電容器鋁殼封口強度檢測裝置研制

孫小剛，郭琳娜，鄭天池，邱自學(xué)

1 引言

鋁電解電容器廣泛應(yīng)用于自動化控制、新能源、汽車工業(yè)、航空航天、高速鐵路等領(lǐng)域，是當(dāng)今世界經(jīng)濟發(fā)展中不可或缺的重要電子元器件[1-5]。

鋁電解電容器主要由芯包、鋁殼、蓋板、防爆塞、鋁端子、密封圈等組成[6-7]。鋁電解電容器使用過程中熱量變高時，其鋁殼內(nèi)部壓力會升高，當(dāng)壓力超出防爆塞的耐壓強度時，防爆塞會自動破壞，進行泄壓，防止電容器發(fā)生爆炸。電容器封口強度是電容器內(nèi)部所能承受的不使卷邊發(fā)生破壞的最高壓力，為保證防爆塞起到保護作用，防爆塞的耐壓強度需低于電容器封口強度。生產(chǎn)企業(yè)在鋁電解電容器生產(chǎn)制造過程中需對其封口強度進行檢測[8]，并將檢測結(jié)果作為實際技術(shù)參數(shù)提供給用戶，以保證鋁電解電容器的使用安全。

經(jīng)國內(nèi)外相關(guān)文獻檢索，目前在與電容器質(zhì)量檢測相關(guān)的工序中，僅有針對鋁電解電容器電氣特性檢測、外觀檢測、鋁殼強度檢測以及蓋板密封性檢測的設(shè)備，沒有用于電容器鋁殼封口強度檢測的專用設(shè)備[9-15]。針對這一現(xiàn)狀，研制了一種電容器封口強度檢測裝置，利用液壓對多規(guī)格鋁電解電容器進行封口強度檢測。此外，采用這種裝置對五種規(guī)格鋁電解電容器進行了封口強度檢測實驗，并對實驗結(jié)果進行了分析。

2 封口強度檢測要求

2.1 鋁電解電容器結(jié)構(gòu)分析

鋁電解電容器的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)，如圖1所示。引腳由芯包上的箔片引出，經(jīng)華司裝配、刺孔后鉚接在蓋板鋁端子上[16]。芯包通過蓋板上的頂針定位，由固定劑固定在鋁殼內(nèi)，在電容器使用過程中不致發(fā)生晃動。鋁殼卷邊緊壓蓋板實現(xiàn)電容器封口，鋁殼卷邊和蓋板之間有密封圈，保證封口密封效果。采用卷邊封口結(jié)構(gòu)的鋁電解電容器封口強度一般大于1MPa。

圖1 鋁電解電容器結(jié)構(gòu)組成圖Fig.1 Structure Diagram of Aluminum Capacitor

防爆塞安裝在蓋板上，起泄壓保護作用，如圖2所示。防爆塞耐壓強度為（0.65～0.85）MPa，超過容許壓力時，防爆塞從頂部薄壁處發(fā)生破壞。

圖2 防爆塞安裝示意圖Fig.2 Installation Schematic of Vent

鋁電解電容器在完成封口后是密閉整體結(jié)構(gòu)，對電容器進行封口強度檢測需在鋁殼上開口，以使檢測壓力能注入電容器鋁殼內(nèi)部。

2.2 封口強度檢測要求

在生產(chǎn)實際中，鋁電解電容器生產(chǎn)企業(yè)對電容器鋁殼封口強度檢測提出了以下檢測要求：

（1）被檢測電容器有多種規(guī)格，其鋁殼直徑分別為Φ51、Φ64、Φ77、Φ90和Φ100的五種規(guī)格鋁電解電容器進行封口強度檢測；

（2）檢測過程中向電容器鋁殼內(nèi)部注入壓力，從無壓力開始，每次緩慢（10s）加壓 0.25MPa，然后保持 30s，最高壓力 2.5MPa；

（3）檢測過程中，對鋁殼內(nèi)部壓力進行檢測，每秒記錄一次壓力數(shù)據(jù)，將檢測結(jié)果導(dǎo)出至EXCEL表格中，并繪制壓力-時間曲線，根據(jù)曲線圖得出鋁殼封口強度值。

