一種氣密封微矩形連接器的設(shè)計(jì)

摘要：連接器是常見的元器件之一，隨著設(shè)備使用環(huán)境的不同，連接器也被賦予了各式各樣的附加性能要求。如最常見三防要求(即鹽霧、霉菌、潮濕)，耐振動(dòng)、沖擊要求等;其中，氣密封要求也是連接器在特殊使用環(huán)境下的一種要求。隨著各種設(shè)備的小型化、輕型化要求，氣密封連接器的小型化、輕型化要求也一并提出。本文介紹了一款采用玻璃燒結(jié)工藝實(shí)現(xiàn)的氣密封連接器，并對(duì)其設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述。

0 引言

氣密封連接器主要應(yīng)用在設(shè)備的穿艙區(qū)域，隔絕設(shè)備內(nèi)外的空間，并實(shí)現(xiàn)密封功能。通常情況下，以泄漏率這個(gè)指標(biāo)來衡量氣密封性能。根據(jù)具體設(shè)備的使用環(huán)境不同，泄漏率要求一般在1.01×10-1Pacm3/s ～1.01×10-3Pacm3/s之間。連接器的氣密封技術(shù)一般分為采用膠密封和玻璃燒結(jié)密封兩種技術(shù)。膠密封存在易老化、熱真空釋氣等問題，所以在嚴(yán)苛環(huán)境下往往采用玻璃燒結(jié)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)氣密封功能。玻璃燒結(jié)密封連接器對(duì)密封技術(shù)要求很高，不僅要求有一定的機(jī)械強(qiáng)度，而且要求在高真空的情況下，有良好的氣密性和導(dǎo)電性。

隨著各種設(shè)備的小型化、輕型化要求，氣密封連接器的小型化、輕型化要求也一并提上日程。其中，氣密封微矩形連接器就擁有非常大的市場(chǎng)空間。本文所述的氣密封連接器即是結(jié)合市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)研發(fā)的一款氣密封微矩形連接器。

1 技術(shù)要求

a) 工作溫度：-55℃～+260℃;

b) 絕緣電阻：≥5000MΩ(正常條件下);

c) 耐 電 壓：1000V(標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下);

d) 額定電流：5A;

e) 氣密性：1.01×10-3Pacm3/s;

f) 沖擊：加速度735m/s2;

g) 振動(dòng)：頻率10Hz～2000Hz 加速度196m/s2;

h) 機(jī)械壽命：500次。

2 主要結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品主要由殼體、玻璃絕緣子、接觸件及附件組成。玻璃絕緣子孔位間距采用1.27×1.27網(wǎng)格間距的孔位排布，接觸件采用剛性插孔。該產(chǎn)品具有接點(diǎn)密度高、體積小、重量輕、氣密封等特點(diǎn)，適用于高密度、微型化、輕型化、高速率、高可靠要求的各種電氣電路系統(tǒng)的互連，滿足系統(tǒng)輕型化、微型化、氣密性的需求。產(chǎn)品模型如下圖所示：

圖1 產(chǎn)品模型圖示

其核心部分包括殼體、玻璃絕緣子、接觸件三部分;其中，殼體與接觸件通過玻璃絕緣子在高溫環(huán)境下一體成型，玻璃絕緣子在保證電氣絕緣的同時(shí)還要滿足泄漏率的要求。主要結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖2 產(chǎn)品主要結(jié)構(gòu)圖示

3 工藝實(shí)現(xiàn)

本產(chǎn)品采用玻璃餅燒結(jié)工藝技術(shù)來實(shí)現(xiàn)氣密封功能。玻璃餅燒結(jié)技術(shù)是比較傳統(tǒng)的玻璃燒結(jié)技術(shù)，玻璃餅燒結(jié)技術(shù)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壓制工藝成熟，并且殼體加工工藝簡(jiǎn)單，比較適合企業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。在國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)中應(yīng)用較多，是比較重要的一種技術(shù)。

其中，玻璃餅結(jié)構(gòu)絕緣子采用玻璃粉末并通過模具壓制成型，其孔位由模具直接成型帶出;

