一种高电压大电流熔断器密封封装方法与流程

本发明属于熔断器密封方法，具体涉及一种高电压大电流熔断器密封封装方法。

背景技术：

高电压大电流熔断器是一种当电流超过额定值后迅速产生热量使熔体迅速熔断，从而对高电压电路或系统进行快速短路保护的器件，目前已广泛应用于电力系统、充电电源、电池、新能源汽车、电力机车、船舶潜艇、航空航天等领域。

高电压大电流熔断器一般由陶瓷管1、填充砂体、熔体和金属端帽构成。其中，陶瓷管为空芯结构，一般采用等静压工艺成型，具备强度高和密封性好的特点；陶瓷管1内部填充砂体、熔体等电学结构。为了获得更快的分断速度和更长的使用寿命，熔断器一般采用纯银带作为熔体，熔体贯穿空芯陶瓷管并从陶瓷管1两端引出，用于灭弧的砂子将熔体和空芯陶瓷管1内壁之间的空间全部填满，且砂子采用固化剂进行固化后形成砂柱，熔体就包裹在砂柱中间。陶瓷管1两端分别与一个陶瓷管内帽2连接，陶瓷管内帽2为两层中空的台阶柱状，内径较小的部分伸入陶瓷管1内，由陶瓷管1两端引出的熔体分别穿过陶瓷管内帽2后，焊接于陶瓷管1两端的陶瓷管内帽2上。陶瓷管1两端的陶瓷管内帽2外侧，再分别与一个陶瓷管外帽3相连，陶瓷管外帽3的一端与陶瓷管内帽2内径较大的部分端面贴合，实现熔断器封口。

熔断器的实际应用环境包括湿热、盐雾腐蚀、高低温冲击、振动、真空等。如果熔断器的陶瓷管1和金属端帽之间不采用密封封装，应用环境中的水汽很容易进入管体内部，使已经固化的砂柱受潮散解，熔体银带受潮后也会被腐蚀甚至发生银离子迁移问题；如果环境存在盐雾，熔断器陶瓷管1内熔体也会受腐蚀；在高低温环境下，一旦温度降到零下，熔断器内部受潮后管壁会形成凝霜；即使在真空环境下，熔断器内部封存的气体会逐渐丧失，砂柱孔隙因气体丧失而形成低气压或真空，分断灭弧时间将延长。非密封封装的熔断器不能适应实际应用环境下的各种恶劣工况，使用性能受到极大的限制。为了提高恶劣环境下熔断器的适应性和稳定可靠性，必须对熔断器进行密封封装处理。由于陶瓷管1的管壁一般本身密封性较好，因此密封的关键部位在于陶瓷管两个端面与两个陶瓷管内帽2，以及两个陶瓷管内帽2与两个陶瓷管外帽3之间的密封连接，至少涉及四个密封面。

目前常用的密封封装方法，包括密封圈密封、灌胶密封和焊接密封等。熔断器存在的四个密封面如果都采用密封圈密封，必须设计密封槽、密封圈压接连接结构等，这对于尺寸较小的熔断器陶瓷管1端面、薄壁金属端帽而言，极难实现，即使能够设计出相应的密封结构，仅密封结构部分的尺寸就和熔断器整体尺寸相比拟，且密封圈密封封装的漏率较大，远远达不到1×10^-9pa·m³/s量级，因此密封圈密封方法不宜采用。灌胶密封就是在熔断器4个密封面灌入液态胶体，胶体充满密封缝隙且冷却凝固后实现密封，受环境温度、振动拉伸、内外气压差等影响，胶体容易变形、撕裂或老化，机械强度、环境耐受性和可靠性较差，漏率较大，因此灌胶密封方法亦不宜采用。相较而言，焊接密封方法，通过将熔断器4个密封面焊接在一起，可实现较高的机械强度、环境耐受性和稳定可靠性，并且能够将熔断器漏率控制在1×10^-9pa·m³/s量级。