3 封口強度檢測裝置總體方案設(shè)計

3.1 封口強度檢測試件準(zhǔn)備

鋁電解電容器內(nèi)部的芯包并不對電容器封口強度產(chǎn)生影響，使用鋁電解電容器成品進行封口強度檢測會造成不必要的浪費。使用封口機將鋁殼、密封完成的蓋板和密封圈按照電容器生產(chǎn)的工藝要求裝配在一起，得到電容器外殼。電容器外殼蓋板封口位置以下是束腰結(jié)構(gòu)，在束腰處向下一段距離，將其切割開，得到鋁殼試件，如圖3所示。

圖3 鋁殼試件切割示意圖Fig.3 Diagram of Cutting Aluminum Capacitor

防爆塞耐壓強度低于電容器封口強度，在進行封口強度檢測時需移除防爆塞，并將防爆塞安裝孔完全密封。為解決上述問題，采用的方法是：將蓋板上的防爆塞移除，并向防爆塞安裝孔填注環(huán)氧樹脂，靜置2h以上，使蓋板完全密封，如圖4所示。

圖4 蓋板封堵示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Cover Sealing

蓋板上防爆塞安裝孔結(jié)構(gòu)上小下大，封口強度檢測過程中，內(nèi)部壓力由下而上作用在環(huán)氧樹脂上，可以增強環(huán)氧樹脂的封堵效果，而不致泄漏。

對封堵防爆塞安裝孔后的鋁殼試件進行封口強度檢測，其結(jié)果可以反映電容器封口強度。

3.2 電容器鋁殼封口強度檢測裝置設(shè)計

根據(jù)電容器鋁殼封口強度檢測要求，設(shè)計了電容器封口強度檢測裝置，如圖5所示。包括：裝夾密封組件、液壓系統(tǒng)和壓力檢測存儲系統(tǒng)。

3.2.1 裝夾密封組件

裝夾密封組件包括帶導(dǎo)向的升降結(jié)構(gòu)、三爪卡盤、止擴環(huán)、填充件、橡膠板和基座。

升降結(jié)構(gòu)采用梯形絲杠螺母副，當(dāng)搖動手輪將鋁殼試件壓入橡膠板合適深度后，松開手輪，鋁殼試件依然可以保持壓緊狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖功能。

圖5 電容器封口強度檢測裝置示意圖Fig.5 Diagram of Sealing Strength Testing Equipment for Aluminum Capacitor

卡爪安裝在三爪卡盤上，為保證裝夾效果，卡爪裝夾位置的形狀與曲率和鋁殼試件束腰處完全一致，每種規(guī)格的鋁殼試件設(shè)計有對應(yīng)的一組卡爪，檢測時需要更換相應(yīng)卡爪。三爪卡盤安裝時，與基座進行同軸校準(zhǔn)，保證兩者同軸度誤差在Φ0.2mm以內(nèi)。利用卡爪夾緊鋁殼束腰處，可以對鋁殼試件施加足夠壓緊力，保證鋁殼試件開口處密封效果；同時不會改變電容器鋁殼的封口強度，影響檢測結(jié)果。

止擴環(huán)可以防止鋁殼試件開口處在封口強度檢測過程中受壓外擴，進而影響密封效果。填充件可以填充鋁殼試件內(nèi)腔體積，減少用油量，提高檢測速度。檢測時，需根據(jù)鋁殼試件規(guī)格更換止擴環(huán)和填充件。止擴環(huán)和填充件都固定安裝在橡膠板下的基座上，與基座有孔軸配合，同軸度誤差小于Φ0.1mm。止擴環(huán)內(nèi)徑比鋁殼試件外徑大1mm，填充件外徑比鋁殼試件內(nèi)徑小1mm，從而保證鋁殼試件壓下時不與二者碰擦。

橡膠板采用耐油丁晴橡膠，彈性好且耐油，可以緊密包裹鋁殼試件的切口，實現(xiàn)可靠密封。橡膠板中心開孔，液壓油通過開孔注入鋁殼試件內(nèi)腔，從而對鋁電解電容器封口強度進行檢測。

