一種基於金屬陶瓷的耐高壓負載引出端結構及封接工藝的製作方法

2023-05-30 17:23:36

專利名稱：一種基於金屬陶瓷的耐高壓負載引出端結構及封接工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及開關耐高壓設計技術領域，特別是涉及一種提高開關耐電壓等級的密封負載引出端耐壓結構。通過各陶瓷絕緣子的擊穿電壓和空間爬電距離設計，提高開關耐電壓等級，通過對複雜金屬-非金屬封接焊縫的工藝控制，實現高氣密封接。
背景技術：
隨著用電功率的增大，開關的電壓等級越來越高。用於通斷高壓負載的開關，例如繼電器其觸點間、主觸點與其他部位的耐電壓設計直接影響繼電器的工作可靠性。現有的開關為了實現高壓大功率切換，增加開關結構尺寸和重量，一般只能實現I組負載的切換。由於許多場合對開關的尺寸和重量要求比較苛刻，不能一味通過增加開關結構尺寸來提高其耐壓等級。例如，空間用電推進系統的開關陣列，由於用來切換高壓負載且對開關尺寸和重量有嚴格的要求，同時還要對開關的工作狀態進行檢測，因此，如何在不增加開關外形尺寸的情況下，有效提高開關的耐電壓能力滿足多引出端設計要求是高壓開關研製的關鍵技術。

高壓開關由於切換負載功率大，往往開關內部需要填充氣氛，來提高和保障開關的負載切換功能，這就要求負載引出端具有氣密性設計。航天元器件對開關尺寸和重量有嚴格的要求，為滿足輕量化小型化的設計要求，需要解決如立方英寸大小開關的負載引出端多引出端設計密封問題。多焊縫、高氣密是高壓開關研製的另一個關鍵技術。目前小體積開關，例如立方英寸繼電器，其底座引出端一般通過玻璃燒結密封、絕緣，在底板有限面積上集中了繼電器全部的引出杆，因而引出杆與底板金屬間的過渡玻璃層厚度有限。另外，由於玻璃燒結工藝的特點，燒結後玻璃一般與底板金屬面平齊，且燒結玻璃工藝工程中，玻璃中很容易摻入雜質。同時玻璃絕緣子容易受到環境影響吸潮。以上幾點因素致使密封繼電器的負載引出端耐壓水平低，採用玻璃絕緣子的繼電器無法實現耐高壓設計要求。試驗表明，負載引出端的耐壓水平與絕緣子的材料耐壓設計、空間爬電距離設計緊密相關。絕緣子材料的擊穿強度越高、爬電距離越大，負載引出端的耐電壓等級就越高。因此為了提高密封繼電器等開關的耐高壓水平，實現多引出杆設計，可以通過採用經過空間爬電距離設計的陶瓷絕緣子來實現。爬電距離是指兩個導電部件之間或一個導電部件與器具的易觸及表面之間沿絕緣材料表面測量的最短路徑。在現有的一般結構金屬陶瓷封接工藝基礎上，設計小體積多焊縫結構密封工藝。結構耐壓特性和密封工藝也緊密相關，需要同時考慮密封工藝和高耐壓指標要求，目前常用的陶瓷一金屬釺焊工藝有燒結金屬粉末法(MO-Mn法)和活性釺焊法。活性釺料中含有活性元素，液態時很容易與陶瓷表面發生反應。較難控制釺料用量和焊縫金屬分布範圍，不利於耐壓工藝穩定性。燒結金屬粉末法易於控制焊縫尺寸，在還原性氣氛中用高溫在陶瓷件規定尺寸範圍內燒結金屬粉，控制金屬陶瓷焊接時的釺料鋪展範圍，適用於耐壓密封設計。在燒結金屬粉末法真空釺焊基礎上，可以通過綜合設計陶瓷件金屬化範圍、封接形式、接頭間隙、釺料形式和用量，以及熱時效工藝參數中的升降溫速率和保溫時間，實現耐壓密封。

