基于銀觸點(diǎn)焊接的開關(guān)觸頭元件設(shè)計(jì)

章衛(wèi)軍 張希偉 羅特苗 陳 兵 羅斌彬 柴奇凱

（1.公牛集團(tuán)股份有限公司 慈溪 315314； 2.寧波電工合金材料有限公司 寧波 315100）

引言

開關(guān)是電氣回路中控制電路通斷的關(guān)鍵電器附件，其載流能力和通斷壽命影響著整個電氣系統(tǒng)的帶載能力和安全性能。而開關(guān)觸頭元件的結(jié)構(gòu)、工藝和材質(zhì)則決定著開關(guān)的通斷能力和耐久性。目前，國內(nèi)開關(guān)觸頭元件基本上采用鉚接的方式將鉚釘型銀觸點(diǎn)固定在觸橋上，在銀觸點(diǎn)和觸橋之間易形成接觸縫隙，形成較大接觸電阻，電流通過時(shí)，產(chǎn)生較多熱量，增加開關(guān)溫升。一旦超功率使用，溫升過高，極易燒毀開關(guān)，極端情況下引發(fā)火災(zāi)。另外，啟閉開關(guān)時(shí)，動觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)要閉合和分離，長期反復(fù)動作后，鉚接形成的接觸縫隙可能增大，鉚接牢固度降低，開關(guān)可靠性降低。并且，在動靜觸點(diǎn)閉合和分離時(shí)，動靜觸點(diǎn)之間易形成瞬間電弧，產(chǎn)生高溫火花，觸點(diǎn)銀合金材料如果抗弧能力弱，易會被氧化和電解，導(dǎo)致開關(guān)觸點(diǎn)出現(xiàn)燒蝕或粘連現(xiàn)象，影響開關(guān)功能和使用壽命。

在斷路器行業(yè)和國外開關(guān)行業(yè)，觸頭元件的銀觸點(diǎn)固定方式普遍采用了焊接工藝。從理論上分析，銀觸點(diǎn)在觸橋上的固定方式由鉚接改為焊接后，銀觸點(diǎn)與觸橋之間的鉚接縫隙被基本消除，兩者接觸的有效性和可靠性大幅提高，接觸電阻降低，觸頭元件的導(dǎo)電性能提升。

因此，可基于銀觸點(diǎn)焊接工藝對國內(nèi)開關(guān)觸頭元件的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行再設(shè)計(jì)，并選擇耐電磨損、抗熔焊和導(dǎo)電性好的銀觸點(diǎn)材料，以期提升開關(guān)的安全性和使用壽命。

1 鉚接型觸頭元件

根據(jù)觸橋上固定銀觸點(diǎn)常用的工藝，開關(guān)觸頭元件相應(yīng)分為鉚接型觸頭元件和焊接型觸頭元件。當(dāng)前，國內(nèi)電工行業(yè)的開關(guān)基本上采用的是鉚接型觸頭元件。

1.1 鉚接型觸頭元件結(jié)構(gòu)

銀觸點(diǎn)鉚接的觸頭元件通常是將鉚釘型銀觸點(diǎn)[1]通過鉚接工藝固定在觸橋上，實(shí)現(xiàn)兩者之間的電氣連接。鉚釘型銀觸點(diǎn)是通過冷鐓工藝實(shí)現(xiàn)銀合金工作層與紫銅鉚釘釘頭的結(jié)合，再經(jīng)熱處理工藝對其結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)化。同時(shí)，為保證開關(guān)動靜觸頭元件之間可靠的電接觸，動觸點(diǎn)工作面一般為球面，靜觸點(diǎn)工作面一般為平面，如圖1所示。

圖1 鉚接型觸頭元件及鉚釘型銀觸點(diǎn)

1.2 鉚接型觸頭元件工藝

鉚接型觸頭元件通過鉚接工藝將鉚釘型銀觸點(diǎn)的釘頭端面與觸橋表面貼合實(shí)現(xiàn)電氣連接。而實(shí)際鉚接過程中，由于鉚釘釘腳與觸橋通孔壁之間存在間隙，在鉚接過程中不可能使釘腳和通孔壁完全接觸，如果鉚接不牢，鉚釘釘頭端面與觸橋表面之間往往會形成或大或小如圖2所示的接觸縫隙，造成預(yù)期要實(shí)現(xiàn)大面積低電阻接觸的部位反而形成了較大的接觸電阻，大大降低了觸頭元件的導(dǎo)電性能。

