关于电磁继电器超高真空冷焊试验现状的思考与建议

麻力，耿翟

（中国电子技术标准化研究院，北京 100176）

0 引言

继电器是通过较小电流来控制较大电流的自动开关，在系统中起着自动调节、安全性保护、电路转换控制等作用，长期以来始终是运载火箭、人造卫星、空间站及其配套地面测控设备中不可或缺的重要元器件。

根据不完全数据的统计与分析结果，在航天系统质量故障中，电子设备元器件类问题一直高居第一位。而继电器失效所占的比率，则长期占据着各种元电子器件失效榜排名前三的地位，而且已成为控制系统中的主要问题之一。对于应用于重要控制系统中的继电器来说，其质量与可靠性水平将直接决定着整个航天控制系统的安全性。

1 航天继电器主要失效模式

继电器类型很多，人们一般把继电器分成电磁继电器、干簧继电器、时间控制继电器和固体继电器等几类。其中电磁继电器构造简单、工作可靠，是目前使用最为普遍的一类继电器。电磁继电器一般由输入电流线圈、铁芯、衔铁、共轭铁、复位弹簧及多个簧片等构成，其基本结构如图1所示。

图1 电磁继电器基本结构

根据电磁继电器的功能特性和结构特点，其主要失效模式包括多余物质导致的相关失效、接触失效、密封泄露等。触点是体现继电器功能的关键部位，非常容易遭到多余物质的干扰和其他侵蚀损伤，因此触点接触失效也是继电器最主要的失效模式。在触点失效模式中，有一类严重影响继电器接触功能的失效模式即触点粘接，国外统称为冷焊。

2 冷焊现象及其产生的机理

冷焊现象于二十世纪40年代首次被人类发现。随着人类空间活动的频繁开展，冷焊现象导致的航天器故障就时有报道，引起了国际上的普遍关注。

冷焊现象产生的机理主要有两种。一是原子间配对机理，即两个达到了原子级清洁程度的金属表面互相接触在一起，将原来界面的表面自由能释放掉，界面消失，界面上的原子之间形成了新的金属键，使两金属表面粘结到了一起。这种情形大多出现于低温条件下，此时原子热运动降低，从而把原子键禁锢于原位不动。二是原子热扩散机理，两个达到原子级清洁程度的金属表面互相接触，通过提高环境温度，促进原子热运动，使之能克服来自原子键的禁锢，从而相互间产生了热扩散，使两种金属表面连接在一起。

关于冷焊现象，费曼曾作了一个生动而又形象的描述：在真空中，彼此接触的金属原子间无任何其他附着物，于是这些金属原子无从得知它们实际上并不是同类，这时他们就会很自然地手拉手走到一起。而当接触区有其他原子，比如氧气或者其他复杂成分的杂质层，原子就会意识到他们是来自不同的部分，就会保持一定的距离。

正常大气条件下，金属固体表面存在着气体的物理、化学吸附膜和金属氧化层等污染物，而且气体本身也可以起到润滑作用。因此，在大气中固体与固体间的表面接触其实是吸附膜、金属氧化层等污染物之间的接触，而非固体与固体之间的原子级接触。当金属固体处于超高空条件下时，金属表面吸附的气体释放，非金属污染层解析消失，当金属氧化层受外力破裂时，金属表面之间的润滑物质不复存在，金属与金属直接接触，金属间的摩擦力会陡然增大数十倍以上。此时，金属原子便会因彼此扩散而产生不同程度的粘合现象。一旦金属表面达到了原子级的清洁程度，在一定的压力载荷下就会形成进一步的整体粘着，最终发生冷焊现象。

通过国内外多年的研究，普遍认为影响附着、冷焊的主要因素有：表面清洁度、压力负荷、接触时间、材料性能和温度。从原则上来讲，表面越清洁，接触压力越大，接触时间越长，温度越高，则越易附着或冷焊。

3 国外研究现状

自20世纪60年代以来的很长一段时间内，空间冷焊现象都曾是航天器设计主要考虑的问题之一。为更好地研究冷焊现象，国外专门通过环境试验卫星开展冷焊试验，进行冷焊现象研究。同时在冷焊防护方面也开展了大量地面模拟试验。

