汽車催化器超薄壁載體封裝工藝淺析

申路軍，張中華

長城汽車股份有限公司

汽車催化器超薄壁載體封裝工藝淺析

申路軍，張中華

長城汽車股份有限公司

汽車三元催化器特性的作用是降低車輛排放有毒有害物質(zhì)，提高凈化能力。汽車排放污染及凈化問題已引起各國政府的高度重視，控制汽車排放污染也一直是競相研究的重要課題。本文研究的目的是隨著排放法規(guī)日趨嚴格，為提高催化凈化能力，設(shè)計陶瓷載體發(fā)展趨勢為：多目數(shù)薄壁型，強度有所下降。強度的降低，對封裝工藝設(shè)計提出更高的要求，前期若缺少排氣系統(tǒng)熱端封裝工藝的嚴格控制，會導(dǎo)致后期各車型載體失效問題頻繁發(fā)生。

薄壁載體；封裝工藝；催化器；GBD

前言

隨著我國汽車保有量的劇增，汽車排放尾氣造成的大氣污染已成為危害環(huán)境和人類健康的主要因素。針對此問題，排放法規(guī)對汽車排放要求越來越高，由目前的歐IV逐漸過渡到歐V，甚至歐Ⅵ；隨著排放法規(guī)日趨嚴格，為提高催化凈化能力，陶瓷載體發(fā)展趨勢為：多目數(shù)薄壁型，強度有所下降。且催化器達到歐Ⅵ排放標準，需滿足五年十萬公里三包質(zhì)量要求，售后面臨的問題嚴峻；現(xiàn)有封裝工藝水平無法滿足薄壁、超薄壁載體封裝要求，需開發(fā)出適用于催化器薄壁發(fā)展趨勢的先進工藝技術(shù)。

1、封裝工藝關(guān)鍵控制參數(shù)

排氣系統(tǒng)催化器的設(shè)計，主要是封裝密度設(shè)計，這項指標的合理設(shè)計及工藝控制是催化器達標的必要條件。襯墊封裝密度（簡稱GBD）按以下計算：

目前常用的封轉(zhuǎn)工藝有蚌殼式封裝工藝、捆綁式封裝工藝、塞入式封裝工藝及導(dǎo)入式封裝工藝。而只有后兩種工藝適用于薄壁及超薄壁載體的封裝。

2、薄壁載體封裝工藝

薄壁載體是指針對壁厚3.0mil～4.0mil的載體統(tǒng)稱，mil為壁厚單位，cpsi為目數(shù)；目前常用載體為600cpsi/3.5mil，此類載體可滿足歐V階段排放法規(guī)要求。

塞入式封裝工藝：

（1）工作原理

塞入式封裝先將不銹鋼板通過卷板機卷圓并焊接成殼體，然后將涂覆載體在外力的作用下壓入，屬于定型腔封裝，其型腔尺寸能精確控制，受力狀況比蚌殼式好，采取一些輔助措施后可得到較長使用壽命，塞入式封裝又可分為分組封裝和縮徑封裝。適用于規(guī)則形狀載體進行精準GBD縮徑。見下圖封裝過程：

（2）工藝缺陷分析

①包裹襯墊的薄壁載體是封裝過程應(yīng)力承受體，同時直接承受著徑向和軸向壓力作用無法回避的極限應(yīng)力峰值的影響，陶瓷載體本身可承受一定的壓力，但易碎，耐沖擊性差。

②載體擠壓襯墊過程中，襯墊變形無法控制，擠壓阻力反作用于載體，使載體多重受力；

③封裝過程過快會導(dǎo)致襯墊中擠壓氣體高壓沖擊；

④對殼體零件尺寸要求高，縮徑時按照外徑尺寸計算準確度差，縮徑時易將薄壁載體壓碎；不適用于超薄壁載體的封裝。

3、超薄壁載體封裝工藝

超薄壁載體是指針對壁厚小于3.0mil的載體的統(tǒng)稱；目前常用載體為四邊形900cpsi/2.0mil，甚至一些產(chǎn)品采用了六邊形載體；此類載體可滿足歐Ⅵ階段排放法規(guī)要求。

導(dǎo)入式封裝工藝：

（1）工藝原理

其原理是將原超薄壁載體承受的應(yīng)力轉(zhuǎn)移給襯墊，避免超薄壁載體在封裝過程中受應(yīng)力直接沖擊，由于襯墊為彈性結(jié)構(gòu)，在GBD縮徑封裝基礎(chǔ)上增加導(dǎo)柱裝置，將塞入式變?yōu)閷?dǎo)入式封裝。

傳統(tǒng)封裝工藝與導(dǎo)入式封裝承受應(yīng)力對比分析如下圖：

（2）降低薄壁載體產(chǎn)生裂紋的原因

①工藝導(dǎo)柱支撐襯墊為封裝應(yīng)力承受體，避免了載體受到極限應(yīng)力峰值的影響；

②工藝導(dǎo)柱擠壓襯墊過程中，襯墊沿導(dǎo)柱方向?qū)ЯΓ瑪D壓阻力反作用于導(dǎo)柱上，不作用于載體，保護了涂覆載體；

③導(dǎo)入式封裝過程快，工藝導(dǎo)柱可承受沖擊，直徑比載體略大，先過渡擠壓襯墊，排氣較充分。工藝導(dǎo)柱通過后載體只承受襯墊回復(fù)彈力，對載體起到引導(dǎo)和保護作用，載體承受應(yīng)力大為降低；

④對殼體零件尺寸要求低，采用擴口保證內(nèi)徑尺寸，按照內(nèi)徑尺寸計算準確度高，滿足GBD值要求；

4、封裝效果驗證

通常采用軸向推力試驗驗證封裝效果及GBD保證能力，試驗方式為在室溫下，將試驗樣件安放在電子萬能試驗機上，通過直徑30mm的推桿沿載體壓入方向均勻施加1500N軸向推力，保持2min，卸載后查看載體位移情況，要求總位移≤3mm。

5、結(jié)論

國家對排放標準的日趨嚴格，為催化器的科學研究提供了必要的條件，但要真正控制汽車的排放，不僅對設(shè)計、匹配方面提出了更高的要求，工藝設(shè)計及控制也更突出，鑒于此，封裝工藝的先進性需結(jié)合自動化的高精準優(yōu)點，由此誕生的自動封裝線體已陸續(xù)實現(xiàn)量產(chǎn)，并逐步替代人工封裝，后期進一步深入研究自動化機器人在封裝工藝中得應(yīng)用勢在必行。

［1］張中華，申路軍.汽車三元催化器封裝設(shè)計匹配研究［J］.裝備制造，2014

［2］張杰.汽車排氣系統(tǒng)三元催化轉(zhuǎn)化器設(shè)計方法研究［D］.華中科技大學，2003.

［3］張洪汛，勾頻，陳琪.催化器封裝制造工藝分析［J］.機械設(shè)計與制造，2002.

［4］張洪，趙計平.三元催化器薄壁涂覆載體導(dǎo)入式封裝工藝研究.重慶科技學院學報.2011.04