圖3 玻璃餅結(jié)構(gòu)絕緣子圖示

其中，玻璃餅絕緣子與殼體、接觸件之間采用整體燒結(jié)技術(shù)，即在燒結(jié)過程中，通過耐高溫的石墨進(jìn)行定位，然后再通過專用的高溫爐將組裝好的每一套連接器連帶模具一起加溫。在燒結(jié)過程結(jié)束以后，石墨模具可以取下，然后重復(fù)利用。

3.1機(jī)械加工

采用玻璃餅燒結(jié)結(jié)構(gòu)的金屬殼體通常用機(jī)械加工的方法進(jìn)行加工，值得注意的是：由于該金屬殼體需要進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，并且需要與玻璃進(jìn)行高溫封接，所以需要選用與玻璃材料膨脹系數(shù)相接近的金屬進(jìn)行機(jī)械加工，行業(yè)內(nèi)常用的材料一般為可伐合金4J29，但由于可伐合金成本較高，為節(jié)約成本，一般無特殊要求的產(chǎn)品也可以選擇不銹鋼。本案例產(chǎn)品性能指標(biāo)要求較高，故選用可伐合金4J29為殼體材料。

玻璃餅燒結(jié)技術(shù)是將玻璃餅與金屬通過高溫封接為一體，并且需要保證燒結(jié)后產(chǎn)品的密封性滿足要求，所以，需要保證殼體表面的光潔度，以便在玻璃餅與殼體燒結(jié)成型后能緊密結(jié)合。一般情況下，機(jī)加表面光潔度要保證在Ra1.6以上。同時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中，還應(yīng)該注意殼體的燒結(jié)面應(yīng)盡量設(shè)計(jì)成光滑直面，盡量避免出現(xiàn)臺(tái)階、環(huán)蓸等結(jié)構(gòu)。因?yàn)闅んw中的臺(tái)階或者環(huán)蓸會(huì)影響玻璃餅與殼體的結(jié)合，并且由于玻璃在高溫融化后流動(dòng)性并不是很好，容易在臺(tái)階或環(huán)蓸處出現(xiàn)氣泡，影響燒結(jié)質(zhì)量，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意將殼體結(jié)合部位設(shè)計(jì)成光滑的直面。

圖4 燒結(jié)產(chǎn)品殼體圖示

同樣，玻璃燒結(jié)連接器所用的接觸件也要設(shè)計(jì)成光滑柱面，便于燒結(jié)后密封性能滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也可以提高燒結(jié)產(chǎn)品的成品率。通常情況下，接觸件多采用與玻璃膨脹系數(shù)接近的可伐合金或者無氧銅TU系列。由于這些材料在高溫?zé)Y(jié)后均會(huì)產(chǎn)生退火效果，并且材料的彈性會(huì)基本消失，所以不建議在玻璃燒結(jié)密封連接器內(nèi)采用彈性結(jié)構(gòu)接觸件進(jìn)行燒結(jié)，一般采用剛性接觸件結(jié)構(gòu)，故本案例選用可伐合金制作剛性插孔，同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)也需要注意產(chǎn)品的同軸度及燒結(jié)部位的直面設(shè)計(jì)。

圖5 燒結(jié)產(chǎn)品剛性插孔圖示

3.2 燒結(jié)成型

氣密封玻璃燒結(jié)連接器的燒結(jié)成型技術(shù)及過程主要如下：

1)玻璃餅壓制

玻璃餅相當(dāng)于常規(guī)連接器的絕緣體，能夠起到絕緣作用;同時(shí)，又與常規(guī)絕緣體不同，還要求其起到密封作用。玻璃餅通常采用模壓成型工藝，使用相應(yīng)的玻璃粉壓制成型。玻璃餅在壓制成型的過程中，將連接器的孔組通過模具一同壓制成型。由于在燒結(jié)過程中既要保證玻璃餅的強(qiáng)度，又要保證接觸件的位置度和垂直度，所以玻璃餅在設(shè)計(jì)及壓制成型過程中，要保證玻璃餅的厚度不能太厚，并且同時(shí)要保證產(chǎn)品孔位的垂直度及位置度。

