海洋大氣環境下微動開關觸點回跳時間增大故障的試驗復現與分析

朱 蒙，李 明，陳 宇，賈潤川，李 宏，董 冰，蔡紅霞

（1.中國航空綜合技術研究所，北京 100028；2.沈陽飛機設計研究所，遼寧沈陽 110035；3.貴州華陽電工有限公司，貴州貴陽 550006）

0 引言

目前，武器裝備系統中大量應用基礎機電產品，開關、連接器、繼電器等是裝備外場故障發生率最高的通用系列化產品。2018年，航空質量數據中心統計信息表明，由基礎產品引發的質量問題約占所有問題的50%。微動開關作為典型的基礎機電產品，是構成電氣互聯系統的重要組成器件，任何一次轉換動作失靈或觸點接觸不良，都將使武器裝備發生故障[1-2]。近年來，隨著近海任務部署力度不斷加大，高濕、高鹽霧環境導致的腐蝕行為已成為影響產品服役壽命的重要因素[3-4]。

微動開關功能性能的表征參數繁多，包括力學參數、行程參數、電參數和時間參數等，各種環境及工作載荷對微動開關功能性能的影響十分復雜。觸點回跳時間是微動開關的固有特性，是關鍵性能參數之一，其物理意義為動觸點與靜觸點從第1 次閉合的瞬間起至動觸點后閉合的瞬間止的時間間隔。觸點回跳是1 個較為復雜的暫態過程，回跳會導致過電壓和電弧等現象的產生，嚴重影響電路穩定性[5-6]。目前，國內外對于微動開關產品本身的加速試驗分析的文獻資料較少，大多是從仿真建模的角度進行設計分析，而對于微動開關動作特性的研究卻不多，尤其是對開關觸點回跳時間參數的研究暫未見相關報道。國內外對于微動開關的系統研究開始于20世紀80年代。國內李堅石教授等將微動開關抽象為幾何平面梁柱系統，實現了動態計算機模擬與開關接觸熱過程解析[7]；美國空軍理工大學R.A.Coutu Jr等和美國空軍研究室的L.A.Starman 等提出了開關接觸力方程，并研究了吸合電壓、釋放電壓和接觸力的關系[8]；Hamed Raeisifard等提出了受靜電驅動的微動開關綜合模型，從材料長度、厚度和電壓變化角度分析了機械性能的變化特點[9]；宋琪琦進行了微動開關的熱性能研究，得出了微動開關工作時的溫度分布主要與對流換熱系數、電流以及觸點形狀等因素相關[10]；王莉結合導彈發射裝備工作環境下微動開關典型失效案例，指出開關的主要失效形式為機械故障和電氣故障，機械故障模式主要為彈簧片疲勞，電氣故障的主要模式為接觸電阻增大和絕緣性能降低[11]；筆者在前期研究了不同環境下微動開關腐蝕機理，得出含硫環境對開關內部銀質觸點的影響最為嚴重，腐蝕產物硫化銀的產生是導致微動開關接觸電阻升高的主要原因[12]。國內外對觸點回跳的影響研究多集中于密封電磁繼電器產品，從電磁吸合與釋放過程、碰撞行為等角度進行分析[13-14]，對非密封微動開關觸點回跳行為的影響機制研究較少，影響因素不清，復現試驗方法缺乏。

本文結合某微動開關觸點回跳時間增大導致某系統故障問題，通過實驗室加速模擬試驗，復現了外場故障現象，并結合試驗結果對腐蝕性環境、電燒蝕等因素對觸點回跳時間增加的影響機制進行了分析。

1 試驗

1.1 對象

本文選取微動開關型號為WWK-6A，與外場故障件型號一致，非密封結構，開關殼體、蓋子、按鈕均為塑料材質，內部動、靜觸點均為Ag-Pd合金，表面處理工藝為酸洗，彈簧片為鈹青銅，止動片和接觸片材質為基底銅表面鍍銀。該型號微動開關實際使用電負載參數為28 VDC、70 mA。

1.2 試驗方法

本文選取20只微動開關進行試驗，為了模擬該型微動開關實際使用特點，將試驗件等分為2 組。試驗前，對第2組微動開關進行預處理，具體方式為對微動開關常開端觸點對施加28 VDC、0.6 A的電負載，同時按壓按鈕完成200 次分斷、閉合的轉換動作。本文設計了微動開關海洋大氣環境效應加速模擬試驗方法，由鹽霧試驗模塊和濕熱試驗模塊組成試驗循環，如圖1 所示。試驗過程中，在酸性鹽霧試驗模塊中，將第1組和第2 組中的5 只微動開關置于屏蔽罩（屏蔽罩側面開孔，非完全密閉狀態）內，其余微動開關直接暴露。濕熱試驗模塊時，所有開關試驗件無差別置于試驗箱內，彼此無接觸，擺放間距不小于30 mm。

