在低溫狀態(tài)下點材料的硬度對粘接和熔焊的機理分析

上海滬工汽車電器有限公司 干上游 陳 煒

在低溫狀態(tài)下點材料的硬度對粘接和熔焊的機理分析

上海滬工汽車電器有限公司 干上游 陳 煒

觸點的硬度是繼電器裝配過程中的防止觸點開裂重要參數(shù)，為了保證繼電器的工作可靠性，本文通過同一材料和不同硬度、不同的負(fù)載在同一低溫下的試驗來研究和分析，繼電器觸點硬度對粘接和熔焊觸點故障機理。發(fā)現(xiàn)觸點的硬度對粘接和熔焊有一定關(guān)聯(lián)，觸點硬度高帶載能力強。

接觸電阻；硬度；粘接；熔焊

隨著汽車車型檔次的不斷提高，汽車功能的完善及自動化程度的提高，對汽車?yán)^電器的技術(shù)指標(biāo)提出了更高的要求，如體積小，觸點容量大，能適應(yīng)惡劣環(huán)境要求，溫度由(-40～85)℃提高到(-40～125)℃，觸點容量也提高到12V，70A和100A。這就必然要求人們加強對汽車?yán)^電器的研究，進(jìn)一步提高它的性能。

1.觸點是汽車?yán)^電器的重要組成部分

在大量的汽車控制電氣部件中，它是控制電路的通、斷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。雖然觸點的構(gòu)造一般并不復(fù)雜，工作原理簡單直觀，但它是汽車?yán)^電器工作可靠性最差的環(huán)節(jié)之一。而且觸點故障所引起的后果，往往是很嚴(yán)重的。據(jù)統(tǒng)計汽車故障中，大部分是電接觸故障。因此研究觸點在電接中的各種現(xiàn)象是非常必須。

1.1 觸點工作經(jīng)歷四種工作狀態(tài)：

1.1.1 閉合狀態(tài)：應(yīng)保證被控電路電流順利通過；

1.1.2 斷開狀態(tài)：應(yīng)保證被控電路在任何環(huán)境條件下都形不成通路；

1.1.3 關(guān)合過程：由斷開狀態(tài)到閉合狀態(tài)的過渡；

1.1.4 開斷過程：由閉合狀態(tài)到斷開狀態(tài)的過渡；

1.2 觸點在述的四種工作狀態(tài)中，經(jīng)歷了許多物理與化學(xué)的變化，這些變化在一定條件下，就會破壞觸點的正常工作，造成故障。

可將這些現(xiàn)象歸納在以下三個問題：

1.2.1 接觸電阻；

1.2.2 氣體放電；

1.2.3 觸點的磨損。

1.3 現(xiàn)在觸點材料非常多，但沒有一種是理想的觸點，理想的觸點材料是要具有高導(dǎo)電率以最大限度地減少通電過程中產(chǎn)生的熱量，要具有高導(dǎo)熱率以散發(fā)因燃弧引起的熱量。還要有高度抗腐蝕性氣體的能力，和不受電弧損害的能力。此外，其熔化溫度要高到足以限制材料轉(zhuǎn)移、焊接、和粘接。其堅硬要有極好的耐磨性能，而其柔軟又足以保證制作的方便。不幸的是這種理想的材料并不存在。導(dǎo)電率好的金屬是如此之軟，它們在相對的低溫下就沸騰了，而抗電弧侵害性能好的金屬，其電性能和熱性能就差?，F(xiàn)在人們將電性能和熱性能最好的材料進(jìn)行與其它金屬制成合金，使觸點產(chǎn)生某種想要的特性。但是這種合金觸點抗粘接和焊接能提高了，而導(dǎo)電率下降[1]，總之；無論金屬材料和合金材料都存在不足之處。那么就將某一觸點材料性能發(fā)揮的最佳狀態(tài)。我們知道材料在制作觸點時和后期處理時會調(diào)制出不同硬度，而不同的硬度會產(chǎn)生不同的特性。

2.觸點硬度與接觸電阻關(guān)系

2.1 接觸電阻：由于電接觸，使得電路的電阻增加，所增加的這一部分電阻。

2.1.1 接觸電阻R=Rs+Rm

2.1.2 Rs：收縮電阻

2.1.3 Rm：膜電阻

2.2 為什么會出現(xiàn)接觸電阻？

3.2.1 無論接觸表面加工得如何平整光滑，從微觀看它仍是凸凹不平的。實際上只有幾個點的接觸。這樣當(dāng)電流流過觸點時，電流線在觸點附近向接觸點收縮。這相當(dāng)于在接觸點附近導(dǎo)體有效的導(dǎo)電截面大大縮小，因而造成電阻增加。而增加的電阻，稱之為收縮電阻Rs。Rs主要取決于觸點材料與觸點的電流分布狀況。這又與接觸是形狀，相互間隔、實際接觸面積，觸點的硬度等一系列因素有關(guān)，因此，精確地計算接觸電阻Rs是很困難。

