电磁继电器转换失效模式与机理分析

范士海，冯慧

（航天科工防御技术研究试验中心，北京 100854）

引言

电磁继电器是一种自动控制元器件，它具有诸多优点，包括：转换电流和电压的范围广；导通状态的触点接触电阻极小；断开状态触点间电阻为无穷大；线圈和触点电路耐受负荷的能力强；控制信号与被控制信号的完全隔离；耐环境温度特性好；耐辐射能力强；重量和外形尺寸小等。因此广泛应用于飞机、卫星、火箭、导弹、舰船、战车等军工产品领域，用来完成执行控制、信号传递和系统配电等关键功能。随着武器系统电子化、信息化、自动化程度提高，电磁继电器的作用愈加重要，使用量日趋增大，使用范围不断扩展。由于电磁继电器在武器系统中使用量巨大，且作用关键，其性能和可靠性将直接影响武器装备系统的性能和可靠性。另一方面，由于电磁继电器是具有电磁和机械可动系统的机电一体化元件，加之生产过程中大部分装配调整是手工操作，影响其可靠性的因素较多，与其它电子元器件相比，批一致性和可靠性要差一些，属于可靠性较差的元器件[1]。

电磁继电器常见的失效模式是导通失效和转换失效。作者在前面的文章中，介绍了电磁继电器导通失效模式与机理[2]。本文将通过一些典型的失效案例，详细介绍电磁继电器转换失效的失效模式，分析引起转换失效模式的失效机理，为进一步提高电磁继电器使用可靠性提供有益依据。

1 电磁继电器的转换失效模式与机理

1.1 管脚松动造成继电器的转换失效

管脚松动可以造成继电器内部机械部件发生移位、变形，有可能导致动作部件的卡滞，影响继电器的转换动作。

案例1

某型号电磁继电器用于某整机设备上。整机试验发现1只继电器转换失效。

对失效继电器加电测试，线圈加电动作后触点不转换，且管脚6、管脚7和管脚8之间两两短路。用机械方法启封继电器后置于显微镜下观察，继电器内部静触点引出脚6有明显下沉现象，下沉后的静触点6和静触点7将动触点8夹住，导致管脚6、7、8之间两两短路；另一路触点组中动触点引出脚4同样存在下沉现象；另外，失效继电器内部引出脚5玻璃绝缘子有破损情况，如图1所示；而引出脚4、5、6位于继电器所有引出脚中的同一侧。继电器衔铁、线包等内部结构未发现明显异常。

图1 失效继电器内部形貌

根据以上的测试与观察，分析得出：继电器失效是由于受到外力作用，管脚4、5、6玻璃绝缘子损坏，造成继电器引出脚4、6松动移位，下沉后的静触点6和静触点7将动触点8夹住，导致其无法动作，继电器转换失效。

案例2

某型号电磁继电器在整机上表现为施加触发电压无动作，常闭触点变为常开。

对失效继电器施加触发电压，继电器不动作。对失效件进行管脚间通断测试，一组常闭触点已变常开、常开触点已变常闭。

失效件外观检查发现个别引脚（Pin4）变形严重，Pin3、Pin4、Pin5、Pin6管脚的玻璃绝缘子均存在裂纹，其它玻璃绝缘子未见明显异常。

失效件PIND合格；密封不合格（损坏的玻璃绝缘子漏气）；X射线检查发现内部结构存在异常，一组内部静簧片存在位置移位、偏离现象，使对应的一组常闭触点间距离变大、常开触点间距离变为无间隙；X射线检查形貌如图2所示。

图2 失效件内部X射线检查形貌

打开失效件，观察继电器内部结构，发现：继电器内部与Pin4、Pin5相连的内部静簧片存在位置移位、偏离现象，使对应的一组常闭触点间距离变大、常开触点间距离变为无间隙；另一组常闭及常开触点间距未见明显异常，触点部位未见明显打火痕迹，线圈及其引出线也未见明显异常现象，如图3所示。

图3 失效件内部形貌

继电器失效是由于个别引脚玻璃绝缘子先受损、引脚不固定，使内部静簧片产生了一定移位、偏离，在后续使用中再在电应力、机械应力的作用下，使内部静簧片产生的移位、偏离增大，最终导致一组常闭触点变常开、常开触点变常闭。

