某型號(hào)繼電器使用過(guò)程動(dòng)接觸片斷裂質(zhì)量問(wèn)題分析

(貴州航天電器股份有限公司,貴州貴陽(yáng)，550009)

1 引言

某型號(hào)繼電器在使用過(guò)程出現(xiàn)功能性失效，經(jīng)元器件分析中心進(jìn)行失效分析后發(fā)現(xiàn)，失效繼電器動(dòng)接觸片根部斷裂，動(dòng)接觸片與常開(kāi)靜簧片不能接通，表現(xiàn)為該組常開(kāi)觸點(diǎn)不通的現(xiàn)象。該問(wèn)題嚴(yán)重影響了用戶的使用，并對(duì)我公司形象造成不良影響。

本文就某型號(hào)繼電器動(dòng)接觸片斷裂的問(wèn)題進(jìn)行原因分析，并提出可行的改進(jìn)措施。

2 背景描述

某型號(hào)繼電器在使用過(guò)程出現(xiàn)常開(kāi)觸點(diǎn)不通，經(jīng)拆殼檢查發(fā)現(xiàn)：產(chǎn)品內(nèi)部接觸系統(tǒng)中，動(dòng)接觸片斷裂并掉落，斷裂部位為動(dòng)接觸片根部，動(dòng)接觸片斷裂見(jiàn)圖1。

圖1 動(dòng)接觸片斷裂

2.1 動(dòng)接觸片零件介紹

a)動(dòng)接觸片設(shè)計(jì)

動(dòng)接觸片材料采用銀鎂鎳合金帶AgMgNi0.24-0.29，零件厚度0.3mm，表面鍍覆Au。材料符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)Q/Lk.J(05)11-2002，材料性能及化學(xué)成份如表1所示。

表1 原材料復(fù)查情況

b)動(dòng)接觸片零件工藝

動(dòng)接觸片零件加工工藝流程：下料——落料——去毛刺——壓小彎——壓圓——壓彎——內(nèi)氧化處理——電鍍——滾光——入庫(kù)。

2.2 動(dòng)接觸片裝配過(guò)程介紹

產(chǎn)品接觸系統(tǒng)相關(guān)裝配按如下流程進(jìn)行：

“釬焊靜簧片——釬焊靜簧片檢查——清洗——焙烘——釬焊動(dòng)接觸片——釬焊動(dòng)接觸片檢查——清洗——焙烘——底板鏡檢”。

釬焊動(dòng)接觸片時(shí)，先將動(dòng)接觸片的圈圓部位套在基座組合的接線腳上，再在釬焊處涂上少量的助焊劑，然后在動(dòng)接觸片的圈圓部位上放置適量的釬焊焊料進(jìn)行焊接，焊料牌號(hào)為銀鉛焊料HlAgPb97(溶化溫度為300℃～305℃)，在釬焊過(guò)程中，液態(tài)焊錫會(huì)對(duì)母材銀鎂鎳動(dòng)接觸片進(jìn)行潤(rùn)濕，填充接線腳與動(dòng)接觸片間的縫隙并與動(dòng)接觸片相互溶解和擴(kuò)散，隨后液態(tài)焊料結(jié)晶凝固，從而實(shí)現(xiàn)接線腳與動(dòng)接觸片的連接。

3 問(wèn)題定位

結(jié)合故障現(xiàn)象和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，建立繼電器動(dòng)接觸片產(chǎn)生裂紋因素(即裂紋源)的故障樹(shù)如圖2。

圖2 動(dòng)接觸片裂紋產(chǎn)生因素故障樹(shù)

X1 振動(dòng)放大、溫度沖擊

當(dāng)外部存在振動(dòng)放大情況時(shí)，振動(dòng)應(yīng)力傳導(dǎo)到動(dòng)接觸片上，使動(dòng)接觸片根部也產(chǎn)生過(guò)大的振動(dòng)應(yīng)力，導(dǎo)致動(dòng)接觸片根部受力出現(xiàn)裂紋，而高溫和低溫條件下更加劇了該現(xiàn)象。根據(jù)產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范，該型號(hào)繼電器可承受15g正弦振動(dòng)，整個(gè)環(huán)境溫度范圍-55℃～+85℃，可以滿足使用要求。

從繼電器在用戶處的配套使用及生產(chǎn)過(guò)程情況看，未出現(xiàn)過(guò)使用異常的情況。

因此認(rèn)為，該因素可以排除。

X2 大電流燒蝕斷裂

故障產(chǎn)品顯微鏡檢查，動(dòng)接觸片接觸部位鍍層光滑完好，無(wú)任何燒蝕痕跡。根據(jù)接觸部位表面情況，認(rèn)為產(chǎn)品未經(jīng)過(guò)大電流負(fù)載。

