在低温状态下点材料的硬度对粘接和熔焊的机理分析

2013-01-13上海沪工汽车电器有限公司干上游

电子世界 2013年10期

上海沪工汽车电器有限公司干上游陈炜

上海沪工汽车电器有限公司干上游陈炜

触点的硬度是继电器装配过程中的防止触点开裂重要参数，为了保证继电器的工作可靠性，本文通过同一材料和不同硬度、不同的负载在同一低温下的试验来研究和分析，继电器触点硬度对粘接和熔焊触点故障机理。发现触点的硬度对粘接和熔焊有一定关联，触点硬度高带载能力强。

接触电阻；硬度；粘接；熔焊

随着汽车车型档次的不断提高，汽车功能的完善及自动化程度的提高，对汽车继电器的技术指标提出了更高的要求，如体积小，触点容量大，能适应恶劣环境要求，温度由(-40～85)℃提高到(-40～125)℃，触点容量也提高到12V，70A和100A。这就必然要求人们加强对汽车继电器的研究，进一步提高它的性能。

1.触点是汽车继电器的重要组成部分

在大量的汽车控制电气部件中，它是控制电路的通、断的关键环节。虽然触点的构造一般并不复杂，工作原理简单直观，但它是汽车继电器工作可靠性最差的环节之一。而且触点故障所引起的后果，往往是很严重的。据统计汽车故障中，大部分是电接触故障。因此研究触点在电接中的各种现象是非常必须。

1.1 触点工作经历四种工作状态：

1.1.1 闭合状态：应保证被控电路电流顺利通过；

1.1.2 断开状态：应保证被控电路在任何环境条件下都形不成通路；

1.1.3 关合过程：由断开状态到闭合状态的过渡；

1.1.4 开断过程：由闭合状态到断开状态的过渡；

1.2 触点在述的四种工作状态中，经历了许多物理与化学的变化，这些变化在一定条件下，就会破坏触点的正常工作，造成故障。

可将这些现象归纳在以下三个问题：

1.2.1 接触电阻；

1.2.2 气体放电；

1.2.3 触点的磨损。

1.3 现在触点材料非常多，但没有一种是理想的触点，理想的触点材料是要具有高导电率以最大限度地减少通电过程中产生的热量，要具有高导热率以散发因燃弧引起的热量。还要有高度抗腐蚀性气体的能力，和不受电弧损害的能力。此外，其熔化温度要高到足以限制材料转移、焊接、和粘接。其坚硬要有极好的耐磨性能，而其柔软又足以保证制作的方便。不幸的是这种理想的材料并不存在。导电率好的金属是如此之软，它们在相对的低温下就沸腾了，而抗电弧侵害性能好的金属，其电性能和热性能就差。现在人们将电性能和热性能最好的材料进行与其它金属制成合金，使触点产生某种想要的特性。但是这种合金触点抗粘接和焊接能提高了，而导电率下降[1]，总之；无论金属材料和合金材料都存在不足之处。那么就将某一触点材料性能发挥的最佳状态。我们知道材料在制作触点时和后期处理时会调制出不同硬度，而不同的硬度会产生不同的特性。

2.触点硬度与接触电阻关系

2.1 接触电阻：由于电接触，使得电路的电阻增加，所增加的这一部分电阻。

2.1.1 接触电阻R=Rs+Rm

2.1.2 Rs：收缩电阻

2.1.3 Rm：膜电阻

2.2 为什么会出现接触电阻？

3.2.1 无论接触表面加工得如何平整光滑，从微观看它仍是凸凹不平的。实际上只有几个点的接触。这样当电流流过触点时，电流线在触点附近向接触点收缩。这相当于在接触点附近导体有效的导电截面大大缩小，因而造成电阻增加。而增加的电阻，称之为收缩电阻Rs。Rs主要取决于触点材料与触点的电流分布状况。这又与接触是形状，相互间隔、实际接触面积，触点的硬度等一系列因素有关，因此，精确地计算接触电阻Rs是很困难。

2.2.2 接触表面不可能是完全清洁的，总会存在一些杂质，如尘埃、氧化物或其它化合物等，在表面形成一层膜。同时表面还会吸附一层薄薄的气体分子，这就是吸附现象。接触表面的杂质和膜给电流的流通造成阻力。使实际导电的接触面积减小，使收缩电阻增大。它使接触电阻又增加了一个成分膜电阻。Rm来表示。

2.2.3 Rs收缩电阻：触点材料相同、触点球面α，β，假设接触面形状为一族椭园球面，μ--等位面表达中的参变量[2]。

当电流收缩区域足够大时（相对于园半径α)可取μ=∞。

注：ρ整个触点的温度都相同，因此电阻系数ρ处处相同，当触点材料相同，则两面的收缩电阻。

2.2.4 虽然是在大量假设条件推导出来的，但它目前广泛使用，但接触园的半径α主要决定触点压力(终压力)和材料的硬度等因素。

式中：

E1、E2——触点材料的弹性模数

σ1、σ2——触点材料的波桑系数

在极限情况下，接触面上的平均压强PPJ近似地等于每点的压强P

H：与我们常用的布氏硬度虽然有不同，但十分相近，在工程计算完全可以用HB来取代H。

表1 成份表

图1

图2

2.4 当电流通过触点触点，由于导体电阻和接触电阻上的电能的损耗，使触点温度上升。并焊接在一起。这种故障称之为触点的熔焊。

3.试验

通过对接触电阻的理论分析，表达了接触电阻R与压力，触点硬度，接触表面状态等因素的关系，并不去过问公式的假设条件完全一致。(1-10)公式简单，使用方便，但实际触点的状况与计算结果往往有很大的误差，必须通过试验加以验证和分析触点的硬度和熔焊的关联因素。

