范士海，馮慧

（航天科工防御技術(shù)研究試驗中心，北京 100854）

引言

電磁繼電器是一種自動控制元器件，它具有諸多優(yōu)點，包括：轉(zhuǎn)換電流和電壓的范圍廣；導(dǎo)通狀態(tài)的觸點接觸電阻極小；斷開狀態(tài)觸點間電阻為無窮大；線圈和觸點電路耐受負荷的能力強；控制信號與被控制信號的完全隔離；耐環(huán)境溫度特性好；耐輻射能力強；重量和外形尺寸小等。因此廣泛應(yīng)用于飛機、衛(wèi)星、火箭、導(dǎo)彈、艦船、戰(zhàn)車等軍工產(chǎn)品領(lǐng)域，用來完成執(zhí)行控制、信號傳遞和系統(tǒng)配電等關(guān)鍵功能。隨著武器系統(tǒng)電子化、信息化、自動化程度提高，電磁繼電器的作用愈加重要，使用量日趨增大，使用范圍不斷擴展。由于電磁繼電器在武器系統(tǒng)中使用量巨大，且作用關(guān)鍵，其性能和可靠性將直接影響武器裝備系統(tǒng)的性能和可靠性。另一方面，由于電磁繼電器是具有電磁和機械可動系統(tǒng)的機電一體化元件，加之生產(chǎn)過程中大部分裝配調(diào)整是手工操作，影響其可靠性的因素較多，與其它電子元器件相比，批一致性和可靠性要差一些，屬于可靠性較差的元器件[1]。

電磁繼電器常見的失效模式是導(dǎo)通失效和轉(zhuǎn)換失效。作者在前面的文章中，介紹了電磁繼電器導(dǎo)通失效模式與機理[2]。本文將通過一些典型的失效案例，詳細介紹電磁繼電器轉(zhuǎn)換失效的失效模式，分析引起轉(zhuǎn)換失效模式的失效機理，為進一步提高電磁繼電器使用可靠性提供有益依據(jù)。

1 電磁繼電器的轉(zhuǎn)換失效模式與機理

1.1 管腳松動造成繼電器的轉(zhuǎn)換失效

管腳松動可以造成繼電器內(nèi)部機械部件發(fā)生移位、變形，有可能導(dǎo)致動作部件的卡滯，影響繼電器的轉(zhuǎn)換動作。

案例1

某型號電磁繼電器用于某整機設(shè)備上。整機試驗發(fā)現(xiàn)1只繼電器轉(zhuǎn)換失效。

對失效繼電器加電測試，線圈加電動作后觸點不轉(zhuǎn)換，且管腳6、管腳7和管腳8之間兩兩短路。用機械方法啟封繼電器后置于顯微鏡下觀察，繼電器內(nèi)部靜觸點引出腳6有明顯下沉現(xiàn)象，下沉后的靜觸點6和靜觸點7將動觸點8夾住，導(dǎo)致管腳6、7、8之間兩兩短路；另一路觸點組中動觸點引出腳4同樣存在下沉現(xiàn)象；另外，失效繼電器內(nèi)部引出腳5玻璃絕緣子有破損情況，如圖1所示；而引出腳4、5、6位于繼電器所有引出腳中的同一側(cè)。繼電器銜鐵、線包等內(nèi)部結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

圖1 失效繼電器內(nèi)部形貌

根據(jù)以上的測試與觀察，分析得出：繼電器失效是由于受到外力作用，管腳4、5、6玻璃絕緣子損壞，造成繼電器引出腳4、6松動移位，下沉后的靜觸點6和靜觸點7將動觸點8夾住，導(dǎo)致其無法動作，繼電器轉(zhuǎn)換失效。

案例2

某型號電磁繼電器在整機上表現(xiàn)為施加觸發(fā)電壓無動作，常閉觸點變?yōu)槌ｉ_。

對失效繼電器施加觸發(fā)電壓，繼電器不動作。對失效件進行管腳間通斷測試，一組常閉觸點已變常開、常開觸點已變常閉。

失效件外觀檢查發(fā)現(xiàn)個別引腳（Pin4）變形嚴重，Pin3、Pin4、Pin5、Pin6管腳的玻璃絕緣子均存在裂紋，其它玻璃絕緣子未見明顯異常。

