工艺控制研究肖斌杨文英I,翟国富J沈国文2(1.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨150001 ；2.贵州振华群英电器有限公司，贵州贵阳550018)摘要：在整机系统试验过程中，温度冲击试验要求20 -50个循环，而电磁继电器
肖斌(1981—), 标准仅要求5个循环，导致常出现温度冲击后继电器失效故障。采用故障树分析和电镜
男，研究员，主要从
扫描对温度冲击的失效原因进行分析和研究,确定影响温度冲击的原因是镀金触点表面 事电磁继电器、接
粗糙度及闭合触点压力。为有效控制镀金触点粘接力，首先分析了国内外镀金触点的差
触器的设计及工艺 异，对镀金触点表面处理工艺进行了优化改进及验证;然后对闭合触点压力相关参数进
研究。行DOE试验设计;最终得出了合理的触点表面处理工艺及闭合触点压力的控制方法。
研究结果表明，采用研磨处理及振动脉冲镀金的方法，可提升继电器触点表面粗糙度，降 低温度冲击下镀金触点表面的粘接力；同时找出合理的控制参数,改善了电磁继电器温
度冲击性能，提升了产品质量。关键词：继电器；DOE；温度冲击；表面研磨处理；镀金触点中图分类号：TM581.3 文献标志码：A 文章编号：2095-8188(2019)06401347DOI： 10.16628/j.cnki. 2095-818& 2019. 06. 003Study on Failure Mechanism and Process Control of
Thermal Shock on Electromagnetic RelayXIAO Bin12, YANG Wenying' , ZHAI Guofii', SHEN Guowen2(1. School of Electrical Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001 ,China；
2. Zhenhua Qunying Relay Co. ,Ltd. ,Guiyang 550018 , China)Abstract: The thermal shock test requires 20 to 50 cycles in the system test process, while the electromagnetic relay general specification requires only 5 cycles, the differences lead to the relay often failure during the test of
thermal shock in the system. Electron microscopy scanning and fault tree analysis were used to analyze the causes of failure of relays after thermal shock test, and the conclusion is that the surface roughness of gold plated contacts and the contact pressure of closed contacts are the cause of this problem. In order to effectively control the adhesion of
gold plated contacts, this paper analyzes the difference between domestic and foreign gold plated contacts, and verifies the optimized and improved gold plated contact surface treatment process. The design of the pressure related parameters of the closed contact was carried out by DOE experiment method. The reasonable contact surface
treatment process and the control method of closed contact pressure were obtained. The results show that the use of
SMAT and vibration pulse plating method can improve the relay contact surface roughness, reduce the adhesion of
