汽車催化器超薄壁載體封裝工藝淺析

申路軍，張中華

長(zhǎng)城汽車股份有限公司

汽車催化器超薄壁載體封裝工藝淺析

申路軍，張中華

長(zhǎng)城汽車股份有限公司

汽車三元催化器特性的作用是降低車輛排放有毒有害物質(zhì)，提高凈化能力。汽車排放污染及凈化問(wèn)題已引起各國(guó)政府的高度重視，控制汽車排放污染也一直是競(jìng)相研究的重要課題。本文研究的目的是隨著排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，為提高催化凈化能力，設(shè)計(jì)陶瓷載體發(fā)展趨勢(shì)為：多目數(shù)薄壁型，強(qiáng)度有所下降。強(qiáng)度的降低，對(duì)封裝工藝設(shè)計(jì)提出更高的要求，前期若缺少排氣系統(tǒng)熱端封裝工藝的嚴(yán)格控制，會(huì)導(dǎo)致后期各車型載體失效問(wèn)題頻繁發(fā)生。

薄壁載體；封裝工藝；催化器；GBD

前言

隨著我國(guó)汽車保有量的劇增，汽車排放尾氣造成的大氣污染已成為危害環(huán)境和人類健康的主要因素。針對(duì)此問(wèn)題，排放法規(guī)對(duì)汽車排放要求越來(lái)越高，由目前的歐IV逐漸過(guò)渡到歐V，甚至歐Ⅵ；隨著排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，為提高催化凈化能力，陶瓷載體發(fā)展趨勢(shì)為：多目數(shù)薄壁型，強(qiáng)度有所下降。且催化器達(dá)到歐Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)，需滿足五年十萬(wàn)公里三包質(zhì)量要求，售后面臨的問(wèn)題嚴(yán)峻；現(xiàn)有封裝工藝水平無(wú)法滿足薄壁、超薄壁載體封裝要求，需開(kāi)發(fā)出適用于催化器薄壁發(fā)展趨勢(shì)的先進(jìn)工藝技術(shù)。

1、封裝工藝關(guān)鍵控制參數(shù)

排氣系統(tǒng)催化器的設(shè)計(jì)，主要是封裝密度設(shè)計(jì)，這項(xiàng)指標(biāo)的合理設(shè)計(jì)及工藝控制是催化器達(dá)標(biāo)的必要條件。襯墊封裝密度（簡(jiǎn)稱GBD）按以下計(jì)算：

目前常用的封轉(zhuǎn)工藝有蚌殼式封裝工藝、捆綁式封裝工藝、塞入式封裝工藝及導(dǎo)入式封裝工藝。而只有后兩種工藝適用于薄壁及超薄壁載體的封裝。

2、薄壁載體封裝工藝

薄壁載體是指針對(duì)壁厚3.0mil～4.0mil的載體統(tǒng)稱，mil為壁厚單位，cpsi為目數(shù)；目前常用載體為600cpsi/3.5mil，此類載體可滿足歐V階段排放法規(guī)要求。

塞入式封裝工藝：

（1）工作原理

塞入式封裝先將不銹鋼板通過(guò)卷板機(jī)卷圓并焊接成殼體，然后將涂覆載體在外力的作用下壓入，屬于定型腔封裝，其型腔尺寸能精確控制，受力狀況比蚌殼式好，采取一些輔助措施后可得到較長(zhǎng)使用壽命，塞入式封裝又可分為分組封裝和縮徑封裝。適用于規(guī)則形狀載體進(jìn)行精準(zhǔn)GBD縮徑。見(jiàn)下圖封裝過(guò)程：

（2）工藝缺陷分析

①包裹襯墊的薄壁載體是封裝過(guò)程應(yīng)力承受體，同時(shí)直接承受著徑向和軸向壓力作用無(wú)法回避的極限應(yīng)力峰值的影響，陶瓷載體本身可承受一定的壓力，但易碎，耐沖擊性差。

