電磁繼電器金屬多余物控制技術(shù)研究

陳俊峰，唐宏基，王明文

(桂林航天電子有限公司，廣西桂林，541002)

1 引言

電磁繼電器是型號(hào)“高質(zhì)量、長(zhǎng)壽命、平時(shí)完好、戰(zhàn)時(shí)有效”的重要基石，多余物是電磁繼電器的常見(jiàn)病[1]，而金屬多余物質(zhì)量問(wèn)題數(shù)約占多余物質(zhì)量問(wèn)題總數(shù)的60%。按照GJB2888、GJB1042等標(biāo)準(zhǔn)通常控制25.4μm以上的多余物，但隨著型號(hào)的發(fā)展和電磁繼電器的小型化，該要求已難以滿足要求。根據(jù)多余物危害度分析，本文提出了控制10μm以上金屬多余物的要求，并研制應(yīng)用專用設(shè)備進(jìn)行多余物控制。

2 金屬多余物來(lái)源及危害度分析

金屬多余物主要來(lái)源包括：1)脫落類，主要是金屬毛刺脫落、鍍層脫落、鉚接擠出物脫落、焊錫脫落等；2)點(diǎn)焊飛濺，此類多余物是金屬多余物的主要來(lái)源，由于機(jī)理復(fù)雜，生產(chǎn)過(guò)程中存在較多的不確定因素，目前控制效果差強(qiáng)人意，這是本文研究重點(diǎn)；3)操作或測(cè)量外界帶入等。

金屬多余物在沖擊或振動(dòng)條件下激活，隨機(jī)游動(dòng)，在特定的觸點(diǎn)負(fù)載條件下可導(dǎo)致電磁繼電器誤動(dòng)作或失效[2-4]。概括來(lái)說(shuō)金屬多余物的危害表現(xiàn)為：1)導(dǎo)致觸點(diǎn)通斷異常，如觸點(diǎn)橋接、觸點(diǎn)不通、接觸電阻超差；2)導(dǎo)致動(dòng)作電壓超差；3)導(dǎo)致介質(zhì)耐電壓、絕緣電阻下降。

金屬多余物的最小危害是導(dǎo)致接觸電阻超差，即不滿足接觸電阻R≤50mΩ的要求，金屬多余物的成分主要是鐵、銅、金，假設(shè)金屬多余物為球形，電阻率ρ=1μΩ·m，半徑為r，與觸點(diǎn)球面接觸，則：

接觸電阻實(shí)際還包括測(cè)試回路的材料電阻、收縮電阻和表面膜層電阻，本文為了確保接觸電阻合格，將金屬多余物控制標(biāo)準(zhǔn)提升至10μm。全程梳理電磁繼電器制造過(guò)程，針對(duì)金屬多余物的來(lái)源及特點(diǎn)，采取“防”(防止產(chǎn)生多余物)、“去”(產(chǎn)生多余物后能有效去除)、“檢”(如果沒(méi)有去除干凈則能通過(guò)檢查、檢驗(yàn)等手段發(fā)現(xiàn)并剔除)控制技術(shù)減少金屬多余物質(zhì)量問(wèn)題。

3 脫落類金屬多余物控制技術(shù)研究

根據(jù)瑞利判據(jù)，裸眼在明視距離處可以分辨100μm的物體，最小尺寸約為30μm，為達(dá)到控制10μm多余物的要求，對(duì)進(jìn)入裝配環(huán)節(jié)的全部零件用10倍體式顯微鏡檢查。鍍層按照GJB1941等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行批次結(jié)合力、耐熱性檢查，合格后方可進(jìn)入裝配環(huán)節(jié)。采用數(shù)控旋鉚設(shè)備控制旋鉚行程、壓力、形變等參數(shù)，避免鉚接擠出物。線圈引出線由錫焊改進(jìn)為點(diǎn)焊，不僅可以減少金屬多余物，而且可以減少膜污染多余物。

