电器制造工艺学(厦门理工)(05)电器触头及连接20131028

2013-11-51电器制造工艺学电器制造工艺学（五）电器触头系统及连接田新疆高级工程师厦门理工电气工程与自动化学院课程讲义2013年10月一、触头系统概述学习目标二、触头材料三、铆钉触头及铆接工艺四、触头焊接工艺五、先进的焊接工艺一、触头系统概述1、触头系统的作用触头(或称触点)系统是电器产品的执行元件，用来接通或分断所控制的电路，起着传递电流或信号的作用，它的工作必须可靠，接触良好。触头的是有触头电器产品的主要特征，对电器的整体结构和尺寸有着决定性的影响。各类电器的关键性能，如断路器的分断能力和接触器的电寿命等指标都取决于触头工作的性能与质量。触头系统是由动触头和静触头形成的机械式的可动接触，通常还包括载流导体、弹性元件、紧固件和支撑件等组成元件。2、触头系统的结构触头的结构型式桥式触头桥式触头：桥式触头的两个触头串于同一条电路中，电路的接通和断开由两个触头共同完成。①点接触点接触在接触处平均压强较大，容易破坏接触面上污染物形成的膜，但是散热较差。点接触适用于电流较小，触头压力小的场合，如小容量接触器、继电器触头、辅助触头等。继电器结构简图②面接触面接触在接触处即视在接触面的平均压强较小，但是其的散热面和热容量较大。面接触适用于触头压力大、电流较大的场合，如中、大容量接触器主触头等。③线接触线接触的接触区为一直线，接触的平均压强、散热面和热容量介于点接触和面接触之间；触头接通或分断时产生滚动摩擦，既利于去掉氧化膜，又可以缓冲触头闭合时的撞击能量，改善触头的电器性能。线接触适用于电流较大的场合，如大容量转动式接触器、断路器的主触头等。面接触：固定接触或长期工作制电器触头宜采用此形式，且采用螺钉或铆钉等压紧以加大压力，使接触电阻减小。由于面接触的散热面积及热容量大，多用于大电流。点接触：虽然膜电阻小，但是散热面积及热容量均小，所以多于用小电流。线接触：压力集中，实际接触压力强度较大，在中等压力时接触电阻较小，线接触的优点还表现在可以使触头在闭合过程中有相对运动而自动净化、便于调整。因此广泛用于转动式大容量接触器、塑壳断路器、万能式断路器以及高压开关电器的触头中。三种接触方式的比较3、触头的接触过程及结构参数（1）触头的作用是接通或分断电路，因此要求触头要具有良好的接触性能。（2）触头的四大结构参数①开距s:触头处于断开状态时，动静触头之间的最短距离。其值是由它能否耐受电路中可能出现的过电压，以及能否保证顺利熄灭电弧决定的。②触头初压力F1：是当动触头和静触头刚闭合时，作用于触头上的正压力，其值可以由触头弹簧的预压缩量保证。增大初压力可以降低触头闭合过程引起的机械振动（弹跳），以及减少触头熔焊等故障。③触头终压力F2：是当动触头和静触头闭合终了时，作用于触头上的正压力，其值是由触头弹簧的最终压缩量保证。此压力应使触头处于闭合状态时接触电阻低而稳定。④超行程r：是触头完全处于闭合位置后，如果将静触头移开，动触头还能前进的行程。其值取决于触头在使用期遭到的侵蚀。用来保证触头磨损后仍能可靠接触。（3）触头的磨损定义：由于遭受机械、化学、热和电等一系列的破坏作用，使触头变形或烧损的现象。分类：机械磨损、化学磨损(侵蚀)和电磨损（烧伤和喷溅）。触头材料在工作中的转移或损失称为触头的电磨损。触头在分断过程中，由于存在触头间金属的转移、液态金属的喷溅以及金属蒸汽的扩散等现象，会使触头表面逐步损坏。其结果是接触面变得凹凸不平或出现深坑、凸起、变形、龟裂等触头材料转移或损失。触头电磨损到一定程度，触头的工作性能将得不到保证，因此触头电磨损将直接导致触头和整个电器的使用期限缩短。触头电磨损的两种形式：当分断触头时，最后分断点的电流密度可高达（10～106A/mm2）。此时该点及其附近的触头表面金属材料将熔化，并在动触头继续分离时形成液态金属桥，如图（a）所示。①桥磨损若触头再继续分开，金属桥就被拉细直至断裂。结果在一边触头的表面形成一根针刺，而另一边触头表面形成一个凹坑，如图（b）所示。