CN103065858B - 一种基于金属陶瓷的耐高压负载引出端结构及封接工艺 - Google Patents

Abstract

一种基于金属陶瓷的耐高压负载引出端结构及封接工艺，所述的结构包括绝缘子、引出杆和底板(7)：所述的绝缘子包括4个线包绝缘子(5)、至少4个负载绝缘子(6)；引出杆包括至少4根负载引出杆(3)、4根线包引出杆(4)；绝缘子选择陶瓷材料；线包引出杆(4)在底板(7)中心对称分布，至少4个负载引出杆(3)在底板(7)的x轴两侧对称分布；引出杆通过绝缘子套封在底板(7)上，引出杆两端均高出绝缘子的两端，绝缘子的两端均高出底板(7)。

Description

一种基于金属陶瓷的耐高压负载引出端结构及封接工艺

技术领域

本发明涉及开关耐高压设计技术领域，特别是涉及一种提高开关耐电压等级的密封负载引出端耐压结构。通过各陶瓷绝缘子的击穿电压和空间爬电距离设计，提高开关耐电压等级，通过对复杂金属-非金属封接焊缝的工艺控制，实现高气密封接。

背景技术

随着用电功率的增大，开关的电压等级越来越高。用于通断高压负载的开关，例如继电器其触点间、主触点与其他部位的耐电压设计直接影响继电器的工作可靠性。现有的开关为了实现高压大功率切换，增加开关结构尺寸和重量，一般只能实现1组负载的切换。由于许多场合对开关的尺寸和重量要求比较苛刻，不能一味通过增加开关结构尺寸来提高其耐压等级。例如，空间用电推进系统的开关阵列，由于用来切换高压负载且对开关尺寸和重量有严格的要求，同时还要对开关的工作状态进行检测，因此，如何在不增加开关外形尺寸的情况下，有效提高开关的耐电压能力满足多引出端设计要求是高压开关研制的关键技术。

高压开关由于切换负载功率大，往往开关内部需要填充气氛，来提高和保障开关的负载切换功能，这就要求负载引出端具有气密性设计。航天元器件对开关尺寸和重量有严格的要求，为满足轻量化小型化的设计要求，需要解决如立方英寸大小开关的负载引出端多引出端设计密封问题。多焊缝、高气密是高压开关研制的另一个关键技术。

目前小体积开关，例如立方英寸继电器，其底座引出端一般通过玻璃烧结密封、绝缘，在底板有限面积上集中了继电器全部的引出杆，因而引出杆与底板金属间的过渡玻璃层厚度有限。另外，由于玻璃烧结工艺的特点，烧结后玻璃一般与底板金属面平齐，且烧结玻璃工艺工程中，玻璃中很容易掺入杂质。同时玻璃绝缘子容易受到环境影响吸潮。以上几点因素致使密封继电器的负载引出端耐压水平低，采用玻璃绝缘子的继电器无法实现耐高压设计要求。

试验表明，负载引出端的耐压水平与绝缘子的材料耐压设计、空间爬电距离设计紧密相关。绝缘子材料的击穿强度越高、爬电距离越大，负载引出端的耐电压等级就越高。因此为了提高密封继电器等开关的耐高压水平，实现多引出杆设计，可以通过采用经过空间爬电距离设计的陶瓷绝缘子来实现。爬电距离是指两个导电部件之间或一个导电部件与器具的易触及表面之间沿绝缘材料表面测量的最短路径。

在现有的一般结构金属陶瓷封接工艺基础上，设计小体积多焊缝结构密封工艺。结构耐压特性和密封工艺也紧密相关，需要同时考虑密封工艺和高耐压指标要求，目前常用的陶瓷一金属钎焊工艺有烧结金属粉末法(MO-Mn法)和活性钎焊法。活性钎料中含有活性元素，液态时很容易与陶瓷表面发生反应。较难控制钎料用量和焊缝金属分布范围，不利于耐压工艺稳定性。烧结金属粉末法易于控制焊缝尺寸，在还原性气氛中用高温在陶瓷件规定尺寸范围内烧结金属粉，控制金属陶瓷焊接时的钎料铺展范围，适用于耐压密封设计。