該因素可以排除。

X3 動(dòng)接觸片零件加工裂紋

動(dòng)接觸片零件加工流程按“下料——落料——去毛刺——壓小彎——壓圓——壓彎——內(nèi)氧化處理——電鍍(Ep.Au)——入庫(kù)”，其中“電鍍工序”為零件加工的最終工序。

假設(shè)動(dòng)接觸片在零件加工過(guò)程即存在裂紋，則電鍍后動(dòng)接觸片斷面上應(yīng)有鍍金層附著。對(duì)動(dòng)接觸片斷面進(jìn)行能譜分析，見(jiàn)圖3所示，斷面中未檢測(cè)到Au元素。因此認(rèn)為零件加工過(guò)程無(wú)異常，動(dòng)接觸片裂紋為后續(xù)裝配過(guò)程產(chǎn)生。

圖3 動(dòng)接觸片斷裂面能譜分析

因此，該項(xiàng)因素可以排除。

X4 動(dòng)接觸片釬焊過(guò)程裂紋

根據(jù)圖3，動(dòng)接觸片斷面能譜分析，斷面檢測(cè)到Pb元素，且含量較高。動(dòng)接觸片材料為銀鎂鎳AgMgNi0.24-0.29，成份中不含Pb元素。

復(fù)查裝配過(guò)程與動(dòng)接觸片相關(guān)的操作流程為：“釬焊動(dòng)接觸片——底板初?！汉妗装鍙?fù)校——電氣初?！獧C(jī)械老化——焙烘-電氣復(fù)?！薄Ｆ渲袃H“釬焊動(dòng)接觸片工序”需加入銀鉛焊料HLAgPb97，會(huì)帶入Pb元素。因此認(rèn)為動(dòng)接觸片出現(xiàn)微裂紋為釬焊過(guò)程造成。

因此，該項(xiàng)因素不能排除。

X5 動(dòng)接觸片校正扳動(dòng)力大

在動(dòng)接觸片釬焊后，需要校正人員對(duì)常閉觸點(diǎn)壓力、觸點(diǎn)間隙、動(dòng)接觸片的接觸中心位置進(jìn)行微調(diào)。由于該型號(hào)繼電器的動(dòng)接觸片零件較厚，采用專用的校正鉗對(duì)其扳動(dòng)，使各零部件位置達(dá)到工藝規(guī)定要求。接觸系統(tǒng)校正要求：動(dòng)接觸片不應(yīng)扭傷、劃傷，動(dòng)接觸片與靜接觸片的接觸點(diǎn)應(yīng)在接觸動(dòng)接觸片中心，動(dòng)接觸片接觸表面不應(yīng)有劃傷等明顯痕跡。

顯微鏡下檢查故障產(chǎn)品裂紋附近，各動(dòng)接觸片表面無(wú)鉗痕。因此，動(dòng)接觸片校正扳動(dòng)力大的因素可以排除。

X6 動(dòng)接觸片腐蝕斷裂

開(kāi)殼故障產(chǎn)品，產(chǎn)品內(nèi)部無(wú)異味，各零部件及焊錫表面清潔，無(wú)腐蝕痕跡：軛鐵、鐵芯、銜鐵、蓋板、支架和基板等零件鍍層完好；兩只線圈引腳焊錫飽滿，光滑；磁路組合鐵芯與支架鉚裝加固處焊料表面光滑，也無(wú)腐蝕痕跡。

對(duì)動(dòng)接觸片及焊料進(jìn)行金相和能譜分析，其材料、成分分別符合Q/Lk.J(05)11-2002《銀鎂鎳合金材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和Q/DHB326-84《銀焊料的化學(xué)成分》，無(wú)任何腐蝕性元素。

綜上所述，分析認(rèn)為動(dòng)接觸片腐蝕因素可以排除。

3.1 分析結(jié)論

通過(guò)上述分析，繼電器動(dòng)接觸片裂紋產(chǎn)生為為釬焊過(guò)程造成。

產(chǎn)品為保證校正過(guò)程具有足夠的常閉壓力，在產(chǎn)品釬焊過(guò)程需采用加力棒促使動(dòng)接觸片產(chǎn)生形變來(lái)保證常閉壓力，動(dòng)接觸片釬焊加力示意圖見(jiàn)圖4。