圖2 鉚接型觸頭元件金相切面

此外，通過冷鐓固定在紫銅鉚釘上的銀合金層厚度并不是均勻的，一般是由中心向邊緣逐漸變薄的，如圖1所示。在開關(guān)動作時(shí)，由于制造和裝配誤差的存在，很難保證動靜觸點(diǎn)接觸位置剛好處于各自中心，也就意味著動靜觸點(diǎn)接觸形成的接觸電阻很難達(dá)到最小。極端情況下，接觸位置均處于觸點(diǎn)的邊緣，接觸電阻達(dá)到極大，嚴(yán)重降低觸頭元件的導(dǎo)電性能。

1.3 銀觸點(diǎn)鉚接開關(guān)市場反饋

通過上文分析，銀觸點(diǎn)鉚接開關(guān)的內(nèi)阻易出現(xiàn)異常增大的情況。長時(shí)間通電使用，產(chǎn)生熱量較多，溫升較高。一旦用戶超功率非正常取電，極易燒毀開關(guān)。嚴(yán)重時(shí)引發(fā)火災(zāi)，帶來不可估量的生命和財(cái)產(chǎn)損失。

因此，有必要將已在繼電器行業(yè)和國外開關(guān)行業(yè)中普遍應(yīng)用的銀觸點(diǎn)焊接工藝應(yīng)用于國內(nèi)電工行業(yè)的開關(guān)上，來降低開關(guān)內(nèi)阻，提高開關(guān)通電能力，提升相應(yīng)開關(guān)、插座的安全品質(zhì)。

2 銀觸點(diǎn)焊接工藝

銀觸點(diǎn)焊接常用的方式有：電阻釬焊、火焰釬焊和電阻點(diǎn)焊（以下簡稱電阻焊）等[2]。而電阻焊工藝可不填充焊接介質(zhì)，焊件變形小，容易實(shí)現(xiàn)自動化，生產(chǎn)效率高，性價(jià)比高，是焊接型觸頭元件應(yīng)用研究的重點(diǎn)方向。本文所述的焊接型觸頭元件的銀觸點(diǎn)焊接采用的就是電阻焊工藝。

2.1 電阻焊

電阻焊是將被焊工件壓緊于兩電極之間，并通以電流，利用電流流經(jīng)工件接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱將其加工到熔化或塑性狀態(tài)，使之形成金屬結(jié)合的一種方法，其工藝原理如圖3所示。

圖3 電阻焊工藝原理圖[3]

影響電阻熱并最終影響焊接質(zhì)量的因素包括：焊接電流、焊接時(shí)間、焊接壓力、電極的形狀和材料、工件表面狀況等。電流、時(shí)間和壓力等焊接工藝參數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際焊接質(zhì)量進(jìn)行調(diào)整并固化。電極與工件以及工件與工件間的接觸表面在焊接前必須進(jìn)行清理。

2.2 銀觸點(diǎn)電阻焊工藝

觸頭元件的銀觸點(diǎn)原材料一般為銀合金絲材或帶材，觸橋材料一般為銅合金帶材，其主要通過電阻焊自動化設(shè)備完成銀觸點(diǎn)在觸橋上的焊接，工藝過程如圖4所示。

圖4 銀觸點(diǎn)電阻焊工藝過程示意圖

銀合金絲材或帶材由推進(jìn)機(jī)構(gòu)送入焊接設(shè)備，被切成所需尺寸的銀觸點(diǎn)后，通過定位機(jī)構(gòu)固定在觸橋銅合金帶材的預(yù)設(shè)位置上。此時(shí)，上下電極動作并將銀觸點(diǎn)和觸橋銅帶以一定的壓力夾緊。緊接著，上下電極瞬間放電，大電流流過銀觸點(diǎn)和觸橋，產(chǎn)生巨大熱量，將銀觸點(diǎn)和觸橋接觸區(qū)域熔化，冷卻后兩者結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)銀觸點(diǎn)焊接。

