電磁繼電器轉換失效模式與機理分析

范士海，馮慧

（航天科工防御技術研究試驗中心，北京 100854）

引言

電磁繼電器是一種自動控制元器件，它具有諸多優點，包括：轉換電流和電壓的范圍廣；導通狀態的觸點接觸電阻極小；斷開狀態觸點間電阻為無窮大；線圈和觸點電路耐受負荷的能力強；控制信號與被控制信號的完全隔離；耐環境溫度特性好；耐輻射能力強；重量和外形尺寸小等。因此廣泛應用于飛機、衛星、火箭、導彈、艦船、戰車等軍工產品領域，用來完成執行控制、信號傳遞和系統配電等關鍵功能。隨著武器系統電子化、信息化、自動化程度提高，電磁繼電器的作用愈加重要，使用量日趨增大，使用范圍不斷擴展。由于電磁繼電器在武器系統中使用量巨大，且作用關鍵，其性能和可靠性將直接影響武器裝備系統的性能和可靠性。另一方面，由于電磁繼電器是具有電磁和機械可動系統的機電一體化元件，加之生產過程中大部分裝配調整是手工操作，影響其可靠性的因素較多，與其它電子元器件相比，批一致性和可靠性要差一些，屬于可靠性較差的元器件[1]。

電磁繼電器常見的失效模式是導通失效和轉換失效。作者在前面的文章中，介紹了電磁繼電器導通失效模式與機理[2]。本文將通過一些典型的失效案例，詳細介紹電磁繼電器轉換失效的失效模式，分析引起轉換失效模式的失效機理，為進一步提高電磁繼電器使用可靠性提供有益依據。

1 電磁繼電器的轉換失效模式與機理

1.1 管腳松動造成繼電器的轉換失效

管腳松動可以造成繼電器內部機械部件發生移位、變形，有可能導致動作部件的卡滯，影響繼電器的轉換動作。

案例1

某型號電磁繼電器用于某整機設備上。整機試驗發現1只繼電器轉換失效。

對失效繼電器加電測試，線圈加電動作后觸點不轉換，且管腳6、管腳7和管腳8之間兩兩短路。用機械方法啟封繼電器后置于顯微鏡下觀察，繼電器內部靜觸點引出腳6有明顯下沉現象，下沉后的靜觸點6和靜觸點7將動觸點8夾住，導致管腳6、7、8之間兩兩短路；另一路觸點組中動觸點引出腳4同樣存在下沉現象；另外，失效繼電器內部引出腳5玻璃絕緣子有破損情況，如圖1所示；而引出腳4、5、6位于繼電器所有引出腳中的同一側。繼電器銜鐵、線包等內部結構未發現明顯異常。

圖1 失效繼電器內部形貌

根據以上的測試與觀察，分析得出：繼電器失效是由于受到外力作用，管腳4、5、6玻璃絕緣子損壞，造成繼電器引出腳4、6松動移位，下沉后的靜觸點6和靜觸點7將動觸點8夾住，導致其無法動作，繼電器轉換失效。

案例2

某型號電磁繼電器在整機上表現為施加觸發電壓無動作，常閉觸點變為常開。

對失效繼電器施加觸發電壓，繼電器不動作。對失效件進行管腳間通斷測試，一組常閉觸點已變常開、常開觸點已變常閉。

失效件外觀檢查發現個別引腳（Pin4）變形嚴重，Pin3、Pin4、Pin5、Pin6管腳的玻璃絕緣子均存在裂紋，其它玻璃絕緣子未見明顯異常。

失效件PIND合格；密封不合格（損壞的玻璃絕緣子漏氣）；X射線檢查發現內部結構存在異常，一組內部靜簧片存在位置移位、偏離現象，使對應的一組常閉觸點間距離變大、常開觸點間距離變為無間隙；X射線檢查形貌如圖2所示。

圖2 失效件內部X射線檢查形貌

打開失效件，觀察繼電器內部結構，發現：繼電器內部與Pin4、Pin5相連的內部靜簧片存在位置移位、偏離現象，使對應的一組常閉觸點間距離變大、常開觸點間距離變為無間隙；另一組常閉及常開觸點間距未見明顯異常，觸點部位未見明顯打火痕跡，線圈及其引出線也未見明顯異常現象，如圖3所示。

圖3 失效件內部形貌

繼電器失效是由于個別引腳玻璃絕緣子先受損、引腳不固定，使內部靜簧片產生了一定移位、偏離，在后續使用中再在電應力、機械應力的作用下，使內部靜簧片產生的移位、偏離增大，最終導致一組常閉觸點變常開、常開觸點變常閉。