国外通过试验取得了大量真实可靠性的数据，为后来地面模拟试验提供了参考数据。地面模拟试验的真空度选用量级通常在107～109Pa之间，且国外防冷焊试验设备的真空能力大都达到了108Pa量级。几个典型的空间冷焊失效案例都在108Pa量级的地面模拟真空条件下得到了复现。

国外研究人员通过对金属对偶材料进行的深入研究，发现了三氧化二铝、二氧化锆、三氧化二锰和二硫化钼等材料作为金属的表面覆膜层，能够有效地减小金属表面之间的摩擦力，从而能够有效地防止冷焊现象的出现。国外研究人员还对电磁阀和继电器等在航天器中使用得比较普遍的典型产品，进行了超高真空下的加速寿命试验，统计了产品在设计寿命动作次数以内产生冷焊现象的规律，并观测和记录在超过设计动作次数之后接触面或摩擦表面的损坏状况，为改进产品防冷焊设计提供了重要的试验依据。

最后，国外从选料、表面处理入手，并采用一整套质量保证标准，基本防止了冷焊现象的发生。

4 国内真空冷焊研究现状

国内有关真空冷焊的研究始于上世纪六十年代，徐锦芬等人对固体润滑材料在超高真空中的摩擦磨损问题和防冷焊技术开展了深入研究。兰州物理研究院的刘明辉、王福云等人研制出了中型无油超高真空防冷焊评价试验装置，并对超高真空及各种环境条件下材料对偶之间的接触压力和黏着力进行了研究。北京卫星工程环境研究所相继建成了多套超高真空冷焊试验设备，用于我国某些重要型号航天器配套的宇航组件真空防冷焊评价试验，是我国最早从事航天组件真空冷焊试验的研究机构。

中国公开发行的继电器高真空防冷焊测试规范，目前只有1991年3月19日公布的QJ2213.1-91《继电器特殊环境试验方法超高真空冷焊试验》。据调查，目前国内尚未出现过电磁继电器冷焊试验失效的公开报道。

5 关于地面模拟超高真空继电器冷焊试验的思考

宇宙真空环境与地面模拟真空有本质上的差异。地面模拟真空是一种在有限容积的真空容器中采用有限抽速及抽气量的真空机组营造出的人造真空环境。容器中的气体分子经过相互碰撞或和容器碰撞达到一种平衡态。宇宙真空环境则是开放的、具有天然的无限抽速和抽气容量，是一种“分子沉”环境。在宇宙真空环境下，物理表面会失去所有吸附的气体。因此，开展地面模拟超高真空冷焊试验的前提条件是具备可以最大限度降低真空度并可以在较长时间内维持该真空度的试验设备。但是，人造真空环境有其极限，目前国际上最顶尖的电离真空计也只能准确检测到（2±0.3）×1010Pa量级的真空压力。样品体积的大小、所用材料、高温试验环境以及真空设备密封性，均会对设备抽气以及保持超高真空的能力造成影响。

为保证产品的空间工作质量，电磁继电器等产品在上型号使用前须按航天用户的要求进行超高真空防冷焊性能评价试验。我国在前期进行的所有电磁继电器高温真空冷焊试验，均执行QJ2213.1-91标准中的规定。标准规范中对冷焊试验设备、试验步骤程序、试验条件、判据、试验记录及结果分析和处理都进行了规定。但由于年代稍显久远，该标准的制定受限于当时试验设备的技术水平，导致真空度试验条件的设置略显保守。而在标准的执行过程中，有些试验程序的设置也存在不合理之处。试样在加载寿命或高温状态下，真空压力甚至无法完全达到标准要求。而美国数次在地面模拟真空环境下复现冷焊失效案例时的压力条件均为108Pa量级，比我国已开展的冷焊试验真空压力条件高出一个数量级。

近年来，随着我国航天事业步入高速发展阶段，北斗卫星导航系统、在轨永久空间站、探月探火以及深空探测工程均已逐步开展，这对航天器及其配套元器件提出了更长寿命及更高可靠性的要求。宇航用电磁继电器虽然是气密封产品，但气密封产品有其固有漏率，当继电器被长期应用于空间环境或航天器非密封舱时，其内外部气体压力将逐渐趋于平衡。当继电器内部触点处于易发生冷焊的真空环境时，伴随着金属触点间的相对摩擦运动，就会有发生冷焊的风险。因此，需要在提升真空度的基础上，进一步完善试验方法程序，重新制定航天继电器超高真空冷焊效应评价及试验方法。

