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