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        一種晶體罩電磁繼電器失效機(jī)理探討

        2021-12-29 07:02:06王龍輝惠小玲馬瑞敏
        機(jī)電元件 2021年6期
        關(guān)鍵詞:燃弧鐵屑負(fù)極

        王龍輝,惠小玲,馬瑞敏,任 浩,常 寧

        (陜西群力電工有限責(zé)任公司,陜西寶雞,721300)

        1 引言

        隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展,電子產(chǎn)品在各行各業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。電磁繼電器作為電子信息技術(shù)的基礎(chǔ)元器件之一,使用數(shù)量勢(shì)必越來(lái)越大,可靠性要求也越來(lái)越高。眾所周知,電磁繼電器的可靠性隱患形成于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝以及電接觸等必然物理過(guò)程之中;提高其可靠性最基礎(chǔ)的工作在于不斷認(rèn)識(shí)各類(lèi)失效問(wèn)題的具體形式及內(nèi)在機(jī)理,從而不斷改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝,實(shí)施可靠的篩選措施等等。

        2 早期失效與隨機(jī)失效

        在正常使用條件下,該產(chǎn)品早期失效與隨機(jī)失效主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。

        2.1 鐵屑卡死驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

        由于鐵心、銜鐵激勵(lì)時(shí)均有磁性,不激勵(lì)時(shí)亦有剩磁存在,因此殘存于機(jī)構(gòu)之中的鐵屑就有機(jī)會(huì)被吸入鐵心與銜鐵之間,并附著在鐵心極靴或鐵心之上。有的針狀小鐵屑在激勵(lì)過(guò)程中被極化(磁化),從而直立于鐵心與銜鐵之間,造成繼電器處于完全不工作或間歇工作狀態(tài)。

        而鐵屑的主要產(chǎn)生原因,是由點(diǎn)焊工藝殘?jiān)c飛濺微粒;鉚裝時(shí)產(chǎn)生的鐵屑;裝配調(diào)整過(guò)程中磁性零件的毛刺或損落物等。

        鑒于鐵屑偏小,極化(磁化)后附著能力強(qiáng),故不容易清除。試驗(yàn)表明,吸塵器或強(qiáng)負(fù)壓裝置產(chǎn)生的負(fù)壓氣流對(duì)鐵屑、細(xì)小纖維或其他粉塵污物的清除效果良好,且對(duì)繼電器本身結(jié)構(gòu)和性能不致產(chǎn)生不利影響。

        2.2 清洗過(guò)程污染失效

        電磁繼電器機(jī)構(gòu)整體清洗后從清洗溶劑中取出時(shí),簧片上粘附的清洗溶劑在表面張力作用下富集于觸點(diǎn)部位。當(dāng)清洗溶劑揮發(fā)后,其中少量殘留污物(原清洗溶劑中帶來(lái)的或在空氣中吸附的塵埃)正好干涸附著在觸點(diǎn)周?chē)?。在觸點(diǎn)工作過(guò)程中,這種附粘污物在負(fù)載作用下部分燒蝕,或形成電阻值相當(dāng)高的覆蓋層,以致造成接觸不良或完全絕緣。

        這種失效主要取決于清洗液的潔凈與操作環(huán)境的清潔。在改善操作環(huán)境的同時(shí),應(yīng)采取的措施是:

        1)將銜鐵轉(zhuǎn)換至貼靠鐵心部位,進(jìn)而漂洗靜合觸點(diǎn)并將繼電器提出清洗液,待被吹干后再讓銜鐵復(fù)位,以便減少清洗液對(duì)接觸點(diǎn)的富集效應(yīng)。

        2)將接觸系統(tǒng)與電磁系統(tǒng)分別增加一次單獨(dú)刷洗,以減輕釬焊時(shí)形成的硅鹽微粒,醋酸與銀鋅焊料的黑色反應(yīng)物及電磁系統(tǒng)上面的污物對(duì)機(jī)構(gòu)整體清洗液的污染。3)將機(jī)構(gòu)整體清洗工藝改為兩次刷洗后再用潔凈清洗液漂洗一次。