失效件PIND合格；密封不合格（損壞的玻璃絕緣子漏氣）；X射線檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在異常，一組內(nèi)部靜簧片存在位置移位、偏離現(xiàn)象，使對應(yīng)的一組常閉觸點間距離變大、常開觸點間距離變?yōu)闊o間隙；X射線檢查形貌如圖2所示。

圖2 失效件內(nèi)部X射線檢查形貌

打開失效件，觀察繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)：繼電器內(nèi)部與Pin4、Pin5相連的內(nèi)部靜簧片存在位置移位、偏離現(xiàn)象，使對應(yīng)的一組常閉觸點間距離變大、常開觸點間距離變?yōu)闊o間隙；另一組常閉及常開觸點間距未見明顯異常，觸點部位未見明顯打火痕跡，線圈及其引出線也未見明顯異?，F(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 失效件內(nèi)部形貌

繼電器失效是由于個別引腳玻璃絕緣子先受損、引腳不固定，使內(nèi)部靜簧片產(chǎn)生了一定移位、偏離，在后續(xù)使用中再在電應(yīng)力、機械應(yīng)力的作用下，使內(nèi)部靜簧片產(chǎn)生的移位、偏離增大，最終導(dǎo)致一組常閉觸點變常開、常開觸點變常閉。

1.2 動簧片斷裂造成繼電器轉(zhuǎn)換失效

動簧片在繼電器開關(guān)轉(zhuǎn)換中起著關(guān)鍵核心作用，繼電器的開關(guān)轉(zhuǎn)換就是通過動簧片的動作，完成常閉與常開觸點之間的接觸轉(zhuǎn)換，完成繼電器的開關(guān)轉(zhuǎn)換功能的。由于動簧片需要具有一定彈性，所以不能太厚，而且觸點接觸后要有一定的壓力，所以動簧片始終受到一定力的作用。這使得動簧片相對來說比較脆弱，容易發(fā)生斷裂。

案例3

某型號電磁繼電器在整機進行振動試驗后，發(fā)現(xiàn)整機工作異常，隨后排查故障，定位該繼電器失效。失效模式為繼電器開關(guān)轉(zhuǎn)換功能失效。

啟封繼電器，發(fā)現(xiàn)繼電器內(nèi)部動簧片斷裂?；善瑪嗫诒砻嬗薪饘俟鉂?。

在掃描電子顯微鏡下觀察簧片斷口形貌，斷裂起源于斷口兩側(cè)表面，為多斷裂源，瞬斷區(qū)的面積所占比例很大，整個斷口高低不平，在斷口表面有磨損痕跡。瞬斷區(qū)形貌為沿晶斷裂，如圖4所示。對同批次經(jīng)過100萬次壽命測試試驗的繼電器內(nèi)部簧片，沿中部折斷，對其斷口進行形貌觀察。斷口最后瞬斷區(qū)為沿晶和韌窩混合型斷裂形貌。

圖4 瞬斷區(qū)沿晶斷裂形貌

簧片斷裂模式為沿晶斷裂，造成繼電器開關(guān)功能轉(zhuǎn)換失效?；善瑪嗔雅c其在加工過程中存在較大熱應(yīng)力和使用過程中受到交變外應(yīng)力作用有關(guān)。

案例4

某型號電磁繼電器是國內(nèi)某廠生產(chǎn)的產(chǎn)品。整機單位正常使用8年后，繼電器功能失效。

該繼電器有三組觸點，分別為A1和A2、B1和B2、C1和C2。對繼電器進行功能測試，發(fā)現(xiàn)其中B1和B2觸點轉(zhuǎn)換功能失效。

對繼電器進行外觀觀察，可見：繼電器標(biāo)識清晰，引腳有使用變形痕跡，個別玻璃絕緣子有損傷（拆卸過程中造成可能性較大），繼電器外表面鍍層長期使用后有脫落現(xiàn)象，其它未見明顯異常現(xiàn)象。