在烧结金属粉末法真空钎焊基础上，可以通过综合设计陶瓷件金属化范围、封接形式、接头间隙、钎料形式和用量，以及热时效工艺参数中的升降温速率和保温时间，实现耐压密封。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于金属陶瓷的耐高压负载引出端结构及封接工艺，能够提高开关的耐电压水平。

本发明的技术解决方案是：一种基于金属陶瓷的耐高压负载引出端结构，包括绝缘子、引出杆和底板：所述的绝缘子包括4个线包绝缘子、至少4个负载绝缘子；引出杆包括至少4根负载引出杆、4根线包引出杆；绝缘子选择陶瓷材料；线包引出杆在底板中心对称分布，至少4个负载引出杆在底板的x轴两侧对称分布；引出杆通过绝缘子套封在底板上，引出杆两端均高出绝缘子的两端，绝缘子的两端均高出底板。

所述的引出杆还包括3个辅助触点引出杆，对应绝缘子还包括3个辅助触点绝缘子，3个辅助触点引出杆在底板的x方向轴线等距分布。

所述的底板和引出杆之间的绝缘子机械加工或者铸造成型为凸台、阶梯凸台或者曲面形式，以增加绝缘子的爬电距离。

一种基于金属陶瓷的耐高压负载引出端封接工艺，步骤如下：

(1)将底板、绝缘子以及引出杆通过工装固定，底板、绝缘子以及引出杆三者之间的接缝处放置钎料；

(2)将步骤(1)中处理后的工件放入真空炉中，抽真空结束后，以每分钟10-20℃的升温速度升温至400-450℃，保温20-30分钟；

(3)以15～20℃/min继续升温，直至低于钎料固相线温度40-60℃，并保温至少15分钟；

(4)以20～30℃/min继续升温至钎焊温度，保持3-8分钟；

(5)停炉，工件自然冷却至200℃以下，开炉取工件。

所述步骤(1)的钎料为钎料丝或者钎料片。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明通过使用陶瓷负载绝缘子，对底板和负载引出杆进行密封连接，实现2组负载引出杆和1组监测引出杆的3000Vr.m.s.介质耐压设计，相比传统的玻璃绝缘子结构，采用陶瓷绝缘子可以缩小绝缘子结构在底板平面内的尺寸，增加负载引出杆数量，增加负载切换组数，通过对钎焊热工艺曲线和钎焊结构形式的综合优化考虑，控制钎料铺展范围，实现高压负载引出端结构的高耐压密封，其漏率≤5X10^-10Pa.cm³/s。

(2)本发明通过对绝缘子的爬电距离设计，实现小型开关产品耐高压切换，陶瓷绝缘子相比玻璃绝缘子工艺性能稳定，不易掺杂，耐潮湿能力强耐压性能稳定。

因此本发明提高了小型密封开关的耐压等级和高压负载切换组数，同时实现触点监测，提高了密封开关功率切换能力和产品可靠性。

附图说明

图1、2为本发明继电器负载引出端三维结构示意图；

图3为本发明耐高压继电器负载引出端二维结构示意图；

图4为图3的E-E剖视图；

图5为本发明负载引出端结构金属陶瓷封接热工艺曲线。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做详细说明。具体如下：

本发明一种基于金属陶瓷的耐高压负载引出端结构，如图1-4所示，包括绝缘子、引出杆和底板7：所述的绝缘子包括4个线包绝缘子5、至少4个负载绝缘子6(图1中以6个负载绝缘子为例)；引出杆包括至少4根负载引出杆3、4根线包引出杆4；绝缘子选择陶瓷材料；线包引出杆4在底板7中心对称分布，至少4个负载引出杆3在底板7的x轴两侧对称分布；引出杆通过绝缘子套封在底板7上，引出杆两端均高出绝缘子的两端，绝缘子的两端均高出底板7。底板7可以采用可伐合金材料制成。