發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種基於金屬陶瓷的耐高壓負載引出端結構及封接工藝，能夠提高開關的耐電壓水平。本發明的技術解決方案是一種基於金屬陶瓷的耐高壓負載引出端結構，包括絕緣子、引出杆和底板所述的絕緣子包括4個線包絕緣子、至少4個負載絕緣子；引出杆包括至少4根負載引出杆、4根線包引出杆；絕緣子選擇陶瓷材料；線包引出杆在底板中心對稱分布，至少4個負載引出杆在底板的X軸兩側對稱分布；引出杆通過絕緣子套封在底板上，引出杆兩端均高出絕緣子的兩端，絕緣子的兩端均高出底板。所述的引出杆還包括3個輔助觸點引出杆，對應絕緣子還包括3個輔助觸點絕緣子，3個輔助觸點引出杆在底板的X方向軸線等距分布。所述的底板和引出杆之間的絕緣子機械加工或者鑄造成型為凸臺、階梯凸臺或者曲面形式，以增加絕緣子的爬電距離。一種基於金屬陶瓷的耐高壓負載引出端封接工藝，步驟如下(I)將底板、絕緣子以及引出杆通過工裝固定，底板、絕緣子以及引出杆三者之間的接縫處放置釺料；(2)將步驟(I)中處理後的 工件放入真空爐中，抽真空結束後，以每分鐘10_20°C的升溫速度升溫至400-450°C，保溫20-30分鐘；(3)以15 20°C/min繼續升溫，直至低於釺料固相線溫度40-60°C，並保溫至少15分鐘；(4)以20 30°C /min繼續升溫至釺焊溫度，保持3_8分鐘；(5)停爐，工件自然冷卻至200°C以下，開爐取工件。所述步驟(I)的釺料為釺料絲或者釺料片。本發明與現有技術相比有益效果為(I)本發明通過使用陶瓷負載絕緣子，對底板和負載引出杆進行密封連接，實現2組負載引出杆和I組監測引出杆的3000Vr.m. s.介質耐壓設計，相比傳統的玻璃絕緣子結構，採用陶瓷絕緣子可以縮小絕緣子結構在底板平面內的尺寸，增加負載引出杆數量，增加負載切換組數，通過對釺焊熱工藝曲線和釺焊結構形式的綜合優化考慮，控制釺料鋪展範圍，實現高壓負載引出端結構的高耐壓密封，其漏率彡5Χ10^10Ρβ. cm3/s。(2)本發明通過對絕緣子的爬電距離設計，實現小型開關產品耐高壓切換，陶瓷絕緣子相比玻璃絕緣子工藝性能穩定，不易摻雜，耐潮溼能力強耐壓性能穩定。因此本發明提高了小型密封開關的耐壓等級和高壓負載切換組數，同時實現觸點監測，提高了密封開關功率切換能力和產品可靠性。


圖1、2為本發明繼電器負載引出端三維結構示意圖；圖3為本發明耐高壓繼電器負載引出端二維結構示意圖4為圖3的E-E剖視圖；圖5為本發明負載引出端結構金屬陶瓷封接熱工藝曲線。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明做詳細說明。具體如下本發明一種基於金屬陶瓷的耐高壓負載引出端結構，如圖1-4所示，包括絕緣子、引出杆和底板7 :所述的絕緣子包括4個線包絕緣子5、至少4個負載絕緣子6 (圖1中以6個負載絕緣子為例)；引出杆包括至少4根負載引出杆3、4根線包引出杆4 ;絕緣子選擇陶瓷材料；線包引出杆4在底板7中心對稱分布，至少4個負載引出杆3在底板7的X軸兩側對稱分布；引出杆通過絕緣子套封在底板7上，引出杆兩端均高出絕緣子的兩端，絕緣子的兩端均高出底板7。底板7可以採用可伐合金材料製成。當需要監測開關工作狀態時，則增加輔助觸點監測功能，即引出杆還包括3個輔助觸點引出杆1，對應絕緣子還包括3個輔助觸點絕緣子2，3個輔助觸點引出杆I在底板7的X方向軸線等距分布。如圖3所示，底板7的厚度方向為z方向，底板7平面為x、y平·面。本發明絕緣子除了經過擊穿電壓設計計算外(即材料選擇)，同時進行了爬電距離設計底板7和引出杆之間的絕緣子機械加工或者鑄造成型為凸臺、階梯凸臺或者曲面形式，以增加絕緣子的爬電距離。本例中通過負載絕緣子空間爬電距離設計(採用階梯凸臺形式)，實現3000Vr. m. s.