圖1 微動開關海洋大氣環境效應加速模擬試驗方法Fig.1 Accelerated simulation test profile of a microswitch under the effect of marine atmospheric environment

微動開關海洋大氣環境效應加速模擬試驗剖面各試驗模塊具體條件如下。

酸性鹽霧試驗條件：試驗箱溫度為（35±2）℃；鹽溶液為（5±1）%的NaCl水溶液；添加稀硫酸調節pH值為3.5±0.5；鹽霧沉降率為1.0～3.0 mL/（80 cm2·h）；收集液pH值約3.5；噴霧方式為間歇性，每48 h干濕交替為1 個循環，其中，噴霧24 h，開箱干燥24 h。本試驗模塊共進行2個循環，試驗時長96 h。

濕熱試驗條件：試驗箱升溫階段由30℃升至60℃，相對濕度95%，持續時間2 h；高溫、高濕極端溫度保持在60℃，相對濕度保持95%，持續時間6 h；降溫階段由60℃降至30℃，相對濕度大于85%，持續時間為8 h；低溫高濕階段溫度保持在30℃，相對濕度保持95%，持續時間8 h；每24 h 為1 個循環。本試驗模塊共進行5個循環，試驗時長120 h。

本文中腐蝕試驗共進行3 個循環，每個循環包括96 h 的酸性鹽霧試驗和120 h 的濕熱試驗。試驗過程中，每個腐蝕循環試驗后，對所有微動開關進行觸點回跳時間和接觸電阻的測試，測試結束后鹽霧試驗入箱前，再次對全部微動開關試驗件進行200 次帶電轉換，具體實施方式與預處理相同。根據微動開關安裝位置的特殊性，本文規定觸點回跳時間超過2 ms即失效。根據GJB 809B—2013《微動開關通用規范》（以下簡稱《規范》）規定[15]，本文以微動開關實際裝機電氣負載電阻的1%，即400 Ω為開關接觸電阻的失效閾值。

1.3 測試方法

1.3.1 觸點回跳測試方法

按照《規范》中4.5.24規定的條件進行觸點回跳測試，具體實施方式如下：首先，根據標準規定搭建測試平臺，對開關施加22 VDC、3.2 mA的電負載；然后，以平行于促動件運動方向周期循環驅動促動件，同時，用示波器進行監測，記錄觸點首次閉合前直到穩定接觸的全過程。周期循環驅動促動件的速率為（0.025±0.01 mm）次/秒，觸點回跳的時間為連續10個讀數中最大的1個。

1.3.2 接觸電阻測試方法

按照《規范》中4.5.6條款中的規定，使用微歐計對開關常開端和常閉端進行測量，測試的電負載條件為28 VDC、70 mA。測試前，按壓開關按鈕動作3 次，測試過程中動作3次，每次動作的測試次數為1次。

1.3.3 表面微觀形貌觀測方法

利用相機對微動開關外觀及內部結構進行表觀觀察，利用Quanta400 型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察簧片和觸點表面微觀形貌。利用Link2SISI 能譜分析儀（EDS）對樣品表面的腐蝕產物元素組成進行測試分析。

2 試驗結果與分析

2.1 性能參數變化特點

隨著循環試驗進行，微動開關觸點回跳時間整體呈上升趨勢。第1 組微動開關在第1 循環和第2 循環試驗后觸點回跳時間明顯增大，但最大值仍在1.18 ms以下。第2循環試驗后，1#、2#、4#、5#、6#和10#開關觸點回跳時間均超過2 ms，最大值達到3.13 ms。試驗過程中，第1組微動開關常開端接觸電阻變化不大，均未失效，接觸電阻超差均發生在常閉端。第1 循環試驗后，6#和10#開關常閉端接觸電阻超差，電阻增大至MΩ 量級，其余開關常閉端接觸電阻均有不同程度的增大，為歐姆級；第2 循環試驗后，開關常閉端接觸電阻持續增大，新增5#和8#開關常閉端接觸電阻失效；第3循環試驗后，新增1#和2#開關常閉端接觸電阻失效。整個試驗過程中，開關常閉端接觸電阻測試結果呈現非線性增大現象，測試結果離散性較大。外場故障件返廠復測的17 只WWK-6A 微動開關中有8 只開關觸點回跳時間超過2 ms，2 只開關常閉端接觸電阻超閾值。從復測數據來看，觸點回跳時間出現超2 ms的開關也同時出現常開端接觸電阻增大的情況，接觸電阻的離散性較大。實驗室試驗結果與外場試驗結果具有相似性。

