電器開關(guān)主要故障原因分析及改善方案

萬海元 何均勻

（1.廣東聯(lián)塑電氣有限公司 佛山 528318； 2.廣東中科電工科技有限公司 深圳 518000）

引言

開關(guān)作為裝修和日用電器使用中必不可少的低壓電器配件，需要頻繁地接通或關(guān)斷電源回路，主要用于控制照明電器、家用電器和辦公設(shè)備等，如開關(guān)控制下的照明燈具、空調(diào)、電視音響、廚房電器、電腦設(shè)備等，開關(guān)質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系到受其控制的電器和設(shè)備的安全。所以，開關(guān)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)必須嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，還需滿足用電環(huán)境以及所控制電器和設(shè)備的負(fù)載要求。

根據(jù)長期對開關(guān)使用過程出現(xiàn)的故障現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，引起開關(guān)失效典型故障現(xiàn)象主要表現(xiàn)為：開關(guān)觸點(diǎn)粘連（常閉狀態(tài)）和開關(guān)不通電（常開狀態(tài)），導(dǎo)致開關(guān)功能失效。這兩類故障現(xiàn)象占客戶投訴的大部分，而投訴開關(guān)失效產(chǎn)品中，16 A帶開關(guān)插座產(chǎn)品又是故障率最高的品種。

本文以16 A帶開關(guān)插座產(chǎn)品為例，對開關(guān)失效故障發(fā)生的原因進(jìn)行分析，提出改善方案，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，以期達(dá)到提高產(chǎn)品品質(zhì)、減少故障發(fā)生率、滿足用戶使用安全的目的。

1 本文所述開關(guān)的相關(guān)概念

本文所分析的開關(guān),是指按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16915.1-2014《家用和類似用途固定式電氣裝置的開關(guān)第1部分：通用要求》第3.1.1條中所述的按鈕開關(guān)：起動機(jī)構(gòu)由人體的一部分，通常是手指或手掌來按動，利用儲存的能量（例如彈簧）來改變開關(guān)狀態(tài)的控制開關(guān)，應(yīng)符合的要求主要有：

1）第3.1.5條，正常（間隙）結(jié)構(gòu)開關(guān)：分開的觸頭之間的電氣間隙不小于3 mm，且符合正常結(jié)構(gòu)性能要求的開關(guān)。

2）第17條，溫升，要求壽命試驗(yàn)前、后溫升都不超過45 K。

3）第18條，通斷能力，要求開關(guān)應(yīng)有足夠的通斷能力。

4）第19條，正常操作，開關(guān)應(yīng)經(jīng)受得住正常使用情況的機(jī)械應(yīng)力、電應(yīng)力和熱應(yīng)力而不會出現(xiàn)過度的磨損或其他有害的影響。

5）開關(guān)按產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)第19.1，19.2，19.3條要求測試后，溫升不超過45 K[1]。

2 故障分類及原因分析

開關(guān)的使用故障主要是功能失效，分為觸點(diǎn)粘連（常閉狀態(tài)）和不通電（常開狀態(tài)）兩類情況。

2.1 開關(guān)觸點(diǎn)粘連情況及原因分析

多年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在客戶投訴和退貨中，16 A開關(guān)功能失效最多。拆開失效產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)開關(guān)觸點(diǎn)粘連在一起，靠外力無法脫開，只有拆開塑料件，強(qiáng)行撥動五金件才能將觸點(diǎn)分開，達(dá)到斷開電路的目的。

從產(chǎn)品狀態(tài)來看，有些是較新狀態(tài)，觸點(diǎn)沒有多大的燒蝕，應(yīng)該是通斷次數(shù)較少（100次以內(nèi)）就發(fā)生了粘連；有些為觸點(diǎn)燒蝕嚴(yán)重，應(yīng)該使用了較長時(shí)間。

出現(xiàn)的問題主要有：①開關(guān)中的撥動桿（俗稱“子彈頭”）磨損變短；②開關(guān)彈簧力偏小；③開關(guān)后座裝支承片安放處出現(xiàn)嚴(yán)重變形，銅片移位，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

從以上狀態(tài)分析，開關(guān)發(fā)生粘連問題有如下幾個(gè)因素：

1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)——開關(guān)無強(qiáng)制脫扣機(jī)構(gòu)。在開關(guān)通過大電流時(shí)，觸點(diǎn)輕微粘住，彈簧壓力轉(zhuǎn)換時(shí)，因力度不夠，無法讓觸點(diǎn)脫開，導(dǎo)致粘連，引起產(chǎn)品長期通電，見圖1。