常用的焊接密封方法，包括摩擦焊、电阻焊、氩弧焊、等离子体焊等。摩擦焊、电阻焊、氩弧焊、等离子体焊等方法，均通过瞬间产生高于1000℃的高温，才能实现陶瓷1和金属端帽、以及金属端帽之间的可靠焊接，但焊缝外观不美观，在如此高的焊接温度下，熔断器陶瓷管1及其内部填充的砂体和银带，会因为热膨胀不均匀而出现老化、裂纹或损伤等问题，导致熔断器不可用，并且这几种焊接方法只能在大气环境下进行，很难在特定的纯气氛下或真空环境下实现封焊，熔断器内部无法实现充气或真空密封等技术要求。因此，摩擦焊、电阻焊、氩弧焊、等离子体焊等高温焊接方法，也不宜用于熔断器密封封装。

技术实现要素：

本发明的主要目的是解决现有技术中熔断器两端采用封圈密封或灌胶密封，密封结构设计困难、密封效果不佳，而采用焊接密封中的常规焊接方法，因焊接时瞬间温度高，易导致陶瓷管和陶瓷管内部填充物损伤的技术问题，提供一种高电压大电流熔断器密封封装方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高电压大电流熔断器密封封装方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

s1，陶瓷管端面处理

s1.1，在陶瓷管两个端面上涂覆金属化膏剂并烘干处理；

s1.2，对经步骤1.1处理的陶瓷管进行一次金属化烧结，在陶瓷管两端面上形成金属化层；

s1.3，在陶瓷管两端面的金属化层上电镀镍层；

s1.4，对经步骤1.3处理的陶瓷管进行二次金属化烧结；

s2，陶瓷管内帽处理

在陶瓷管内帽的表面上电镀镍层；

s3，陶瓷管内帽真空钎焊

s3.1，将经步骤s2处理的陶瓷管内帽，采用真空钎焊的方式焊接于经步骤s1.4处理的陶瓷管两端；

s3.2，对陶瓷管内帽的表面进行镀金处理；

s4，陶瓷管外帽处理

在陶瓷管外帽的表面上电镀镍层，再镀金处理；

s5，陶瓷管内帽和陶瓷管外帽之间钎焊

s5.1，在陶瓷管内部完成电学结构填装；

s5.2，在陶瓷管两端的陶瓷管内帽外钎焊陶瓷管外帽，完成熔断器的密封封装。

进一步地，还包括步骤s6，密封检漏，

采用氟油检漏和氦质谱检漏法对经步骤s5.2封装的熔断器进行密封检漏，若漏率小于等于1×10^-9pa·m³/s，则封装合格；否则，降级处理或报废。

进一步地，还包括步骤s5-6，对陶瓷管外表面进行喷砂处理。

进一步地，步骤s1.1中，所述金属化膏剂由钼粉和锰粉制成。

进一步地，所述步骤s1.2具体为，将经步骤1.1处理的陶瓷管放入氢炉内，在1360-1430℃，1atm氢氮混合气氛下烧结25-60min，停止加热，冷却到室温后取出，在陶瓷管两端面上形成金属化层。

进一步地，所述步骤s1.4具体为，将经步骤1.3处理的陶瓷管放入氢炉内，在780-820℃，1atm氢气气氛下烧结60min，降温冷却后取出。

进一步地，步骤s3.1中，所述真空钎焊在真空炉中进行，焊接时采用agcu28作为焊料，真空炉中真空度大于等于5×10^-4pa，焊接时真空炉中以15-20℃/min的升温速率升到400℃，保温5min，再以6-10℃/min的升温速率升到800-850℃，保温3-5min后，真空炉停止加热并开始自然降温冷却，真空炉内温度降到400℃时进行风冷，向炉内输送氮气，使炉内快速冷却，炉内温度降至60℃以下，取出陶瓷管。

进一步地，步骤s3.2中，所述镀金处理采用钴作为硬化剂，镀金纯度大于等于99.9％；步骤s4中，所述电镀镍层采用氨基磺酸盐镍槽作为电镀槽，所述镀金处理采用钴作为硬化剂，镀金纯度大于等于99.9％。