第2組微動開關觸點回跳時間增大十分明顯。第1循環試驗后，14#和19#微動開關失效，觸點回跳時間無法測試，其余微動開關觸點回跳時間測試結果正常，最大值為1.6 ms；第2循環后，12#、14#、15#、19#和20#微動開關失效，最大值高達4.75 ms。第2循環后，超過半數微動開關觸點回跳時間超差，因此，預處理后，微動開關試驗件僅進行了2 個循環試驗。預處理后的開關接觸電阻超差不再集中于常閉端。第1循環試驗后，置于屏蔽罩內的14#微動開關常開端接觸電阻失效；第2循環試驗后，12#和15#開關常開端出現接觸電阻超差，14#開關常開端與常閉端均出現接觸電阻超差。

2.2 主要影響因素分析

2.2.1 觸點表面電燒蝕的影響

從試驗結果總體上看，觸點表面電燒蝕加快了微動開關失效的進程。從觸點回跳時間測試結果來看，第2 組微動開關經歷預處理后，在第1 循環試驗后便出現了失效現象，而第1 組未預處理的開關在第3 循環試驗后才出現失效，這與預處理造成的銀質觸點試驗的起始損傷狀態有關，預處理造成的電燒蝕提高了觸點的腐蝕敏感性，更利于腐蝕發生和發展，并為腐蝕產物積聚提供了便利條件。另外，0.6 A、200次帶電轉換后觸點回跳時間無明顯變化，且該型號微動開關經歷整個電壽命試驗（10 000次帶電轉換）后觸點回跳時間仍正常，說明電應力和電燒蝕不足以導致觸點回跳時間失效，但預處理試驗在第1 個循環試驗后就出現失效，則可進一步證明腐蝕和腐蝕產物是造成觸點回跳時間失效的關鍵，而電燒蝕與腐蝕的耦合會加劇該失效的進程。

從接觸電阻測試結果來看，無預處理微動開關接觸電阻失效均發生在常閉端，常開端接觸電阻均正常，而預處理微動開關接觸電阻失效在常開和常閉端均有發生。鑒于0.6 A 電流僅作用于微動開關常開端，所以，對比有無預處理試驗件常開端接觸電阻失效情況，表明在預處理中，0.6 A 電流引起觸點表面燒蝕與后續試驗過程中腐蝕的耦合作用加劇了開關常開端接觸電阻的性能劣化。

外場與實驗室試驗微動開關內部觸點表面形貌對比如圖2 所示，內外場產品的損傷特征具有相似性。外場故障件和實驗室試驗后微動開關觸點表面均有明顯電燒蝕和氧化痕跡。

圖2 微動開關觸點表面形貌Fig.2 Surface morphology of microswitch contacts

2.2.2 腐蝕試驗應力的影響

隨著循環試驗次數的增多，出現觸點回跳時間增加的情況也就越多，該性能超差比例將越高。對于第1 組未預處理的微動開關試驗件，在試驗第1、2 循環時，直接暴露在鹽霧試驗箱內的微動開關失效個數較多，但當試驗進行至第3循環時，有鹽霧遮蔽的開關失效數量反而略多。對于第2組預處理后的微動開關試驗件，屏蔽罩對開關失效數量的影響并不明顯。

在鹽霧試驗環節，屏蔽罩能夠防止鹽霧直接沉降在開關表面產生積液，但鹽霧仍能通過側邊開孔擴散、沉降在產品表面。在鹽霧試驗和隨后的濕熱試驗中，沉積的鹽會沿產品縫隙進入內部，在觸點、簧片等金屬結構表面附著，加速腐蝕的發生。在鹽霧試驗的干燥環節，由于屏蔽罩的影響，內部濕氣擴散慢，造成高濕度環境持續時間更長。另外，每1 個循環試驗的測試環節后，開關均會進行0.6 A電流轉換動作50次，帶電轉換會由于觸點接觸動作以及可能燃起的電弧而將表面部分鹽沉積和腐蝕產物清除。