gold plated contact during the test of thermal shock, at the same time, it can find out the reasonable control parameters, which can ultimately improve the relay thermal shock performance and product quality.Key words: relay ； DOE ； thermal shock ； surface mechanical attrition treatment ( SMAT) ； gold plated
contacts杨文英(1982-),男，副教授，博士，研究方向为电器多物理场耦合建模与虚拟样机设计、电器耐环境可靠性。
翟国富(1964-),男，教授，博导，研究方向为高可靠电器设计理论、电子系统及装备可靠性及智能维护技术。—13 —电器与能效管理技术(2019NO. 6)0引言电磁继电器是整机系统中的关键元器件，其
工作的可靠性关系到整机系统能否正常执行命 令。有关密封电磁继电器失效模式的技术统计数
据显示，其失效模式80%以上是接触部分失 效⑴。对于航空、航天等一些关键场合中的继电 器,除了对继电器寿命性能有要求之外，也要求继
电器应满足相应的环境温度指标。为了满足整机应用需求，电磁继电器总规范 中，规定了电磁继电器需要进行高低温运行、温度
冲击等试验,以验证电磁继电器在极限温度下的
性能指标。高低温运行主要考核产品在极限温度
下工作能力,温度冲击主要考核在温度交变情况 下继电器的性能。在实际应用中，继电器生产企业与整机单位 的试验标准并不统一。常用电磁继电器的总规范 包含GJB 65B—1999(有可靠性指标的电磁继电 器总规范》、GJB 2888A—2011《有失效率等级的
功率型电磁继电器通用规范》、GJB 1461A-2017 《大功率电磁继电器通用规范》等。这些规范中 对温度冲击均只要求进行5次循环试验,而整机
试验中执行的标准是GJB 150A—2009(军用设备
可靠性环境适应性试验》，温度冲击循环次数大 多数集中在20 -50次。试验标准的不统一，导致 继电器在整机试验过程中，温度冲击后继电器出 现动作电压偏大或不动作的故障。本文将通过分析和验证试验，从温度冲击的 试验方法差异、温度冲击的失效模式及失效原因 进行分析，最终采取相应的工艺措施，解决温度冲
击后继电器失效的问题。1温度冲击失效机理分析1.1温度冲击失效模式分析以某型密封电磁继电器为例，按照GJB
65B—1999规定，继电器温度冲击试验是按照 GJB 360A试验条件B要求，在-65七下保温
15 min,时间到后应在5 min内将试验样品转移
到125七高温下，继续保温15 min中为一个循环， 在最后一次循环时保温时间为2 h,并在每个温度
条件终止时，检测继电器绝缘电阻、动作释放电压 及时间参数3】。—14 —•研究与分析•统计该型号产品的温度冲击情况,5次温度 冲击循环后，绝缘电阻、动作释放电压及时间参数
均合格;结合整机应用需求,将继电器温度冲击进
行爬高试验，试验过程中每隔5个循环检测一次
动作电压。某型号继电器温度冲击不合格率如 图1所示。由图1可见，温度冲击20个循环后，产 品不合格率趋于稳定，高温下的失效比例高于低
温下失效比例。动作电压不合格包含动作电压偏 大及加额定电压继电器不动作两种失效模式，不
动作失效比例约2%。图1某型号继电器温度冲击不合格率绝缘电阻在温度冲击后均合格，不受温度冲 击试验的影响。1.2故障树分析排查在实际的工程应用中，还会有其他因素导致 继电器温度冲击后动作电压偏大或不动作。某型 号继电器温度冲击不合格故障树如图2所示。图2某型号继电器温度冲击不合格故障树(1)若高温焙烘后簧片发生弹性形变，则可
能导致常闭触点压力增大。抽取该型号产品进行
•研究与分析•高温焙烘后检测常闭触点压力。某型号电磁继电 器温度冲击前后常闭触点压力如图3所示。由 图3可见,高温焙烘后常闭触点压力变化不大，在 继电器正常压力范围值之内，不足以引起机械反
力增大，进而导致继电器动作电压增大的故障。-•-温度冲击前—温度冲击后NU
V25-R 出
15 --------------0 1------------------20 1--------------------40 60产品编号图3某型号电磁继电器温度冲击前后常闭触点压力(2) 若转轴卡滞，也有可能导致继电器在温
度冲击后动作电压增大或者不动作。对温度冲击 后粘接不动作的继电器进行分析,在检测时听到 衔铁动作的声音，但触点并未转换;拆罩检测转轴
部位，并未见到摩擦痕;该型继电器进行低电平寿 命也需要动作10万次以上也未岀现失效。因此
