去除电磁继电器簧片装配应力的工艺优化

(桂林航天电子有限公司，广西桂林，541002)

1 引言

电磁继电器装配过程中钎焊、调试过程均会对簧片产生应力，装配应力释放不充分会导致电磁继电器在试验时释放电压低失效，应力释放不充分除与簧片材料固有性能有关之外，直接反映是产品静压力小。

以往研究继电器簧片应力的文献较少，且多针对设计、试验、系统开发方面，去除装配应力的研究尚未见报道。文献[1]、[2]是关于应用开发弹性材料应力松弛测试系统，选定两种簧片材料，对继电器接触簧片加速应力松弛试验，找出短期变化规律，以外推出长期的应力松弛量，为继电器可靠性设计提供必要依据[1，2]。文献[3]从选定继电器总结出簧片应力集中点在触点动作过程中的应力变化，得出接触力作用点位置、簧片尺寸、倒角大小对应力集中点应力值的影响规律，从而得到设计优化改进建议[3]。文献[4]也是从设计方面、针对具体继电器型号异形簧片计算及推杆疲劳强度计算分析继电器应力的失效案例[4]。文献[5]是从试验阶段出发，研究随机振动环境应力筛选方法，剔除有早期失效隐患的产品[5]。

应力释放不充分会导致电磁继电器静压力不稳定、试验中因释放电压低失效，去除继电器装配应力的方法通常是机械老炼和温度老炼。以上两种常用方法不足以使簧片装配应力释放充分，因此本文提出新的工艺方法，选用高温按压方式去除簧片装配应力，稳定静压力，实验验证后效果明显，解决了试验过程中释放低的问题。

2 常用工艺方法应用情况

引言中已提及去除继电器装配应力两种常用方法是机械老炼和温度老炼。机械老炼指在一段时间内(按设计文件)使继电器不加负载，用额定工作电压(脉冲)驱动，使其零、部件承受机械力的交替作用。温度老炼指在一段时间(按设计文件)内使继电器承受高温，用以消除调整和装配过程中零部件产生的内应力，稳定磁性能[6]。

为研究常用方法是否能有效去除簧片装配应力，对采用常温机械老练、真空烘烤工艺方法前后的产品静压力变化情况(表1、表2)进行分析，与试验后产品静压力变化情况(表3)对比，详见图1：

表1 机械老练前后静压力值(N)

表2 真空烘烤前后静压力值(N)

表3 试验前后静压力值(N)

图1 机械老练、真空烘烤、试验后静压力值变化情况

从以上图表可知，机械老练后静压力与初始静压力比值范围(95%～105%)、真空烘烤后静压力与初始静压力比值范围(90%～112%)、试验后静压力与初始静压力比值范围(35%～111%)。

得到以下结论：

①试验后静压力减小，变化值远大于机械老练、真空烘烤后的静压力值变化；

②机械老练、真空烘烤的工艺方法不足以使试验过程中静压力稳定，簧片装配应力未释放充分。

3 工艺优化过程

对试验后静压力小的产品拆壳分析，静压力变小的因素有静压力超出簧片材料许用应力和簧片应力释放不充分两方面[7]，针对以上两项因素开展工艺优化工作。

3.1 强度校核

为验证簧片装配应力释放不充分是否与静压力超出簧片材料许用应力相关，采用仿真方法对簧片强度进行校核。在簧片根部模拟施加静压力均值(图2)，此时最大应力为材料抗拉强度的1/6，符合≤1/3的设计原则[8]。

图2 簧片应力计算模型

3.2 去除簧片装配应力的工艺优化

通过以上强度校核，排除了静压力超出簧片材料许用应力导致静压力小的因素。以下针对簧片应力释放不充分进行新的工艺方法验证实验。

3.2.1 装配高低温筛选工艺方法

因装配中产品机械老练或真空烘烤的温度范围不能覆盖试验温度范围，导致产品在温冲试验后参数变化。为此采用产品套壳前整件经受高低温筛选试验、提前释放簧片应力的新工艺方法来替代原机械老练、真空烘烤的工艺方法，使装配中温度范围覆盖试验温度范围，详见表4、表5、图3、图4。

图3 预温冲试验后静压力值变化情况

产品序号初始静压力静压力值归一化处理预温冲后的静压力预温冲后静压力与初始静压力比值10.09100.00%0.0666.67%20.1100.00%0.0660.00%30.12100.00%0.0650.00%40.12100.00%0.0650.00%50.105100.00%0.06561.90%60.1100.00%0.0660.00%70.1100.00%0.0770.00%80.095100.00%0.0663.16%90.09100.00%0.0666.67%100.085100.00%0.0782.35%