對于第1 組未進行預處理的試件，在第1 個循環試驗中，直接暴露的產品內部更容易滲入鹽分，誘發觸點表面腐蝕。腐蝕發生和發展的初期，對于具有鈍化膜保護的觸點表面，滲入鹽的多少顯著影響著腐蝕程度。經過50次帶電轉換動作，置于屏蔽罩內和直接暴露于鹽霧箱內的開關樣品內部觸點表面殘留鹽的狀態基本一致。隨著觸點腐蝕的發展和表面損傷的積累，沉積鹽對腐蝕程度的影響減弱，表面連續微液膜持續時間的影響更加顯著，使置于屏蔽罩內的產品腐蝕程度相對較高。對于第2組預處理的試件，在第1個循環試驗前，觸點表面具有一定防護性能的鈍化膜就已經遭到了破壞，在高濕度環境中的腐蝕敏感性提高，腐蝕發生階段鹽分破鈍作用不大，鹽沉積對腐蝕的影響較小，這是造成不同組別試件受屏蔽罩影響存在差別的主要原因。

2.2.3 觸點開閉狀態的影響

從不同循環試驗結果來看，僅發生腐蝕的常閉觸點端接觸電阻相比于常開觸點端增大顯著。這說明觸點表面腐蝕的發生和發展是造成觸點對接觸電阻增大的最主要原因。微動開關內部常閉觸點對特殊的細微結構更容易造成腐蝕介質積聚，腐蝕介質作用時間更長，且存在縫隙的誘導腐蝕因素，腐蝕程度更高。由于預處理和帶電轉換動作均施加于常開觸點端，常開觸點對雖然存在電燒蝕與腐蝕損傷的耦合效應，但腐蝕性微液膜持續作用時間短、局部腐蝕嚴酷度低，且受到電流的清除作用影響，表面腐蝕產物積聚少，接觸電阻增大程度相對較低。

3 微動開關觸點回跳時間增大故障機理分析

從失效微動開關中選取5#（未預處理、有屏蔽罩）、10#（未預處理、直接暴露）、15#（預處理、有屏蔽罩）和19#（預處理、直接暴露）進行拆解，觀察開關內部結構形貌如圖3所示。

圖3 失效開關內部簧片及常開、常閉觸點形貌圖Fig.3 Surface morphology of the reed,normally open contact and normally closed contact of failed microswitches

試驗后，開關按鈕與殼體縫隙處白色鹽堆積明顯，塑料殼體內表面附著鹽顆粒沉積，開關3個接線端子均變色發黑。觀察內部簧片、常開端觸點和常閉端觸點表面形貌，預處理后的15#和19#開關常開觸點表面有大量黑色物質覆蓋，電燒蝕情況嚴重。無論是否置于屏蔽罩內，簧片均發生一定程度的腐蝕，顏色變黑，簧片材料為鈹青銅，在高濕度鹽霧環境下極易被腐蝕。試驗結束后，常閉觸點表面大部分區域仍保持光潔，局部位置出現腐蝕點并呈現腐蝕產物堆積。

常開端觸點在試驗中不僅會受到腐蝕性環境影響，而且還會受到預處理和各循環試驗中由帶電轉換引起的電弧影響。微動開關內部常開端觸點與常閉端觸點材質相同，在相同的試驗環境中，表面發生的腐蝕類型也相同。未預處理的開關常開端觸點表面狀態較光潔，僅有較小區域出現深色損傷點，而預處理后的開關常開端觸點表面深色范圍更大、程度更深。

圖4 為15#開關常開觸點對表面微觀形貌。從損傷分布和微觀特征上看，其表面不僅存在電燒蝕的典型特征，而且腐蝕損傷特征也比較顯著，存在腐蝕產物的積聚。預處理樣品在0.6A、200 次轉換動作作用下，觸點對之間起弧、燒蝕，觸點表面材料熔融，伴隨分斷閉合動作，觸點對之間的物質發生轉移，造成觸點表面損傷。在鹽霧和高濕的作用下，損傷后粗糙不平的觸點表面為連續微液膜的形成提供了便利條件，不均勻鈍化膜也更有利于腐蝕發生和發展。

圖4 15#開關常開觸點對表面微觀形貌Fig.4 Surface micromorphology of the normally open contacts of microswitch 15#

各試驗循環中的帶電轉換雖對表面腐蝕產物具有一定的清除作用，但也會進一步加劇表面的損傷，進而加速隨后循環試驗中的腐蝕發展。相比于預處理200 次的帶電轉換，循環試驗中的帶電轉換次數較少，對觸點表面損傷范圍和程度的影響也較小。

