Introducción
Los relés de señales ferroviarias son interruptores especiales que se utilizan para cerrar o abrir circuitos de control de señales. Son uno de los componentes clave en el equipamiento del sistema ferroviario. Por lo tanto, la vida eléctrica y la confiabilidad de los productos de relés siempre han sido un tema candente para diseñadores y usuarios. Los investigadores han realizado muchas investigaciones sobre el mecanismo de falla de los relés. Según aplicaciones industriales y estadísticas de prueba, se encuentra que la soldadura del material de contacto generada durante la acción de conmutación es uno de sus principales modos de falla.
SólidoContactos de cobreSon uno de los componentes más críticos en el sistema de contacto del relé, por lo que su rendimiento antisoldadura afecta directamente la confiabilidad y vida útil del relé. La soldadura del material de contacto se refiere al fenómeno en el que el material de contacto de los dos polos se calienta y funde rápidamente localmente bajo la acción de la fuente de calor, y luego se enfría y solidifica rápidamente para conectar los dos polos en uno y no puede separarse mediante la restauración externa. fuerza. Generalmente se divide en soldadura estática y soldadura dinámica. La soldadura estática es causada por el efecto térmico de la corriente durante el cierre del contacto. Es extremadamente raro en el trabajo real. El fenómeno de soldadura dinámica en el que los materiales de contacto se sueldan entre sí debido al calor generado por la descarga del arco durante el proceso de cierre o desconexión es la principal causa de falla de contacto.
El arco generado cuando el contacto rompe el circuito es la clave para iniciar la soldadura dinámica. La energía del arco hace que el material de contacto se funda parcialmente para formar un área fundida, y luego la rápida solidificación del área fundida puede formar una soldadura en la parte de contacto del contacto. Cuando la fuerza de soldadura es mayor que la fuerza de rotura, se formará una soldadura dinámica del material de contacto. Generalmente se cree que cuanto mayor sea la fuerza de soldadura del material de contacto, peor será la resistencia del material a la soldadura. Bajo determinadas condiciones de aplicación, la resistencia a la soldadura del material de contacto está estrechamente relacionada con su composición, estructura, resistividad, conductividad térmica y otras propiedades. Por un lado, afecta a la generación e intensidad del arco y, por otro lado, afecta al proceso de soldadura y a la magnitud de la fuerza de soldadura.
Se han realizado investigaciones extensas y profundas sobre el comportamiento de soldadura de materiales de contacto de óxido metálico de plata como AgCdO, AgSnO2 y AgCuO, y se han propuesto modelos y teorías de soldadura. La idea principal de diseño de este tipo de material es que la plata actúa como fase portadora de corriente para conducir electricidad y calor, y la fase insoluble como el óxido actúa como estabilizador para aumentar la viscosidad de la fase fundida o como descomponedor. consumir energía del arco. Sin embargo, con el aumento de potencia, los nuevos relés han planteado requisitos más altos para el rendimiento antisoldadura de los materiales de contacto. Los materiales de contacto tradicionales ya no pueden cumplir con los requisitos y los materiales de contacto de grafito impregnados de plata han recibido cada vez más atención debido a su excelente rendimiento. Los materiales de contacto de grafito impregnados de plata generalmente implican plata impregnada en el esqueleto de grafito como fase portadora de corriente, y el grafito como fase difícil de disolver puede limitar el tamaño del baño fundido y consumir energía del arco. Sin embargo, la investigación sobre materiales de contacto de grafito impregnados de plata no es profunda, especialmente la investigación sobre su comportamiento de soldadura rara vez se informa. Por lo tanto, este estudio utilizó un dispositivo de prueba de soldadura para estudiar el comportamiento dinámico de la soldadura de cuatro materiales de contacto de grafito impregnados de plata a diferentes corrientes y voltajes, y observó y caracterizó sistemáticamente la morfología de la superficie y la microestructura de los contactos. Mediante análisis comparativo, se seleccionaron los materiales de contacto de grafito impregnados de plata con excelente rendimiento antisoldadura.
1. Experimentar
1.1 Rendimiento y caracterización estructural de materiales de contacto de grafito impregnados de plata.
Una serie de grafito impregnado de plata.Remaches de cobreLos materiales se prepararon mediante un proceso de prensado isostático en caliente utilizando una matriz de grafito con diferente porosidad y estructura de poros. Los indicadores de rendimiento de los materiales se muestran en la Tabla 1. La microestructura de los materiales de contacto de grafito impregnados con plata y la morfología de la superficie después de la prueba de rendimiento de la soldadura por fusión se observaron y caracterizaron mediante un microscopio metalográfico y un microscopio electrónico de barrido.
1.2 Prueba de rendimiento de soldadura y recopilación de datos.
Se procesaron cuatro tipos de materiales de contacto de grafito impregnados de plata en contactos estáticos con una superficie de trabajo de 3,5 mm × 4,1 mm. Fueron combinados con remaches de cobre eléctricos hechos de plata metálica. El rendimiento de soldadura de los materiales de contacto se probó en condiciones de una corriente de carga de 80 A a 100 A y un voltaje correspondiente de 80 V a 100 V utilizando un dispositivo de prueba de fuerza de soldadura desarrollado por el Instituto de Tecnología de Harbin (ver Figura 1). Durante la prueba, se utilizó un nuevo contacto para cada prueba para garantizar que la superficie de contacto estuviera en el estado inicial. Las señales de voltaje, corriente y fuerza de contacto durante el proceso de cierre de contacto se recopilaron utilizando un osciloscopio multicanal KEYSIGHT DSOX3024T.