可排除转轴卡滞的情况。(3) 若常闭触点在高低温冲击后粘接，则会
在一定程度上增加机械反力，从而导致继电器出 现动作电压增大甚至不动作情况。为了进一步排 查,对该型继电器的簧片、触点不镀金层,在保证 其他参数不改变的情况下装配30件样品,温度冲
击试验100%合格。若常闭触点初始压力偏大，则会加剧镀金触
点间的粘接。常闭触点压力与温度冲击的不合格 率关系如图4所示。由图4可见,常闭触点压力
与温度冲击不合格率成正比关系。4 o %3 o
高温不合格率、褂
2o快
低温不合格率如1O
K-15
20
25 30 35常闭触点压力/mN图4常闭触点压力与温度冲击不合格率关系根据上述排查定位情况，可确定该型继电器
电器与能效管理技术(2019NO. 6)温度冲击不合格的主要因素为触点的镀金层和闭
合触点压力,在温度冲击后继电器闭合触点粘接
力增大大于推动力，从而出现温度冲击后动作电 压增大或不动作的故障。1.3温度冲击失效机理室温下未通电的闭合触点出现粘接，通常情 况下称为冷焊⑷，也称为冷粘。对于大功率继电 器来说，粘结力相对电磁驱动力来说较小，可以忽 略不计。然而对于小型继电器来说，粘接力则会
明显影响继电器的开断⑸，而从实际的工程应用 来看，在高低温反复冲击情况下，镀金闭合触点更
容易发生粘接。镀金闭合触点在压力的作用下，随着高低温
冲击，镀金表面发生热胀冷缩，触点间发生相对塑
性流动:一方面塑性使得接触面积增大，另一方面
使动、静触点的接触表面更为接近。当动触点接 触面上的原子与静触点表面上原子之间的距离已 接近或等于该金属的原子间距离时，则动、静触点 接触表面的原子间会出现明显的吸引力，即粘接 力。粘接力随触点压力F和温度的增大而
增大⑹。显然，当粘接力大于使动、静触点分开的力
时，动、静触点就不能再分开而发生动作电压增大 甚至出现继电器不动作的故障。某型号继电器触点温度冲击粘接后表面分析
如图5所示。由图5可见,温度冲击失效的继电 器触点表面镀金层有明显的撕扯痕迹，说明在温
度冲击作用下，继电器触点间由于热胀冷缩已经 发生了塑性流动，当持续增加线圈电压使继电器 闭合触点断开后，触点表面的镀金层在外力作用
下发生了转移。此时粘接力消失,再检测继电器 动作、释放电压均恢复正常。2温度冲击优化改进研究对于小型电磁继电器来说，镀金触点的粘接
力一般处于mN级别，无论是从触点表面的状态
检测控制或是检测设备的精度等各个方面来看,
对粘接力的试验研究都具有很高的难度。但在工
程应用中，可结合实际的工艺进行优化改进,提升 继电器的温度冲击合格率。以某型小型电磁继电器为例，从镀金工艺的 优化、机械参数的优化改进等方面开展研究。15 —电器与能效管理技术(2019NO.6)(a)触点表面(b)扫描电镜分析图5某型号继电器触点温度冲击粘接后表面分析2.1镀金工艺优化2. 1. 1国内外镀金触点表面对比分析现有的镀金工艺一般是氧化物镀金和脉冲镀 金。氤化物镀金从19世纪40年代出现,是至今
为止出现时间最长的镀金方法，其优点是镀层结
晶细致，具有良好的扩散覆盖能力〔7】。但由于氤
化物的剧毒性和对环境的破坏性,所以各个国家 早已开始限制使用。我国虽然也曾明确要求停止
氧化物镀金,但并未能全面禁止。脉冲电镀技术
是国外20世纪70年代发展起来的一项电镀新工
艺，比通常的直流电镀可得到更优异的镀层性能, 并可大幅度节省贵金属和有色金属材料⑷O本文以小型电磁继电器为例，触点材料采用
脉冲镀金工艺，将国内外同型号的电磁继电器触 点进行对比。各厂家同型号继电器触点表面如
图6所示。由图6可见,在相同的放大倍数下，国 外触点表面明显比国内触点表面粗糙，粗糙的触 点表面能有效地降低镀金层之间的粘接力，这也
是国外样品温度冲击性能比国内优越的原因。2. 1.2 工艺优化改进结合国内外镀金触点的表面分析情况可知，
在维持现有脉冲镀金工艺不变的情况下，提升继 电器温度冲击性能，主要还是提升触点表面的粗 糙度，提升镀层质量。本文研究的小型电磁继电器触点原材料表面 平整光滑,为了提升继电器触点的表面粗糙度，主
要从零件表面研磨处理、镀金工艺优化两方面
—16 —・研究与分析・进行。(b)国外B公司(d)国内D公司图6各厂家同型号继电器触点表面(1)研磨处理提升粗糙度。在触点加工成型
后，可采用颗粒状研磨材料对触点进行精整加工。•研究与分析•研磨方式有滚动及振动，即将一定比例的工件、磨 料和液体介质装入一定形状的容器中，当容器在 特定的条件下振动或规定的速度下滚动时，由于
工件和磨料的质量、形状、所处位置的差异，迫使
磨料对工件产生不同程度的碰撞、滚压、刻划、滑 擦等综合的微量磨削，从而实现对工件的表面 加工叫磨料研磨可以在原有基础上提高零件表面粗 糙度等级1 ~2级，使得零件表面的物理机械性能
得到明显改善和提高，如消除表面应力集中及微 观裂纹，提高表面硬度等。常用磨料有碳化硅、立
