电器开关触点铆合设计

万海元

(广东联塑电气有限公司,广东 佛山 528318)

一般开关厂家银点材质大多选用AgCdO 12 或其它含隔的银合金.在最新的欧盟ROHS 2.0 豁免清单中,含镉银点很大程度会取消豁免,原定取消时间是2021年7月21日.在近期做出口的公司或外资公司都需要做好准备,将开关银点切换成非镉银点.传统的AgCdO 材料,具有良好的导电导热性,低电阻率,抗电弧烧损能力强,抗熔焊性高,更换材料会面临通不过国家标准测试的风险.这个时候就需要对银点材料及铆接工艺进行重新设计,确保产品在开关测试中符合国家标准[1].国家标准《家用和类似用途固定式电气装置的开关第1 部分:通用要求》(GB/T 16915.1—2014)对寿前、寿命测试都提出了较高的要求[2].如果银点接触电阻高,铆接处电阻也较高,就存在测试不达标的风险,这对铆接工艺提出了更高的要求.触点铆接都是采用轴孔间隙配合铆接,但是一般工厂采用自动化铆接或自动模冲模铆接,属于自由镦铆,是镦铆变粗的铆接方式.由于受自由镦粗变性原理的影响,肯定会影响到触点引脚与触片或跳板孔径的配合精度,从而产生不同的铆合紧密度,进而影响接触电阻.如果接触电阻较大,大电流在触点上通过时,必将产生高温,影响产品的使用寿命.

1 开关寿前、寿命、寿后温升的国家标准

国家标准GB/T 16915.1—2014 中第17 条款温升项要求寿前、寿后温升不超过45 K;第18 条款要求开关应有足够的通断能力;第19 条款要求开关应经受得住正常使用情况的机械应力、电应力和热应力而不会出现过度的磨损或其他有害的影响.开关按19.1、19.2、19.3 标准要求测试后,温升不超过45 K.

2 银点铆接过程分析

冲床或自动机铆接时,随着上冲头的下压,上冲头不断镦粗银点脚圆柱,铜脚的总高度也随之降低,引起铜脚的金属材料不断向四周流动.银点铜脚受冲头表面的摩擦力的影响,上下两端区域形成两个难以变形的锥体区.如图1所示,这两个刚性楔形锥体区,将外力P0转化为沿锥体圆周方向各个方向的力P,力P的轴向分力P1使铜材产生压缩变形,力P的径向分力P2则使铜材产生加粗变形.材料变粗后,坯料外观呈鼓形,同时造成内部不均匀流动[3].

图1 铆接过程受力分解

以铜棒平铆的方式进行试验,铜棒的原始直径为D,原始长度为L,以铆接后的变形程度的相对直径比DB=(D-D0)/D作为评定铆接变形均匀性的指标,其中D为镦粗后鼓形直径,D0为镦粗后端面直径.试验表明,坯料杆径鼓形的变形程度随高径比的变化而变化,试验中L=D=1.95,即当高径比为1 时,DB为0.056;当高径比为0.5时,DB为0.078,镦粗过程随着高径比L/D的减小,中部杆径与端部杆径的比值DB逐渐增加,即鼓形越明显.变形的不均匀性直接影响铆接的质量,主要体现在铆接后银点脚位与铜片孔间产生部分间隙,使得变形的金属外侧表面与铜片孔不能达到完全接触,即减少了银点与铜片的实际接触面积.根据试验,间隙的大小和位置与触点杆径的高低、孔径和触点杆径的配合间隙、上铆模形状及铆接方式等有关.

3 相关铆接参数对质量的影响

触点杆径过长或轴孔配合间隙过大,意味着其镦粗变形均匀性指标DB越大,铆接过程更易出现失稳、弯曲、开裂现象,使得铆接质量难以控制.

铆头形状对铆接质量也有影响.铆接银点时,铆头形状有平面铆头、凹面铆头和V 形铆头(铆单面触点).铆头形状不同,铆接时受到的摩擦力也不同,产生变形均匀性大小也不同.平面铆头或凹面铆头冲铆时,产生的摩擦力最大,对铆接质量十分不利.而V 形铆头冲铆(又叫劈铆),其触点杆部断面和模具接触面积小,模具对坯料端面金属流动阻碍小,减少了难变形区,提高了镦粗变形均匀性.如果杆径长度和V形角度选择合理的话,一般能够取得令人满意的效果(只适用于单面触点的铆接).铆接状态和铆合后的实物剖切如图2和图3所示.

图2 铆接状态示意

图3 铆合后的实物剖切

4 铆接质量不良对电寿命的影响

触点是家用电器开关的关键元件,起到接通和分断电流的作用.不良的触点铆接质量,会使得银点与铜片接触面积减少,增大了触点和铜片之间的接触电阻.在开关接通与分断的瞬间,由于动静触点之间的弹跳,触点温升瞬间升高,直接会将银合金氧化,银层从银合金中析出,将会对触点接触面造成严重破坏.因为纯银表面,极易出现粘连,可能导致产品在正常使用或测试过程中失效,无法达到家用电器开关正常使用寿命[4].