6 超高真空冷焊评价试验设备研制最新进展

据不完全统计，目前国内拥有空间活动部件防冷焊评价能力的单位有航天五院、航天八院及中国电子技术标准化研究院（以下简称电子标准院）等单位。其中航天五院是最早开展超高真空冷焊试验评价的单位，也是拥有防冷焊评价试验设备最多的单位。电子标准院于2020年底开展了空间活动部件防冷焊评价试验能力研究，所拥有的超高真空冷焊试验设备是一套无油、无任何有机物的超高真空系统。它突破了目前国内的技术瓶颈，同时具备以下三项功能:（1）以极高的抽气效率获得超高真空环境；（2）可在超高真空环境下快速实现高、低温的热交换；（3）可在超高真空环境下进行分离力的测试（该条适用于分离电连接器产品）。该设备的总体结构由六部分构成，即真空腔体部分、真空保障系统、温度保障系统、试验系统、设备控制监测系统和辅助系统，系统架构图见图2，系统结构图见图3。

图2 系统构架图

图3 系统结构图

该系统的真空腔体部分主要包括圆形真空罐体、罐体两端法兰、相关真空抽气元件的连接管道、温度保障系统的法兰引出管路、拉力试验装置连接法兰等。

它能制造一个符合试验条件的真空环境和温度环境，并具有分离力测试能力。腔体上的所有连接口均采用国际通用的刀口法兰连接形式，满足超高真空密封要求和通用性要求。

真空罐体为卧式圆筒形结构，其外形尺寸为Φ410×496×5（单位mm），前法兰（前门）为导轨滑块平移式开门，导轨安装在设备台面上。腔体内部有两组热沉，分别是底部热沉和环形热沉，两组热沉都安装在后法兰上，可连同后法兰一起从腔体后端装入。其中底部热沉主要用于大件试验样品，作为其辅助热源。热沉与工件间的热交换通过一种特殊结构实现，该结构是为解决超高真空环境下温度传导而专门设计的一种特殊结构，可以在保证导温的同时进行电连接器在真空腔内的分离。

真空保障系统帮助设备获得试验所需要的真空度，主要包括真空泵抽气系统、真空阀门、配套管路及真空测量装置等。真空泵抽气系统由进口的分子泵、涡旋干泵组、离子泵及钛升华泵组成，系统与高真空腔体连接的真空阀门，选用的是国际知名品牌的全金属密封阀，密封性能可靠。

真空测量装置选用了两套，一套是国内正华电子的复合真空计，其真空度的测量范围在1×105～1×108pa。另一套是国际知名品牌且真空测量能力处于世界领先水平的超高真空计（IG40EX），它可以准确地测量到1010pa。

该设备的技术能力较之以往有了极大程度的提高。设备的主要性能指标如表1所示。

表1 设备主要性能指标

该设备的出现，把我国空间活动部件防冷焊评价试验设备的真空度等级提高了至少一个数量级。该设备拥有极高的抽真空效率，带载条件下从常压到107Pa仅用时30min，抽到108Pa也仅仅耗时3个小时，可大幅提高试验效率，降低试验成本。同时，该设备还可以快速实现热沉与工件间的自由热交换，并确保试样在超高真空下快速达到标准要求的温度，且试样表面温度均匀性良好，配合电磁继电器寿命试验系统可以对航天用电磁继电器开展防冷焊性能评估。

7 结语

随着中国航天事业的高速发展，航天器的设计工作寿命越来越长，安全性及可靠性的要求也愈来愈高。航天器中使用了大量的电磁继电器、开关、电连接器等活动机构，而这种活动机构的可靠性将直接影响航天器的整体可靠性。目前，我国超高真空防冷焊评价试验设备的技术能力已经大幅提高，但现有的试验方法中还有很多有待进一步研究的地方。对此应尽快针对典型产品开展超高真空防冷焊性能评价技术研究，完善相关标准，为研制单位提高航天继电器防真空冷焊可靠性水平提供技术支撑。