方氮化硼、氧化铝和金刚砂，砂粒尺寸在0.005 ~
1.500 mm,可根据待磨零件的大小、材料性能,选
择不同的磨料大小及种类，以此产生不同的 效果问。针对本文研究的小型电磁继电器，由于触点 较小,经过大量的摸底试验,采用立方氮化硼进行
研磨处理。研磨处理前、后触点表面如图7所示。
由图7可见，经过研磨后触点表面粗糙度明显
增大。(a)处理前(b)处理后图7研磨处理前、后触点表面(2)镀金工艺优化改进。本文研究的小型电
磁继电器触点零件较小，一直采用滚镀及人工搅
电器与能效管理技术(2019NO.6)拌结合的方式。这种方法由于零件的导电不稳
定、翻动不均匀、镀层电流过大和人为因素不确 定，所以批次一致性难以控制，造成了镀层厚度不 一致等问题。振动电镀是国外20世纪70年代末发展起 来、80年代初大量应用的一项电镀新技术。其比 常规的滚镀技术具有更优异的性能，如具有镀层 致密、光亮等优点。随着振动技术的发展，振动设
备的振动频率也扩展到中频和高频，而且可以按
需要无级调节，更加便于小型零件的电镀，镀层更 加均匀W针对本文研究的电磁继电器，采用脉冲镀金工 艺,在此基础上采用了振动电镀，经过大量的摸底
试验，电镜扫描得到镀金后触点表面图，如图8所 示。由图8可见，电镀后触点表面粗糙度明显
提升。图8镀金后触点表面图(3)镀金层硬度检测。镀金层硬度也是一个
影响温度冲击性能的关键因素。镀金层硬度检测
方法可以按照GB 9790—1988中规定的显微维氏 硬度计检测，但是镀层厚度必须达到25 [l21o
若镀金层比较薄，不能采用GB 9790-1988的方 法检测硬度。现有一种微压入法(也叫纳米压入 法)可测量镀层的硬度，但要求试样表面必须非
常平整,起伏较小；否则压入越浅,误差越大〔⑶O以本文研究的电磁继电器为例，触点镀金 层厚度不到2 pm,采用微压入法检测镀金层硬
度。触点镀金层硬度如图9所示。由图9可见，
因触点零件无法做到完全平整，两次测量差异 较大。因此，对小型电磁继电器的零件来说,镀层硬 度的测量仅只能作参考，实际还是以工艺控制方 法来确保一致性。—17 —电器与能效管理技术(2019NO. 6)110100 r90仁80 -70 -+样件160 -♦样件2500 」—0.2 0.3 0.4 0.5检测深度/Um(a)显微维氏硬度HV(b)触点镀金表面图9触点镀金层硬度2.2机械参数DOE优化研究在继电器温度冲击过程中，由于继电器线圈不
加电，因此本文前期研究中，只是分析了继电器常 闭触点接触压力对温度冲击合格率的影响。但实 际应用过程中，若继电器线圈处于长期通电情况
下，则常开触点也有可能出现粘接而不能恢复的情 况。因此，在考虑继电器机械参数时，常闭触点、常
开触点的压力值都应一并考虑。2.2. 1 DOE思路及因子分析以本文研究的小型电磁继电器为例，影响继
电器闭合触点压力值的机械参数有常闭触点压 力、触点间隙、超程，其中触点间隙和超程决定了 常开触点闭合时的压力值。从前期的试验及理论分析可知，镀金触点的 粘接力与闭合触点的压力成正比。对提升温度冲
击性能来说,压力值越小越好;但对于电磁继电器 来说,压力值关系到继电器接触电阻及额定寿命
能力。因此,压力值必须以满足额定寿命指标为 下限进行选择。针对影响温度冲击的3个因子:常闭触点压
力、触点间隙及超程，按3因子2水平进行设计, 常闭压力低水平为25 mN,高水平为35 mN；触点
间隙低水平为0.06 mm,高水平为0. 10 mm；超程
低水平为0.02 m叫高水平为0.06 mm。2. 2. 2 DOE试验分析情况在保证继电器零部件同批次情况下，按DOE 设计方案开展装配及试验,统计继电器温度冲击 失效率。该产品额定工作电压为DC 28 V,温度
冲击后检测电压合格判据为直流电压W22 V；温
度冲击20个循环，由于高温冲击不合格率明显高
于低温冲击合格率,所以计算分析时以高温不合 格率为结果进行分析。按DOE方法进行分析。因子pareto效应图如图10所示。由图10可—18 —•研究与分析•4.303AB因子名称直CAB 触点间隙 常闭触点压力BCC 超程AC0 123456789标准化效应图10因子pareto效应图见，因子A、B、C、BC效应均显著,触点间隙效应 最为显著。对试验数据进行残差分析，残差图如图11所 示。由图11可见，温度冲击不合格率数据为正态
分布,数据随机分布,无异常状态。0.02 h・ ・0.01 -0 ----------------•--------------0.01-0.02 1=--01------
0.1---
5-10.2_
5_0.3I------
0.41残差拟合值(a)正态概率图(b)与拟合值关系图11残差图等值线图如图12所示。0.06ZE
320.05'3 0.O -R0.04出
27.5
0.030.06 0.07 0.08 0.09 0.10