的常溫常壓耐壓設計要求，滿足多組負載引出杆的高壓切換和I組輔助觸點監測。通過金屬陶瓷封接技術設計釺焊零件，包括絕緣子、底板、引出杆間的高氣密性密封設計要求。洩漏率達到彡5X10_1QPa. cm3/s。本發明給出了陶瓷絕緣子基本厚度選取的經驗公式V = A(2. 8b-0. 6b2)(I)式中，V-為引出端與底板間的擊穿電壓(kV)；A-陶瓷絕緣子與玻璃絕緣子的擊穿電壓強度比值；b-絕緣子的厚度(mm), b = (D-d)/2 ；d-引出端直徑(mm);D-絕緣子外徑(mm)。陶瓷絕緣子具有易加工，結構多樣化的特點，可以有效增加絕緣子外表面的爬電距離，根據使用場合確定結構參數及汙穢程度，根據現有計算方法確定絕緣子表面的結構形式和尺寸。本發明結構的工作過程如下如圖1所示，位於底板j軸上，相對於X軸對稱分布的兩個負載引出杆為2組負載公用端，兩側4個負載引出杆分別實現與中間y軸上負載引出杆的通路連接，當左側兩個負載引出杆與y軸負載引出杆形成兩組通路時，實現左側兩組負載接通，當右側兩個負載引出杆與y軸負載引出杆形成兩組通路時，實現右側兩組負載接通。底板中心處為公用輔助觸點引出杆，當左側輔助觸點引出杆與中心輔助觸點引出杆形成迴路時，負責檢測左側兩組負載的通斷狀態，當右側輔助觸點引出杆與中心輔助觸點引出杆形成迴路時，負責檢測右側兩組負載的通斷狀態。4個線包引出杆，分別於兩個線圈連接，左側兩個線包引出杆實現繼電器左側線包加電時，左側兩組動觸點動作，閉合後通過負載引出杆形成負載迴路，右側兩個線包引出杆實現繼電器右側線包加電時，右側兩組動觸點動作，閉合後通過負載引出杆形成負載迴路。基於高壓負載引出端結構的金屬陶瓷封接工藝。金屬-陶瓷封接選用燒結金屬粉末法。在封接工藝開始前需要對陶瓷絕緣子進行金屬化處理，絕緣子和底板以及引出杆的配合選用套封結構。套封結構指導絕緣子設計，能夠實現金屬化層位於絕緣子內外表面，實現封接表面垂直於底板平面，節省底板平面內耐壓面積。控制控制釺料鋪展，在保證焊縫尺寸的情況下，同時能夠保證耐壓設計空間。金屬化處理後，需要對所有絕緣子、引出杆及底板進行清洗、烘乾。Al2O3陶瓷表面清理威第爾中超聲清洗5 10分鐘去油，再在酒精中超聲清洗5 10分鐘,烘乾。釺料Ag-Cu28釺料絲,釺料使用前均用砂紙打磨,去除表面雜質,酸洗10分鐘去氧化物，之後威第爾中超聲清洗5 10分鐘去油，再在酒精中超聲清洗5 10分鐘，烘乾。可伐合金酸洗10分鐘去氧化物，之後威第爾中超聲清洗5 10分鐘去油，再在酒精中超聲清洗5 10分鐘，烘乾。具體工藝如圖5所示,步驟如下(I)將底板、絕緣子以及引出杆通過工裝固定，底板、絕緣子以及引出杆三者之間的接縫處放置釺料；(2)將步驟(I)中處理後的工件放入真空釺焊爐中，抽真空結束後，以每分鐘10-20°C的升溫速度升溫 至400-450°C，保溫20-30分鐘；真空釺焊爐(設備加熱速度為20 30°C /min，加熱釺焊過程中爐腔真空度為I 3父101^，最高可達6\10、。)(3)以15 20°C/min繼續升溫，直至低於釺料固相線溫度40_60°C，並保溫至少15分鐘；(4)以20 30°C /min繼續升溫至釺焊溫度，保持3_8分鐘；(5)停爐，工件自然冷卻至200°C以下，開爐取工件。實施例(I)將底板、絕緣子以及引出杆通過工裝固定，底板、絕緣子以及引出杆三者之間的接縫處放置釺料；本例中底板選用可伐合金，陶瓷採用95瓷釺料選用銀銅28釺料釺料量0. 12-0. 18g/cm2。