工艺控制对真空灭弧室质量的影响

赵芳

摘 要：真空灭弧室是真空开关的核心器件，正逐步向超高压、小型化、长寿命、高可靠性方向发展。文章对真空灭弧室生产制造过程中工艺控制对产品质量性能各方面的影响进行了阐述，着重对一次封排工艺过程中容易出现的问题进行了说明，证明工艺控制在灭弧室生产过程中的重要性及对产品性能的影响。

关键词：真空灭弧室；一次封排

中图分类号：TM561.5 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）08-0103-02

1 真空灭弧室简介

随着高压真空开关行业的飞速发展，真空灭弧室也广泛应用于电力、冶金、矿山、石化、铁路等部门的配件系统。真空灭弧室具有体积小、寿命长、节能、防火、防爆、维护简单、运行可靠、无污染等诸多优点。通常真空灭弧室由绝缘外壳、运动导电部分（动管芯）、静止导电部分（静管芯）构成。

按绝缘外壳可分为玻璃真空灭弧室和陶瓷真空灭弧室，从制造工艺上可分为一次封排灭弧室和排气灭弧室。

随着真空开关向超高压、低压等级方向发展，真空灭弧室也将逐步向小型化、长寿命方向发展，这无疑对真空灭弧室的生产制造工艺水平提出了更高要求，同时也是对产品质量的更大挑战。

2 真空灭弧室一次封排制造工艺简介

在国内真空灭弧室制造技术日趋成熟，一次封排工艺已经广泛应用于生产灭弧室的各个企业。一次封排工艺是区别于传统排气工艺的一种新型灭弧室生产工艺。一次封排工艺是指将焊接好的动、静管芯与瓷壳装配成整管置于真空炉中焊接，整管的焊接与管内的排气同时完成。一次封排工艺具有生产周期效率高、工艺过程简化、适于大规模生产、管内去气彻底、焊接可靠、产品质量一致性好的优点。

3 生产工艺环境对灭弧室质量的影响

灭弧室工作于高电压、大电流状态下，需要具有良好的内外绝缘水平，强大的导流能力，可靠的开断能力，这要求灭弧室的生产区域必须具备良好的工艺卫生。该区域应相对独立，四周封闭，区域内保持恒温、恒湿，内部保持正压，具有较高的洁净度等级。一般温度应保持在20～24 ℃之间，相对湿度为30 %～70 %。

温、湿度的变化可导致灭弧室金属材料和金属化封接面的氧化污染。灭弧室导电部分采用无氧铜材料，铜长期存放于空气中或高温、高温环境下极易发生氧化。使用氧化的零、部件封接整管后会产生虚焊、漏气的现象，而且铜的氧化物在真空封接过程中会发生分解，污染真空炉和炉内工件，降低炉内真空度。灭弧室使用的不锈钢、可伐材料其表面镀有镍层，瓷壳金属化表面也镀有镍层，这类零件大多用于气密性焊缝焊接，如果氧化会产生漏大气，高压加不上，真空度低等问题。灭弧室电极大都采用CuCr系合金和WuCu系合金，Cr在空气中氧化缓慢，但Cr的氧化物却十分稳定，高温下难以分解，即使在氢炉中还原也难以达到初始状态，电极氧化会增大灭弧室的回路电阻，开断时增大管内的放气量。所以灭弧室的生产环境一定要保持恒温、恒湿。

生产环境的洁净程度对灭弧室的内在品质、产品的成品率有着重大影响。空气中存在的大量尘埃粒子，如果进入灭弧室内会产生严重的质量问题，比如降低管内绝缘、增大开断电弧重燃几率等。因此生产区域的空气必须实时净化，将空气中的尘埃粒子控制在一定范围内。以陕西宝光真空电器股份有限公司为例，洁净度等级执行美国联邦209E标准，装配大厅标准为100 000级，用于部件的焊接，超净间标准为10 000级，超净装配台标准为100级，用于整管的装配与封排；大厅与超净间温度保持在20～24 ℃，相对湿度控制在30%～70%范围内，并进行实时监控。

4 材料品质对灭弧室质量的影响

用于灭弧室的材料除了对其机械性能有着较高要求外，对电性能也有着很高要求。这些指标如成分含量、杂志含量、含氧量、硬度、电导率、密度、缺陷、抗拉强度等。加强原材料的质量把关对灭弧室的品质有着重要意义，材料缺陷有时会在生产过程中体现，有时则成为一种隐患遗留于产品之中。例如无氧铜的含量超标会增加灭弧室的去气成本，瓷件杂志含量超标会使灭弧室的绝缘强度和机械强度受损，波纹管晶粒粗大会降低机械寿命。

5 部件装配焊接对灭弧室质量的影响

灭弧室部件的装配与封接是制造工艺过程中的重要部分。一次封排灭弧室的焊接大都采用银基焊料立封结构，主要有铜-铜焊接、铜-不锈钢焊接、不锈钢-不锈钢焊接。影响焊接质量的因素主要有：零件表面的洁净度、焊缝间隙、零件光洁度、焊接工艺曲线、炉内真空度等。