1.2 動簧片斷裂造成繼電器轉換失效

動簧片在繼電器開關轉換中起著關鍵核心作用，繼電器的開關轉換就是通過動簧片的動作，完成常閉與常開觸點之間的接觸轉換，完成繼電器的開關轉換功能的。由于動簧片需要具有一定彈性，所以不能太厚，而且觸點接觸后要有一定的壓力，所以動簧片始終受到一定力的作用。這使得動簧片相對來說比較脆弱，容易發生斷裂。

案例3

某型號電磁繼電器在整機進行振動試驗后，發現整機工作異常，隨后排查故障，定位該繼電器失效。失效模式為繼電器開關轉換功能失效。

啟封繼電器，發現繼電器內部動簧片斷裂。簧片斷口表面有金屬光澤。

在掃描電子顯微鏡下觀察簧片斷口形貌，斷裂起源于斷口兩側表面，為多斷裂源，瞬斷區的面積所占比例很大，整個斷口高低不平，在斷口表面有磨損痕跡。瞬斷區形貌為沿晶斷裂，如圖4所示。對同批次經過100萬次壽命測試試驗的繼電器內部簧片，沿中部折斷，對其斷口進行形貌觀察。斷口最后瞬斷區為沿晶和韌窩混合型斷裂形貌。

圖4 瞬斷區沿晶斷裂形貌

簧片斷裂模式為沿晶斷裂，造成繼電器開關功能轉換失效。簧片斷裂與其在加工過程中存在較大熱應力和使用過程中受到交變外應力作用有關。

案例4

某型號電磁繼電器是國內某廠生產的產品。整機單位正常使用8年后，繼電器功能失效。

該繼電器有三組觸點，分別為A1和A2、B1和B2、C1和C2。對繼電器進行功能測試，發現其中B1和B2觸點轉換功能失效。

對繼電器進行外觀觀察，可見：繼電器標識清晰，引腳有使用變形痕跡，個別玻璃絕緣子有損傷（拆卸過程中造成可能性較大），繼電器外表面鍍層長期使用后有脫落現象，其它未見明顯異常現象。

因該繼電器搖晃有響動，玻璃絕緣子有損傷，因此不進行粒子碰撞噪聲檢測（PIND）和密封檢查。用X射線檢測儀對繼電器內部結構進行檢查，主要結果為：B1、B2組簧片斷裂，在繼電器內部可自由移動；另外兩組簧片未見明顯異常；內部結構未見其他明顯異常，形貌如圖5所示。

圖5 繼電器X射線檢查形貌

打開繼電器，在顯微鏡下觀察繼電器內部結構，主要觀察結果為：繼電器內部B1、B2之間簧片斷裂，斷裂位置位于B1引腳根部簧片折彎處應力集中部位，靠近焊接部位（如圖6所示）。該簧片斷裂后與外殼接觸處有打火痕跡。

圖6 斷裂簧片形貌

光學顯微鏡主要觀察結果：簧片斷口較平直，有金屬光澤，斷口四周均有磨損，尤其是一側邊緣部位有較嚴重磨損現象。

用掃描電子顯微鏡對簧片斷口進行觀察，并對基體材料進行成分分析，主要結果為：簧片斷口外表面四周有磨損，尤其是兩側邊緣部分有較嚴重磨損，為斷裂起源區域，斷口中間有撕裂棱，微觀均為沿晶斷裂形貌，最后瞬斷區很小。簧片材料主要成分為Ag、Mg和Ni元素。掃描電鏡觀察和能譜分析結果見圖7所示。

圖7 斷口形貌及能譜分析結果

該繼電器內部B1、B2組間簧片斷裂導致繼電器功能失效，簧片斷口呈現脆性斷裂特征。簧片斷裂主要原因是由于該簧片靠近焊接部位，同時也是應力集中部位，存在較大內應力，在其邊緣區域首先產生微裂紋，成為裂紋源，在長期使用過程中，逐漸擴展直至斷裂。

1.3 高溫環境下繼電器轉換功能失效

繼電器工作狀態對溫度比較敏感，溫度升高會導致線圈阻值升高，對繼電器線圈施加同樣的啟動電壓，高溫環境下，線圈電流將減小，線包產生的磁力減小。導致繼電器無法完成吸合動作。