En el dispositivo de prueba, el cobre eléctrico estáticoContactos de remachese fijan en el dispositivo giratorio, y el dispositivo giratorio se fija al extremo móvil del sensor de fuerza a través de un asiento aislante. El extremo estático del sensor de fuerza se fija en una corredera de ajuste que puede ajustar la posición en la dirección del plano a través de un asiento de montaje. El sensor de fuerza recoge el estado de fuerza del contacto estático para obtener la presión de contacto y la fuerza de soldadura. La lengüeta está fijada en un asiento fijo aislante y depende del electroimán impulsor para empujar el contacto estático que se va a probar para completar la acción de cierre. Después de apagar el electroimán impulsor, depende de su propio restablecimiento de rigidez para desconectarse. Dado que la carrera del electroimán impulsor es fija, este dispositivo cambia la fuerza de contacto entre los contactos ajustando la posición del electroimán impulsor. Durante la prueba, el sensor de desplazamiento láser se utiliza para medir el desplazamiento de la lengüeta para monitorear la carrera de contacto. Los extremos fijos de las partes anteriores se fijan en la base para garantizar que la posición relativa de cada parte sea estable. Durante la prueba, el electroimán primero hace que el contacto móvil y el contacto estático se cierren con la carga a una cierta velocidad, luego corta el suministro de energía de la carga y mueve el sensor de fuerza para ajustar la corredera para separar lentamente los contactos cerrados.
La curva de cambio de fuerza de contacto durante el proceso de separación de contactos se muestra en la Figura 2. Los contactos que están en estado cerrado en la condición inicial mantienen el contacto bajo una cierta presión; a medida que la corredera se mueve, la fuerza de contacto disminuye gradualmente desde el punto B y disminuye a 0 en el punto E, y los contactos estáticos y móviles comienzan a separarse; si no hay soldadura entre los contactos, los contactos se separarán directamente y la fuerza de contacto será 0. Si hay soldadura entre los contactos, la fuerza de contacto seguirá disminuyendo y la fuerza sobre el contacto estático cambiará de presión a tensión; el punto W es la posición donde los contactos que tienen soldadura comienzan a separarse, y el valor de tensión en este momento llega al máximo; luego, el área de soldadura del contacto se separa rápidamente, la fuerza de soldadura disminuye rápidamente y se separa completamente en el punto S. Durante todo el proceso de rotura de la soldadura, la diferencia entre la fuerza de contacto dinámica mínima antes de los contactos móviles y estáticos están fuera de contacto (punto W) y la fuerza de contacto dinámica después de la separación (punto S) es la fuerza de soldadura máxima después de que el material de contacto se suelda.
2 Resultados y discusión
2.1 Microestructura de materiales de contacto de grafito impregnados de plata.
La fotografía metalográfica del grafito impregnado de plata Cobre PlataContacto RemacheEl material se muestra en la Figura 3, donde el área blanca brillante es plata metálica y el área gris-negra es la matriz de grafito. El proceso de impregnación de plata por prensado isostático en caliente puede llenar completamente los poros de la matriz de grafito con plata metálica y formar una estructura interconectada de plata metálica en forma de red. Sin embargo, debido a las diferencias en la estructura de los poros y la porosidad de la matriz de grafito, las microestructuras de los cuatro materiales de contacto de grafito impregnados con plata son significativamente diferentes: el tamaño de los poros de la matriz de grafito del material AgC (30) es relativamente uniforme, y el tamaño del área de plata metálica es de unas decenas de micras; hay áreas de plata metálica de gran tamaño mayores de 100 μm en el material AgC (40); y hay muchas áreas de plata metálica de menos de 10 μm en los materiales AgC (50) y AgC (60).
La diferencia en la microestructura de los materiales de contacto de grafito impregnados de plata es la clave de sus diferencias de rendimiento. En particular, a medida que aumenta el contenido de carbono, AgC(60) alcanza más de 16 veces el de AgC(30), lo que está relacionado con la disminución del contenido de plata metálica como fase portadora de corriente. Sin embargo, las propiedades conductoras del material no guardan la misma relación proporcional con el contenido de plata metálica. Por lo tanto, las propiedades conductoras del material de contacto de grafito impregnado con plata son el resultado del efecto sinérgico de la plata metálica y el grafito, y están estrechamente relacionadas con las propiedades conductoras y la estructura de poros del material de grafito.
