碳換向器碳片及低溫焊接

吳立新，吳嘉恒

（株洲四維科技制造有限公司，湖南 株洲 412000）

隨著汽車電噴系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，燃油系統(tǒng)的動(dòng)力單元——燃油泵的作用至關(guān)重要。目前廣泛使用的燃油泵電機(jī)屬于直流有刷電機(jī)，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、成本低。換向器是直流有刷電機(jī)必不可少的關(guān)鍵組件，與油泵電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)息息相關(guān)，直接影響到汽車燃油系統(tǒng)運(yùn)行的壽命和可靠性。

油泵電機(jī)換向器從材質(zhì)上來(lái)分有碳換向器和銅換向器兩種，而碳換向器的使用壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于銅換向器，這一點(diǎn)已為業(yè)內(nèi)人士所公認(rèn)。但由于碳換向器的原材料——碳片目前為國(guó)外公司所壟斷，還有與之配套的低溫焊接技術(shù)國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)也未能很好地掌握 （多數(shù)還是采用高溫焊接工藝），造成近十幾年來(lái)國(guó)內(nèi)的幾家主要大型換向器企業(yè)在碳換向器方面的生產(chǎn)舉步維艱，幾無(wú)建樹。跟主機(jī)廠家配套的碳換向器基本依賴進(jìn)口，另有大量的企業(yè)還在生產(chǎn)檔次較低的銅換向器。這就是目前國(guó)內(nèi)油泵電機(jī)換向器的生存現(xiàn)狀。隨著2020年國(guó)家對(duì)乙醇汽油的全面推廣與普及，用碳換向器取代銅換向器應(yīng)該是一個(gè)必然的趨勢(shì)。

在此背景下，受國(guó)內(nèi)某知名換向器生產(chǎn)廠家的委托，我們對(duì)碳換向器的核心——碳片以及碳片與銅支架的低溫焊接技術(shù)進(jìn)行了完全的自主研發(fā)。經(jīng)過(guò)近5年的努力，現(xiàn)已取得了技術(shù)上的完全突破。不僅能生產(chǎn)出合格的高壽命碳片，還能獲得良好的低溫焊接效果，并且已經(jīng)具備批量生產(chǎn)的能力。經(jīng)實(shí)際6000h壽命試驗(yàn)，效果良好，已完全達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的水準(zhǔn)。

1 碳片的生產(chǎn)工藝流程

全部的原材料均立足于國(guó)產(chǎn)，并且全部生產(chǎn)工藝過(guò)程均由本公司自行實(shí)施。

具體工藝流程如圖1所示。

圖1 碳片生產(chǎn)的工藝流程

成品碳片的物理性能指標(biāo)：密度≥1.82 g／cm3；硬度≥48HSD；電阻率≤20 μΩ.m。以上指標(biāo)經(jīng)實(shí)際考核，完全可以滿足碳換向器的性能要求。

2 碳片與銅支架的低溫焊接

為了適應(yīng)換向器行業(yè)大批量生產(chǎn)的特性，專門自主開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的低溫焊接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了碳片與銅支架的快速可靠焊接。采用自動(dòng)化連續(xù)焊接，焊接溫度根據(jù)需要設(shè)定在230～300℃之間，焊接點(diǎn)剪切強(qiáng)度≥10 MPa，斷面層位于碳片本體部位，牢固、可靠。

3 換向器的焊接電阻

碳換向器的焊接電阻理論值要求越小越好；各腳之間電阻值的離散性要小。將國(guó)產(chǎn)碳片與銅支架低溫焊接后，委托某知名換向器生產(chǎn)廠家直接加工成換向器，檢測(cè)8個(gè)腳的焊接電阻值，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 國(guó)產(chǎn)碳片碳換向器焊接電阻值 ／mΩ

客戶要求該產(chǎn)品阻值≤0.8 mΩ，根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)完全可以滿足客戶需求。作為對(duì)比，表2、表3列出了國(guó)外兩款產(chǎn)品的電阻實(shí)測(cè)值。

表3 國(guó)外某品牌Ⅱ碳換向器焊接電阻值 ／mΩ

4 壽命測(cè)試結(jié)果

1）測(cè)試對(duì)象：1號(hào)泵和2號(hào)泵。

2）說(shuō)明：①1號(hào)泵和2號(hào)泵均由國(guó)內(nèi)某知名品牌廠家組裝生產(chǎn)；②1號(hào)泵為國(guó)產(chǎn)碳片和碳刷 （以下簡(jiǎn)稱國(guó)產(chǎn)泵），2號(hào)泵為進(jìn)口碳片和碳刷 （以下簡(jiǎn)稱進(jìn)口泵）。

3）壽命測(cè)試工況：①介質(zhì)：30%乙醇汽油溶液；②壓力：0.4 MPa；③電壓：13 V；④國(guó)產(chǎn)泵連續(xù)工作6 015 h，進(jìn)口泵連續(xù)工作2 235 h。

4）測(cè)試結(jié)果：測(cè)試過(guò)程中流量變化結(jié)果如圖2所示；壽命測(cè)試后碳片和碳刷的磨損情況見(jiàn)表4，壽命測(cè)試后燃油泵流量下降幅度見(jiàn)表5。1號(hào)和2號(hào)泵壽命測(cè)試結(jié)束后工作狀態(tài)仍正常。

5 結(jié)束語(yǔ)

圖2 油泵壽命測(cè)試過(guò)程流量變化情況

表4 碳片和碳刷的磨損情況 ／mm

表5 流量下降幅度L／H

采用本公司自行開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的碳片并配以相應(yīng)的低溫焊接技術(shù)生產(chǎn)的碳換向器，完全能滿足現(xiàn)有燃油泵電機(jī)的使用要求，并可替代進(jìn)口同類產(chǎn)品。在保證產(chǎn)品品質(zhì)的前提注：測(cè)試電壓為12 V，測(cè)試壓力為0.3 MPa。下可明顯降低碳換向器的生產(chǎn)成本，為碳換向器的大規(guī)模國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)創(chuàng)造了條件，以適應(yīng)今后國(guó)家對(duì)乙醇汽油的推廣和使用。