②載體擠壓襯墊過(guò)程中，襯墊變形無(wú)法控制，擠壓阻力反作用于載體，使載體多重受力；

③封裝過(guò)程過(guò)快會(huì)導(dǎo)致襯墊中擠壓氣體高壓沖擊；

④對(duì)殼體零件尺寸要求高，縮徑時(shí)按照外徑尺寸計(jì)算準(zhǔn)確度差，縮徑時(shí)易將薄壁載體壓碎；不適用于超薄壁載體的封裝。

3、超薄壁載體封裝工藝

超薄壁載體是指針對(duì)壁厚小于3.0mil的載體的統(tǒng)稱；目前常用載體為四邊形900cpsi/2.0mil，甚至一些產(chǎn)品采用了六邊形載體；此類載體可滿足歐Ⅵ階段排放法規(guī)要求。

導(dǎo)入式封裝工藝：

（1）工藝原理

其原理是將原超薄壁載體承受的應(yīng)力轉(zhuǎn)移給襯墊，避免超薄壁載體在封裝過(guò)程中受應(yīng)力直接沖擊，由于襯墊為彈性結(jié)構(gòu)，在GBD縮徑封裝基礎(chǔ)上增加導(dǎo)柱裝置，將塞入式變?yōu)閷?dǎo)入式封裝。

傳統(tǒng)封裝工藝與導(dǎo)入式封裝承受應(yīng)力對(duì)比分析如下圖：

（2）降低薄壁載體產(chǎn)生裂紋的原因

①工藝導(dǎo)柱支撐襯墊為封裝應(yīng)力承受體，避免了載體受到極限應(yīng)力峰值的影響；

②工藝導(dǎo)柱擠壓襯墊過(guò)程中，襯墊沿導(dǎo)柱方向?qū)Я?，擠壓阻力反作用于導(dǎo)柱上，不作用于載體，保護(hù)了涂覆載體；

③導(dǎo)入式封裝過(guò)程快，工藝導(dǎo)柱可承受沖擊，直徑比載體略大，先過(guò)渡擠壓襯墊，排氣較充分。工藝導(dǎo)柱通過(guò)后載體只承受襯墊回復(fù)彈力，對(duì)載體起到引導(dǎo)和保護(hù)作用，載體承受應(yīng)力大為降低；

④對(duì)殼體零件尺寸要求低，采用擴(kuò)口保證內(nèi)徑尺寸，按照內(nèi)徑尺寸計(jì)算準(zhǔn)確度高，滿足GBD值要求；

4、封裝效果驗(yàn)證

通常采用軸向推力試驗(yàn)驗(yàn)證封裝效果及GBD保證能力，試驗(yàn)方式為在室溫下，將試驗(yàn)樣件安放在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，通過(guò)直徑30mm的推桿沿載體壓入方向均勻施加1500N軸向推力，保持2min，卸載后查看載體位移情況，要求總位移≤3mm。

5、結(jié)論

國(guó)家對(duì)排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，為催化器的科學(xué)研究提供了必要的條件，但要真正控制汽車的排放，不僅對(duì)設(shè)計(jì)、匹配方面提出了更高的要求，工藝設(shè)計(jì)及控制也更突出，鑒于此，封裝工藝的先進(jìn)性需結(jié)合自動(dòng)化的高精準(zhǔn)優(yōu)點(diǎn)，由此誕生的自動(dòng)封裝線體已陸續(xù)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，并逐步替代人工封裝，后期進(jìn)一步深入研究自動(dòng)化機(jī)器人在封裝工藝中得應(yīng)用勢(shì)在必行。

［1］張中華，申路軍.汽車三元催化器封裝設(shè)計(jì)匹配研究［J］.裝備制造，2014

［2］張杰.汽車排氣系統(tǒng)三元催化轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)方法研究［D］.華中科技大學(xué)，2003.

［3］張洪汛，勾頻，陳琪.催化器封裝制造工藝分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2002.

［4］張洪，趙計(jì)平.三元催化器薄壁涂覆載體導(dǎo)入式封裝工藝研究.重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào).2011.04