0.07 0.08 0.09 0」0间隙/ mm间隙/ mm(a)常闭触点压力与触点间隙(b)超程与触点间隙0.06EE 0.05
my 0.04■■ 0.00 <0.00〜0.05^0.03■■ 0.050 - 0」0」0〜保持值触点间隙 0.06 mm 0.02■ 0.15 0」0.205〜25.0 27.5 30.0 32.5 35.0 ■常闭触点压力25 mN 压力/ mN■ 0.20-0.25>0.25超程 0.02 mm(c)超程与常闭触点压力(d)高温不合格率(e)保持值图12等值线图•研究与分析•由图12可见，常闭触点压力与触点间隙的交 互作用对温度冲击不合格率无明显影响，温度冲
击不合格率与触点间隙、超程和常闭触点压力均
成正比。对触点间隙、常闭触点压力、超程进行响应优 化设计。望大响应优化图如图13所示。由图13 可知，触点间隙0. 067 mm、常闭触点压力
27.7 mN、超程0.023 mm的情况下，温度冲击不
合格率W5%。实际的工程应用中，继电器机械参数不可能
刚好达到优化的参数，肯定是一个范围值，可通过
调整优化曲线，确定触点间隙、常闭触点、超程的
范围值。兼顾额定寿命指标，同时考虑产品吸反 力配合情况,不能影响继电器的其他电气参数。
2.3温度冲击验证情况结合工艺及机械参数的优化情况,对该型号小 型电磁继电器进行验证。触点采用振动脉冲镀金,
电镀前利用研磨工艺提升粗糙度，并选用优化后的
继电器常闭触点压力、触点间隙和超程值。采取上述控制措施后，抽样对继电器进行温
度冲击试验。温度冲击试验后不合格率降低至
2%以内,不合格产品未出现不动作的故障。抽取
温度冲击试验后合格继电器的触点进行扫描电镜 分析。合格继电器温度冲击试验后触点表面分析
如图14所示。由图14可见，温度冲击后，触点表 面已无撕扯痕迹。本文研究分析过程中，由于零件小,工艺过程 的一致性控制还不到位，且对于洁净的金层表面
也不能完全消除粘接力，因此难以保证100%的 合格。实际工程应用中，可结合各产品的特点
进行分析，再优化工艺控制。最后还可以采取电器与能效管理技术(2019NO. 6)(a)触点表面A15 000谱图110 0005 000Au Au0L
.
,-甲一3 m 史 1
Au ,J 1------------i0 2 4 6 8
10 12 14 16 18 20能量/ keV(b)扫描电镜分析图14合格继电器温度冲击试验后触点表面分析温度冲击筛选的方式，剔除早期失效继电器。3结语通过对电磁继电器温度冲击失效机理的分析,
明确了影响电磁继电器温度失效的主要因素是镀 金触点表面的粗糙度、闭合触点压力等。采用了研
磨处理及振动脉冲镀金的方法,降低温度冲击下镀 金触点表面的粘接力，最终降低不合格率。在不改变电磁继电器结构设计的情况下，该
方法首先对继电器温度冲击的失效原因进行定位 分析，提出了提高触点粗糙度和镀金工艺、优化机
械参数等方法来降低镀金触点粘接力。该方法适 用于采用镀金触点的小型电磁继电器的温度
冲击性能改善，也可作为工程技术人员实际应用 的参考。【参考文献)[1 ]王稚惠.密封电磁继电器的可靠性及触点粘连失
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方法:GJB 360A—1996[S].(下转第52页)—19 —电器与能效管理技术(2019NO.6)•能效管理•6结语DES系统能够应用于配电网中的各个环节,
可实现，惠州地区則需要价格降至0.845元/Wh 方可实现。预计电芯价格降至0.6~0.8 5E/Wh
可在国内大部分区域推广应用。(5)预计2020年有望在全国大部分区域的
能够为电网运营商和用户带来诸多效益,具有广
阔的应用前景和巨大的应用潜力。但目前电化学 储能的商业应用处于起步阶段，高昂的成本、单一
大工业用户侧调峰储能电站实现IRRM8%。的收益模式阻碍了其发展和推广。本文主要结论 如下：(1) 铅炭电池成本虽然略低于锂电池，但因
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其放电倍率低，无法实现两充两放的充放电模式, 引起每kW电成本高于锂电池，经济性较锂电 池差。(2) 综合分析磷酸铁锂会是未来5 ~10年内
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短了回收年限，具有较好的经济性。(3) 按照目前的储能电池及系统的成本，采
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用磷酸铁锂电池在上海、江苏等峰谷电价差较高
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