因該繼電器搖晃有響動，玻璃絕緣子有損傷，因此不進行粒子碰撞噪聲檢測（PIND）和密封檢查。用X射線檢測儀對繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行檢查，主要結(jié)果為：B1、B2組簧片斷裂，在繼電器內(nèi)部可自由移動；另外兩組簧片未見明顯異常；內(nèi)部結(jié)構(gòu)未見其他明顯異常，形貌如圖5所示。

圖5 繼電器X射線檢查形貌

打開繼電器，在顯微鏡下觀察繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主要觀察結(jié)果為：繼電器內(nèi)部B1、B2之間簧片斷裂，斷裂位置位于B1引腳根部簧片折彎處應(yīng)力集中部位，靠近焊接部位（如圖6所示）。該簧片斷裂后與外殼接觸處有打火痕跡。

圖6 斷裂簧片形貌

光學(xué)顯微鏡主要觀察結(jié)果：簧片斷口較平直，有金屬光澤，斷口四周均有磨損，尤其是一側(cè)邊緣部位有較嚴重磨損現(xiàn)象。

用掃描電子顯微鏡對簧片斷口進行觀察，并對基體材料進行成分分析，主要結(jié)果為：簧片斷口外表面四周有磨損，尤其是兩側(cè)邊緣部分有較嚴重磨損，為斷裂起源區(qū)域，斷口中間有撕裂棱，微觀均為沿晶斷裂形貌，最后瞬斷區(qū)很小?；善牧现饕煞譃锳g、Mg和Ni元素。掃描電鏡觀察和能譜分析結(jié)果見圖7所示。

圖7 斷口形貌及能譜分析結(jié)果

該繼電器內(nèi)部B1、B2組間簧片斷裂導(dǎo)致繼電器功能失效，簧片斷口呈現(xiàn)脆性斷裂特征。簧片斷裂主要原因是由于該簧片靠近焊接部位，同時也是應(yīng)力集中部位，存在較大內(nèi)應(yīng)力，在其邊緣區(qū)域首先產(chǎn)生微裂紋，成為裂紋源，在長期使用過程中，逐漸擴展直至斷裂。

1.3 高溫環(huán)境下繼電器轉(zhuǎn)換功能失效

繼電器工作狀態(tài)對溫度比較敏感，溫度升高會導(dǎo)致線圈阻值升高，對繼電器線圈施加同樣的啟動電壓，高溫環(huán)境下，線圈電流將減小，線包產(chǎn)生的磁力減小。導(dǎo)致繼電器無法完成吸合動作。

案例5

某型號電磁繼電器為國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品。繼電器隨整機在室外高溫環(huán)境下試驗，轉(zhuǎn)換失效；室溫下，恢復(fù)正常。

繼電器外觀及X射線檢查未見明顯異常。PIND合格，密封性合格。根據(jù)廠家手冊對該型號電磁繼電器進行常溫（25 ℃）電性能測試，繼電器的主要技術(shù)指標(biāo)均合格（如表1所示）。

表1 常溫主要測試結(jié)果（25 ℃）

對吸合和釋放過程進行加電實時監(jiān)測，吸合加電過程中，在0~2.9 V之間觸點處于常閉狀態(tài)導(dǎo)通；在2.9~3.0 V之間，繼電器觸點處于中間狀態(tài)，常開、常閉觸點均開路；在3.0~3.1 V間，繼電器觸點由常閉觸點切換到常開觸點導(dǎo)通。釋放降壓過程中，在3.1~1.5 V之間，常開觸點導(dǎo)通；在1.5 V左右，繼電器觸點會出現(xiàn)短暫的中間狀態(tài)，之后由常開觸點切換到常閉觸點導(dǎo)通。根據(jù)繼電器的工作原理，簧片處于中間狀態(tài)為繼電器的正?，F(xiàn)象。