由表4及图3可知，经过预温冲后静压力变化较大，变化范围(50%～82.35%)。

图4 高低温试验后静压力值变化情况

产品序号高低温试验前静压力静压力值归一化处理高低温试验后静压力高低温试验后静压力与试验前静压力比值10.06100.00%0.065108.33%20.06100.00%0.065108.33%30.06100.00%0.065108.33%40.06100.00%0.065108.33%50.065100.00%0.0692.31%60.06100.00%0.06100.00%70.07100.00%0.07100.00%80.06100.00%0.06100.00%90.06100.00%0.06100.00%100.07100.00%0.06592.86%

由表5及图4可知，高低温试验前后静压力变化较小，变化范围(92.31%～108.33%)，说明预温冲措施有效，静压力应力释放充分。

综上，预先温冲试验的方法对改善高低温试验后静压力值变化有明显效果。但方案实施时是将产品从高温烘箱真空环境直接放至室温大气中，空气中杂质过多、失去高纯N2保护的产品，薄镀层的簧片表面极易与空气中各类元素发生化学反应，易氧化，形成绝缘膜，导致产品接触电阻增大，在直流感性寿命中出现断故障[9]，试验结果见表6。

表6 试验结果

经验证，装配高低温筛选的工艺方法用于产品装配过程中不可行。

3.2.2 高温按压工艺方法

因常用机械老练、真空烘烤工艺方法均未使动簧片反力处于最极限状态，决定采用高温按压的新工艺方法来替代原工艺。

1) 高温按压实验

进行高温按压实验，即在真空烘烤条件下、使推动器将动簧片形变推至超行程，与通常真空烘烤下的区别如示意图5所示。查阅文献可知，在材料的弹性极限内，影响应力松弛的主要因素是温度和时间，制定不同的烘烤温度和时间进行高温按压实验，测试静压力的变化情况，详见表7、图6：

图5 通常真空烘烤与高温按压下继电器对比示意图

烘烤时间(h)静压力平均值(N)静压力平均值归一化处理85℃125℃140℃85℃125℃140℃00.1150.110.11100.00%100.00%100.00%20.1050.0850.07591.30%77.27%68.18%40.10.080.07286.96%72.73%65.45%60.0950.0720.0782.61%65.45%63.64%100.0950.070.0782.61%63.64%63.64%

图6 不同烘烤温度、时间下静压力下幅幅度曲线

由此表明：不同烘烤温度下的静压力值均在烘烤6h后趋于稳定，其中125℃分组与140℃分组变化趋势接近，同时结合产品环境温度范围、此时静压力值符合吸反力匹配原则，确定烘烤参数(130±5)℃，6h[10]。

采用高温按压法的产品按照烘烤参数(130±5)℃，6h进行真空烘烤后进行试验验证，试验前后静压力的变化情况详见表8、图7：

表8 试验前后静压力值(N)

图7 试验后静压力值变化情况

实验验证，采用高温按压法去除簧片装配应力后的产品，在试验过程中静压力值稳定，试验后静压力变化小。

2) 高温按压方法

高温按压方法有线圈加电法、磁间隙塞塞片法。

线圈加电法，因在真空环境下、线圈加电时真空散热条件恶劣，线圈温升会超出漆包线材料许用温度，导致漆包线绝缘层受损。分别在大气、真空环境下，高温+125℃条件下进行线圈加电实验，详见图8：

从图8可知，真空中高温125℃线圈加电的线圈温度远高于大气环境中的温度，最高温度达到近200℃，已接近线圈漆包线材料的极限温度220℃，所以此种方法不可行。

图8 线圈加电温度曲线

磁间隙塞塞片法(示意图9)，简单易操作，能够定量推动器推压动簧片形变、一致性好，工艺可靠性高。

图9 磁间隙塞塞片法示意图

4 效果

将优化后的工艺方法应用于批生产中，试验过程中释放电压稳定，提高了电磁继电器关键电参数释放电压的可靠性。试验前后静压力稳定、一致性好，详见图10，明显改善了优化前静压力变化大的情况。

图10 优化前后静压力变化情况

5 结论

本文首次对去除电磁继电器簧片装配应力的方法进行研究，通过理论、仿真与实验相结合的方法，确定适合、有效于去除电磁继电器簧片装配应力的工艺方法，优化后的方法能有效提高生产效率、满足产品质量。得到以下结论：

(1)覆盖试验温度范围的装配高低温筛选工艺方法不适合在产品装配过程中应用，对产品接触电阻造成不良影响。

(2)高温按压法工艺，能够简单有效地去除簧片装配应力，静压力稳定，提高了电磁继电器关键电参数释放电压的可靠性，提高了生产效率。