5 产品分类实验及结果验证

开关产品所有银点选用嘉之润生产的银锡触点,按表1中三种不同配合制作A、B、C三种开关样品,相关位置尺寸如图4所示.

表1 实验样品参数

图4 银触点及跳板位置尺寸

采用三种不同尺寸的银点,平铆、劈铆,装成三种不同参数的成品.先进行环境试验,然后测试寿前温升,分别进行开关19.1、19.2、19.3寿命测试及寿后温升等测试.

选取A 样品三只,分别为A1、A2、A3,做好环境试验后,按标准要求通过13.5 A 电流测得开关寿前温升为25.3 K、38.5K、30.8K,然后用这三只样品按10A 电流标准作19.1感性负载寿命测试,A1、A3正常通过4万次测试,A2测试到33855次,样品不通电,测试失败.对两只通过测试的样品做寿后温升,通过10 A 电流,A1温升为41.5K,A3温升为47.6K,结果表示,A1 温升小于45K,合格,但临近标准极限要求,A3温升超过45K,寿后温升不合格.选取B样品三只,分别为B1、B2、B3,做好环境试验后,按标准要求通过13.5A 电流测得开关寿前温升为20.7K、18.5K、21.6K,然后用这三只样品按10A 电流标准作19.1 感性负载寿命测试,三个样品全部通过4 万次测试.对三只做过寿命测试的样品做寿后温升,通过10 A 电流,B1 温升为33.5K,B2 温升为27.6K,B3 温升为30.5K,样品测试全部合格,温升均为30K 左右.选取C样品三只,分别为C1、C2、C3,做好环境试验后,按标准要求通过13.5 A电流测得开关寿前温升为17.6K、18.3K、19.6 K,然后用这三只样品按10 A 电流标准作19.1感性负载寿命测试,三个样品全部通过4万次测试.对三只做过寿命测试的样品做寿后温升,通过10A电流,C1温升为26.6K,C2温升为29.6K,C3温升为28.1K,样品测试全部合格,温升都低于30K.结果见表2.

表2 19.1寿命测试情况

对寿命测试失败的A2样品进行切片,发现动触点轴孔配合处接触面小,多处有明显缝隙,如图5所示.B样品配合较好,C样品配合最紧密,测试效果最好.

图5 失败产品铆接剖面

同样选取A 样品三只,分别为A4、A5、A6;B 样品三只,分别为B4、B5、B6;C样品三只,分别为C4、C5、C6.分三组分别按10 A 电流标准作19.2荧光灯负载1万次寿命测试,然后测寿后温升,测试结果见表3.A样品测试失败;B样品中间发生一次粘连,强行开启后,测试完成;C样品完全通过测试,测试效果最好.

表3 19.2寿命测试情况

同样选取A 样品三只,分别为A7、A8、A9;B样品三只,分别为B7、B8、B9;C样品三只,分别为C7、C8、C9.分三组分别按10 A 电流标准作19.3荧光灯负载4万次寿命测试,然后测寿后温升,测试结果见表4.A样品测试失败;B7在30653次发生粘连,后续多次粘连,无法测试完成,B9在38523中间发生一次粘连,强行开启后,测试完成;C 样品完全通过测试,测试效果最好.

表4 19.3寿命测试情况

以上试验结果表明,铆接触点时若铆接不良,会引起触点温升过高,最后导致产品寿命测试失败.轴孔小间隙配合与低杆径比均有利于降低变形系数DB,劈铆方式相较于平铆方式也可以适当降低变形系数DB,从而减少测试失败的风险[5].

6 结论

从测试结果得出以下结论:(1)设计时控制好铜片与银点的间隙,增大银点脚的直径,从而降低杆径比例;(2)采用V 形铆头,实行劈铆方式,如果是双面触点则采用旋铆,提高铆接质量;(3)采用自动机铆接,调整好工艺后,能确保铆接力度及铆接位置的一致性,减少人工不稳定因素;(4)定期切片对铆接后的零件进行金相检验,监控好铆接质量.

目前部分开关生产厂家仍采用传统的冲压设备,以平铆的方式对电触点与铜片(接触片及跳板)进行铆接,表面铆接平整,很好看,在质量控制中也只检查铆接工序的铆接牢固度,而忽视了铆接后轴孔缝隙对接触电阻的影响,经常出现质量不稳定现象,往往还误以为是银点质量问题.本文通过对开关银点铆接变形分析,结合实际样品进行多项实验,对电寿命失效或温升超标的实例进行分析,揭示了触点铆接中,铆接无缝隙的重要性.