案例5

某型號電磁繼電器為國內某廠家生產的產品。繼電器隨整機在室外高溫環境下試驗，轉換失效；室溫下，恢復正常。

繼電器外觀及X射線檢查未見明顯異常。PIND合格，密封性合格。根據廠家手冊對該型號電磁繼電器進行常溫（25 ℃）電性能測試，繼電器的主要技術指標均合格（如表1所示）。

表1 常溫主要測試結果（25 ℃）

對吸合和釋放過程進行加電實時監測，吸合加電過程中，在0~2.9 V之間觸點處于常閉狀態導通；在2.9~3.0 V之間，繼電器觸點處于中間狀態，常開、常閉觸點均開路；在3.0~3.1 V間，繼電器觸點由常閉觸點切換到常開觸點導通。釋放降壓過程中，在3.1~1.5 V之間，常開觸點導通；在1.5 V左右，繼電器觸點會出現短暫的中間狀態，之后由常開觸點切換到常閉觸點導通。根據繼電器的工作原理，簧片處于中間狀態為繼電器的正常現象。

但繼電器工作狀態對溫度比較敏感，該繼電器失效時溫度較高，溫度升高會導致線圈阻值升高，吸合電壓升高，溫度和阻值的對應關系可以用RT=R25[1+(T-25)k]公式表達，k=0.003 93/℃，則VT=V25[1+(T-25)k]。為了驗證VT與溫度的實際關系，該繼電器返廠進行試驗，同時與一只同型號參考件進行比對，結果為：2只器件實測值與計算值接近，結果列于表2，表3中。

表2 溫度與吸合電壓的關系（失效件，廠家測量）

表3 溫度與吸合電壓的關系（參考件，廠家測量）

該繼電器在組合中實際工作電壓為3.41 V左右。結合繼電器的實際應用環境，進行高溫故障驗證試驗得出，隨著溫度的升高，繼電器的吸合電壓升高，接近或超過60 ℃時吸合電壓（3.42 V）高于實際電路工作電壓（3.41 V），導致該繼電器高溫下不吸合而失效。

1.4 線圈開路造成繼電器轉換功能失效

繼電器啟動線圈開路，線圈無法加電，也是繼電器轉換功能失效一種較為常見失效原因。下面介紹的案例就屬于這種情況。

案例6

某型號電磁繼電器是國內某廠家生產的產品。用戶在正常使用時，發現該型號1只繼電器產品發生失效，表現為線圈加電后觸點不動作。

用體視顯微鏡對繼電器進行外觀檢查：繼電器外觀完整，表面標識清晰，玻璃絕緣子等未見明顯異常。對該繼電器進行PIND、密封和X射線檢查，結果為PIND和密封合格；X射線檢查內部結構未發現明顯異常。按照廠家手冊對該繼電器進行常溫電性能測試時，觸點不動作，失效現象復現。測試繼電器啟動線圈電阻為開路狀態。

用機械方法打開繼電器，觀察繼電器內部結構，主要結果為：繼電器內部簧片未見明顯異常，觸點部位未見明顯打火痕跡。但觀察發現繼電器內部輸入端線圈引出線斷裂，斷裂部位位于管腳內部焊接部位下方塑料套管端頭剪切部位（如圖8所示）。

圖8 線圈引出線斷裂部位形貌

用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡分別對導線斷口進行觀察，斷口表面主要分為兩個部分：被剪切部分和拉斷部分，其中被剪切部分斷口較平，拉斷部分主要為韌窩形貌，該部分有不同程度磨損，尤其是與剪切交界區域磨損較嚴重。導線斷口形貌如圖9所示。

圖9 斷口掃描電鏡檢查形貌

線圈表面未見明顯異常。繼續解剖繼電器線圈，線圈內部未見打火、虛接等異常現象。對四個二極管測試，均為正常二極管特性。

根據上述觀察結果，分析認為：該繼電器內部線圈輸入端引出線在生產過程中，對內部芯線造成損傷，在后續生產和使用過程中，在外應力作用下損傷部位逐漸擴大，芯線有效面積減小，最終導致斷裂。

2 結束語

本文介紹電磁繼電器轉換失效是指繼電器加電后無法轉換，對繼電器而言屬于致命失效模式。總結上面介紹的失效案例可以看出，造成這種失效模式原因除高溫環境導致動作電壓增加外，基本上都是繼電器機械部件發生嚴重損傷，如管腳移位，內部簧片斷裂，線圈引線斷裂等。為避免此類失效模式的發生，除繼電器的生產廠家要加強工藝控制外，繼電器的使用單位在裝配、調試過程中也要避免對繼電器產生機械損傷。