4 點(diǎn)焊飛濺類金屬多余物的控制技術(shù)研究

電磁繼電器點(diǎn)焊飛濺多余物是金屬多余物的主要來(lái)源，而電磁繼電器的觸簧系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)、整件基本上是通過(guò)點(diǎn)焊連接的。焊接過(guò)程是一個(gè)多變量的非線性耦合過(guò)程[5]，通常受到焊接參數(shù)(焊接電流、時(shí)間、壓力等)、電極材料和形狀、焊接零件表面狀態(tài)、鍍層等因素的影響。

我們首先應(yīng)用焊接仿真軟件仿真優(yōu)化焊接參數(shù)，依據(jù)仿真結(jié)果和工藝試驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)。改善焊接體系相關(guān)條件，包括改善沖包或沖筋尺寸組合，合理降低底鍍層厚度，改善熱處理效果，改善焊件表面狀態(tài)等。最后，應(yīng)用焊接參數(shù)在線測(cè)量設(shè)備精準(zhǔn)監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程中的焊接參數(shù)。

1)觸簧系統(tǒng)點(diǎn)焊飛濺類多余物的控制技術(shù)研究

以6JRXM-2電磁繼電器觸簧系統(tǒng)為研究對(duì)象，角片(BZn15-20δ0.3/Ep.Au1～3)與引出桿(4J29Φ0.8/Ep.Cu3Ni5SnPb3)通過(guò)點(diǎn)焊方式連接。應(yīng)用三維繪圖軟件構(gòu)建模型，利用網(wǎng)格劃分工具劃分網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)數(shù)量3543個(gè)，其中：簧片網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)2175個(gè)，引出桿網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)1368個(gè)；單元數(shù)量11654個(gè)，其中簧片單元5121個(gè)，引出桿單元6533個(gè)。電極材料為CrZrCu，上電極端面1.8mm×1.8mm，下電極端面3mm×3mm，下電極固定不動(dòng)，上電極往下運(yùn)動(dòng)，引出桿的底部節(jié)點(diǎn)定義為全自由度約束。

圖1 6JRXM-2電磁繼電器觸簧系統(tǒng)網(wǎng)格劃分效果圖

通過(guò)修改角片形狀和包高、鍍層厚度、焊接參數(shù)和脈沖波形，仿真對(duì)點(diǎn)焊飛濺的影響。應(yīng)用500DPS型點(diǎn)焊機(jī)焊接，優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比如表1。

表1 6JRXM-2電磁繼電器觸簧系統(tǒng)焊接參數(shù)對(duì)比表

經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐證明，點(diǎn)焊飛濺比例由67%下降至于0.5%，基本實(shí)現(xiàn)了無(wú)飛濺點(diǎn)焊。

2)電磁系統(tǒng)點(diǎn)焊飛濺類多余物的控制技術(shù)研究

以2JL0.5-2電磁繼電器電磁系統(tǒng)為研究對(duì)象，該系統(tǒng)由上支片(0Cr16Ni14δ0.3)、銜鐵(2J85δ0.6)、推動(dòng)器(4J29Φ0.4/Ep.Ag5)、鐵芯(DT4EΦ0.5/Ep.Ni5)、下支片(0Cr16Ni14δ0.3/Ep.Ag3)、軛鐵(DT4E δ0.7/Ep.Ni2)通過(guò)多次點(diǎn)焊方式連接。應(yīng)用三維繪圖軟件構(gòu)建模型，利用網(wǎng)格劃分工具劃分網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)數(shù)量27765，其中上支片網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)2108個(gè)，銜鐵推動(dòng)器組網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)7107個(gè)，鐵芯支片組網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)18550個(gè)；單元109216，其中：上支片單元6430個(gè)，銜鐵推動(dòng)器組單元數(shù)量27914個(gè)，鐵芯支片組單元數(shù)量74872個(gè)。電極材料為CrZrCu，上電極端面直徑為Φ1.8mm，下電極端面尺寸為10mm×6mm，下電極固定不動(dòng)，上電極往下運(yùn)動(dòng)，定義下支片圓孔節(jié)點(diǎn)為固定約束。