(2)將步驟(I)中處理後的工件放入真空爐中，先啟動機械真空泵，打開旁路閥，抽真空約10分鐘後再啟動羅茨泵，打開主路閥啟動擴散泵，擴散泵工作80-90分鐘，在這段時間中，以10°C左右的升溫速度升溫，邊抽真空邊預溫至450度以下，維持到擴散泵起作用後，真空度達到KT3Pa以上，保溫30分鐘。(3)以15 20°C /min繼續升溫，直至740V，並保溫20分鐘；根據溫差的情況和工件的大小以及數量可以加速或中間增加保溫段，目的是使內外溫差儘量縮小，提高真空度。一般小工件可以升溫快些。(4)以20 30°C /min繼續升溫至870°C，以保證釺料很好的流動性和填縫性能。當達到釺焊溫度時應停止加熱，使工件在釺焊溫度下恆溫釺焊。保持6min。(5)保溫完畢後，放慢降溫速度，採用真空爐內自然冷卻，減少焊縫應力。溫度自由降溫至300度時斷擴散泵，200度斷機械泵，降到室溫取出。本發明未詳細說明 部分屬於本領域技術人員公知常識。
權利要求
1.一種基於金屬陶瓷的耐高壓負載引出端結構，其特徵在於包括絕緣子、引出杆和底板(7):所述的絕緣子包括4個線包絕緣子(5)、至少4個負載絕緣子￠);引出杆包括至少4根負載引出杆(3)、4根線包引出杆(4);絕緣子選擇陶瓷材料；線包引出杆⑷在底板(7)中心對稱分布，至少4個負載引出杆(3)在底板(7)的X軸兩側對稱分布；引出杆通過絕緣子套封在底板(7)上，引出杆兩端均高出絕緣子的兩端，絕緣子的兩端均高出底板⑵。
2.根據權利要求1所述的一種基於金屬陶瓷的耐高壓負載引出端結構，其特徵在於所述的引出杆還包括3個輔助觸點引出杆(I),對應絕緣子還包括3個輔助觸點絕緣子(2)，3個輔助觸點引出杆⑴在底板(7)的X方向軸線等距分布。
3.根據權利要求1或2所述的一種基於金屬陶瓷的耐高壓負載引出端結構，其特徵在於所述的底板(7)和引出杆之間的絕緣子機械加工或者鑄造成型為凸臺、階梯凸臺或者曲面形式，以增加絕緣子的爬電距離。
4.一種基於金屬陶瓷的耐高壓負載引出端封接工藝，其特徵在於步驟如下 (1)將底板、絕緣子以及引出杆按照權利要求1所述的裝配關係，通過工裝固定，底板、絕緣子以及引出杆三者之間的接縫處放置釺料； (2)將步驟(I)中處理後的工件放入真空爐中，抽真空結束後，以每分鐘10-20°C的升溫速度升溫至400-450°C，保溫20-30分鐘； (3)以15 20°C/min繼續升溫，直至低於釺料固相線溫度40_60°C，並保溫至少15分鐘； (4)以20 30°C/min繼續升溫至釺焊溫度，保持3_8分鐘； (5)停爐，工件自然冷卻至200°C以下，開爐取工件。
5.根據權利要求4所述的一種基於金屬陶瓷的耐高壓負載引出端封接工藝，其特徵在於所述步驟(I)的釺料為釺料絲或者釺料片。
全文摘要
一種基於金屬陶瓷的耐高壓負載引出端結構及封接工藝，所述的結構包括絕緣子、引出杆和底板(7)所述的絕緣子包括4個線包絕緣子(5)、至少4個負載絕緣子(6)；引出杆包括至少4根負載引出杆(3)、4根線包引出杆(4)；絕緣子選擇陶瓷材料；線包引出杆(4)在底板(7)中心對稱分布，至少4個負載引出杆(3)在底板(7)的x軸兩側對稱分布；引出杆通過絕緣子套封在底板(7)上，引出杆兩端均高出絕緣子的兩端，絕緣子的兩端均高出底板(7)。
文檔編號H01H11/00GK103065858SQ20121059396
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月26日 優先權日2012年12月26日
發明者孫超, 郝長嶺, 楊斌, 李明 申請人:中國航天時代電子公司