2.3 焊接型觸頭元件自動化生產(chǎn)線

焊接型觸頭元件自動化生產(chǎn)線一般按照銅帶預(yù)沖壓、銀帶剪切焊接和元件成型落料三個工藝環(huán)節(jié)布局，并設(shè)置形狀檢測、尺寸檢測和剪切力檢測等自動檢測裝置。

按照銀材進(jìn)入設(shè)備的方向，將自動化焊接線分為縱進(jìn)線和橫進(jìn)線兩種，分別如圖5（a）和圖5（b）所示。

圖5 觸頭元件自動化焊接線

縱進(jìn)線的銀觸點(diǎn)原材料一般為銀合金圓形線材，經(jīng)剪切、焊接、擠壓形成圓形的銀觸點(diǎn)，外形美觀，但銀觸點(diǎn)焊接面積理論上為圓形線材的橫截面積，圓形銀觸點(diǎn)周邊區(qū)域并非焊接區(qū)域而是冷壓區(qū)域，因此圓形銀觸點(diǎn)焊接面積占比小。

橫進(jìn)線的銀觸點(diǎn)原材料一般為方形帶材，經(jīng)剪切、焊接、整形后形成方形銀觸點(diǎn)，其焊接面積基本上就是銀觸點(diǎn)與觸橋的接觸面積，因此方形銀觸點(diǎn)焊接面積占比大。

3 焊接型觸頭元件材料選擇

目前，觸頭元件的觸橋主要采用的是銅合金材料。考慮到性價(jià)比，靜觸橋一般采用導(dǎo)電率較高價(jià)格較低的黃銅,如H62等。動觸橋一般選用彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗應(yīng)力松弛能力以及導(dǎo)電率較高的錫磷青銅。

觸頭元件的觸點(diǎn)材料主要采用的是銀合金。為保證優(yōu)良的導(dǎo)電性能和抗熔焊能力，要求銀觸點(diǎn)材料具有高導(dǎo)電率、高硬度、高熔點(diǎn)、高沸點(diǎn)，但能同時(shí)滿足上述物性要求的銀合金是很難得到的。目前，開關(guān)銀觸點(diǎn)材料普遍采用的是各項(xiàng)性能均衡且相對廉價(jià)的AgCdO，承載中小電流等級的控制開關(guān)采用的是AgNi[4]。斷路器和繼電器對通斷能力和耐久性要求高，銀觸點(diǎn)一般采用抗熔焊能力較高的AgSnO2、AgSnO2In2O3或AgC合金，為順應(yīng)環(huán)保趨勢和用電設(shè)備大功率化趨勢，開關(guān)銀觸點(diǎn)可考慮采用此類銀合金材料。

對于焊接型觸頭元件，銀觸點(diǎn)與觸橋之間還應(yīng)具有良好的焊接性能，確保銀觸點(diǎn)與觸橋易通過焊接形成可靠的電接觸。AgNi合金容易焊接在銅合金上，較適于制作焊接型觸頭元件。而含氧化物的銀合金與銅合金很難焊接在一起，但在大電流場合下必須使用含氧化物的銀合金觸點(diǎn)時(shí)，可在焊接型觸頭元件的銀合金工作層與銅合金層之間增加如純Ag層、AgNi合金層或CuNi合金層等過渡層作為助焊層，如圖6所示。

圖6 焊接型觸頭元件示意圖

4 焊接型觸頭元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

與鉚接型觸頭元件相比，焊接型觸頭元件在結(jié)構(gòu)上主要省去了紫銅鉚釘。要保證現(xiàn)有開關(guān)以最低的變更成本實(shí)現(xiàn)銀觸點(diǎn)固定工藝由鉚接轉(zhuǎn)為焊接，關(guān)鍵就是要解決如何設(shè)計(jì)焊接型觸頭元件的結(jié)構(gòu)來彌補(bǔ)鉚接型觸頭元件紫銅鉚釘?shù)尼旑^厚度尺寸的問題。