3.1 试验条件

3.1.1 环境温度：25℃

3.1.2 相对湿度：55%

3.1.3 大气压：10h2PaX

3.1.4 样品数：36只

试验项目试验设备试验条件负载试验高低温试验箱-50℃～+150℃阻性负载14Vd.c 70A感性负载电感0.3mH on：100A/off：50A灯负载14Vd.c.660W

3.2 试验方法

3.2.1 第一组试验

3.2.1.1 继电器试验样品1～18号

3.2.1.2 触点材料：AgSnO2-218

3.2.1.3 触点硬度：75～85HV

3.2.1.4 金相：氧化锡颗粒均匀地分散在银基体中（如图1）

注：软态（硬度低于90）：材料在成品退火后，晶粒长大，晶粒较粗。

3.2.1.5 温度：-40℃

3.2.1.6 动作频率：on 3soff 3s

3.2.1.7 规定动作次数：11000

试验分组样品编号试验负载第一组1～6＃负载电流：70A阻性14Vd.c第二组7～12＃感性负载：电感0.3mH on：100A/ off：50A第小组13～18＃灯负载：灯负载：30A

3.2.2 试验说明

3.2.2.1 阻性负载试验：1号样品在动作90543次时溶焊后不恢复，为失效。其他试品有失效粘接，但能继续工作到110000次的规定次数。

3.2.2.2 感性负载试验：7#号动作86045次、10#动作70344次时溶焊后不恢复动作，为失效。其他试品有失效粘接，但能继续工作到110000次的规定次数。

3.2.2.3 灯负载试验：无失效

3.2.3 第二组试验

3.2.3.1 触点材料：AgSnO2-218

3.2.3.2 触点硬度：100～108HV

3.2.3.3 温度：-40℃

3.2.3.4 动作频率：on 3soff 3s

3.2.3.5 规定动作次数：11000

试验分组样品编号试验负载第一组19～24＃负载电流：70A阻性14Vd.c第二组25～30＃感性负载：电感0.3mH on：100A/off：50A第小组31～36＃灯负载：灯负载：30A

注：硬态（硬度高于100）：材料经加工成品后，造成加工硬化，硬度升高，晶粒较小。

3.2.4 试验说明

3.2.4.1 第二组试验：阻性负载、感性负载、灯负载均无失效。

3.2.4.2 试验后触点成分析结果

3.2.4.2.1 成分表(见表1)

3.2.4.2.2 试验后触点表面照片

负载动触点静触点阻性负载感性负载灯负载

3.3 试验现象分析

3.3.1 不同的硬度、相同负载下，在低温状态下灯负载无失效，阻性负载、电感负载硬度高比硬度低性能好。

3.3.2 触点表面形貌和成分变化

3.3.2.1 阻性负载条件下金属转移最大

3.3.2.2 感性负载条件下金属损耗最大，熔坑、孔洞、凸起等均出现。

3.3.2.3 灯负载条件下变形程度最轻微。

4.试验结果分析

4.1 熔焊形式

熔池熔焊：动静触点闭合接触瞬间。是触点接触之前的闭合运动过程中会有表面毛刺接触产生火花放电，引发闭合运动过程中的电弧，闭合电弧加热触点表面形成局部金属熔池，待触点接触后，熔池逐渐冷却而形成熔焊。

4.2 桥熔焊

动静触点接触短跳分离瞬间。若触点首次接触后没有形成熔池熔焊，且由于碰撞的能量较大而产生触点的弹跳运动，则当触点分离瞬间液桥被拉长、断裂和爆炸，并引燃电弧。随着触点的分离，电弧变长和液桥电阻增加，使电流急剧下降并冷却接触液桥，最后液桥凝固形成熔焊。[4]

4.3 试验熔焊分析

从触点动熔焊的理论(文献)说明，发生熔焊几率都在闭合接触的瞬间，弹跳分离瞬间和弹跳闭合接触的瞬间，本次试验发现笫一次的闭合接触和弹跳分离能量最大发生熔焊几率最高，液桥限流或液桥熔焊和熔池熔焊都取决于熔化金属的冷却凝固过程，在低温情况下当触点发生金属熔化，同时得到了快速冷却，说明了低温情况下容易熔焊现象，符合试验现象。而触点笫一次弹跳高度是发生液桥熔焊的关键，微小的弹跳（10μm以内）因液桥限流而容易产生熔焊，如果弹跳很高，一则拉断液桥：二则在触点重新闭合接触前电弧已经熄灭，熔池已经冷却，因而难以产生熔焊，这样在相等条件下硬触点比软触点弹跳高，硬触点拉断液桥的能力强。说明了触点硬抗熔焊能力强。同样符合试验现象