进一步地，步骤s1.3中，所述电镀镍层的镍层厚度为2-5μm；步骤s2中，所述电镀镍层的镍层厚度为2-8.9μm；步骤s4中，所述电镀镍层的镍层厚度为2-8.9μm。

进一步地，步骤s5.2中，所述钎焊在钎焊炉中进行，焊接时采用ausn20作为焊料，钎焊炉中真空度小于等于2kpa，焊接时向钎焊炉内缓慢充氮气直至氮气炉内气压达到98-102kpa，炉内温度以10-15℃/min的升温速率升至23℃，保温5min，再以6-10℃/min的升温速率升至340-360℃，保温5-15min后停止加热，钎焊炉内降温至60℃以下，完成陶瓷管外帽的真空钎焊，取出熔断器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明的高电压大电流熔断器密封封装方法，采用钎焊完成陶瓷管两端陶瓷管内帽和陶瓷管外帽的密封封装，相较其他焊接方法而言，焊接温度较低，可以实现熔断器焊缝均匀密封，焊接强度较高、焊缝外观美观，且不损伤熔断器内部电学结构。另外，陶瓷管内帽和陶瓷管外帽均进行特殊的镀层处理，可大大提高熔断器端帽，以及密封处的环境适应性和可靠性，使熔断器具有机械强度高、环境耐受性好、结构稳定可靠性高的特点，经验证，密封封装后的熔断器漏率小于等于1×10^-9pa·m³/s。

2.本发明还包括检漏验证步骤，完成密封封装后，通过检漏测试确认是否合格，避免不良品被使用。

3.本发明封装完成后在陶瓷管表面进行喷砂处理，使熔断器的外观更加美观。

4.本发明的陶瓷管内帽和陶瓷管外帽在钎焊时，在氮气炉或真空炉中进行，可以方便实现熔断器内部填充特定气压纯氮气或抽真空要求，同时，采用特殊的焊料，也可大大提高熔断器密封的环境适应性和可靠性。采用agcu28焊料片实现端面金属化陶瓷管与陶瓷管内帽真空钎焊，解决了陶瓷管内帽和陶瓷管的可靠密封焊接问题；陶瓷管内帽和陶瓷管外帽低温钎焊步骤中，采用ausn20焊料片实现镀金的陶瓷管外帽和镀金的陶瓷管内帽的钎焊密封，将钎焊温度降低至320-360℃，确保了钎焊温度对熔断器内部填充的砂体和熔体等电学结构无影响。另外，氮气炉先抽真空、再充氮气，确保了ausn20焊料片能够在真空或氮气的保护性氛围下熔化而不会被氧化，规避了普通焊接方式下熔断器密封后陶瓷管内无法抽真空或充保护性氮气的问题，提高了熔断器可靠性。

附图说明

图1为本发明中高电压大电流熔断器的结构示意图。

其中，1-陶瓷管、2-陶瓷管内帽、3-陶瓷管外帽。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。

(1)陶瓷管端面金属化。

取等静压工艺下成型、车制且完成胚体烧成的氧化铝陶瓷管1，放在平面磨床上研磨加工陶瓷管1的两个端面，加工完成后的陶瓷管1尺寸为：长度121mm、内直径14mm、外直径22mm；将陶瓷管1置于倒角机上，对陶瓷管1两端的直角进行倒钝处理，倒角完成后，将陶瓷管1放在超声波清洗机中进行超声波清洗，清洗完后将陶瓷管1取出烘干；对烘干后的陶瓷管1进行外观和尺寸检测，要求外观无杂质、碰损、瓷疱、针孔等缺陷，且尺寸满足预设要求。