机加后的金属零件一般要经过去油、酸洗、电解去毛刺、表面抛光等处理，力求零件表面光滑，无磕碰、变形以及氧化、污染。焊缝零件的配合间隙一般0.1 mm为最理想，此时不但能充分利用焊料融化后的毛细作用来填隙而且会使基体金属生成新的合金组织。过大的配合间隙达不到最佳的焊接效果，間隙过大焊料只是简单的堆积，达不到生成合金的温度，且二次焊接时易熔焊；配合间隙过小不利于零、部件的装配。在焊接过程中应设置合理的工艺曲线，升温段应充分考虑到材料的放气，随着真空炉炉内气体压强的下降和温度的升高，零件表面物理吸附的气体首先脱附，随之材料深层化学吸附的气体脱附，材料的大量的放气会使真空炉内真空度急剧下降，一般下降一个数量级左右。如果炉内真空度过低加之温度升高，零件极易氧化，如果继续焊接必将造成零件的虚焊，危害极大。

6 整管封排对灭弧室质量的影响

整管的焊接是由已焊接的部件与其它零件进行装配，共同在真空炉内进行焊接和管内排气。对于整管的封排则要求更高，因为不但要保证焊缝的强度和气密性，而且要求管内具有5×10-4的真空度。

油对真空的危害极大，为保证灭弧室的高品质，真空系统应采用无油设备。例如宝光股份采用的是低温泵和分子泵做为主抽泵的大型真空炉，虽然提高了设备成本但可提高管内洁净度。封排过程中应充分考虑到材料的深层去气，在800 ℃高温下，对材料进行长时间烘烤可使材料深层吸附的气体去除，避免日后材料的放气使灭弧室管内压强升高。一般进行300～800 ℃的保温去气，过长时间保温对去气并无益处。

在封排过程中炉内温均性是一项十分重要的指标。真空炉内主要依靠加热钼带的热辐射和工件间的热传导实现温均，炉内某处的实际温度与热偶测量值存在一定的偏差，将最大温差控制在一定范围内可保证产品质量的一致性。

升、降温速率设置要合理，过快的升降温会引起内、外应力的集中释放，过慢的升降温会增加不必要的生产成本。焊料融化焊接时间即整个焊接过程中的最高温度，时间不宜过长或过短，时间过长会使所用焊料过度融化和蒸发，甚至导致已焊接部件的二次熔化；时间过短易导致焊料熔化不均匀。在整个封接过程中真空炉内真空度应始终保持在高真空状态，防止在此过程中造成金属件的氧化。

7 灭弧室管内真空度的控制

灭弧室管内真空度是灭弧室正常工作的基本条件，工艺过程中对真空度的控制是一项重要工作。

灭弧室正常使用的条件是管内真空度优于1.33×10-2 Pa，对真空度的控制是工艺控制的一项重要内容，宝光股份控制标准为管内压强不大于5×10-2 Pa。首先封排中真空炉内压强小于1×10-4 Pa，可使灭弧室获得一个较高的初始管内气压，当温度降为室温后材料的放气速率变小，吸气速率变大，可使管内真空度进一步提高1个数量级，达到1×10-4 Pa左右，这样就使灭弧室获得一个较高的管内真空。封排过程中长时间的高温烘烤使得管内材料在以后的放气量大大减小，并且管内设计有高效吸气剂，可以吸附这部分释放的气体。

封排后的灭弧室还需要进行真空度检测，工频耐压检测，排除掉管内压强大于1×10-1 Pa的管子，然后用磁控式真空度测试仪检测1×10-1 Pa—1×10-5 Pa范围内的管子，再进行加压检漏，即将灭弧室放入加压罐中充以一定压力的惰性气体，放置一定的时间，然后再次进行真空度测试，这种方法可排除慢性漏气的情况。使用真空度测试仪应注意测试仪的量程范围、环境湿度、温度、光线、电磁干扰等，避免产生结果误判。

8 老炼及其它方面对灭弧室质量的影响

对灭弧室进行老炼处理，可提高其电性能。老炼主要有超高压老炼、直流老炼、雷电冲击老炼。超高压老炼是将灭弧室两触头分离开一定距离，两端加以高压，利用触头间局部放电来烧蚀表面的毛刺，以达到改善触头表面状态，提高其耐压水平的目的。直流老炼是给灭弧室通以上百安培的大电流，触头产生电弧时，利用电弧来净化触头表面，烧蚀尖端的作用。雷电冲击老炼在灭弧室两端加以瞬间高电压，两触头间不击穿，老炼后可提高滅弧室抗雷电冲击的能力。

灭弧室综合参数的控制，这部分主要包括耐压检测，真空度检测，尺寸形位公差检测，外观外形检测，自闭力、反力检测，回路电阻检测等。

9 结 语

通过以上论述可以看出，灭弧室生产工艺控制对产品质量的重要性，要生产出高品质的灭弧室，必须加强各个工艺环节的控制。

参考文献：

[1] 王季梅.真空开关理论及其应用[M].西安：西安交通大学出版社，1986.

[2] 焦桐顺.真空电子器件材料[M].北京：电子工业出版社，1984.