但繼電器工作狀態(tài)對溫度比較敏感，該繼電器失效時溫度較高，溫度升高會導(dǎo)致線圈阻值升高，吸合電壓升高，溫度和阻值的對應(yīng)關(guān)系可以用RT=R25[1+(T-25)k]公式表達，k=0.003 93/℃，則VT=V25[1+(T-25)k]。為了驗證VT與溫度的實際關(guān)系，該繼電器返廠進行試驗，同時與一只同型號參考件進行比對，結(jié)果為：2只器件實測值與計算值接近，結(jié)果列于表2，表3中。

表2 溫度與吸合電壓的關(guān)系（失效件，廠家測量）

表3 溫度與吸合電壓的關(guān)系（參考件，廠家測量）

該繼電器在組合中實際工作電壓為3.41 V左右。結(jié)合繼電器的實際應(yīng)用環(huán)境，進行高溫故障驗證試驗得出，隨著溫度的升高，繼電器的吸合電壓升高，接近或超過60 ℃時吸合電壓（3.42 V）高于實際電路工作電壓（3.41 V），導(dǎo)致該繼電器高溫下不吸合而失效。

1.4 線圈開路造成繼電器轉(zhuǎn)換功能失效

繼電器啟動線圈開路，線圈無法加電，也是繼電器轉(zhuǎn)換功能失效一種較為常見失效原因。下面介紹的案例就屬于這種情況。

案例6

某型號電磁繼電器是國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品。用戶在正常使用時，發(fā)現(xiàn)該型號1只繼電器產(chǎn)品發(fā)生失效，表現(xiàn)為線圈加電后觸點不動作。

用體視顯微鏡對繼電器進行外觀檢查：繼電器外觀完整，表面標(biāo)識清晰，玻璃絕緣子等未見明顯異常。對該繼電器進行PIND、密封和X射線檢查，結(jié)果為PIND和密封合格；X射線檢查內(nèi)部結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)明顯異常。按照廠家手冊對該繼電器進行常溫電性能測試時，觸點不動作，失效現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)。測試繼電器啟動線圈電阻為開路狀態(tài)。

用機械方法打開繼電器，觀察繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主要結(jié)果為：繼電器內(nèi)部簧片未見明顯異常，觸點部位未見明顯打火痕跡。但觀察發(fā)現(xiàn)繼電器內(nèi)部輸入端線圈引出線斷裂，斷裂部位位于管腳內(nèi)部焊接部位下方塑料套管端頭剪切部位（如圖8所示）。

圖8 線圈引出線斷裂部位形貌

用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡分別對導(dǎo)線斷口進行觀察，斷口表面主要分為兩個部分：被剪切部分和拉斷部分，其中被剪切部分斷口較平，拉斷部分主要為韌窩形貌，該部分有不同程度磨損，尤其是與剪切交界區(qū)域磨損較嚴重。導(dǎo)線斷口形貌如圖9所示。

圖9 斷口掃描電鏡檢查形貌

線圈表面未見明顯異常。繼續(xù)解剖繼電器線圈，線圈內(nèi)部未見打火、虛接等異?，F(xiàn)象。對四個二極管測試，均為正常二極管特性。

根據(jù)上述觀察結(jié)果，分析認為：該繼電器內(nèi)部線圈輸入端引出線在生產(chǎn)過程中，對內(nèi)部芯線造成損傷，在后續(xù)生產(chǎn)和使用過程中，在外應(yīng)力作用下?lián)p傷部位逐漸擴大，芯線有效面積減小，最終導(dǎo)致斷裂。

2 結(jié)束語

本文介紹電磁繼電器轉(zhuǎn)換失效是指繼電器加電后無法轉(zhuǎn)換，對繼電器而言屬于致命失效模式?？偨Y(jié)上面介紹的失效案例可以看出，造成這種失效模式原因除高溫環(huán)境導(dǎo)致動作電壓增加外，基本上都是繼電器機械部件發(fā)生嚴重損傷，如管腳移位，內(nèi)部簧片斷裂，線圈引線斷裂等。為避免此類失效模式的發(fā)生，除繼電器的生產(chǎn)廠家要加強工藝控制外，繼電器的使用單位在裝配、調(diào)試過程中也要避免對繼電器產(chǎn)生機械損傷。