        2.3 有機(jī)污染失效

        該繼電器的線(xiàn)圈由塑料骨架、漆包線(xiàn)及聚四氟乙烯薄膜包扎帶組合而成。在密封罩內(nèi)的“小氣候”條件下,線(xiàn)圈在通電自熱過(guò)程中自然形成了釋放有機(jī)揮發(fā)物污染源,觸點(diǎn)等零部件表面都成了有機(jī)污染的對(duì)象,出現(xiàn)觸點(diǎn)接觸不良或斷路失效現(xiàn)象。

        在繼電器密封之前,應(yīng)采用無(wú)水乙醇浸漬線(xiàn)圈2小時(shí),吹干后再100℃下真空焙烘4小時(shí)的予排有機(jī)揮發(fā)物工藝效果更好。

        2.4 物理粘結(jié)失效

        繼電器的動(dòng)合觸點(diǎn)曾出現(xiàn)嚴(yán)重粘結(jié)不釋放現(xiàn)象,用測(cè)力計(jì)測(cè)粘結(jié)觸點(diǎn)的力,最大者竟達(dá)到35g。這種動(dòng)合粘結(jié)多為時(shí)隱時(shí)現(xiàn),因此它也成為產(chǎn)品在正常使用條件下失效的一種隱患。

        根據(jù)試驗(yàn)分析表明,觸點(diǎn)表面鍍金,其接觸部位金分子互相擠壓滲透所形成的分子力是導(dǎo)致觸點(diǎn)粘結(jié)的內(nèi)在因素,觸點(diǎn)之間的滑動(dòng)摩擦是加速分子擠壓滲透積聚粘結(jié)力的必要條件。粘結(jié)力的大小取決于觸點(diǎn)材料的剛性與導(dǎo)致分子擠壓滲透的物理?xiàng)l件,動(dòng)合觸點(diǎn)是否粘結(jié)不放,主要取決于粘結(jié)力是否大于動(dòng)簧片的復(fù)原反力。

        為了既確保觸點(diǎn)粘結(jié)力小于動(dòng)簧片的復(fù)原反力,又保留金分子所固有的穩(wěn)定性能對(duì)觸點(diǎn)的保護(hù)作用,采用嚴(yán)格控制鍍金層厚度以減小粘結(jié)力的方法,較為成功地控制了觸點(diǎn)粘結(jié)失效的危害。

        由于0.1A×6.3Vac負(fù)載的弱弧特性,對(duì)觸點(diǎn)污染嚴(yán)重者擊而不穿,對(duì)污染輕微者燒而不毀,可較充分地暴露工藝污染產(chǎn)品及粘結(jié)不放產(chǎn)品。因此,在改善工藝環(huán)境,針對(duì)上列事項(xiàng)采取相應(yīng)措施的同時(shí),于半成品機(jī)械老練過(guò)程中采用0.1A×6.3Vac負(fù)載來(lái)監(jiān)控裝配工序質(zhì)量及時(shí)區(qū)分剔除動(dòng)合、靜合污染失效及粘結(jié)產(chǎn)品;在成品出廠(chǎng)檢驗(yàn)前先用同上負(fù)載篩選剔除早期失效及接觸電阻不穩(wěn)定產(chǎn)品,可達(dá)到監(jiān)控指導(dǎo)工藝全過(guò)程,大大降低出廠(chǎng)產(chǎn)品早期失效率與隨機(jī)失效率的目的。

        3 老化失效

        繼電器在長(zhǎng)期工作過(guò)程中的自然老化過(guò)程,其主要表現(xiàn)為活動(dòng)部件機(jī)械損傷、零件腐蝕、材料老化、彈性失效與電接觸點(diǎn)老化失效。在通常情況下,電觸點(diǎn)本身失效比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它形式的失效比例,電觸點(diǎn)的壽命極限也遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于其它各零部件的壽命極限。認(rèn)真分析電接觸過(guò)程的物理機(jī)制,采取相應(yīng)措施是提高產(chǎn)品壽命和可靠性,降低失效率的關(guān)鍵。