将由金属钼粉和锰粉制成的金属化膏剂，先印刷到陶瓷管1一个端面上并烘干，再印刷到陶瓷管2的另一个端面，再次烘干；将端面印刷有金属化膏剂的陶瓷管1放进氢炉中进行一次金属化烧结，可一次完成9只陶瓷管1的一次金属化烧结，在1400℃、1atm氢氮混合气氛下烧结30min，停止加热，自然冷却到室温后取出陶瓷管1；对本批次9只陶瓷管1进行检测，要求外观无起皮和凸起等缺陷，再从本批9只陶瓷管1中抽取3只，检测每只陶瓷管两个端面金属化层厚度是否均位于50-100μm范围。

用镍丝捆绑住陶瓷管1，并使镍丝与陶瓷管1端面金属化区域接触良好，通过镍丝将陶瓷管1挂在电镀挂具上；将挂有陶瓷管1的挂具置入电镀槽中，在陶瓷管1端面金属化区域表面镀镍层，镀层厚度为2-5μm；陶瓷管1端面金属化区域电镀镀镍完成后，将陶瓷管1取出，在流动的去离子水槽中冲洗干净，再将陶瓷管1放入煮沸的去离子水中水煮10分钟，将陶瓷管1从沸水中取出，用洁净棉纱擦拭干净。

将陶瓷管1再次放入氢炉中进行二次金属化烧结，陶瓷管1在820℃、1atm氢气气氛下再次烧结1小时，降温冷却后取出，然后检验陶瓷管1端面镀镍层与钼锰基底层的结合状况，要求镀镍层未出现起皮、起泡等缺陷，从本批9只陶瓷管1中抽取3只测试金属化端面镀镍层厚度，镍层厚度均在2-5μm范围内。

(2)陶瓷管内帽2镀镍

陶瓷管内帽2是采用tu1无氧铜加工而成的，每个陶瓷管内帽2均为薄板圆环结构，陶瓷管内帽2外直径22mm，内直径8mm，厚度2.5mm；完成加工的18只陶瓷管内帽2，表面粗超度ra≤1.6μm，无可见毛刺，表面无空洞、凹坑等瑕疵；

将18只陶瓷管内帽2表面清洁处理后，通过挂具放入电镀槽中镀镍，镀镍层厚度均位于2.0-8.9μm范围内；电镀镀镍完成后，将陶瓷管内帽2取出，在流动的去离子水槽中冲洗干净，再将陶瓷管内帽2放入煮沸的去离子水中水煮10分钟；将陶瓷管内帽2从沸水中取出，冷却后用洁净棉纱擦拭干净；在18只陶瓷管内帽2中抽取5只进行表面镀镍层厚度测试，要求镀镍层厚度均位于2.0-8.9μm范围内；采用gjb2440a-2006《混合集成电路外壳通用规范》附录b中的镀层质量试验方法，对随机抽取的3只陶瓷管内帽2进行镀镍层质量测试，测试后镀镍层均未出现起皮、起泡等缺陷；

(3)陶瓷管1与陶瓷管内帽2之间真空钎焊

选择agcu28材料制成的焊料片，作为陶瓷管1两端金属化端面与镀镍陶瓷管内帽2配合圆环面钎焊的焊料片，agcu28焊料片为薄板圆环结构，内直径15mm，外直径22mm，厚度约100μm；清洁处理真空炉托盘、熔断器钎焊模具和压块，将钎焊模具和压块整齐摆放在装配平台上；检查陶瓷管1、agcu28焊料片、陶瓷管内帽2外观，无碰伤缺陷和污染。

将一只陶瓷管内帽2作为陶瓷管1的下端内帽，按装配方向摆放在钎焊模具上；用镊子夹取一片agcu28焊料片作为下agcu28焊料片，摆放在下端内帽的上圆环面中间位置上；再将陶瓷管1竖直摆放在下agcu28焊料片的上圆环面上，使陶瓷管1下端面金属化层刚好与下agcu28焊料片的上圆环面接触对齐；在陶瓷管1上端面金属化层表面中间位置，放置另一只上agcu28焊料片，上agcu28焊料片的下圆环面和陶瓷管1上端面金属化层表面接触，上agcu28焊料片的上端放置另一只陶瓷管内帽2作为上端内帽，上agcu28焊料片的上圆环面与上端内帽底面接触对齐。