圖2 2JL0.5-2電磁繼電器電磁系統(tǒng)網(wǎng)格劃分效果圖

通過(guò)仿真優(yōu)化焊接參數(shù)和脈沖波形，配合少量點(diǎn)焊工藝試驗(yàn)。應(yīng)用HF25型點(diǎn)焊機(jī)焊接，優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 2JL0.5-2電磁繼電器電磁系統(tǒng)焊接參數(shù)對(duì)比表

經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐證明，點(diǎn)焊飛濺比例由56.4%下降至0.37%，基本實(shí)現(xiàn)了無(wú)飛濺點(diǎn)焊。

3)整件點(diǎn)焊飛濺類多余物的控制技術(shù)研究

以4JG-4A電磁繼電器整件為研究對(duì)象，它由電磁系統(tǒng)的側(cè)板(0Cr16Ni14)和底座組(4J29δ2.5/Ep.Cu3Ni3)通過(guò)四個(gè)位置的點(diǎn)焊連接。應(yīng)用三維繪圖軟件構(gòu)建模型，利用網(wǎng)格劃分工具進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，節(jié)點(diǎn)數(shù)量44984，其中：電磁系統(tǒng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)20084個(gè)，底座組網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)24900個(gè)；單元167479個(gè)，其中：電磁系統(tǒng)單元77496個(gè)，底座組單元89983個(gè)。電極材料為CrZrCu，上電極端面直徑為Φ3mm，下電極端面尺寸為5mm×40mm，下電極固定不動(dòng)，上電極往下運(yùn)動(dòng)，定義電磁系統(tǒng)上部分為固定約束。

圖3 4JG-4A電磁繼電器整件網(wǎng)格劃分效果圖

通過(guò)仿真優(yōu)化焊接參數(shù)、鍍層厚度，配合少量點(diǎn)焊工藝試驗(yàn)。應(yīng)用875DPS型點(diǎn)焊機(jī)焊接，優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比如表3。

表3 4JG-4A電磁繼電器整件焊接參數(shù)對(duì)比表

經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐證明點(diǎn)焊飛濺比例由25%下降至0.3%，基本實(shí)現(xiàn)了無(wú)飛濺點(diǎn)焊。

4)改善焊接體系相關(guān)條件

DT4E通常采用氫氣退火處理，過(guò)程中材料內(nèi)的鋁、硅、錳雜質(zhì)在表面形成致密的氧化層，惡化焊接條件，加大能量會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)焊飛濺較大。本文首先利用碳?xì)湔婵涨逑丛O(shè)備清洗零件，清洗條件為：真空度-40KPa，超聲波頻率40KHz，清洗時(shí)間3min；然后在5×10-3Pa、1000℃±10℃條件下真空退火處理可改善點(diǎn)焊性能。

同時(shí)改善鍍層狀態(tài)，本文研究表明控制中間鎳鍍層厚度在2μm左右，粗糙度Ra1.6～Ra3.2，鍍后在1000℃條件下凈化10min～20min可以提高純鐵件的可焊性。

5)焊接參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)

減少點(diǎn)焊飛濺不僅要設(shè)置合理的焊接工藝參數(shù)，而且要全程控制參數(shù)的一致性。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中焊接參數(shù)會(huì)發(fā)生漂移，因此我們研制了自動(dòng)焊接設(shè)備[6]，應(yīng)用ADAM焊接參數(shù)監(jiān)測(cè)儀監(jiān)控焊接過(guò)程的參數(shù)，通過(guò)與電流監(jiān)測(cè)線圈、電壓傳感器、電極壓力傳感器配合，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流、電壓、功率、電阻的峰值及有效值，同時(shí)監(jiān)測(cè)焊接時(shí)間、電極壓力、位移的實(shí)際值，并設(shè)置上下限，當(dāng)實(shí)際值超出設(shè)定限額時(shí)就會(huì)報(bào)警并停止工作，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并剔除異常焊件。