当需要监测开关工作状态时，则增加辅助触点监测功能，即引出杆还包括3个辅助触点引出杆1，对应绝缘子还包括3个辅助触点绝缘子2，3个辅助触点引出杆1在底板7的x方向轴线等距分布。如图3所示，底板7的厚度方向为z方向，底板7平面为x、y平面。

本发明绝缘子除了经过击穿电压设计计算外(即材料选择)，同时进行了爬电距离设计：底板7和引出杆之间的绝缘子机械加工或者铸造成型为凸台、阶梯凸台或者曲面形式，以增加绝缘子的爬电距离。本例中通过负载绝缘子空间爬电距离设计(采用阶梯凸台形式)，实现3000Vr.m.s.的常温常压耐压设计要求，满足多组负载引出杆的高压切换和1组辅助触点监测。

通过金属陶瓷封接技术设计钎焊零件，包括绝缘子、底板、引出杆间的高气密性密封设计要求。泄漏率达到≤5X10^-10Pa.cm³/s。

本发明给出了陶瓷绝缘子基本厚度选取的经验公式：

V＝A(2.8b-0.6b²)        (1)

式中，V-为引出端与底板间的击穿电压(kV)；

A-陶瓷绝缘子与玻璃绝缘子的击穿电压强度比值；

b-绝缘子的厚度(mm)，b＝(D-d)/2；

d-引出端直径(mm)；

D-绝缘子外径(mm)。

陶瓷绝缘子具有易加工，结构多样化的特点，可以有效增加绝缘子外表面的爬电距离，根据使用场合确定结构参数及污秽程度，根据现有计算方法确定绝缘子表面的结构形式和尺寸。

本发明结构的工作过程如下：

如图1所示，位于底板y轴上，相对于x轴对称分布的两个负载引出杆为2组负载公用端，两侧4个负载引出杆分别实现与中间y轴上负载引出杆的通路连接，当左侧两个负载引出杆与y轴负载引出杆形成两组通路时，实现左侧两组负载接通，当右侧两个负载引出杆与y轴负载引出杆形成两组通路时，实现右侧两组负载接通。底板中心处为公用辅助触点引出杆，当左侧辅助触点引出杆与中心辅助触点引出杆形成回路时，负责检测左侧两组负载的通断状态，当右侧辅助触点引出杆与中心辅助触点引出杆形成回路时，负责检测右侧两组负载的通断状态。4个线包引出杆，分别于两个线圈连接，左侧两个线包引出杆实现继电器左侧线包加电时，左侧两组动触点动作，闭合后通过负载引出杆形成负载回路，右侧两个线包引出杆实现继电器右侧线包加电时，右侧两组动触点动作，闭合后通过负载引出杆形成负载回路。

基于高压负载引出端结构的金属陶瓷封接工艺。金属-陶瓷封接选用烧结金属粉末法。

在封接工艺开始前需要对陶瓷绝缘子进行金属化处理，绝缘子和底板以及引出杆的配合选用套封结构。套封结构指导绝缘子设计，能够实现金属化层位于绝缘子内外表面，实现封接表面垂直于底板平面，节省底板平面内耐压面积。控制控制钎料铺展，在保证焊缝尺寸的情况下，同时能够保证耐压设计空间。金属化处理后，需要对所有绝缘子、引出杆及底板进行清洗、烘干。

Al₂O₃陶瓷表面清理：威第尔中超声清洗5～10分钟去油，再在酒精中超声清洗5～10分钟，烘干。钎料：Ag-Cu28钎料丝，钎料使用前均用砂纸打磨，去除表面杂质，酸洗10分钟去氧化物，之后威第尔中超声清洗5～10分钟去油，再在酒精中超声清洗5～10分钟，烘干。可伐合金：酸洗10分钟去氧化物，之后威第尔中超声清洗5～10分钟去油，再在酒精中超声清洗5～10分钟，烘干。

具体工艺如图5所示，步骤如下：

(1)将底板、绝缘子以及引出杆通过工装固定，底板、绝缘子以及引出杆三者之间的接缝处放置钎料；

(2)将步骤(1)中处理后的工件放入真空钎焊炉中，抽真空结束后，以每分钟10-20℃的升温速度升温至400-450℃，保温20-30分钟；

真空钎焊炉(设备加热速度为20～30℃/min，加热钎焊过程中炉腔真空度为1～3×10^-3Pa，最高可达6×10^-4a。)

