新能源電動汽車用陶瓷高壓接觸器的釬焊及結構設計

2021-03-31 08:45:26萬建，李萍

汽車電器 2021年3期

萬建，李萍

（浙江環方汽車電器有限公司，浙江臺州 317607）

陶瓷高壓接觸器廣泛應用于新能源電動汽車、充電樁、蓄電池供電、變頻器電容預充電、直流功率控制、電路保護及其他電動車輛（電動叉車）的電源開關控制，同時廣泛用于不間斷電源等電控系統。陶瓷高壓接觸器的技術關鍵點是采用與航天科技同等級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，內部充入快速冷卻的氫氣混合物，有效地在短時間進行滅弧；然而電弧燃燒時會導致內部封裝的氣體受熱膨脹，膨脹的氣體對焊接接頭部產生拉力，因此高強度的焊接接頭部非常重要，而對接頭部強度影響較大的主要是陶瓷與可伐合金的封裝結構，目前廣泛采用的封裝結構有兩種：平封和立封，因此研究兩種封裝結構的接頭部抗拉強度對指導陶瓷高壓接觸器的結構設計具有重要意義。本文通過陶瓷與可伐合金的兩種封裝結構進行分析和實驗，比較兩種結構焊接接頭部的抗拉強度，為陶瓷與可伐合金的封裝結構設計提供理論基礎。

1 研究條件及方法

1.1 陶瓷的特性及金屬化

目前在國際上，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1750℃的高溫燒結，具備高致密性、絕緣等級高、品質因素高等特點，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行焊接的關鍵。將金屬粉末涂覆在陶瓷的表面，通過1530℃的高溫燒結，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）的線性膨脹設計

在實際生產過程中，隨著焊接溫度緩慢升高，陶瓷和金屬之間表現出來的膨脹系數是不一致的，陶瓷和金屬材料膨脹系數相差越大（表2，表3），越容易把陶瓷拉裂，這是我們在實際生產中需要避免的。當然，采取怎樣的方法去消除材料在高溫中的應力也是我們需要考慮的問題。

表1 Al2O3-95%金屬粉末燒結法配方

表2 Al2O3-95%材料特性參數

表3 常用鐵磁性膨脹合金的線膨脹系數

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 平封與立封的結構設計

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：單面封接有較大的封接應力，熱沖擊性差，機械強度低，要求陶瓷與薄壁金屬的線膨脹系數非常接近；雙面夾封可適當減少封接應力，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構進行釬焊封接，如圖4所示，上下被焊接金屬均采用立封方式進行焊接。其特點是：焊接時釋放的應力較小，機械強度高，對金屬的線性膨脹系數要求稍微低一點。薄壁的厚度較小，生產焊接合格率較高。

圖4 立封

1.4 立封和平封產品設計中的計算

利用上述表格中的實際線性膨脹數據，我們將對產品在高溫中產生的形變進行計算（以環方公司HFEVC-TF200/750陶瓷為例）。計算公式：形變量（Δ） =材料外形尺寸L×材料高溫膨脹系數1/K×焊接溫度T

1.4.1 立式封接設計計算

1）圖5為陶瓷長邊的尺寸。陶瓷長邊的形變量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（1/K）：7.7×10-61/℃；焊接溫度T：779℃（釬料AgCu28的熔點溫度理論值）。

可伐（4J33）長邊的形變量：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（1/K）：8.32×10-61/℃；焊接溫度T：779℃（釬料AgCu28的熔點溫理論值）。

結論：高溫下陶瓷與可伐（4J33）長邊之間的形變量很小：Δ=Δ2-Δ1=0.2948-0.2579=0.0369mm。

圖5 立式封接陶瓷長邊尺寸

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（1/K）：7.7×10-61/℃；焊接溫度T：779℃（釬料AgCu28的熔點溫度理論值）。

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（1/K）：8.32×10-61/℃；焊接溫度T：779℃（釬料AgCu28的熔點溫度理論值）。

結論：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 平面封接設計計算

1）圖7為陶瓷長邊的尺寸。陶瓷長邊的形變量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（1/K）：7.7×10-61/℃；焊接溫度T：779℃（釬料AgCu28的熔點溫度理論值）。

可伐（4J33）長邊的形變量：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（1/K）：8.32×10-61/℃；焊接溫度T：779℃（釬料AgCu28的熔點溫度理論值）。

結論：高溫下陶瓷與可伐（4J33）長邊之間的形變量：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（1/K）：7.7×10-61/℃；焊接溫度T：779℃（釬料AgCu28的熔點溫度理論值）。

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（1/K）：8.32×10-61/℃；焊接溫度T：779℃ （釬料AgCu28的熔點溫度理論值）。

結論：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

相對于立式封接技術，平面封接在高溫焊接中兩者之間的形變量稍微偏大一點。故在大多數情況下，一般均采用立封結構進行設計。但也有缺點，對于方形沖壓被焊零件的旋切平面加工難度較大，對于圓形被焊金屬立封則完全不存在該問題。

2 實驗結果及討論

2.1 試驗測試數據對比（表4）

2.2 平封與立封釬焊后的陶瓷件抗拉強度對比

釬焊后的部件對氣密性和焊接強度的要求是真空釬焊件的重要考核指標。陶瓷高壓接觸器在新能源電動汽車上，由于電動汽車在不同工況下的路面運動而造成的顛簸，對陶瓷高壓接觸器來說，陶瓷的焊接強度就是很大的考驗，故焊接后的陶瓷件的抗拉強度是保證釬焊件氣密性的必要條件。圖9是測試平封結構下的陶瓷抗拉力值，大約1000N的時候，陶瓷出現一次裂縫，此時出現高壓接觸器的漏氣，一旦漏氣，產品就會產生報廢，進而直接導致汽車故障。