圖4 ADAM焊接參數(shù)監(jiān)測(cè)儀

圖5 焊接參數(shù)在線監(jiān)測(cè)圖

5 外界帶入類金屬多余物的控制技術(shù)研究

外界帶入的金屬多余物一般是由產(chǎn)品測(cè)試和調(diào)試引起。一般采用塞片測(cè)量觸點(diǎn)間隙，測(cè)量時(shí)塞片與觸點(diǎn)反復(fù)摩擦，易帶入多余物到觸點(diǎn)工作部位。一般利用手持測(cè)力計(jì)測(cè)量觸點(diǎn)壓力，不僅易帶入多余物，而且測(cè)量的壓力值不準(zhǔn)確。我們研制了觸點(diǎn)間隙測(cè)量和觸點(diǎn)壓力測(cè)試設(shè)備，應(yīng)用CCD原理測(cè)試觸點(diǎn)間隙，觸點(diǎn)間隙測(cè)量精度達(dá)0.01mm，應(yīng)用精密測(cè)力傳感器測(cè)量觸點(diǎn)壓力，觸點(diǎn)壓力測(cè)量精度達(dá)0.5g。通過(guò)設(shè)備應(yīng)用減少帶入多余物的可能性。

6 金屬多余物的檢查方法

生產(chǎn)過(guò)程中通常采用體式顯微鏡檢查金屬多余物，手工剔除；成品通常采用X光、粒子碰撞噪聲監(jiān)測(cè)(Particle Impact Noise Detection，PIND)檢查[7]，并剔除不合格產(chǎn)品。本文在此基礎(chǔ)上，研究應(yīng)用在線激光顆粒物分析儀檢查生產(chǎn)過(guò)程的金屬多余物。首先采用高頻自動(dòng)清洗設(shè)備清洗，清洗參數(shù)為：頻率170KHz、功率密度0.52W/cm2、時(shí)間8min[8]，清洗液以62.6mL/min的速度通過(guò)檢測(cè)分度達(dá)2μm的在線激光顆粒物分析儀檢測(cè)金屬多余物，平均顆?？倲?shù)檢測(cè)結(jié)果為27CNT/mL，詳見(jiàn)表4。

7 金屬多余物的控制效果

研究技術(shù)成果經(jīng)24個(gè)批次7981只產(chǎn)品生產(chǎn)驗(yàn)證，10μm以上金屬多余物大幅度減少，典型代表產(chǎn)品的PIND粒子波形淘汰率由0.21%下降到0.04%，控制技術(shù)已推廣應(yīng)用到10多個(gè)電磁繼電器型號(hào)上。

8 結(jié)論

通過(guò)系統(tǒng)梳理金屬多余物的來(lái)源，采取針對(duì)性控制技術(shù)，有效控制了10μm以上的金屬多余物，較好的解決了電磁繼電器金屬多余物問(wèn)題。通過(guò)研究，本文得出結(jié)論如下：

1)隨著型號(hào)的發(fā)展和電磁繼電器的小型化，將電磁繼電器金屬多余物控制標(biāo)準(zhǔn)由25.4μm提升至10μm是適宜的。

2)應(yīng)用焊接仿真軟件與工藝試驗(yàn)相結(jié)合的方法優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，調(diào)整熱處理和鍍層后處理方法可以有效改善焊接體系相關(guān)條件；應(yīng)用自動(dòng)焊接設(shè)備和焊接參數(shù)在線測(cè)量設(shè)備精準(zhǔn)監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程，可以大幅度減少點(diǎn)焊飛濺多余物。

3)研制應(yīng)用觸點(diǎn)間隙測(cè)量和觸點(diǎn)壓力測(cè)試設(shè)備不僅能提升觸點(diǎn)間隙和觸點(diǎn)壓力的測(cè)量準(zhǔn)確性，而且能有效減少帶入類金屬多余物。

4)應(yīng)用高頻自動(dòng)清洗設(shè)備和在線激光顆粒物分析儀可以有效檢測(cè)產(chǎn)品裝配過(guò)程中的金屬多余物。