粘附在陶瓷表面的金屬膜,如圖1所示。表1為Al2O3-95%金屬粉末燒結(jié)法配方。

        圖1 金屬化后的金屬化層及陶瓷層

        1.2 陶瓷和釬焊金屬可伐(4J33) 的線性膨脹設(shè)計(jì)

        在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,隨著焊接溫度緩慢升高,陶瓷和金屬之間表現(xiàn)出來(lái)的膨脹系數(shù)是不一致的,陶瓷和金屬材料膨脹系數(shù)相差越大(表2,表3),越容易把陶瓷拉裂,這是我們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)中需要避免的。當(dāng)然,采取怎樣的方法去消除材料在高溫中的應(yīng)力也是我們需要考慮的問(wèn)題。

        表1 Al2O3-95%金屬粉末燒結(jié)法配方

        表2 Al2O3-95%材料特性參數(shù)

        表3 常用鐵磁性膨脹合金的線膨脹系數(shù)

        陶瓷與被焊接金屬在各溫度下的曲線如圖2所示。

        圖2 陶瓷與被焊接金屬在各溫度下的曲線

        1.3 平封與立封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        1) 平封:陶瓷金屬化層面與被焊接金屬面之間的封接叫平面封接,如圖3所示,陶瓷與可伐4J33焊接。平面封接又分為單面平封和雙面夾封,它們各自有自己的特點(diǎn):?jiǎn)蚊娣饨佑休^大的封接應(yīng)力,熱沖擊性差,機(jī)械強(qiáng)度低,要求陶瓷與薄壁金屬的線膨脹系數(shù)非常接近;雙面夾封可適當(dāng)減少封接應(yīng)力,可封接適配較大的陶瓷與金屬件。

        圖3 平面封接

        2) 立封:陶瓷金屬化端面與被焊接的薄壁金屬豎立結(jié)構(gòu)進(jìn)行釬焊封接,如圖4所示,上下被焊接金屬均采用立封方式進(jìn)行焊接。其特點(diǎn)是:焊接時(shí)釋放的應(yīng)力較小,機(jī)械強(qiáng)度高,對(duì)金屬的線性膨脹系數(shù)要求稍微低一點(diǎn)。薄壁的厚度較小,生產(chǎn)焊接合格率較高。

        圖4 立封

        1.4 立封和平封產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的計(jì)算

        利用上述表格中的實(shí)際線性膨脹數(shù)據(jù),我們將對(duì)產(chǎn)品在高溫中產(chǎn)生的形變進(jìn)行計(jì)算(以環(huán)方公司HFEVC-TF200/750陶瓷為例)。計(jì)算公式:形變量(Δ) =材料外形尺寸L×材料高溫膨脹系數(shù)1/K×焊接溫度T

        1.4.1 立式封接設(shè)計(jì)計(jì)算

        1) 圖5為陶瓷長(zhǎng)邊的尺寸。陶瓷長(zhǎng)邊的形變量Δ1=43×7.7×10-6×779=0.2579mm,其中,材料外形尺寸L:43mm;材料高溫膨脹系數(shù) (1/K):7.7×10-61/℃;焊接溫度T:779℃(釬料AgCu28的熔點(diǎn)溫度理論值)。

        可伐 (4J33) 長(zhǎng)邊的形變量:Δ2=45.5×8.32×10-6×779=0.2948mm,其中,材料外形尺寸L:45.5mm;材料高溫膨脹系數(shù)(1/K):8.32×10-61/℃;焊接溫度T:779℃(釬料AgCu28的熔點(diǎn)溫理論值)。

        結(jié)論:高溫下陶瓷與可伐(4J33) 長(zhǎng)邊之間的形變量很?。害?Δ2-Δ1=0.2948-0.2579=0.0369mm。

        圖5 立式封接陶瓷長(zhǎng)邊尺寸

        2) 圖6為陶瓷短邊的尺寸。陶瓷短邊的形變量Δ1 =16 ×7.7 ×10-6×779 =0.0959mm,其中材料外形尺寸L:16mm;材料高溫膨脹系數(shù) (1/K):7.7×10-61/℃; 焊 接 溫 度T:779℃(釬料AgCu28的熔點(diǎn)溫度理論值)。

        圖6 立式封接陶瓷短邊尺寸

        可伐 (4J33) 短邊的形變量Δ2=18.5×8.32×10-6×779=0.1199mm,其中,材料外形尺寸L:18.5mm;材料高溫膨脹系數(shù) (1/K):8.32×10-61/℃;焊接溫度T:779℃(釬料AgCu28的熔點(diǎn)溫度理論值)。