1.2 动簧片断裂造成继电器转换失效

动簧片在继电器开关转换中起着关键核心作用，继电器的开关转换就是通过动簧片的动作，完成常闭与常开触点之间的接触转换，完成继电器的开关转换功能的。由于动簧片需要具有一定弹性，所以不能太厚，而且触点接触后要有一定的压力，所以动簧片始终受到一定力的作用。这使得动簧片相对来说比较脆弱，容易发生断裂。

案例3

某型号电磁继电器在整机进行振动试验后，发现整机工作异常，随后排查故障，定位该继电器失效。失效模式为继电器开关转换功能失效。

启封继电器，发现继电器内部动簧片断裂。簧片断口表面有金属光泽。

在扫描电子显微镜下观察簧片断口形貌，断裂起源于断口两侧表面，为多断裂源，瞬断区的面积所占比例很大，整个断口高低不平，在断口表面有磨损痕迹。瞬断区形貌为沿晶断裂，如图4所示。对同批次经过100万次寿命测试试验的继电器内部簧片，沿中部折断，对其断口进行形貌观察。断口最后瞬断区为沿晶和韧窝混合型断裂形貌。

图4 瞬断区沿晶断裂形貌

簧片断裂模式为沿晶断裂，造成继电器开关功能转换失效。簧片断裂与其在加工过程中存在较大热应力和使用过程中受到交变外应力作用有关。

案例4

某型号电磁继电器是国内某厂生产的产品。整机单位正常使用8年后，继电器功能失效。

该继电器有三组触点，分别为A1和A2、B1和B2、C1和C2。对继电器进行功能测试，发现其中B1和B2触点转换功能失效。

对继电器进行外观观察，可见：继电器标识清晰，引脚有使用变形痕迹，个别玻璃绝缘子有损伤（拆卸过程中造成可能性较大），继电器外表面镀层长期使用后有脱落现象，其它未见明显异常现象。

因该继电器摇晃有响动，玻璃绝缘子有损伤，因此不进行粒子碰撞噪声检测（PIND）和密封检查。用X射线检测仪对继电器内部结构进行检查，主要结果为：B1、B2组簧片断裂，在继电器内部可自由移动；另外两组簧片未见明显异常；内部结构未见其他明显异常，形貌如图5所示。

图5 继电器X射线检查形貌

打开继电器，在显微镜下观察继电器内部结构，主要观察结果为：继电器内部B1、B2之间簧片断裂，断裂位置位于B1引脚根部簧片折弯处应力集中部位，靠近焊接部位（如图6所示）。该簧片断裂后与外壳接触处有打火痕迹。

图6 断裂簧片形貌

光学显微镜主要观察结果：簧片断口较平直，有金属光泽，断口四周均有磨损，尤其是一侧边缘部位有较严重磨损现象。

用扫描电子显微镜对簧片断口进行观察，并对基体材料进行成分分析，主要结果为：簧片断口外表面四周有磨损，尤其是两侧边缘部分有较严重磨损，为断裂起源区域，断口中间有撕裂棱，微观均为沿晶断裂形貌，最后瞬断区很小。簧片材料主要成分为Ag、Mg和Ni元素。扫描电镜观察和能谱分析结果见图7所示。

图7 断口形貌及能谱分析结果

该继电器内部B1、B2组间簧片断裂导致继电器功能失效，簧片断口呈现脆性断裂特征。簧片断裂主要原因是由于该簧片靠近焊接部位，同时也是应力集中部位，存在较大内应力，在其边缘区域首先产生微裂纹，成为裂纹源，在长期使用过程中，逐渐扩展直至断裂。

1.3 高温环境下继电器转换功能失效

继电器工作状态对温度比较敏感，温度升高会导致线圈阻值升高，对继电器线圈施加同样的启动电压，高温环境下，线圈电流将减小，线包产生的磁力减小。导致继电器无法完成吸合动作。