圖1 強(qiáng)制脫扣機(jī)構(gòu)

2）選用材料——觸點(diǎn)材料不達(dá)標(biāo)。觸點(diǎn)要求良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，耐電弧燒損、抗熔焊、電磨損小，接觸電阻低且穩(wěn)定，不與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，有一定的強(qiáng)度且易于機(jī)械加工等。觸點(diǎn)導(dǎo)熱性、耐電弧燒損、抗熔焊不夠等都會引起產(chǎn)品粘連。

3）生產(chǎn)工藝——觸點(diǎn)鉚合不良。如果觸點(diǎn)與銅片鉚合不良，通電時(shí)在觸點(diǎn)部位會出現(xiàn)高溫，從而可能導(dǎo)致觸點(diǎn)熔融粘連，出現(xiàn)斷不開現(xiàn)象。

4）彈跳性能——開關(guān)閉合時(shí)，觸點(diǎn)彈跳時(shí)間過長、彈跳次數(shù)過多。每次彈跳，會產(chǎn)生拉弧，拉弧會引起發(fā)熱燒蝕，發(fā)熱燒蝕會導(dǎo)致粘連[2]。

2.2 開關(guān)不通電情況及原因分析

從16 A帶開關(guān)插座不通電失效產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)開關(guān)打起來沒手感，或者手感很輕，有些產(chǎn)品從后座塑膠件上能看出明顯變形。此類產(chǎn)品大部分觸點(diǎn)燒蝕嚴(yán)重，從燒蝕情況來看，估計(jì)在使用過程中，產(chǎn)品溫升過高，引起撥動桿熔軟變短，壓力彈簧伸長，彈簧壓力不夠，接觸狀況變差，導(dǎo)致溫升越來越高，最后引起產(chǎn)品后座裝支承片處塑膠件出現(xiàn)嚴(yán)重變形，銅片移位，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

從以上狀態(tài)分析，發(fā)生開關(guān)不通電問題有如下幾個(gè)因素：

1）撥動桿耐溫不夠。在開關(guān)瞬間轉(zhuǎn)換時(shí)的高溫，將撥動桿熔化或變軟，每次熔化變軟，會引起撥動桿變短，彈簧壓力不夠。

2）觸點(diǎn)材料不達(dá)標(biāo)。觸點(diǎn)耐電弧燒損、導(dǎo)電導(dǎo)熱性、耐電弧燒損、接觸電阻及穩(wěn)定性等方面不能滿足要求。

3）觸點(diǎn)厚度不夠。部分生產(chǎn)廠家為了節(jié)省成本，銀層只有0.1 mm左右，并且只有中間有銀層，邊上還出現(xiàn)露銅現(xiàn)象。在使用一段時(shí)間后，銀層燒蝕，不是銀與銀接觸，而是被燒蝕后的氧化銅接觸，接觸電阻和溫升急劇增大，直接導(dǎo)致產(chǎn)品不通電或破壞產(chǎn)品結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致產(chǎn)品失效。

4）產(chǎn)品觸點(diǎn)上有灰塵或其它不導(dǎo)電的異物，引起開關(guān)不通電。

3 改善方案

3.1 增加強(qiáng)制脫扣機(jī)構(gòu)

即使開關(guān)瞬間粘連，也可以在高溫狀態(tài)下，將觸點(diǎn)強(qiáng)行斷開，如圖1。

3.2 采用優(yōu)質(zhì)銀觸點(diǎn)，保證足夠的銀層厚度

在使用壽命期內(nèi)，即使燒蝕后，還有銀層，可以保證接觸良。現(xiàn)在常用的銀氧化錫等是性能較好的觸點(diǎn)材料，推薦觸點(diǎn)頂部銀層厚度不小于0.3 mm，邊沿銀層厚度不小于0.3 mm，以確保正常使用中不露銅。

3.3 提高生產(chǎn)工藝

確保開關(guān)鉚接良好，防止出現(xiàn)鉚接不良現(xiàn)象。

3.4 優(yōu)化開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，減少開關(guān)彈跳時(shí)間和彈跳次數(shù)，

優(yōu)質(zhì)開關(guān)彈跳時(shí)間在1 ms以下，見圖2、圖3。

圖2 彈跳測試結(jié)構(gòu)

