汽车组合开关中近远光灯开关触点的分析

2013-09-02邓方

汽车电器 2013年4期

邓方

（浙江阳明汽车部件有限公司，浙江余姚 315490）

汽车转向管柱上组合开关，是装配在汽车的转向盘下方，固定在汽车转向管柱上的一个集各种功能性控制开关于一体的组合型产品。汽车驾驶员通过操纵组合开关的操纵手柄可控制汽车转向灯、前照灯、近远光灯、雾灯、小灯等灯光信号的开启和关闭。而汽车灯光信号的正确与否，将直接影响到汽车的安全行驶。特别是在夜晚行驶汽车时，如果控制近远光灯的开关失效，使汽车的近远光灯不能正常工作，其后果将不堪设想，严重时将产生特重大交通安全事故。

上述提到的汽车车灯，近远光灯是较大的负载，一般其电流都在10 A以上，车在夜晚行驶时，该灯所使用的频率极高，故近远光灯开关的可靠性问题，就成了组合开关制造单位的首要课题。

目前在汽车上控制近远光灯开启和关闭的组合开关有以下两种形式。

1）一种是由开关经线束到中央控制器，再由中央控制器来控制近远光灯的开启和关闭。这种方式的控制，对整车系统的要求较高，整车成本相应增加，但对开关来说，开关所承受的负载只是中央控制器的弱小负载（毫安级的电流）。该种开关的控制不在本文中进行探讨。

2）另一种是由开关经线束直接到近远光灯，这种传统结构的控制方式，整车成本较低，售后服务也方便。就开关而言，开关在工作中将直接承受近远光灯的负载，也即开关的触点在进行分断和拍合工作时，要承受10A以上的工作电流，而如此强大的工作电流，使开关触点在分断时产生强烈的白光（即电弧），电弧的产生将会烧坏触点，从而导致开关失效。电器开关在工作中失效的原因虽有很多，其中最主要的是触点的工作失效，在开关的工作电压、电流、触点的几何形状及尺寸、接触形式、接触压力、分合速度、触点间隙、工作环境等条件都不变的情况下，如何正确选择触点的材质和材质性能，对触点在工作中电磨损承受能力的影响将是至关重要的。

老天津夏利汽车上所使用的组合开关近远光灯开启和关闭控制方式，就是开关经线束到近远光灯的直接控制方式，本文就以该产品为例，重点分析触点的材质和材质性能对可靠性的影响，对开关触点在试验中的失效进行分析研究。

1 组合开关中近远光灯开关结构

组合开关中控制汽车远光、近光、超车信号的各开关，具有相同的结构，均是通过组合开关操纵手柄的上、下旋转运动来带动滑板移动，而滑板的移动又可控制开关动触点顶销的上、下运动，使各开关的动静两触点具有分合功能（见图1）。远光和超车（因超车是远光灯发出瞬间即逝的闪光信号）为一组动静触点，近光为另一组动静触点。分析进口产品样件，两组开关触点的材质均为:动触点材质是CAgCdO（12）／Cu-QM3.8×0.8+2×1.5-0.3；静触点材质是黄铜板镀银8～12μm。

2 组合开关中近远光灯开关可靠性要求参数

组合开关产品在进行近远光灯开关可靠性的耐久性试验时，试验条件要求如下:①工作电压:直流13.5±0.5V；②工作电流:远光13.3A，近光12.5A，超车13.3 A；③负载性质:灯负载；④工作环境:室温（大气中）；⑤每次工作循环为:远光—近光—超车（远光）—近光；⑥工作循环速度:每分钟20次；⑦耐久性:10万次；⑧电压降:耐久性试验前开关触点处电压降不超过15 mV／A，耐久性试验后开关触点处电压降不超过25mV／A。

因远光灯和超车信号的开关控制为同一组触点，近光灯信号的开关控制为另一组触点，故近远光灯控制开关动静触点的耐久性考核要求分别为各20万次。根据耐久性的工作循环速度要求，各组动静触点的工作速度即为每分钟40次。

3 组合开关中近远光灯开关可靠性试验

开关（产品）在首次试验中，工作到600次（触点分合1200次），发生不接通现象（失效）。拆解产品分析，发现开关静触点（阳极）有轻微凹坑并发黑，顶销零件熔化，测量静触点镀银层厚度只有2.8μm，初步分析是镀银层不合格所影响，将银层厚度镀到要求后（即11μm），即进行第2次试验。

开关在第2次试验中，产品工作到6280次（触点分合12560次），再一次失效，发生不接通现象。拆解产品分析，现象与首次一样，只是程度比首次严重，且动触点具有凸起物并发黑。改善镀银层后，试验的耐久性次数虽比前次提高了近10倍，但离客户标准要求还是相差甚远。

进一步改善静触点的镀银层，将静触点的镀银改为复合镀银，复合镀银层厚度增加至20 μm，又进行第3次试验。第3次开关工作到63880次（触点分合127760次），同样发生不接通现象，拆解产品分析观察动、静触头，现象与第2次试验情况几乎一样。产品耐久性次数虽又提高了近10倍，但还是达不到客户标准要求。