3.2.2 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要由油泵、油箱、溢流閥、減壓閥、節(jié)流閥、電磁閥等組成。溢流閥并聯(lián)于液壓泵的出口處，組成恒壓源，節(jié)流閥和減壓閥分別調(diào)節(jié)輸出流量和壓力。液壓系統(tǒng)動作循環(huán)，如表1所示。通過控制電磁閥1和電磁閥2的開啟和關(guān)閉，實現(xiàn)系統(tǒng)加載、保壓、卸載三種工作狀態(tài)的相互切換。

表1 液壓系統(tǒng)動作循環(huán)Tab.1 Acting Circle of Hydraulic System

當(dāng)完成加載過程，鋁殼試件內(nèi)部壓力穩(wěn)定時，同時關(guān)閉電磁閥1和電磁閥2，鋁殼試件內(nèi)腔連同兩個電磁閥之間的油路瞬時封閉，其內(nèi)部油壓在不發(fā)生泄漏的情況下將保持下去，從而實現(xiàn)保壓的目的。利用液壓而非氣壓作為壓力介質(zhì)進行封口強度檢測，可以使得檢測過程平穩(wěn)，實驗結(jié)果穩(wěn)定可靠，減少安全風(fēng)險[17]。

3.2.3 壓力檢測存儲系統(tǒng)

壓力檢測存儲系統(tǒng)包括無紙記錄儀和壓力變送器。電容器封口強度檢測過程中的數(shù)據(jù)通過壓力變送器采集后，存儲在無紙記錄儀內(nèi)，待實驗結(jié)束后用U盤將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到計算機進行處理；或者通過RS-232通訊接口與計算機相連，將數(shù)據(jù)直接傳送到計算機。壓力變送器可以檢測（-0.01～5）MPa范圍內(nèi)的壓力，無紙記錄儀數(shù)據(jù)采集頻率最高為每秒一次。

4 實驗與分析

4.1 實驗流程

如圖6所示，電容器封口強度檢測的具體實驗流程如下：

（1）使用封口機將鋁殼、蓋板和密封圈按照電容器生產(chǎn)的工藝要求裝配在一起，得到電容器外殼。在電容器外殼束腰處向下一段距離，將其切割開，得到用于封口強度檢測的圖2所示鋁殼試件；（2）根據(jù)電容器規(guī)格，選取對應(yīng)的卡爪、填充件和止擴環(huán)，組裝完成裝夾密封組件；調(diào)整三爪卡盤，將鋁殼試件裝夾好，搖動手輪驅(qū)動鋁殼試件向下移動，使鋁殼試件與橡膠板壓緊，壓入深度控制為2mm；（3）啟動油泵電機，關(guān)緊減壓閥，打開電磁閥1，關(guān)閉電磁閥2，開始壓力加載，并觀察壓力表示數(shù)；（4）調(diào)節(jié)減壓閥開度，使壓力穩(wěn)定在0.25MPa，關(guān)閉電磁閥1，并保持30s；（5）打開電磁閥1，調(diào)節(jié)減壓閥開度，使壓力增高0.25MPa并保持穩(wěn)定，關(guān)閉電磁閥1，保持30s后打開電磁閥1繼續(xù)加載；（6）觀察壓力表數(shù)值，若壓力保持期間壓力數(shù)值明顯下降，說明壓力大小超過了鋁殼試件的封口強度極限。應(yīng)等待保壓過程結(jié)束后，系統(tǒng)自動打開電磁閥1，保持最后一次加載壓力，直至電容器鋁殼封口完全破壞。此時關(guān)閉油泵電機，打開電磁閥2卸載鋁殼試件內(nèi)腔的殘余壓力。調(diào)取記錄儀內(nèi)記錄的壓力數(shù)據(jù)，取其最大值作為鋁殼試件封口強度的檢測數(shù)值；（7）檢測完成后提升三爪卡盤，松開卡爪，取出鋁殼試件。

圖6 電容器封口強度檢測實驗流程圖Fig.6 Operation Flowchart of Sealing Strength Testing Experiment for Aluminum Capacitor

進行封口強度檢測后的鋁殼試件，如圖7所示。

圖7 封口強度檢測后的鋁殼試件Fig.7 Diagram of Aluminum Capacitor Sample After Sealing Strength Testing

