基于銀觸點焊接的開關觸頭元件設計

章衛(wèi)軍 張希偉 羅特苗 陳 兵 羅斌彬 柴奇凱

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

引言

開關是電氣回路中控制電路通斷的關鍵電器附件，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。而開關觸頭元件的結構、工藝和材質則決定著開關的通斷能力和耐久性。目前，國內開關觸頭元件基本上采用鉚接的方式將鉚釘型銀觸點固定在觸橋上，在銀觸點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，產(chǎn)生較多熱量，增加開關溫升。一旦超功率使用，溫升過高，極易燒毀開關，極端情況下引發(fā)火災。另外，啟閉開關時，動觸點和靜觸點要閉合和分離，長期反復動作后，鉚接形成的接觸縫隙可能增大，鉚接牢固度降低，開關可靠性降低。并且，在動靜觸點閉合和分離時，動靜觸點之間易形成瞬間電弧，產(chǎn)生高溫火花，觸點銀合金材料如果抗弧能力弱，易會被氧化和電解，導致開關觸點出現(xiàn)燒蝕或粘連現(xiàn)象，影響開關功能和使用壽命。

在斷路器行業(yè)和國外開關行業(yè)，觸頭元件的銀觸點固定方式普遍采用了焊接工藝。從理論上分析，銀觸點在觸橋上的固定方式由鉚接改為焊接后，銀觸點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，觸頭元件的導電性能提升。

因此，可基于銀觸點焊接工藝對國內開關觸頭元件的現(xiàn)有結構進行再設計，并選擇耐電磨損、抗熔焊和導電性好的銀觸點材料，以期提升開關的安全性和使用壽命。

1 鉚接型觸頭元件

根據(jù)觸橋上固定銀觸點常用的工藝，開關觸頭元件相應分為鉚接型觸頭元件和焊接型觸頭元件。當前，國內電工行業(yè)的開關基本上采用的是鉚接型觸頭元件。

1.1 鉚接型觸頭元件結構

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

圖1 鉚接型觸頭元件及鉚釘型銀觸點

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的釘頭端面與觸橋表面貼合實現(xiàn)電氣連接。而實際鉚接過程中，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，造成預期要實現(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。在開關動作時，由于制造和裝配誤差的存在，很難保證動靜觸點接觸位置剛好處于各自中心，也就意味著動靜觸點接觸形成的接觸電阻很難達到最小。極端情況下，接觸位置均處于觸點的邊緣，接觸電阻達到極大，嚴重降低觸頭元件的導電性能。

1.3 銀觸點鉚接開關市場反饋

通過上文分析，銀觸點鉚接開關的內阻易出現(xiàn)異常增大的情況。長時間通電使用，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。嚴重時引發(fā)火災，帶來不可估量的生命和財產(chǎn)損失。

因此，有必要將已在繼電器行業(yè)和國外開關行業(yè)中普遍應用的銀觸點焊接工藝應用于國內電工行業(yè)的開關上，來降低開關內阻，提高開關通電能力，提升相應開關、插座的安全品質。

2 銀觸點焊接工藝

銀觸點焊接常用的方式有：電阻釬焊、火焰釬焊和電阻點焊（以下簡稱電阻焊）等[2]。而電阻焊工藝可不填充焊接介質，焊件變形小，容易實現(xiàn)自動化，生產(chǎn)效率高，性價比高，是焊接型觸頭元件應用研究的重點方向。本文所述的焊接型觸頭元件的銀觸點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量的因素包括：焊接電流、焊接時間、焊接壓力、電極的形狀和材料、工件表面狀況等。電流、時間和壓力等焊接工藝參數(shù)應根據(jù)實際焊接質量進行調整并固化。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行清理。

2.2 銀觸點電阻焊工藝

觸頭元件的銀觸點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備完成銀觸點在觸橋上的焊接，工藝過程如圖4所示。