外場故障件和實驗室試驗后微動開關觸點表面微觀形貌對比如圖5 所示，觸點表面均有明顯電燒蝕與腐蝕耦合的痕跡。

圖5 微動開關內部觸點表面微觀形貌Fig.5 Surface micromorphology of microswitch contacts

外場故障件典型腐蝕區域EDS分析結果表明，該位置檢測到O、Si、Ag、Pd、Fe等元素，其中含O和Fe元素說明該區域存在腐蝕產物，應為銀鈀合金（AgPd20）中Fe雜質所致，AgPd20中Fe元素含量達0.1%。使用環境中的腐蝕性氣氛進入微動開關易使得內部金屬觸點材料腐蝕，在電燒蝕和按壓轉換動作的影響下，腐蝕氧化程度加重，因此，觸點接觸區域腐蝕產物堆積明顯。EDS 結果中，Si 元素含量18%，應為大氣中漂浮的塵土顆粒所致，塵土顆粒從按鈕周圍的縫隙逐漸滲入到開關內部觸點表面并沉積，在振動環境下加劇觸點表面的磨損，加速腐蝕。

實驗室試驗后，微動開關常閉觸點端EDS分析表明，局部腐蝕點腐蝕產物中含有大量的Fe元素。在腐蝕性液膜環境中，銀質觸點表面的含Fe 雜質相對于Ag的電極電位更負，容易發生陽極溶解，產生腐蝕點，腐蝕產物在局部堆積。這也是觸點表面出現褐色的主要原因。在腐蝕和電燒蝕的疊加作用下，微動開關觸點表面粗糙度增大顯著。由于腐蝕產物的存在，大大降低了觸點材料電導率，增大了觸點對之間的接觸電阻。

根據Holm 電接觸理論，理想的接觸表面應是光滑的，但實際接觸面微觀上是凹凸不平的，凸起的地方相互接觸形成機械接觸面積，在機械接觸面積中，由導電斑點直接相互接觸的部分才構成實際的導電接觸面，導電接觸面積只占接觸面積的很小一部分[16-17]。由于上述原因，實際電接觸是通過凸起的導電尖峰進行導電的，當電流流經接觸表面時，電流線在尖峰處會發生收縮和彎曲。電流線收縮會導致路徑的延長，這一現象產生的附加電阻被稱為收縮電阻，在未退化的條件下，直流接觸電阻可以等效為若干收縮電阻的并聯。事實上，隨著接觸表面的退化，在接觸表面往往覆蓋一層污染膜，此現象所產生的附加電阻稱為膜層電阻，因此，在直流條件下，接觸電阻往往可表示為收縮電阻和膜層電阻之和，其中，膜層電阻是造成接觸電阻變化的主要原因[18]。由電接觸理論可知：

式（1）～（3）中：Rc為接觸電阻；Rδ為收縮電阻；Rf為膜電阻；a為接觸點半徑；n為接觸面接觸點個數；ρ為導體電阻率；α為Holm 半徑；σ為膜層隧道電阻率。接觸面積、導體電阻率、表面粗糙度、腐蝕產物膜等都是影響開關接觸電阻的主要影響因素，同時，這些因素也會對觸點回跳時間產生影響。另外，觸點表面狀態、觸點閉合速率、接觸壓力、接觸形式等對開關接觸回跳現象均有直接影響。觸點回跳時間和接觸電阻的影響因素、影響規律基本一致。

試驗中，腐蝕和電燒蝕造成的接觸表面改變主要集中在表面粗糙度增大、腐蝕/氧化、多余物（腐蝕產物）積聚等方面，這與外場故障微動開關的接觸片多處位置發黑，動、靜觸點有明顯腐蝕/氧化痕跡一致。電燒蝕對表面粗糙度的影響較為明顯，同時可以促進表面氧化。表面粗糙度的增大可能造成接觸面積的增大或減小，對接觸電阻和觸點回跳時間的影響具有不確定性。

銀質觸點在本次試驗條件下主要發生雜質相的微電偶腐蝕，對表面粗糙度的影響不大，但會產生較多的腐蝕產物積聚在觸點表面，形成疏松、導電性差的氧化物（腐蝕產物）膜層，使得接觸位置膜電阻增大，在相同接觸壓力和觸發速率下，開關觸點對完全閉合所需的時間延長，觸點回跳時間延長。相比于電燒蝕對觸點表面膜電阻的影響，腐蝕產物形成的膜層厚度更大，導電率更低，對開關性能退化的影響更大。

4 結論

本文設計的由干濕交替酸性鹽霧試驗和濕熱試驗組成的海洋大氣環境效應加速模擬試驗剖面，成功復現了外場故障現象，并結合試驗結果對腐蝕性環境、電燒蝕等因素對觸點回跳時間增大的影響機制進行了分析，可以得出如下結論：

1）觸點回跳時間和接觸電阻的主要影響因素、影響規律基本一致；

2）預處理過程中的電燒蝕破壞了觸點表面，提高了觸點的腐蝕敏感性，腐蝕與電燒蝕耦合效應對微動開關觸點回跳時間增大的影響非常顯著。