2.2.2 接觸表面不可能是完全清潔的，總會存在一些雜質(zhì)，如塵埃、氧化物或其它化合物等，在表面形成一層膜。同時表面還會吸附一層薄薄的氣體分子，這就是吸附現(xiàn)象。接觸表面的雜質(zhì)和膜給電流的流通造成阻力。使實際導(dǎo)電的接觸面積減小，使收縮電阻增大。它使接觸電阻又增加了一個成分膜電阻。Rm來表示。

2.2.3 Rs收縮電阻：觸點材料相同、觸點球面α，β，假設(shè)接觸面形狀為一族橢園球面，μ--等位面表達(dá)中的參變量[2]。

當(dāng)電流收縮區(qū)域足夠大時（相對于園半徑α)可取μ=∞。

注：ρ整個觸點的溫度都相同，因此電阻系數(shù)ρ處處相同，當(dāng)觸點材料相同，則兩面的收縮電阻。

2.2.4 雖然是在大量假設(shè)條件推導(dǎo)出來的，但它目前廣泛使用，但接觸園的半徑α主要決定觸點壓力(終壓力)和材料的硬度等因素。

式中：

E1、E2——觸點材料的彈性模數(shù)

σ1、σ2——觸點材料的波桑系數(shù)

在極限情況下，接觸面上的平均壓強PPJ近似地等于每點的壓強P

H：與我們常用的布氏硬度雖然有不同，但十分相近，在工程計算完全可以用HB來取代H。

表1 成份表

圖1

圖2

2.4 當(dāng)電流通過觸點觸點，由于導(dǎo)體電阻和接觸電阻上的電能的損耗，使觸點溫度上升。并焊接在一起。這種故障稱之為觸點的熔焊。

3.試驗

通過對接觸電阻的理論分析，表達(dá)了接觸電阻R與壓力，觸點硬度，接觸表面狀態(tài)等因素的關(guān)系，并不去過問公式的假設(shè)條件完全一致。(1-10)公式簡單，使用方便，但實際觸點的狀況與計算結(jié)果往往有很大的誤差，必須通過試驗加以驗證和分析觸點的硬度和熔焊的關(guān)聯(lián)因素。

3.1 試驗條件

3.1.1 環(huán)境溫度：25℃

3.1.2 相對濕度：55%

3.1.3 大氣壓：10h2PaX

3.1.4 樣品數(shù)：36只

試驗項目試驗設(shè)備試驗條件負(fù)載試驗高低溫試驗箱-50℃～+150℃阻性負(fù)載14Vd.c 70A感性負(fù)載電感0.3mH on：100A/off：50A燈負(fù)載14Vd.c.660W

3.2 試驗方法

3.2.1 第一組試驗

3.2.1.1 繼電器試驗樣品1～18號

3.2.1.2 觸點材料：AgSnO2-218

3.2.1.3 觸點硬度：75～85HV

3.2.1.4 金相：氧化錫顆粒均勻地分散在銀基體中（如圖1）

注：軟態(tài)（硬度低于90）：材料在成品退火后，晶粒長大，晶粒較粗。

3.2.1.5 溫度：-40℃

3.2.1.6 動作頻率：on 3soff 3s

3.2.1.7 規(guī)定動作次數(shù)：11000

試驗分組樣品編號試驗負(fù)載第一組1～6＃ 負(fù)載電流：70A阻性14Vd.c第二組7～12＃感性負(fù)載：電感0.3mH on：100A/ off：50A第小組13～18＃燈負(fù)載：燈負(fù)載：30A

3.2.2 試驗說明

3.2.2.1 阻性負(fù)載試驗：1號樣品在動作90543次時溶焊后不恢復(fù)，為失效。其他試品有失效粘接，但能繼續(xù)工作到110000次的規(guī)定次數(shù)。

3.2.2.2 感性負(fù)載試驗：7#號動作86045次、10#動作70344次時溶焊后不恢復(fù)動作，為失效。其他試品有失效粘接，但能繼續(xù)工作到110000次的規(guī)定次數(shù)。

