[发明专利]一种基于金属陶瓷的耐高压负载引出端结构及封接工艺

说明书

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。