        結(jié)論:高溫下陶瓷與可伐(4J33) 短邊之間的形變:Δ=Δ2-Δ1=0.1199-0.0959=0.024mm。

        立式封接技術(shù)在高溫焊接中兩者之間的形變量是很小的,有效地抵消了彼此之間的抗拉力。

        1.4.2 平面封接設(shè)計(jì)計(jì)算

        1) 圖7為陶瓷長(zhǎng)邊的尺寸。陶瓷長(zhǎng)邊的形變量Δ1=43×7.7×10-6×779=0.2579mm,其中,材料外形尺寸L:43mm;材料高溫膨脹系數(shù) (1/K):7.7×10-61/℃;焊接溫度T:779℃(釬料AgCu28的熔點(diǎn)溫度理論值)。

        可伐 (4J33) 長(zhǎng)邊的形變量:Δ2=47×8.32×10-6×779=0.3046mm,其中,材料外形尺寸L:47mm;材料高溫膨脹系數(shù)(1/K):8.32×10-61/℃;焊接溫度T:779℃(釬料AgCu28的熔點(diǎn)溫度理論值)。

        結(jié)論:高溫下陶瓷與可伐 (4J33) 長(zhǎng)邊之間的形變量:Δ=Δ2-Δ1=0.3046-0.2579=0.0467mm。

        圖7 平面封接陶瓷長(zhǎng)邊尺寸

        2) 圖8為陶瓷短邊的尺寸。陶瓷短邊的形變量Δ1=16×7.7×10-6×779=0.0959mm,其中,材料外形尺寸L:16mm;材料高溫膨脹系數(shù) (1/K):7.7×10-61/℃;焊接溫度T:779℃(釬料AgCu28的熔點(diǎn)溫度理論值)。

        可伐 (4J33) 短邊的形變量:Δ2=20×8.32×10-6×779=0.1296mm,其中,材料外形尺寸L:20mm;材料高溫膨脹系數(shù) (1/K):8.32×10-61/℃;焊接溫度T:779℃ (釬料AgCu28的熔點(diǎn)溫度理論值)。

        結(jié)論:高溫下陶瓷與可伐(4J33) 短邊之間的形變:Δ=Δ2-Δ1=0.1296-0.0959=0.0337mm。

        圖8 平面封接陶瓷短邊尺寸

        相對(duì)于立式封接技術(shù),平面封接在高溫焊接中兩者之間的形變量稍微偏大一點(diǎn)。故在大多數(shù)情況下,一般均采用立封結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。但也有缺點(diǎn),對(duì)于方形沖壓被焊零件的旋切平面加工難度較大,對(duì)于圓形被焊金屬立封則完全不存在該問(wèn)題。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

        2.1 試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比(表4)

        2.2 平封與立封釬焊后的陶瓷件抗拉強(qiáng)度對(duì)比

        釬焊后的部件對(duì)氣密性和焊接強(qiáng)度的要求是真空釬焊件的重要考核指標(biāo)。陶瓷高壓接觸器在新能源電動(dòng)汽車上,由于電動(dòng)汽車在不同工況下的路面運(yùn)動(dòng)而造成的顛簸,對(duì)陶瓷高壓接觸器來(lái)說(shuō),陶瓷的焊接強(qiáng)度就是很大的考驗(yàn),故焊接后的陶瓷件的抗拉強(qiáng)度是保證釬焊件氣密性的必要條件。圖9是測(cè)試平封結(jié)構(gòu)下的陶瓷抗拉力值,大約1000N的時(shí)候,陶瓷出現(xiàn)一次裂縫,此時(shí)出現(xiàn)高壓接觸器的漏氣,一旦漏氣,產(chǎn)品就會(huì)產(chǎn)生報(bào)廢,進(jìn)而直接導(dǎo)致汽車故障。

        表4 陶瓷高壓接觸器 (陶瓷-可伐4J33) 封接后抗拉強(qiáng)度表

        而采用立封結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),陶瓷與被焊金屬之間的抗拉強(qiáng)度會(huì)大大提高,可以更加有效地保護(hù)陶瓷不被振動(dòng)造成開(kāi)裂。圖10為立封的陶瓷與被焊金屬之間的抗拉力值,所產(chǎn)生的最大破壞力值大約為平封時(shí)的2倍力值,大大提高了陶瓷的焊接強(qiáng)度。

        圖9 陶瓷抗拉力值

        3 結(jié)論

        1) 陶瓷與可伐合金采用平封結(jié)構(gòu)和立封結(jié)構(gòu),焊接后,抗拉力平均值分別為1091.6N和2555.2N,立封結(jié)構(gòu)抗拉力更大。

        2) 焊接后,平封結(jié)構(gòu)和立封結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度平均值分別為8.0×106Pa和35.5×106Pa,說(shuō)明立封結(jié)構(gòu)具有更高的抗拉強(qiáng)度。

        圖10 立封的陶瓷與被焊金屬之間的抗拉力值

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