圖4 銀觸點電阻焊工藝過程示意圖

銀合金絲材或帶材由推進機構送入焊接設備，被切成所需尺寸的銀觸點后，通過定位機構固定在觸橋銅合金帶材的預設位置上。此時，上下電極動作并將銀觸點和觸橋銅帶以一定的壓力夾緊。緊接著，上下電極瞬間放電，大電流流過銀觸點和觸橋，產(chǎn)生巨大熱量，將銀觸點和觸橋接觸區(qū)域熔化，冷卻后兩者結合在一起實現(xiàn)銀觸點焊接。

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。

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

圖5 觸頭元件自動化焊接線

縱進線的銀觸點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，外形美觀，但銀觸點焊接面積理論上為圓形線材的橫截面積，圓形銀觸點周邊區(qū)域并非焊接區(qū)域而是冷壓區(qū)域，因此圓形銀觸點焊接面積占比小。

橫進線的銀觸點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，其焊接面積基本上就是銀觸點與觸橋的接觸面積，因此方形銀觸點焊接面積占比大。

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。考慮到性價比，靜觸橋一般采用導電率較高價格較低的黃銅,如H62等。動觸橋一般選用彈性模量、屈服強度、抗應力松弛能力以及導電率較高的錫磷青銅。

觸頭元件的觸點材料主要采用的是銀合金。為保證優(yōu)良的導電性能和抗熔焊能力，要求銀觸點材料具有高導電率、高硬度、高熔點、高沸點，但能同時滿足上述物性要求的銀合金是很難得到的。目前，開關銀觸點材料普遍采用的是各項性能均衡且相對廉價的AgCdO，承載中小電流等級的控制開關采用的是AgNi[4]。斷路器和繼電器對通斷能力和耐久性要求高，銀觸點一般采用抗熔焊能力較高的AgSnO2、AgSnO2In2O3或AgC合金，為順應環(huán)保趨勢和用電設備大功率化趨勢，開關銀觸點可考慮采用此類銀合金材料。

對于焊接型觸頭元件，銀觸點與觸橋之間還應具有良好的焊接性能，確保銀觸點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時，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 焊接型觸頭元件結構設計

與鉚接型觸頭元件相比，焊接型觸頭元件在結構上主要省去了紫銅鉚釘。要保證現(xiàn)有開關以最低的變更成本實現(xiàn)銀觸點固定工藝由鉚接轉為焊接，關鍵就是要解決如何設計焊接型觸頭元件的結構來彌補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構設計時，銀觸點的銀合金用量應與原鉚接型觸頭元件保持基本一致，以確保開關整體成本不發(fā)生明顯波動。在此前提下，可通過折彎觸橋將銀觸點抬高到所需的位置，或者在觸橋上銀觸點所在的位置處沖壓成型一個所需高度的凸臺，再或者在銀觸點工作層和觸橋銅合金層之間增加一定厚度的過渡層，如價格相對較低且易于焊接的CuNi合金層等，以此實現(xiàn)開關觸點的閉合位置在銀觸點固定工藝由鉚接改為焊接后不發(fā)生改變的目標。

根據(jù)上述思路，可設計三種焊接型觸頭元件結構方案[5]，分別如圖7所示。

5 焊接型觸頭元件測試驗證

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中進行對比測試。

5.1 測試樣品

測試開關為某款額定電壓為250 V、額定電流為10 A的按鈕開關，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采用銀鎳合金，通過橫進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省去的紫銅鉚釘?shù)尼旑^厚度。

5.2 測試項目及方法

測試項目包括金相切面、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相關試驗條款執(zhí)行，為獲得明顯的對比效果，試驗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的阻性負載開關對應的測試條件；極限壽命測試方法參照正常操作試驗方法進行。

5.3 測試結果

5.3.1 金相切面

焊接型觸頭元件的金相切面如圖9所示?？梢钥闯?，銀觸點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閉合時，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導線的鉚接型觸頭元件開關和焊接型觸頭元件開關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)

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

6 結束語

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

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