        3.1 小負(fù)荷老化失效

        小負(fù)載老化失效主要表現(xiàn)為異層電阻開(kāi)路與動(dòng)合觸點(diǎn)物理粘結(jié)。在該負(fù)載條件下,觸點(diǎn)反復(fù)開(kāi)斷時(shí)的空間靜電效應(yīng)易于富集內(nèi)部懸浮污物,對(duì)生產(chǎn)工藝污染膜、小氣象有機(jī)污染膜等擊而不穿,燒而不毀,從而形成隨機(jī)性異層電阻絕緣開(kāi)路。

        3.2 金屬轉(zhuǎn)移失效

        在2A×28Vd.c.負(fù)載條件下,繼電器老化失效機(jī)制主要表現(xiàn)為金屬轉(zhuǎn)移-負(fù)極失去金屬分子而凹陷,以致穿洞,正極得到金屬分子而形成尖峰或鍋底型突起。

        經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)表明,觸點(diǎn)間隙對(duì)金屬轉(zhuǎn)移的具有一定影響:

        1)當(dāng)觸點(diǎn)間隙<0.15mm時(shí),動(dòng)合觸點(diǎn)間金屬轉(zhuǎn)移較快,正極形成尖峰型突起,較快填補(bǔ)觸點(diǎn)間隙。其失效方式是,開(kāi)始時(shí)轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)出現(xiàn)斷續(xù)連通故障,最后因熔接而永久性連通失效,壽命<105次。

        2)當(dāng)觸點(diǎn)間隙約為0.17-0.23mm時(shí),正極觸點(diǎn)一般呈鍋底型突起,負(fù)極呈凹鍋型下陷。金屬轉(zhuǎn)移相對(duì)較慢。大約3×105次壽命后,正極突起高度約為0.15-0.20mm,負(fù)極形成穿洞現(xiàn)象。此后,正極不再抬高,金屬轉(zhuǎn)移在側(cè)向進(jìn)行。觸點(diǎn)壽命隨著失效率的急劇上升而很快終結(jié)。

        3)當(dāng)觸點(diǎn)間隙>0.27mm時(shí),靜合觸點(diǎn)組金屬轉(zhuǎn)移加速,并伴隨著大面積互熔性燒傷,靜合開(kāi)路失效比例明顯增大。對(duì)非密封觸點(diǎn),情況更為惡劣,觸點(diǎn)組為燃弧形成的碳膜所覆蓋,靜合組觸點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)熔焊現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō),金屬轉(zhuǎn)移對(duì)電觸點(diǎn)的影響是:

        ①迅速減少觸點(diǎn)開(kāi)斷間隙,導(dǎo)致斷弧能力下降,加速觸點(diǎn)的壽命老化。

        ②尖峰形突起改變觸點(diǎn)的接觸狀態(tài),變?cè)瓉?lái)的球面對(duì)平面接觸狀態(tài)為尖峰對(duì)深凹鍋或凸起側(cè)緣對(duì)穿洞內(nèi)壁接觸狀態(tài)。接觸過(guò)程伴隨著活動(dòng)的尖端放電過(guò)程。接觸電阻隨燃弧污染針尖接觸而隨機(jī)增大,導(dǎo)致隨機(jī)開(kāi)路失效。

        ③當(dāng)動(dòng)簧片接負(fù)極,雙面凹鍋使接點(diǎn)部位橫斷面尺寸減小到一定尺度時(shí),動(dòng)簧片將出現(xiàn)局部形變,導(dǎo)致永久失效。