将装配好的陶瓷管内帽2、焊料片和陶瓷管1整体摆放在真空炉托盘上，作为一套待焊陶瓷管1；真空炉托盘上共摆放9套待焊陶瓷管1，两两之间的间隔为30㎜，检查待焊陶瓷管1装配结构，陶瓷管1与agcu28焊料片、agcu28焊料片与陶瓷管内帽2的接触良好，陶瓷管1竖直平稳；检查完后，在9套待焊陶瓷管1上端内帽的上表面分别放置9只压块，压块材质为黑化处理的45#钢，压块重量均位于为300±15g范围。

关闭真空炉门，开启真空泵，对炉腔内抽真空，真空度达到5×10^-4pa后，真空炉开始加热，以15℃/min的升温速率升到400℃，保温5min，再以7.5℃/min的升温速率升到820℃，再保温5min后，真空炉停止加热并开始自然降温冷却；真空炉内温度降到400℃时开启风冷风机，向炉膛内输送氮气，使炉腔内快速冷却；炉腔内温度降至60℃以下，打开炉门，取出陶瓷管1与陶瓷管内帽2焊接体；对完成钎焊的陶瓷管1和陶瓷管内帽2焊接体进行检漏，陶瓷管1两端分别与上内帽、下内帽的两个焊缝漏率≤1×10^-9pa·m³/s。

(4)陶瓷管内帽2焊接体镀金

对9只陶瓷管1和陶瓷管内帽2焊接体的陶瓷管内帽2表面进行镀金处理，镀金完成后，将其取出，在流动的去离子水槽中冲洗干净；随机抽取2只在陶瓷管内帽2表面各3-5个点，测试镀金层厚度均位于2.5-5μm范围内；采用gjb2440a-2006《混合集成电路外壳通用规范》附录b镀层质量试验方法，对镀金的9只陶瓷管1和陶瓷管内帽2的焊接体抽样3只，进行镀金层质量测试，镀金层均不出现起皮、起泡等缺陷；在40w日光灯的照射下，距离500mm，沿光线方向目测镀金层表面颜色均匀一致，无发花、发雾和划伤的现象；

(5)陶瓷管外帽3镀镍镀金

陶瓷管外帽3采用tu1无氧铜加工而成，每个陶瓷管外帽3底部为圆板结构，圆板直径22mm，厚度3mm；完成加工的陶瓷管外帽3表面粗超度ra≤1.6μm，无可见毛刺，表面无空洞、凹坑等瑕疵；

将18只陶瓷管外帽3表面清洁处理后，通过挂具放入电镀槽中镀镍；镀镍完成后，将陶瓷管外帽3取出，在流动的去离子水槽中冲洗干净，再将陶瓷管外帽3放入煮沸的去离子水中水煮10分钟；将陶瓷管外帽3从沸水中取出，冷却后用洁净棉纱擦拭干净；从18只镀镍的陶瓷管外帽3中抽样3只，对每只抽样的陶瓷管外帽3表面随机选择3-5处，进行镍层厚度测试，镀镍层厚度均位于2.0-8.9μm范围内；采用gjb2440a-2006《混合集成电路外壳通用规范》附录b镀层质量试验方法，对抽样的3只陶瓷管外帽3进行镀镍层质量测试，镀镍层未出现起皮、起泡和划痕等缺陷；

将镀镍后的18只陶瓷管外帽3进行镀金处理，镀金完成后，将陶瓷管外帽3取出，在流动的去离子水槽中冲洗干净；随机抽取3只陶瓷管外帽3，检测陶瓷管外帽3表面3-5个点，测试镀金层厚度均位于2.5-5μm范围；采用gjb2440a-2006《混合集成电路外壳通用规范》附录b镀层质量试验方法，对抽样的3只陶瓷管外帽3进行镀金层质量测试，镀金层未出现起皮、起泡等缺陷，在40w日光灯的照射下，距离500mm，沿光线方向目测镀金层表面颜色均匀一致，无发花、发雾和划伤的现象。