4 组合开关中近远光灯开关可靠性试验的失效机理

分析以上3次的试验过程，发现开关在工作过程中，特别是在触头的分断瞬间，有弧光产生，这说明触头在分离过程中，有弧光放电现象，使触点产生电磨损。

而电弧放电是属于气体放电的一种形式，其气体介质放电又有2种基本形式:一是非自持放电，放电是依靠外界游离因子（如紫外线、X射线、宇宙线等）来维持，一旦外界游离因子失去，放电即行停止，它是肉眼所不能观察到的；另一种是自持放电，即使外界游离因子失去，在高电场强度作用下，仍能维持放电，如辉光放电和弧光放电便是这一种。电弧的形成是触点间气体游离的结果，其游离的方式又可分为表面发射和空间游离，而这两种游离的方式，在实际中往往又是综合表现。对图2a直流电路来说，固定电极间气体放电的伏安特性曲线如图2b所示。

图2b中的DE段即为弧光放电区域，对直流电路来说，当被断开电路的电流以及开断后加在触点间隙上的电压，超过触点在工作环境中的极限燃弧参数，便可起弧。对上面所介绍的开关而言，由于触点的材质为银，而电路中的负载又为灯负载，银在空气中的极限燃弧电压（Urh）为12V，极限燃弧电流（Irh）为0.4A，故触点在分断过程中，一定间隙内会产生电弧。

从上述开关触点试验中发现，触点在失效后，静触点（阳极）有凹坑产生，阴极上有凸起物，这说明开关触点在分断过程中有液桥产生。原因分析如下。

1）触点在开始断开时，此时全部电流只通过一个在微观上很小的区域，这时接触电阻增加、电流密度极大，可产生高温，而产生的高温又使触点金属熔化，因而在触点之间形成熔化的金属桥即液桥。根据试验证明，液桥上的温度分布是不对称的，一般是阳极温度高于阴极，液桥上的最高温度点位于靠阳极的地方，而断裂点就发生在最高温度点的附近。

2）随着触点的继续分开，液桥被拉断，触点表面产生很高的电场。如果此时触点间的电压和电流均超过工作中的触点极限燃弧数值，便可发生电弧，发生电弧后，确定触点侵蚀效应的是电弧而不是液桥。此时电弧对阳极发生热作用的结果是，使阳极熔化和气化，而且触点材料被大量转移和喷溅，其中一部分材料被阴极所带走，一部分材料被气化和喷溅。故在阳极上产生凹坑，而在阴极上产生凸起（并非针刺）。

从以上分析动静触点的分断过程可以看出，对组合开关产品中的近远光灯开关触点，在保持动静触点的其他工作条件都不变的情况下，要想动静触点在工作分断时不产生电弧是不可能的，只有考虑如何提高触点在规定寿命次数内的抗弧承受能力（即承载能力），以保证产品的性能。

5 组合开关中近远光灯开关动静触点材质的具体分析及解决措施

根据上述对近远光灯控制开关分合式触点在分断过程中失效机理得出，产品在第1次可靠性试验600次失效，是由于静触点的镀银层太薄，承受不了触点分断中电弧的烧伤。当将静触点的镀银层加厚（11 μm）后，产品工作到6280次再一次失效，而且都离产品的10万次寿命要求相差甚远，虽然银的导电和导热性能都很好，但总的来说镀银层和其它方法获得的银层（如复合镀银层、碾压银层），在抗弧能力方面是有区别的。镀银层的银层组织较松散，致密性差，抗弧能力差，在产生电弧时，电极相对来说较容易产生表面发射。而电镀又不可能将银层镀得很厚，镀厚了，会产生很多电镀缺陷，对触点的接触和分断会更不利。

复合镀银是使一些硬度高、具有灭弧作用的微粒均匀地嵌入银层中，在电弧的高温作用下自行分解，起自动熄弧和消除电离的作用，在一定电流电压条件下，基质银的熔焊倾向和电侵蚀都大为减小，提高了触点的抗电弧承受能力。因此在上述试验产品的开关触点中，将静触点镀上复合银层20μm后，虽然产品仍未达到所规定的10万次寿命，但也提高到了63880次（10多倍），其改善程度是明显的。

为了使产品达到客户要求的可靠性耐久次数，根据上述开关触点在工作中的失效机理，将静触点材质改为用碾压成形的覆银紫铜板冲压形成，用覆银层代替镀银层，由于覆银紫铜板的铜、银层经过碾压，其板材强度、硬度显著提高，产生加工硬化现象。这是由于金属在碾压变形中，使晶体的滑移面产生位错，造成位错密度的增大，而位错密度越大，金属的变形抗力就越大，其强度和硬度就越高；并且在碾压过程中使金属组织具有 “变形织构”，即组织结构的有序化，产生各向异性。覆银层组织的致密性是远非镀银层组织致密性所能比的，而且在碾压过程中，覆银紫铜板的铜、银原子相互嵌入基体，其覆银层与紫铜层的结合力也远非镀银层所能比，而且基体铜层的导电和导热性能又优于黄铜，碾压银层的厚度又可以达到数十微米以上。通过上述的分析，可以断定，开关静触点材质改用覆银紫铜板后的抗电弧承受能力定优于黄铜板加镀银材质形成的静触点。

按上述的分析结果，实际中我们将静触点选用覆银层厚度为80 μm的覆银紫铜板材质后，在开关试验条件均不变的情况下，组合开关产品近远光灯开关可靠性试验一次性就通过规定的10万次耐久性要求，还超寿命做了21289次，即开关的耐久性试验实际做了121289次，触点实际分合242578次，试验后开关仍能正常工作，电压降也符合规定要求。