        初步分析認(rèn)為,在2A×48Vd.c.負(fù)載條件下,形成金屬轉(zhuǎn)移的物理機(jī)制是:由于接觸點(diǎn)局部電流升溫與燃弧溫升的共同作用,觸點(diǎn)接合局部產(chǎn)生熔融。在燃弧的瞬間,電離的氣體離子猛烈的轟擊負(fù)極熔融部位,驅(qū)使負(fù)極表面積聚負(fù)電荷且處于熔融狀態(tài)的分子集團(tuán)在定向電場(chǎng)中克服表面張力作用而濺向同時(shí)處于熔融狀態(tài)的正極部位,從而形成“鍋形負(fù)極剝離,峰形正極堆積”,這一直流定向?yàn)R射物理過(guò)程。對(duì)直流功率負(fù)載,金屬轉(zhuǎn)移是電接觸的一種客觀(guān)物理過(guò)程。在不更改原設(shè)計(jì)觸點(diǎn)材料的前提下,作為生產(chǎn)單位,控制金屬轉(zhuǎn)移的危害相對(duì)辦法是,嚴(yán)格控制觸點(diǎn)的開(kāi)斷間隙,保證必要的動(dòng)合接觸的超行程。

        3.3 電腐蝕與電磨損

        在交流負(fù)載條件下,繼電器的老化失效主要表現(xiàn)為電腐蝕和電磨損效應(yīng)。在0.5A×220Va.c.負(fù)載,105次壽命試驗(yàn)后,其表現(xiàn)是:電接觸點(diǎn)雙方呈對(duì)稱(chēng)性光潔淺凹鍋型磨損。對(duì)全密封觸點(diǎn),觸點(diǎn)本身十分潔凈,接觸電阻很小,電接點(diǎn)四周零部件上粘附著放射狀黑色濺射物及濺落的觸點(diǎn)材料微粒。對(duì)非密封電觸點(diǎn),觸點(diǎn)本身及四周均覆蓋著燃弧過(guò)程中形成的碳黑濺射物,絕緣子及推桿玻璃球上均有清晰可見(jiàn)的觸點(diǎn)材料濺落微粒,接觸電阻明顯偏大。

        電腐蝕與電磨損導(dǎo)致的繼電器失效方式詳述如下:

        1)觸點(diǎn)材料濺落微粒使鄰近的絕緣子耐壓降低,以致抗電失效。

        2)電接觸點(diǎn)損傷,熔接失效。

        3)燃弧殘物導(dǎo)致開(kāi)路失效。

        對(duì)密封電觸點(diǎn),方式(1)是失效的主因;對(duì)非密封或密封不好的產(chǎn)品,方式(3)是失效的主因;方式(2)往往與超負(fù)荷有關(guān)。

        交流負(fù)載與直流負(fù)載的差別在于觸點(diǎn)間燃弧極性與電場(chǎng)方向交變,觸點(diǎn)雙方處于正或負(fù)的概率相等,燃弧所導(dǎo)致的觸點(diǎn)表面金屬濺射使雙方都成為剝離對(duì)象,周?chē)悴考t成為濺射的污染對(duì)象。電磨損與金屬轉(zhuǎn)移的物理本質(zhì)是同一的。

        電腐蝕和電磨損是交流負(fù)載條件下的自然物理過(guò)程,設(shè)計(jì)上采用密封電觸點(diǎn),增大觸點(diǎn)的可斷間隙,增大絕緣部件或增大絕緣部件與觸點(diǎn)間的相對(duì)距離,對(duì)提高交流負(fù)載能力,降低失效率是有益的。

        4 總結(jié)

        對(duì)已定型的產(chǎn)品而言,早期失效與隨機(jī)失效主要源于生產(chǎn)工藝。因此,加強(qiáng)生產(chǎn)工藝研究,提高生產(chǎn)工人的文化素質(zhì),加強(qiáng)質(zhì)量意識(shí)及責(zé)任心,不斷改進(jìn)并強(qiáng)化質(zhì)量管理,對(duì)降低早期失效率與隨機(jī)失效率是行之有效的。同時(shí)針對(duì)繼電器的不同負(fù)載,積極開(kāi)展提高產(chǎn)品可靠性研究活動(dòng),延長(zhǎng)產(chǎn)品的壽命極限,滿(mǎn)足用戶(hù)需求。

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