圖3 彈跳波形

3.5 采用耐高溫的撥動桿材料

過去很多廠家采用POM（聚甲醛），耐熱性能不夠，不建議采用，推薦采用PA66。

3.6 在結(jié)構(gòu)方面加強(qiáng)密封效果

防止用戶安裝過程中，雜物灰塵等進(jìn)入觸點(diǎn)區(qū)域，引起觸點(diǎn)接觸不良或不導(dǎo)電現(xiàn)象。

4 產(chǎn)品測試結(jié)果驗(yàn)證

從市場上購買四家公司的16 A帶開關(guān)插座各10個(gè),四家公司編號為A、B、C、D。

對樣品進(jìn)行編號：A1-A10，B1-B10，C1-C10，D1-D10。

4.1 產(chǎn)品分析與壽命試驗(yàn)前（簡稱“壽前”）測試

1）對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及材料進(jìn)行分析，見表1。

表1 四種樣品壽前測試情況

2）首先對樣品作彈跳測試，然后做環(huán)境試驗(yàn)、壽前溫升測試。測試結(jié)果見表1。

從表1可以看出，四家公司的產(chǎn)品壽前溫升都達(dá)標(biāo)（標(biāo)準(zhǔn)要求溫升不超過45 K）。說明壽前溫升與銀層厚度關(guān)系不大，但是B1-B3產(chǎn)品觸點(diǎn)銀含量偏低，壽前溫升相對較高。

4.2 壽命試驗(yàn)與壽后溫升測試

按標(biāo)準(zhǔn)第19.1條要求做40 000次壽命測試，然后做壽后溫升測試，測試結(jié)果見表2。

表2 四種樣品19.1測試結(jié)果

4.3 壽命試驗(yàn)與壽后溫升測試（熒光燈負(fù)載）

分別按標(biāo)準(zhǔn)第19.2條要求做5 000次壽命測試，然后做壽后溫升測試，測試情況結(jié)果見表3。

表3 四種樣品19.2測試結(jié)果

4.4 結(jié)果分析

從表2及表3中的測試數(shù)據(jù)來看：

A公司產(chǎn)品由于沒有強(qiáng)制脫扣機(jī)構(gòu)，銀層薄，開關(guān)彈跳時(shí)間較長，采用POM撥動桿，在測試中瞬間高溫情況下，產(chǎn)品很快就出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，手感變輕，測試很快失敗。

B公司產(chǎn)品銀層適中，但是彈跳時(shí)間相對較長，處于1.5～2.3 ms之間，開關(guān)測試中會產(chǎn)生較高溫度，銀點(diǎn)及支撐處會產(chǎn)生較嚴(yán)重的熔融燒蝕，導(dǎo)致產(chǎn)品接觸壓力減小，引起溫升超標(biāo)現(xiàn)象。

C和D公司產(chǎn)品，各項(xiàng)性能都不錯(cuò)，能順利通過測試。從壽前溫升來看，C、D兩家采用不同的銀合金觸點(diǎn)，溫升接近。但是兩家結(jié)構(gòu)不同，D廠家翹板采用偏心翹板，并選用紫銅材料，彈跳時(shí)間比C公司明顯縮短，壽后溫升測試結(jié)果明顯降低。有較理想的壽后溫升，更能接受用戶使用中過載等異常情況。

5 結(jié)論

從以上分析和測試驗(yàn)證結(jié)果得出如下結(jié)論：

1）開關(guān)應(yīng)設(shè)計(jì)強(qiáng)制脫扣機(jī)構(gòu)，確保開關(guān)輕微粘連可以斷開。

2）采用優(yōu)質(zhì)銀合金觸點(diǎn)，銀層0.3 mm左右，如D樣品就是采用銀錫合金銀點(diǎn)，環(huán)保且性能好。

3）優(yōu)化開關(guān)結(jié)構(gòu)，控制開關(guān)彈跳時(shí)間在1 ms以下。

4）選用耐高溫的開關(guān)撥動桿材料，如PA66加纖材料。

本文通過對四家公司的16 A開關(guān)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和用料進(jìn)行比較，并結(jié)合實(shí)際樣品進(jìn)行測試對比，分析了電器開關(guān)失效故障原因，提出了相應(yīng)的改善方案，供大家參考。因作者水平所限，疏漏之處難免，懇請批評指正。同時(shí)希望各公司能不斷優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和選材，提高產(chǎn)品質(zhì)量，盡可能降低使用故障。