(6)陶瓷管内帽2和陶瓷管外帽3之间低温钎焊

在陶瓷管内帽2和陶瓷管外帽3之间低温钎焊前，完成dc1600v30a熔断器陶瓷管1内电学结构填装；清洁处理氮气炉的托盘；取出熔断器钎焊模具和压块，将模具和压块擦拭干净，整齐摆放在装配平台上；采用ausn20材料制成的焊料片，作为陶瓷管内帽2和陶瓷管外帽3配合圆环面的钎焊焊料片，ausn20焊料片为薄板圆环结构，内直径15mm，外直径22mm，厚度100μm；检查陶瓷管内帽2和陶瓷管1组成焊接体、ausn20焊料片、陶瓷管外帽3，无碰伤和污染；

将一只陶瓷管外帽3作为下外帽，按装配方向倒放在钎焊模具上；用镊子夹取一片ausn20焊料片作为下焊片，摆放在下外帽上端的圆盘底面上；将陶瓷管内帽2和陶瓷管1的焊接体垂直摆放在下焊料片上表面中间位置；用镊子夹取另一片ausn20焊料片作为上焊片，摆放在陶瓷管内帽2焊接体顶部中间位置；将另一只镀金的外帽作为上外帽，按装配方向放在上焊片上表面中间位置；装配好的上外帽、下外帽、上焊料片、下焊料片和陶瓷管内帽焊接体，作为一套待焊样品；装填完9套待焊样品后，将9套待焊样品一起摆放在氮气炉托盘上，陶瓷管1与陶瓷管1之间间隔30㎜，检查每套待焊样品中陶瓷管外帽3、ausn20焊片、内帽接触良好，瓷管竖直平稳；在9套待焊样品上外帽顶部分别放置9个压块，每个压块材质为黑化处理45#钢，重量满足300±15g；

关闭氮气炉门，开启真空泵，对氮气炉腔内抽真空，真空度达到2kpa后开启氮气阀，向氮气炉内缓慢充氮气，氮气炉腔内气压达到100kpa时，打开放空阀；待氮气炉腔内气压稳定后，开启加热按钮，炉腔内温度以10℃/min的升温速率升到230℃，保温5min，再以7.5℃/min的升温速率升到350℃，保温10分钟后停止加热，氮气炉腔内自然降温；温度降至60℃以下时，打开氮气炉门，取出熔断器；

(7)喷砂。

用纸和胶带将熔断器两端的金属端帽包裹住，只露出中间的陶瓷管1部分；采用喷砂机喷砂处理熔断器陶瓷管表面，喷砂压力0.3mpa，砂体选用80#白刚玉砂；陶瓷管1表面变白后停止喷砂，取出熔断器，拆掉两端包裹的防护纸和胶带，使熔断器表面更加美观。

(8)密封检漏。

按gjb360b方法112，采用氟油检漏和氦质谱检漏方法，对密封封装的9只熔断器进行密封检漏筛选，漏率均低于1×10^-9pa·m³/s。

经过本发明封装的熔断器，测试熔断器静态电阻，测试值与密封封装前的值相比并无增大，证明本发明方法对熔断器静态电阻值无影响；在相同条件下测试了本发明封装的熔断器的额定载流寿命，与设计的额定载流寿命基本相当，试验测试结果证明：本发明的密封封装方法对熔断器内部关键电学结构及功能并无影响。

在本发明的其他实施例中，陶瓷管1两端进行一次金属化烧结时，在1365℃、1atm氢氮混合气氛下烧结60min，或在1430℃、1atm氢氮混合气氛下烧结45min；对应的陶瓷管1二次金属化烧结的温度为780℃和800℃。

另外，需要说明，上述钎焊时使用的炉体，若充氮气进行钎焊，将其定义为氮气炉，若抽真空进行钎焊，将其定义为真空炉。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。