液态金属桥断裂使触头材料从－极向另一极转移的现象称为桥磨损或桥转移。一些高灵敏小型继电器的触头工作时常常被桥转移形成的针刺和凹坑“卡住”而影响其可靠性。由于卡住现象主要决定针刺的高度，因此可以采取以下方法来阻止针刺的生长：A）在触头回路中附加电流回路，使触头工作在零转移电流下；B）触头采用高温时易氧化的金属或合金：当桥折断后残桩氧化，触头下次闭合时残桩绝缘，迫使电流由其它接触头通过；C）在触头基底金属表面镀一层贵金属以限制针刺高度；D）用两种金属的触头组“补偿触头对”，使桥液温度分布接近对称，减小桥体积。②电弧磨损触头电弧磨损有两种不同的机理：第一种：触头断开瞬间，作用在触头间的电压较高（如大于300V）但通过的电流小于维持电弧放电的最小电流，则触头间不会出现电弧但会产生火花放电，这时带电粒子在电场的作用下轰击电极，使表面材料蒸发损失；第二种：触头断开一般先出现液态金属桥，如果电路的电压和电流大于维持电弧的最小值，则当金属桥拉断后会出现电弧，电弧两极斑点的电流密度大且温度高，不仅使弧根附近的触头材料大量气化，而且熔化的金属在电动力吹弧作用和强烈的金属蒸汽热浪的冲击作用下，把液态金属从触头表面吹出，向周围飞溅造成触头材料的损失。措施：为了减少电弧磨损，触头一般选择熔点和气化点高的材料，如钨、钼及其合金。各种磨损使触头接触面变形和材料质量转移，从而引起触头参数发生变化，严重地破坏了电器的正常工作状态。合理地选用触头材料和采用先进的触头制造工艺，可以提离触头系统的抗磨损性能，并增强其工怍的可靠性。4、接触的类别及其技术要求(1)不可分接触1）按运动形式不同分为不可分和可分接触两大类：动、静接触头在操作过程中始终保持电路连接导通，相对滑动或滚动而不互相分离，故可分为滚动式和滑动式两种。滚动式优点在于摩擦力小，缺点是不能很好的清除氧化膜。滑动式可分为豆形、Z形和瓣形等几种形式。比如：变阻器的滑动头、电机的电刷和滑环、电气机车的馈电弓和馈电线等。（2）可分接触①单断点指形触头：优点:ⅰ.闭合断开过程中有滚滑运动，清除触头表面氧化物，接触可靠，可采用铜或铜基材料；ⅱ.触头压力太，电动稳定性高；ⅲ.触头参数易调节。缺点:ⅰ.仅有一个断口，触头开距大，从而增大电器的体积；ⅱ.闭合时冲击能量大，且有软连接，不利于机械寿命的提高。②双断点桥式触头：有两个断点，故灭弧力强。小容量交流接触器采用这种触头，不需要装加灭弧罩。优点:ⅰ.触头开距小，可使电器结构紧凑，体积小；ⅱ.触头闭合时冲击量小，有利于提高机械寿命。缺点:ⅰ.在闭合断开过程中，由于动、静触头相互没有滚动及滑动，故触头表面不能自动清洁，触头材料因而必须用银或银基合金；ⅱ.每个触头的接触压力小，电动稳定性较差；ⅲ.触头参数调节不便。③对接式触头：工作过程：动触头6为沿狭边弯曲的平母线，静触头2为矩形板，可绕轴1旋转，经软连接3与支座4连接，支座4与导杆连接。弹簧5为触头压力弹簧，当动、静触头接通时弹簧被压缩，产生接触力，并缓冲动、静触头闭合过程中的碰撞。优点:结构简单，便于制造。缺点:ⅰ.自动净化接触面氧化物的能力差，因此接触电阻较大；ⅱ.通过大电流时，产生的收缩电动力很大，为避免触头因此分离而产生电弧并烧坏触头，需有很大的接触压力。④瓣形触头优点:提高产品的电动稳定性和热稳定性。2）触头的技术要求（1）触头的技术基本要求：z结构可靠；z接触电阻小且稳定，有良好的导电性能和接触性能；z通过规定电流时，发热稳定而且不超过允许值；z通过短时的短路电流或脉冲电流时，具有足够的动稳定性和热稳定性；z在断开过程中，触头材料损失应尽量小；z在闭合过程中，接触处不应出现不能断开的熔焊现象，而且触头表面不会出现严重损伤和变形。①闭合状态：ⅰ.长期在额定工作状态下，电接触稳定，温升不超过允许值。ⅱ.在规定的时限内能通过过载电流和短路电流。能承受电动斥力和热效应，并要求触头不发生熔焊。②分断状态：ⅰ.