2.2 Rendimiento de soldadura de materiales de contacto de grafito impregnados de plata
El cambio de la fuerza de soldadura de los materiales de contacto de grafito impregnados de plata con la corriente se muestra en la Figura 4. Como se puede ver en la Figura 4, cuando la corriente es inferior a 80 A, no se produce ningún fenómeno de soldadura entre los puntos de contacto. de los cuatro materiales de contacto. Cuando la corriente aumenta a 90 A, AgC(60) presenta un fenómeno de soldadura con una fuerza de soldadura de 0,8 × 10-3 N. Cuando la corriente alcanza 95 A, los cuatro materiales de contacto presentan un fenómeno de soldadura, pero la fuerza de soldadura varía en magnitud y está dispuesto en forma escalonada. Cuando la corriente aumenta a 100 A, la fuerza de soldadura de AgC30 alcanza 1,5×10-3 N, mientras que la fuerza de soldadura de AgC(60) aumenta a 6,61×10-3 N.
La Figura 5 muestra la morfología de la superficie de cuatro contactos eléctricos de cobre y grafito impregnados de plata después de la soldadura por fusión a una corriente de 100 A. Como se puede ver en la Figura 5, el área de erosión por arco de todos los materiales es negra. en el centro y blanco en el borde, pero el tamaño y la microestructura del área de erosión de diferentes materiales son diferentes. El área de superficie de AgC (30) erosionada por arco es la más pequeña, con un diámetro de aproximadamente 0,943 mm. El borde son las partículas de plata formadas por la plata metálica en el área central que se funde bajo la acción del arco y chisporrotea alrededor del punto de contacto durante el proceso de soldadura por fusión dinámica. A medida que disminuye el contenido de Ag, el tamaño de las partículas de plata pulverizadas disminuye gradualmente. El área de erosión secundaria comienza a aparecer en el centro del área de erosión en arco de AgC (50). El área de erosión secundaria en la superficie de AgC (60) es más obvia y se desarrolla hacia el interior del material. Esto muestra que se produjeron múltiples fenómenos de erosión por arco durante el proceso de soldadura por fusión dinámica, es decir, el proceso de soldadura por fusión dinámica de rebote.
La fuerza de soldadura es proporcional al área de la sección transversal del metal plateado que se funde en el material y se conecta durante el proceso de enfriamiento. A medida que aumenta la corriente, aumenta el área de erosión por arco y aumenta el contenido de plata fundida en el área. Por lo tanto, el área de la sección transversal de la plata metálica que se conecta entre sí durante el proceso de enfriamiento también aumenta y la fuerza de soldadura aumenta en consecuencia. Sin embargo, la generación y resistencia del arco están estrechamente relacionadas con la microestructura y propiedades del material. La conductividad mejorada aumentará el voltaje generado por el arco. Por lo tanto, bajo la condición de voltaje de 90 V correspondiente a 90 A, solo AgC (60) con la resistividad más alta tiene un fenómeno de soldadura. El efecto del tamaño del grafito que separa la plata metálica puede afectar la distribución del arco en la superficie de contacto. Al mismo tiempo, el efecto de purga causado por el CO2 generado por la oxidación del grafito puede afectar la distribución del arco y reducir la intensidad del mismo. Los efectos combinados de estos dos efectos sobre la distribución y la resistencia del arco junto con la conductividad térmica del material requieren más investigaciones sistemáticas. Los resultados de la investigación actual muestran que la reducción de la porosidad y el tamaño de los poros del grafito no mejora el rendimiento antisoldadura. Cuando la fracción de masa de plata es inferior al 40% y el tamaño de los poros es inferior a 10 μm, el fenómeno de soldadura se producirá en condiciones de corriente más bajas y la fuerza de soldadura aumentará más de 3 veces.
Según la investigación bibliográfica, la fuerza de soldadura del material de contacto AgCuO es de {{0}}.2 N a 0.4 N a un voltaje de 12 V y una corriente de 10 A a 25 A. La fuerza de soldadura dinámica del material de contacto de cobre y plata de grafito impregnado con plata para interruptor probado en esta condición experimental es inferior a 0,01 N, que es 2 órdenes de magnitud menor que la fuerza de soldadura del material de contacto tradicional AgMeO. Por lo tanto, en comparación con el material de contacto AgMeO, el material de contacto de grafito impregnado de plata tiene una corriente de soldadura inicial más alta y una fuerza de soldadura extremadamente baja, y es un material de contacto eléctrico con un excelente rendimiento antisoldadura. El análisis comparativo de la fuerza de soldadura y la morfología del área de erosión por arco muestra que AgC(30) tiene el mejor rendimiento antisoldadura.
3 conclusiones
(1) La corriente de soldadura inicial del material de contacto de grafito impregnado de plata es 90 A y la fuerza de soldadura es inferior a 0,01 N, lo que tiene un excelente rendimiento antisoldadura.
(2) Para el mismo material de contacto de grafito impregnado de plata, a medida que aumenta la corriente, aumenta la fuerza de soldadura. Reducir la corriente de contacto puede reducir la fuerza de soldadura, mejorando así su rendimiento antisoldadura.
(3) Para diferentes materiales de contacto de grafito impregnados con plata, la fuerza de soldadura aumenta con el aumento del contenido de carbono, lo que está estrechamente relacionado con la estructura y propiedades de su matriz de grafito. En este estudio, el material AgC(30) tiene el mejor rendimiento antisoldadura.
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