碳換向器碳片及低溫焊接

吳立新，吳嘉恒

（株洲四維科技制造有限公司，湖南 株洲 412000）

隨著汽車電噴系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，燃油系統(tǒng)的動力單元——燃油泵的作用至關(guān)重要。目前廣泛使用的燃油泵電機屬于直流有刷電機，它結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、成本低。換向器是直流有刷電機必不可少的關(guān)鍵組件，與油泵電機的運轉(zhuǎn)息息相關(guān)，直接影響到汽車燃油系統(tǒng)運行的壽命和可靠性。

油泵電機換向器從材質(zhì)上來分有碳換向器和銅換向器兩種，而碳換向器的使用壽命要遠遠高于銅換向器，這一點已為業(yè)內(nèi)人士所公認。但由于碳換向器的原材料——碳片目前為國外公司所壟斷，還有與之配套的低溫焊接技術(shù)國內(nèi)大部分企業(yè)也未能很好地掌握 （多數(shù)還是采用高溫焊接工藝），造成近十幾年來國內(nèi)的幾家主要大型換向器企業(yè)在碳換向器方面的生產(chǎn)舉步維艱，幾無建樹。跟主機廠家配套的碳換向器基本依賴進口，另有大量的企業(yè)還在生產(chǎn)檔次較低的銅換向器。這就是目前國內(nèi)油泵電機換向器的生存現(xiàn)狀。隨著2020年國家對乙醇汽油的全面推廣與普及，用碳換向器取代銅換向器應(yīng)該是一個必然的趨勢。

在此背景下，受國內(nèi)某知名換向器生產(chǎn)廠家的委托，我們對碳換向器的核心——碳片以及碳片與銅支架的低溫焊接技術(shù)進行了完全的自主研發(fā)。經(jīng)過近5年的努力，現(xiàn)已取得了技術(shù)上的完全突破。不僅能生產(chǎn)出合格的高壽命碳片，還能獲得良好的低溫焊接效果，并且已經(jīng)具備批量生產(chǎn)的能力。經(jīng)實際6000h壽命試驗，效果良好，已完全達到國外同類產(chǎn)品的水準(zhǔn)。

1 碳片的生產(chǎn)工藝流程

全部的原材料均立足于國產(chǎn)，并且全部生產(chǎn)工藝過程均由本公司自行實施。

具體工藝流程如圖1所示。

圖1 碳片生產(chǎn)的工藝流程

成品碳片的物理性能指標(biāo)：密度≥1.82 g／cm3；硬度≥48HSD；電阻率≤20 μΩ.m。以上指標(biāo)經(jīng)實際考核，完全可以滿足碳換向器的性能要求。

2 碳片與銅支架的低溫焊接

為了適應(yīng)換向器行業(yè)大批量生產(chǎn)的特性，專門自主開發(fā)了相應(yīng)的低溫焊接技術(shù)，實現(xiàn)了碳片與銅支架的快速可靠焊接。采用自動化連續(xù)焊接，焊接溫度根據(jù)需要設(shè)定在230～300℃之間，焊接點剪切強度≥10 MPa，斷面層位于碳片本體部位，牢固、可靠。

3 換向器的焊接電阻

碳換向器的焊接電阻理論值要求越小越好；各腳之間電阻值的離散性要小。將國產(chǎn)碳片與銅支架低溫焊接后，委托某知名換向器生產(chǎn)廠家直接加工成換向器，檢測8個腳的焊接電阻值，結(jié)果見表1。

表1 國產(chǎn)碳片碳換向器焊接電阻值 ／mΩ

客戶要求該產(chǎn)品阻值≤0.8 mΩ，根據(jù)產(chǎn)品的實測數(shù)據(jù)完全可以滿足客戶需求。作為對比，表2、表3列出了國外兩款產(chǎn)品的電阻實測值。

表3 國外某品牌Ⅱ碳換向器焊接電阻值 ／mΩ

4 壽命測試結(jié)果

1）測試對象：1號泵和2號泵。

2）說明：①1號泵和2號泵均由國內(nèi)某知名品牌廠家組裝生產(chǎn)；②1號泵為國產(chǎn)碳片和碳刷 （以下簡稱國產(chǎn)泵），2號泵為進口碳片和碳刷 （以下簡稱進口泵）。

3）壽命測試工況：①介質(zhì)：30%乙醇汽油溶液；②壓力：0.4 MPa；③電壓：13 V；④國產(chǎn)泵連續(xù)工作6 015 h，進口泵連續(xù)工作2 235 h。

4）測試結(jié)果：測試過程中流量變化結(jié)果如圖2所示；壽命測試后碳片和碳刷的磨損情況見表4，壽命測試后燃油泵流量下降幅度見表5。1號和2號泵壽命測試結(jié)束后工作狀態(tài)仍正常。

5 結(jié)束語

圖2 油泵壽命測試過程流量變化情況

表4 碳片和碳刷的磨損情況 ／mm

表5 流量下降幅度L／H

采用本公司自行開發(fā)生產(chǎn)的碳片并配以相應(yīng)的低溫焊接技術(shù)生產(chǎn)的碳換向器，完全能滿足現(xiàn)有燃油泵電機的使用要求，并可替代進口同類產(chǎn)品。在保證產(chǎn)品品質(zhì)的前提注：測試電壓為12 V，測試壓力為0.3 MPa。下可明顯降低碳換向器的生產(chǎn)成本，為碳換向器的大規(guī)模國產(chǎn)化生產(chǎn)創(chuàng)造了條件，以適應(yīng)今后國家對乙醇汽油的推廣和使用。