(3)以15～20℃/min继续升温，直至低于钎料固相线温度40-60℃，并保温至少15分钟；

(4)以20～30℃/min继续升温至钎焊温度，保持3-8分钟；

(5)停炉，工件自然冷却至200℃以下，开炉取工件。

实施例

(1)将底板、绝缘子以及引出杆通过工装固定，底板、绝缘子以及引出杆三者之间的接缝处放置钎料；本例中底板选用可伐合金，陶瓷采用95瓷：钎料选用银铜28钎料：钎料量：0.12-0.18g/cm²。

(2)将步骤(1)中处理后的工件放入真空炉中，先启动机械真空泵，打开旁路阀，抽真空约10分钟后再启动罗茨泵，打开主路阀启动扩散泵，扩散泵工作80-90分钟，在这段时间中，以10℃左右的升温速度升温，边抽真空边预温至450度以下，维持到扩散泵起作用后，真空度达到10^-3Pa以上，保温30分钟。

(3)以15～20℃/min继续升温，直至740℃，并保温20分钟；根据温差的情况和工件的大小以及数量可以加速或中间增加保温段，目的是使内外温差尽量缩小，提高真空度。一般小工件可以升温快些。

(4)以20～30℃/min继续升温至870℃，以保证钎料很好的流动性和填缝性能。当达到钎焊温度时应停止加热，使工件在钎焊温度下恒温钎焊。保持6min。

(5)保温完毕后，放慢降温速度，采用真空炉内自然冷却，减少焊缝应力。温度自由降温至300度时断扩散泵，200度断机械泵，降到室温取出。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (5)

1.一种基于金属陶瓷的耐高压负载引出端结构，其特征在于：包括绝缘子、引出杆和底板(7)：所述的绝缘子包括4个线包绝缘子(5)、至少4个负载绝缘子(6)；引出杆包括至少4根负载引出杆(3)、4根线包引出杆(4)；绝缘子选择陶瓷材料；线包引出杆(4)在底板(7)中心对称分布，至少4个负载引出杆(3)在底板(7)的x轴两侧对称分布；引出杆通过绝缘子套封在底板(7)上，引出杆两端均高出绝缘子的两端，绝缘子的两端均高出底板(7)。

2.根据权利要求1所述的一种基于金属陶瓷的耐高压负载引出端结构，其特征在于：所述的引出杆还包括3个辅助触点引出杆(1)，对应绝缘子还包括3个辅助触点绝缘子(2)，3个辅助触点引出杆(1)在底板(7)的x方向轴线等距分布。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于金属陶瓷的耐高压负载引出端结构，其特征在于：所述的底板(7)和引出杆之间的绝缘子机械加工或者铸造成型为凸台、阶梯凸台或者曲面形式，以增加绝缘子的爬电距离。

4.一种基于金属陶瓷的耐高压负载引出端封接工艺，其特征在于步骤如下：

(1)对绝缘子进行金属化处理，绝缘子和底板以及引出杆的配合选用套封结构；之后对绝缘子、引出杆及底板进行清洗、烘干；

(2)将底板、绝缘子以及引出杆按照权利要求1所述的引出端结构进行装配，通过工装固定，底板、绝缘子以及引出杆三者之间的接缝处放置钎料；

(3)将步骤(2)中处理后的工件放入真空炉中，抽真空结束后，以每分钟10-20℃的升温速度升温至400-450℃，保温20-30分钟；

(4)以15～20℃/min继续升温，直至低于钎料固相线温度40-60℃，并保温至少15分钟；

(5)以20～30℃/min继续升温至钎焊温度，保持3-8分钟；

(6)停炉，工件自然冷却至200℃以下，开炉取工件。

5.根据权利要求4所述的一种基于金属陶瓷的耐高压负载引出端封接工艺，其特征在于：所述步骤(2)的钎料为钎料丝或者钎料片。