触头间隙能承受国家标准规定的试验电压，即保证在雷电冲击或在操作过程中出现的过电压下，间隙不被击穿。ⅱ.弱电电器元件的触头间隙，应能保证在任何环境条件下，被控电路都形不成电路。（2）触头工作的四种情况：③闭合过程：ⅰ.有足够的闭合速度，触头能可靠地闭合短路电流，而不发生触头熔捍或严重的烧损。ⅱ.触头应有足够的机械强度和硬度，以承受合闸时的冲击碰撞，尽可能减少机械磨损。④分断过程：ⅰ.应有足够的分断速度，配合灭弧系统，触头能可靠地分断负荷电流、短路电流、小感性电流和容性电流等。ⅱ.尽可能减少触头电弧的烧损。在大功率电器中，应保护主触头的接触面不被电弧烧损。三、触头材料1、触头材料性能的综合要求•电气性能：要求高导电、导热性，低接触电阻、生弧参数大；•热性能：要求熔点高、沸点高、导热性好、热容量大、电弧作用下金属压力小；•机械性能：要求适当的硬度及可塑性、抗压和抗剪强度高、摩擦系数小；•化学性能：要求耐腐蚀、化学生成膜的分解温度系数低且机械强度、电强度小。另外，还应考虑触头材料的可加工性能好、价格便宜、经济适用。2、触头材料的分类z纯金属材料：Ag、Cu等；z金属合金材料：AgNi、AgCdO、AgSnO2、AgC、AgW等；z复合材料（金属陶瓷—粉末冶金）。复合材料：是一种机械混合物。采用高导电材料和高熔点材料制成粉末后烧结而成，其制造方法类似于陶瓷，所以也称粉末合金材料或金属陶瓷材料。复合材料既有较低的接触电阻，又耐弧、耐磨损和抗熔焊。一般作大容量触头材料。触头材料的工艺主要有：合金内氧化法、粉末冶金法、共沉积法和预氧化法等。3、触头材料的选用•弱电流触头：电流在几安以下，继电器触头一般属于弱电流范围。•中电流触头：电流从几安到几百安，大部分低压电器触头属于中电流范围。•强电流触头：几百至几千安以上的高压断路器和低压接触器和断路器触头一般属于强电流范围。对触头材料的选用分述如下：①弱电流触头材料:一般用银、铜、铂和钨，有时也用金、钼和镍。②中电流及强电流触头材料:可选用铜、黄铜、青铜或其他合金，目前大量应用金属陶瓷（粉末冶金）材料。③真空触头树料:要求触头材料具有坚固而致密的组织，在强电场作用下能保持光滑完整的表面，具有更高的抗熔焊性。以铜基和钨基材料为主。三、铆钉触头及铆接工艺铆钉触头是许多继电器、辅助触头的触头形式，一般为银（及银合金）与铜的复合触头，这种形式既能节省贵金属，又能保证大批量高效生产。1、概述铆接工艺常用于两个金属材料的面与面的紧固连接。铆接分冷铆及热铆。冷铆是铆钉在常温下进行铆接；热铆用在连接要求更高的地方，如铁桥的钢梁铆接，热铆时需将铆钉预热，红热的铆钉穿入铆孔，好铆钉头后，在冷却过程中收缩的应力将使连接更紧密。铆接工艺适用于尺寸小、材料塑性好的触头，许多继电器触头和弹簧的连接均采用这种工艺。触头基体材料(触桥)备料工序（银丝拉制）下料热处理（退火温度6000C）冷镦清理毛刺检验清洗热处理（消除冷作应力）成品入库2、银铜复合铆钉式触头的镦制主要工艺流程银铜复合触头铆钉机1）备料目的：将纯银棒拉制成银丝以备制造触头。主要工序是拉丝。拉制过程要经过多道工序才能完成，每拉制一次都要经过原料到退火、酸洗（清除油污及氧化层）、拉丝、退火等工序。以消除冷作硬化应力，避免出现裂纹现象。银、铜线连续退火拉丝机2）下料①当D/d≥2时，宜采用直径等于的银丝做坯料，挤出为d的凸台，称为粗挤细；若用细丝坯料镦粗，镦制时产生纵向弯曲，在大头会产生摺层，将影响镦制触头质量。②当D/d＜2时，多采用细镦粗工艺，即采用坯料直径为d的银丝镦制出触头直径D来，这样镦制的触头毛刺小。③若坯料直径与D和d都不相等时，可采用直径Φ介于D和d之间的坯料。④要根据冷镦模的结构形式下料。注:由于毛刺和其他因素，也可能产生缺料或多余的情况，需要经过数次镦制试验后。才能得出正确的下料长度。下料方法采用剪切或冲制都可以。3）镦制镦制即利用银的塑性变形，把银坯料放在模腔内镦成所需触头形状的过程。镦制时希望触头材料的变形区域不大，这样可以使其内部组织和机械性质均匀。镦制时应