通常，玻璃餅的壓制過程是在玻璃粉中摻入一定配比的高純度石蠟，干壓成型，然后再進(jìn)行排蠟玻化。

2)金屬零件凈化

金屬零件加工好以后進(jìn)行除油處理，然后進(jìn)行凈化處理，凈化表面，去除表面雜質(zhì)，同時(shí)還能夠消除金屬零件加工應(yīng)力。

3)模具凈化

玻璃燒結(jié)連接器在燒結(jié)過程中一般采用石墨模具進(jìn)行定位，而石墨模具容易吸潮，并且在加工過程中容易吸附一些油污、雜質(zhì)，所以在裝模前必須經(jīng)過凈化處理，然后才能用于產(chǎn)品封接。一般情況下，可以使用汽油或酒精進(jìn)行清洗，直至模具沒有石墨粉掉下為止，然后進(jìn)行烘干處理。

4)裝模

用風(fēng)槍(壓縮空氣)將處理好的石墨模具吹凈，而后將殼體、接觸件、玻璃餅、石墨模具等按照產(chǎn)品圖樣要求進(jìn)行組裝。

5)燒結(jié)

燒結(jié)是氣密封玻璃燒結(jié)連接器生產(chǎn)中的關(guān)鍵工序之一，封接溫度和加熱時(shí)間直接影響玻璃與氧化膜之間的過渡層和剩余氧化膜厚度。燒結(jié)不良是造成氣密性能不合格問題的主要原因，燒結(jié)溫度太低、時(shí)間太短，則玻璃與氧化膜反應(yīng)不充分，過渡層太薄，剩余氧化膜層太厚，燒結(jié)質(zhì)量低劣;反之，則有可能使氧化膜溶解，機(jī)械強(qiáng)度下降。所以，必須要適當(dāng)?shù)剡x擇燒結(jié)溫度和時(shí)間，一般情況下，溫度高則時(shí)間短，溫度低則時(shí)間長(zhǎng)。

3.3表面處理

因?yàn)槟望}霧環(huán)境的要求，氣密封玻璃燒結(jié)連接器同樣需要進(jìn)行表面處理。該類產(chǎn)品的表面處理通常采用電鍍的處理方式，電鍍是整個(gè)燒結(jié)連接器制造過程中最復(fù)雜的工藝之一，常規(guī)連接器是先對(duì)所用零件進(jìn)行鍍覆，然后再進(jìn)行組裝，而氣密封玻璃燒結(jié)連接器則與其它連接器不同，該類連接器需要在燒結(jié)以后才能對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行表面處理。

電鍍中比較常見的問題包括鍍后接觸體尺寸超差、產(chǎn)品絕緣性能下降以及抗腐蝕能力不合格等問題。針對(duì)上述問題，必須要規(guī)范電鍍工藝流程，固化程序，并且要嚴(yán)格按照相應(yīng)流程及要求進(jìn)行操作，只有這樣，才能提高產(chǎn)品的合格率。

4 驗(yàn)證

對(duì)設(shè)計(jì)后的氣密封微矩形連接器進(jìn)行試制，并取試制樣品按GJB1217A-2009 《電連接器試驗(yàn)方法》相關(guān)要求進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果合格，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足預(yù)期要求，試驗(yàn)結(jié)果詳見下表。

表1 連接器試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)后的玻璃燒結(jié)氣密封微矩形連接器，可以直接與相同接口的連接器互換對(duì)接使用，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證滿足使用需求。該種連接器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械強(qiáng)度好，密封性能優(yōu)異，耐高溫性，耐腐蝕性較強(qiáng)，電性能參數(shù)良好，可以應(yīng)用于航空、航天、軍事等領(lǐng)域。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，封接技術(shù)和封接理論也會(huì)隨之得到進(jìn)一步發(fā)展，相信未來，新型氣密封連接器的封接結(jié)構(gòu)及封裝技術(shù)也會(huì)隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展而更上一層樓。

審核編輯：湯梓紅