在焊接型觸頭元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，銀觸點(diǎn)的銀合金用量應(yīng)與原鉚接型觸頭元件保持基本一致，以確保開關(guān)整體成本不發(fā)生明顯波動。在此前提下，可通過折彎觸橋?qū)y觸點(diǎn)抬高到所需的位置，或者在觸橋上銀觸點(diǎn)所在的位置處沖壓成型一個所需高度的凸臺，再或者在銀觸點(diǎn)工作層和觸橋銅合金層之間增加一定厚度的過渡層，如價(jià)格相對較低且易于焊接的CuNi合金層等，以此實(shí)現(xiàn)開關(guān)觸點(diǎn)的閉合位置在銀觸點(diǎn)固定工藝由鉚接改為焊接后不發(fā)生改變的目標(biāo)。

根據(jù)上述思路，可設(shè)計(jì)三種焊接型觸頭元件結(jié)構(gòu)方案[5]，分別如圖7所示。

5 焊接型觸頭元件測試驗(yàn)證

為對比焊接型觸頭元件和鉚接型觸頭元件性能差異，采用不同工藝的觸頭元件在同一款開關(guān)中進(jìn)行對比測試。

5.1 測試樣品

測試開關(guān)為某款額定電壓為250 V、額定電流為10 A的按鈕開關(guān)，如圖8（a）所示，其鉚接型觸頭元件和焊接型觸頭元件分別如圖8（b）和圖8（c）所示。

圖8 測試樣品

焊接型觸頭元件測試樣品的銀觸點(diǎn)采用銀鎳合金，通過橫進(jìn)線工藝焊接在銅合金觸橋上，并通過靜觸橋折彎一定高度來彌補(bǔ)省去的紫銅鉚釘?shù)尼旑^厚度。

5.2 測試項(xiàng)目及方法

測試項(xiàng)目包括金相切面、電阻、溫升、正常操作和極限壽命。

金相切面采用高倍電子顯微鏡拍照觀察；電阻采用電橋法測試；溫升和正常操作按GB/T 15092.1-2020相關(guān)試驗(yàn)條款執(zhí)行，為獲得明顯的對比效果，試驗(yàn)條件采用額定電流為16 A、額定電壓為250 V、操作循環(huán)次數(shù)為10 000的阻性負(fù)載開關(guān)對應(yīng)的測試條件；極限壽命測試方法參照正常操作試驗(yàn)方法進(jìn)行。

5.3 測試結(jié)果

5.3.1 金相切面

焊接型觸頭元件的金相切面如圖9所示。可以看出，銀觸點(diǎn)和觸橋之間不存在像圖2鉚接型觸頭元件那樣的接觸縫隙。

圖9 焊接型觸頭元件金相切面

5.3.2 電阻

電阻測試采用數(shù)字電橋電阻測試儀。鉚接型觸頭元件動靜觸點(diǎn)閉合時(shí)，兩接線端之間的電阻為2.6 mΩ左右,焊接型觸頭元件的電阻則只有1.2 mΩ左右，焊接型觸頭元件導(dǎo)電性明顯好于鉚接型觸頭元件。

5.3.3 正常操作前后溫升和極限壽命

接1.5 mm2導(dǎo)線的鉚接型觸頭元件開關(guān)和焊接型觸頭元件開關(guān)正常操作前后溫升對比數(shù)據(jù)即壽前溫升和壽后溫升對比數(shù)據(jù)，以及極限壽命對比數(shù)據(jù)見表1。

表1 壽前溫升、壽后溫升和極限壽命對比數(shù)據(jù)

從測試結(jié)果可以看出，與鉚接型觸頭元件的開關(guān)樣品相比焊接型觸頭元件的開關(guān)樣品的壽前溫升平均降低達(dá)12 K左右,壽后溫升平均降低達(dá)14 K左右，極限壽命提高近1萬次。

6 結(jié)束語

開關(guān)的觸頭元件采用銀觸點(diǎn)焊接工藝后，解決了銀觸點(diǎn)鉚接工藝會產(chǎn)生接觸縫隙的問題，提高了開關(guān)導(dǎo)電能力，降低了開關(guān)工作溫升，延長了開關(guān)使用壽命，帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

可以預(yù)見，焊接型觸頭元件代替鉚接型觸頭元件將是國內(nèi)開關(guān)行業(yè)未來發(fā)展的趨勢。