基于银触点焊接的开关触头元件设计

2022-06-24章卫军张希伟罗特苗罗斌彬柴奇凯

日用电器 2022年5期

章卫军张希伟罗特苗陈兵罗斌彬柴奇凯

（1.公牛集团股份有限公司慈溪 315314； 2.宁波电工合金材料有限公司宁波 315100）

引言

开关是电气回路中控制电路通断的关键电器附件，其载流能力和通断寿命影响着整个电气系统的带载能力和安全性能。而开关触头元件的结构、工艺和材质则决定着开关的通断能力和耐久性。目前，国内开关触头元件基本上采用铆接的方式将铆钉型银触点固定在触桥上，在银触点和触桥之间易形成接触缝隙，形成较大接触电阻，电流通过时，产生较多热量，增加开关温升。一旦超功率使用，温升过高，极易烧毁开关，极端情况下引发火灾。另外，启闭开关时，动触点和静触点要闭合和分离，长期反复动作后，铆接形成的接触缝隙可能增大，铆接牢固度降低，开关可靠性降低。并且，在动静触点闭合和分离时，动静触点之间易形成瞬间电弧，产生高温火花，触点银合金材料如果抗弧能力弱，易会被氧化和电解，导致开关触点出现烧蚀或粘连现象，影响开关功能和使用寿命。

在断路器行业和国外开关行业，触头元件的银触点固定方式普遍采用了焊接工艺。从理论上分析，银触点在触桥上的固定方式由铆接改为焊接后，银触点与触桥之间的铆接缝隙被基本消除，两者接触的有效性和可靠性大幅提高，接触电阻降低，触头元件的导电性能提升。

因此，可基于银触点焊接工艺对国内开关触头元件的现有结构进行再设计，并选择耐电磨损、抗熔焊和导电性好的银触点材料，以期提升开关的安全性和使用寿命。

1 铆接型触头元件

根据触桥上固定银触点常用的工艺，开关触头元件相应分为铆接型触头元件和焊接型触头元件。当前，国内电工行业的开关基本上采用的是铆接型触头元件。

1.1 铆接型触头元件结构

银触点铆接的触头元件通常是将铆钉型银触点[1]通过铆接工艺固定在触桥上，实现两者之间的电气连接。铆钉型银触点是通过冷镦工艺实现银合金工作层与紫铜铆钉钉头的结合，再经热处理工艺对其结合强度进行强化。同时，为保证开关动静触头元件之间可靠的电接触，动触点工作面一般为球面，静触点工作面一般为平面，如图1所示。

图1 铆接型触头元件及铆钉型银触点

1.2 铆接型触头元件工艺

铆接型触头元件通过铆接工艺将铆钉型银触点的钉头端面与触桥表面贴合实现电气连接。而实际铆接过程中，由于铆钉钉脚与触桥通孔壁之间存在间隙，在铆接过程中不可能使钉脚和通孔壁完全接触，如果铆接不牢，铆钉钉头端面与触桥表面之间往往会形成或大或小如图2所示的接触缝隙，造成预期要实现大面积低电阻接触的部位反而形成了较大的接触电阻，大大降低了触头元件的导电性能。

图2 铆接型触头元件金相切面

此外，通过冷镦固定在紫铜铆钉上的银合金层厚度并不是均匀的，一般是由中心向边缘逐渐变薄的，如图1所示。在开关动作时，由于制造和装配误差的存在，很难保证动静触点接触位置刚好处于各自中心，也就意味着动静触点接触形成的接触电阻很难达到最小。极端情况下，接触位置均处于触点的边缘，接触电阻达到极大，严重降低触头元件的导电性能。

1.3 银触点铆接开关市场反馈

通过上文分析，银触点铆接开关的内阻易出现异常增大的情况。长时间通电使用，产生热量较多，温升较高。一旦用户超功率非正常取电，极易烧毁开关。严重时引发火灾，带来不可估量的生命和财产损失。

因此，有必要将已在继电器行业和国外开关行业中普遍应用的银触点焊接工艺应用于国内电工行业的开关上，来降低开关内阻，提高开关通电能力，提升相应开关、插座的安全品质。

2 银触点焊接工艺

银触点焊接常用的方式有：电阻钎焊、火焰钎焊和电阻点焊（以下简称电阻焊）等[2]。而电阻焊工艺可不填充焊接介质，焊件变形小，容易实现自动化，生产效率高，性价比高，是焊接型触头元件应用研究的重点方向。本文所述的焊接型触头元件的银触点焊接采用的就是电阻焊工艺。