從圖中可以看出封口強度檢測后，鋁殼封口完全破壞。此時鋁殼卷邊完全失效，導(dǎo)致密封圈飛出。

4.2 實驗結(jié)果分析

按照電容器封口強度檢測流程，分別對直徑Φ51、Φ64、Φ77、Φ90和Φ100mm五種規(guī)格的鋁電解電容器進行檢測，每種規(guī)格各檢測10只。

將檢測結(jié)果導(dǎo)入計算機，利用上位機軟件將檢測結(jié)果保存成EXCEL格式文件。利用EXCEL軟件繪制成壓力-時間曲線，通過曲線可以分析電容器封口密封性在檢測過程中的變化。

由于篇幅限制，只對三只規(guī)格分別為Φ51、Φ64和Φ100mm的鋁電解電容器封口強度檢測結(jié)果進行分析。

（1）Φ51mm規(guī)格電容器的封口強度檢測壓力-時間曲線如圖8所示。

圖8 Φ51mm規(guī)格封口強度檢測壓力-時間曲線Fig.8 Stress-Time Curve Based on Sealing Strength Testing Result of Φ51mm Capacitor

從圖8可以看出在2.25MPa壓力下保持30s的過程中壓力逐漸回落到2.21MPa，說明此時電容器蓋板封口處出現(xiàn)泄漏點。自動切換回加載狀態(tài)后26s，壓力驟降，此時蓋板封口完全破壞。檢測結(jié)果表明該試件封口強度為2.25MPa。

（2）Φ64mm規(guī)格電容器的封口強度檢測壓力-時間曲線，如圖9所示。

從圖9可以看出在2.02MPa壓力下保持30s的過程中壓力基本穩(wěn)定，最后壓力為1.99MPa，說明此時電容器蓋板封口處出現(xiàn)泄漏點。自動切換回加載狀態(tài)后3s，壓力驟降，此時蓋板封口完全破壞。檢測結(jié)果表明該試件封口強度為2.02MPa。

圖9 Φ64mm規(guī)格封口強度檢測壓力-時間曲線Fig.9 Stress-Time Curve Based on Sealing Strength Testing Result of Φ64mm Capacitor

（3）Φ100mm規(guī)格電容器的封口強度檢測壓力-時間曲線，如圖10所示。

從圖10可以看出在1.17MPa壓力下保持30s的過程中壓力逐漸回落到1.06MPa，說明此時電容器蓋板封口處出現(xiàn)泄漏點。自動切換回加載狀態(tài)后4s，壓力驟降，此時蓋板封口完全破壞。檢測結(jié)果表明該試件封口強度為1.17MPa。多規(guī)格鋁電解電容器封口強度檢測結(jié)果統(tǒng)計，如表2所示。通過對檢測結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，同規(guī)格鋁電解電容器的封口強度檢測結(jié)果差異較小，不同規(guī)格鋁電解電容器的封口強度呈現(xiàn)出直徑越大，強度越低的現(xiàn)象。這是由于進行封口強度檢測的的不同規(guī)格鋁電解電容器使用的鋁殼壁厚相同，而直徑越大的電容器蓋板面積越大，相同壓力條件下，大直徑蓋板受力更大，造成大直徑電容器的封口強度更低。

表2 多規(guī)格鋁電解電容器封口強度檢測結(jié)果Tab.2 Sealing Strength Testing Result of Multiple Aluminum Capacitors

5 結(jié)論

（1）針對電容器行業(yè)關(guān)于鋁電解電容器封口強度的檢測需求及技術(shù)要求，設(shè)計了電容器鋁殼封口強度檢測裝置。該裝置可用于多規(guī)格鋁電解電容器封口強度檢測，操作使用方便，檢測結(jié)果準(zhǔn)確。通過使用壓力變送器及記錄儀對檢測過程進行動態(tài)數(shù)據(jù)采集與記錄，可以完整保存檢測過程中的詳細數(shù)據(jù)，便于對檢測結(jié)果進一步分析。（2）該檢測裝置已在電容器生產(chǎn)企業(yè)得到應(yīng)用，使用效果良好。通過對現(xiàn)有鋁電解電容器產(chǎn)品封口強度的檢測結(jié)果進行分析，企業(yè)提出了增加大直徑鋁電解電容器鋁殼壁厚，以增加電容器封口強度的工藝改進方案。該裝置為企業(yè)提高電容器設(shè)計水平提供了實驗依據(jù)和技術(shù)保障，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟和社會效益。