3.2.2.3 燈負(fù)載試驗：無失效

3.2.3 第二組試驗

3.2.3.1 觸點材料：AgSnO2-218

3.2.3.2 觸點硬度：100～108HV

3.2.3.3 溫度：-40℃

3.2.3.4 動作頻率：on 3soff 3s

3.2.3.5 規(guī)定動作次數(shù)：11000

試驗分組樣品編號試驗負(fù)載第一組19～24＃負(fù)載電流：70A阻性14Vd.c第二組25～30＃感性負(fù)載：電感0.3mH on：100A/off：50A第小組31～36＃燈負(fù)載：燈負(fù)載：30A

注：硬態(tài)（硬度高于100）：材料經(jīng)加工成品后，造成加工硬化，硬度升高，晶粒較小。

3.2.4 試驗說明

3.2.4.1 第二組試驗：阻性負(fù)載、感性負(fù)載、燈負(fù)載均無失效。

3.2.4.2 試驗后觸點成分析結(jié)果

3.2.4.2.1 成分表(見表1)

3.2.4.2.2 試驗后觸點表面照片

負(fù)載動觸點靜觸點阻性負(fù)載感性負(fù)載燈負(fù)載

3.3 試驗現(xiàn)象分析

3.3.1 不同的硬度、相同負(fù)載下，在低溫狀態(tài)下燈負(fù)載無失效，阻性負(fù)載、電感負(fù)載硬度高比硬度低性能好。

3.3.2 觸點表面形貌和成分變化

3.3.2.1 阻性負(fù)載條件下金屬轉(zhuǎn)移最大

3.3.2.2 感性負(fù)載條件下金屬損耗最大，熔坑、孔洞、凸起等均出現(xiàn)。

3.3.2.3 燈負(fù)載條件下變形程度最輕微。

4.試驗結(jié)果分析

4.1 熔焊形式

熔池熔焊：動靜觸點閉合接觸瞬間。是觸點接觸之前的閉合運動過程中會有表面毛刺接觸產(chǎn)生火花放電，引發(fā)閉合運動過程中的電弧，閉合電弧加熱觸點表面形成局部金屬熔池，待觸點接觸后，熔池逐漸冷卻而形成熔焊。

4.2 橋熔焊

動靜觸點接觸短跳分離瞬間。若觸點首次接觸后沒有形成熔池熔焊，且由于碰撞的能量較大而產(chǎn)生觸點的彈跳運動，則當(dāng)觸點分離瞬間液橋被拉長、斷裂和爆炸，并引燃電弧。隨著觸點的分離，電弧變長和液橋電阻增加，使電流急劇下降并冷卻接觸液橋，最后液橋凝固形成熔焊。[4]

4.3 試驗熔焊分析

從觸點動熔焊的理論(文獻(xiàn))說明，發(fā)生熔焊幾率都在閉合接觸的瞬間，彈跳分離瞬間和彈跳閉合接觸的瞬間，本次試驗發(fā)現(xiàn)笫一次的閉合接觸和彈跳分離能量最大發(fā)生熔焊幾率最高，液橋限流或液橋熔焊和熔池熔焊都取決于熔化金屬的冷卻凝固過程，在低溫情況下當(dāng)觸點發(fā)生金屬熔化，同時得到了快速冷卻，說明了低溫情況下容易熔焊現(xiàn)象，符合試驗現(xiàn)象。而觸點笫一次彈跳高度是發(fā)生液橋熔焊的關(guān)鍵，微小的彈跳（10μm以內(nèi)）因液橋限流而容易產(chǎn)生熔焊，如果彈跳很高，一則拉斷液橋：二則在觸點重新閉合接觸前電弧已經(jīng)熄滅，熔池已經(jīng)冷卻，因而難以產(chǎn)生熔焊，這樣在相等條件下硬觸點比軟觸點彈跳高，硬觸點拉斷液橋的能力強。說明了觸點硬抗熔焊能力強。同樣符合試驗現(xiàn)象

5.小結(jié)

本文通過接觸電阻和試驗、觸點熔焊、粘接理論、闡明觸點的硬度與溫度對繼電器觸點熔焊、粘接的機理。要提高繼電器觸點的抗熔焊、粘接能力，一定要提高觸點的硬度，但考慮觸點在繼電器裝配過程過度硬的觸點容易開裂，反之繼電器可靠性。觸點硬度在100～110Hv時抗熔焊、粘接的能力和裝配適合性都表現(xiàn)出色。

[1]廖湘因,王寶齡,孫雨施.航空電器[M].國防工業(yè)出版社.

[2]朱鶴鳴翻譯.繼電器基礎(chǔ)知識[M].美國P&B教材.

[3]黃正.現(xiàn)代繼電器技術(shù)[Z].中國元協(xié)控制繼電器協(xié)會.

[4]李震彪.電磁繼電器觸點動熔焊機理分析[J].低壓電器.