2.1 电阻焊

电阻焊是将被焊工件压紧于两电极之间，并通以电流，利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热将其加工到熔化或塑性状态，使之形成金属结合的一种方法，其工艺原理如图3所示。

图3 电阻焊工艺原理图[3]

影响电阻热并最终影响焊接质量的因素包括：焊接电流、焊接时间、焊接压力、电极的形状和材料、工件表面状况等。电流、时间和压力等焊接工艺参数应根据实际焊接质量进行调整并固化。电极与工件以及工件与工件间的接触表面在焊接前必须进行清理。

2.2 银触点电阻焊工艺

触头元件的银触点原材料一般为银合金丝材或带材，触桥材料一般为铜合金带材，其主要通过电阻焊自动化设备完成银触点在触桥上的焊接，工艺过程如图4所示。

图4 银触点电阻焊工艺过程示意图

银合金丝材或带材由推进机构送入焊接设备，被切成所需尺寸的银触点后，通过定位机构固定在触桥铜合金带材的预设位置上。此时，上下电极动作并将银触点和触桥铜带以一定的压力夹紧。紧接着，上下电极瞬间放电，大电流流过银触点和触桥，产生巨大热量，将银触点和触桥接触区域熔化，冷却后两者结合在一起实现银触点焊接。

2.3 焊接型触头元件自动化生产线

焊接型触头元件自动化生产线一般按照铜带预冲压、银带剪切焊接和元件成型落料三个工艺环节布局，并设置形状检测、尺寸检测和剪切力检测等自动检测装置。

按照银材进入设备的方向，将自动化焊接线分为纵进线和横进线两种，分别如图5（a）和图5（b）所示。

图5 触头元件自动化焊接线

纵进线的银触点原材料一般为银合金圆形线材，经剪切、焊接、挤压形成圆形的银触点，外形美观，但银触点焊接面积理论上为圆形线材的横截面积，圆形银触点周边区域并非焊接区域而是冷压区域，因此圆形银触点焊接面积占比小。

横进线的银触点原材料一般为方形带材，经剪切、焊接、整形后形成方形银触点，其焊接面积基本上就是银触点与触桥的接触面积，因此方形银触点焊接面积占比大。

3 焊接型触头元件材料选择

目前，触头元件的触桥主要采用的是铜合金材料。考虑到性价比，静触桥一般采用导电率较高价格较低的黄铜,如H62等。动触桥一般选用弹性模量、屈服强度、抗应力松弛能力以及导电率较高的锡磷青铜。

触头元件的触点材料主要采用的是银合金。为保证优良的导电性能和抗熔焊能力，要求银触点材料具有高导电率、高硬度、高熔点、高沸点，但能同时满足上述物性要求的银合金是很难得到的。目前，开关银触点材料普遍采用的是各项性能均衡且相对廉价的AgCdO，承载中小电流等级的控制开关采用的是AgNi[4]。断路器和继电器对通断能力和耐久性要求高，银触点一般采用抗熔焊能力较高的AgSnO2、AgSnO2In2O3或AgC合金，为顺应环保趋势和用电设备大功率化趋势，开关银触点可考虑采用此类银合金材料。

对于焊接型触头元件，银触点与触桥之间还应具有良好的焊接性能，确保银触点与触桥易通过焊接形成可靠的电接触。AgNi合金容易焊接在铜合金上，较适于制作焊接型触头元件。而含氧化物的银合金与铜合金很难焊接在一起，但在大电流场合下必须使用含氧化物的银合金触点时，可在焊接型触头元件的银合金工作层与铜合金层之间增加如纯Ag层、AgNi合金层或CuNi合金层等过渡层作为助焊层，如图6所示。

图6 焊接型触头元件示意图

4 焊接型触头元件结构设计

与铆接型触头元件相比，焊接型触头元件在结构上主要省去了紫铜铆钉。要保证现有开关以最低的变更成本实现银触点固定工艺由铆接转为焊接，关键就是要解决如何设计焊接型触头元件的结构来弥补铆接型触头元件紫铜铆钉的钉头厚度尺寸的问题。

在焊接型触头元件结构设计时，银触点的银合金用量应与原铆接型触头元件保持基本一致，以确保开关整体成本不发生明显波动。在此前提下，可通过折弯触桥将银触点抬高到所需的位置，或者在触桥上银触点所在的位置处冲压成型一个所需高度的凸台，再或者在银触点工作层和触桥铜合金层之间增加一定厚度的过渡层，如价格相对较低且易于焊接的CuNi合金层等，以此实现开关触点的闭合位置在银触点固定工艺由铆接改为焊接后不发生改变的目标。

根据上述思路，可设计三种焊接型触头元件结构方案[5]，分别如图7所示。