案例5

某型号电磁继电器为国内某厂家生产的产品。继电器随整机在室外高温环境下试验，转换失效；室温下，恢复正常。

继电器外观及X射线检查未见明显异常。PIND合格，密封性合格。根据厂家手册对该型号电磁继电器进行常温（25 ℃）电性能测试，继电器的主要技术指标均合格（如表1所示）。

表1 常温主要测试结果（25 ℃）

对吸合和释放过程进行加电实时监测，吸合加电过程中，在0~2.9 V之间触点处于常闭状态导通；在2.9~3.0 V之间，继电器触点处于中间状态，常开、常闭触点均开路；在3.0~3.1 V间，继电器触点由常闭触点切换到常开触点导通。释放降压过程中，在3.1~1.5 V之间，常开触点导通；在1.5 V左右，继电器触点会出现短暂的中间状态，之后由常开触点切换到常闭触点导通。根据继电器的工作原理，簧片处于中间状态为继电器的正常现象。

但继电器工作状态对温度比较敏感，该继电器失效时温度较高，温度升高会导致线圈阻值升高，吸合电压升高，温度和阻值的对应关系可以用RT=R25[1+(T-25)k]公式表达，k=0.003 93/℃，则VT=V25[1+(T-25)k]。为了验证VT与温度的实际关系，该继电器返厂进行试验，同时与一只同型号参考件进行比对，结果为：2只器件实测值与计算值接近，结果列于表2，表3中。

表2 温度与吸合电压的关系（失效件，厂家测量）

表3 温度与吸合电压的关系（参考件，厂家测量）

该继电器在组合中实际工作电压为3.41 V左右。结合继电器的实际应用环境，进行高温故障验证试验得出，随着温度的升高，继电器的吸合电压升高，接近或超过60 ℃时吸合电压（3.42 V）高于实际电路工作电压（3.41 V），导致该继电器高温下不吸合而失效。

1.4 线圈开路造成继电器转换功能失效

继电器启动线圈开路，线圈无法加电，也是继电器转换功能失效一种较为常见失效原因。下面介绍的案例就属于这种情况。

案例6

某型号电磁继电器是国内某厂家生产的产品。用户在正常使用时，发现该型号1只继电器产品发生失效，表现为线圈加电后触点不动作。

用体视显微镜对继电器进行外观检查：继电器外观完整，表面标识清晰，玻璃绝缘子等未见明显异常。对该继电器进行PIND、密封和X射线检查，结果为PIND和密封合格；X射线检查内部结构未发现明显异常。按照厂家手册对该继电器进行常温电性能测试时，触点不动作，失效现象复现。测试继电器启动线圈电阻为开路状态。

用机械方法打开继电器，观察继电器内部结构，主要结果为：继电器内部簧片未见明显异常，触点部位未见明显打火痕迹。但观察发现继电器内部输入端线圈引出线断裂，断裂部位位于管脚内部焊接部位下方塑料套管端头剪切部位（如图8所示）。

图8 线圈引出线断裂部位形貌

用光学显微镜和扫描电子显微镜分别对导线断口进行观察，断口表面主要分为两个部分：被剪切部分和拉断部分，其中被剪切部分断口较平，拉断部分主要为韧窝形貌，该部分有不同程度磨损，尤其是与剪切交界区域磨损较严重。导线断口形貌如图9所示。

图9 断口扫描电镜检查形貌

线圈表面未见明显异常。继续解剖继电器线圈，线圈内部未见打火、虚接等异常现象。对四个二极管测试，均为正常二极管特性。

根据上述观察结果，分析认为：该继电器内部线圈输入端引出线在生产过程中，对内部芯线造成损伤，在后续生产和使用过程中，在外应力作用下损伤部位逐渐扩大，芯线有效面积减小，最终导致断裂。

2 结束语

本文介绍电磁继电器转换失效是指继电器加电后无法转换，对继电器而言属于致命失效模式。总结上面介绍的失效案例可以看出，造成这种失效模式原因除高温环境导致动作电压增加外，基本上都是继电器机械部件发生严重损伤，如管脚移位，内部簧片断裂，线圈引线断裂等。为避免此类失效模式的发生，除继电器的生产厂家要加强工艺控制外，继电器的使用单位在装配、调试过程中也要避免对继电器产生机械损伤。