實(shí)際裝配過(guò)程，由于裝配誤差，釬焊過(guò)程所加壓力無(wú)法定量，進(jìn)而動(dòng)接觸片變形量不可控，動(dòng)接觸片可能在此過(guò)程受力產(chǎn)生微裂紋。在后續(xù)的環(huán)境篩選等試驗(yàn)和使用過(guò)程中，微裂紋逐漸擴(kuò)展，最終簧片出現(xiàn)斷裂。

圖4 動(dòng)接觸片釬焊加力示意圖(加力棒的位置和釬焊簧片的順序?qū)?yīng))

3.2 問(wèn)題定位

綜上所述，分析認(rèn)為，繼電器動(dòng)接觸片產(chǎn)生裂紋為釬焊過(guò)程加力不當(dāng)(不可控)所致。在后續(xù)的環(huán)境篩選等試驗(yàn)和使用過(guò)程中，微裂紋逐漸擴(kuò)展，最終簧片出現(xiàn)斷裂。

4 機(jī)理分析

4.1 顯微鏡觀察和金相分析

觀察動(dòng)接觸片的斷口表面呈金屬光澤，未發(fā)現(xiàn)機(jī)械損傷痕跡。在掃描電子顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)斷口為長(zhǎng)條形，斷口表面平整，主要呈沿晶斷裂地貌，為脆性斷裂，詳見(jiàn)圖6。

同時(shí)，對(duì)動(dòng)接觸片斷面發(fā)暗區(qū)域能譜分析，其主要成分為Ag、Pb元素，而動(dòng)接觸片材料為銀鎂鎳，不含Pb元素，說(shuō)明在釬焊過(guò)程中Pb元素進(jìn)入裂紋處，也說(shuō)明產(chǎn)品在釬焊過(guò)程之前或釬焊時(shí)，動(dòng)接觸片已經(jīng)存在微裂紋，詳見(jiàn)上圖5。

圖5 動(dòng)接觸片斷面形貌

4.2 斷裂機(jī)理

建立動(dòng)接觸片受力產(chǎn)生裂紋的模型圖：動(dòng)接觸片圈園處通過(guò)焊錫與接線腳固化連接，可視為固定點(diǎn)；動(dòng)接觸片端部與常閉靜簧片搭接，而常閉靜簧片為固定點(diǎn)，動(dòng)接觸片端部可視為支撐點(diǎn)；因此該模型可視為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)。

圖6 動(dòng)接觸片裂紋模型圖

當(dāng)動(dòng)接觸片受到的加力棒的較大的作用力后，動(dòng)接觸片在根部出現(xiàn)損傷，即產(chǎn)生微裂紋。同時(shí)在該過(guò)程中，受高溫作用，焊料進(jìn)入裂縫中。

在后續(xù)的環(huán)境篩選等試驗(yàn)和使用過(guò)程中，微裂紋沿晶界擴(kuò)展，最終簧片出現(xiàn)斷裂。

5 措施有效

根據(jù)上述分析，動(dòng)接觸片根部裂紋的原因與釬焊過(guò)程施加壓力有關(guān)。因此，考慮在動(dòng)接觸片根部增加托片，托片采用鋅白銅材料，動(dòng)接觸片與托片通過(guò)點(diǎn)焊連接。更改前后的動(dòng)接觸片如圖7、圖8所示。

圖7 改進(jìn)前的動(dòng)接觸片

這樣，在釬焊動(dòng)接觸片時(shí)，加力棒壓力施加在托片部位，可有效避免動(dòng)簧受較大應(yīng)力而導(dǎo)致的裂紋；而鋅白銅材料的托片厚度較厚，韌性較銀鎂鎳好，不易發(fā)生斷裂。

產(chǎn)品經(jīng)改進(jìn)后，再無(wú)此類失效故障反饋，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)可以避免動(dòng)接觸片裂紋及斷裂的產(chǎn)生。

圖8 改進(jìn)后的動(dòng)接觸片組合

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，某型號(hào)繼電器動(dòng)接觸片斷裂的原因?yàn)椋豪^電器動(dòng)接觸片裂紋產(chǎn)生為釬焊過(guò)程加力不當(dāng)(不可控)導(dǎo)致微裂紋產(chǎn)生，在后續(xù)的環(huán)境篩選等試驗(yàn)和使用過(guò)程中，微裂紋沿晶界擴(kuò)展，最終動(dòng)接觸片出現(xiàn)斷裂。

借鑒鋅白銅材料具有較好的韌性，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，防止類似問(wèn)題發(fā)生，提高產(chǎn)品的使用可靠性，并對(duì)同類型結(jié)構(gòu)產(chǎn)品具有指導(dǎo)意義。