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1、华中科技大学 硕士学位论文 汽车继电器AgMeO触头材料抗电弧熔焊能力的研究 姓名：傅江华 申请学位级别：硕士 专业：纳米科学与技术 指导教师：熊惟皓 20070529 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - I - 摘摘 要要 电触头是继电器的关键部件之一，其性能直接关系到继电器的可靠性。随着欧盟 环保指令的实施，以及汽车供电系统由 14V 升高到 42V 的趋势，汽车继电器的服役 条件对电触头材料提出了更加苛刻的要求。在触头的各种失效形式中，最为严重的是 电弧放电导致的触头熔焊。对熔焊现象进行理论上的分析，能够为触头材料的开发提 供
2、指导。 本文对触头电弧熔焊中的传热与流动过程进行了数值分析，讨论了相关因素对 AgMeO 触头材料抗熔焊能力的影响。通过建立圆柱形触头受电弧作用的轴对称模型， 采用有限体积方法求解了触头熔池的温度场、速度场和浓度场。 计算分析表明，电弧作用在触头的局部，熔池体积小，但温度梯度大，约 107K/m 的数量级，温度变化剧烈，约 107K/s 的数量级。改变 MeO 的热导率、比热、分解温 度和分解热，对触头的抗熔焊能力影响很小。 触头熔池中的流体流动主要由表面张力驱动，电磁力和浮力的影响不大。负温度 系数的表面张力使熔池中的流体从中心流向边缘，熔池变宽变浅；正温度系数的表面 张力使熔池中的流体从边
3、缘流向中心，熔池变窄变深。流动使触头表面的 MeO 颗粒 含量升高，MeO 的颗粒越大，在触头表面的富集效应越显著。触头表面的 MeO 富集 使熔化面积增加，而熔焊强度下降。 为了改善材料的抗熔焊能力，应该添加适当的元素改变电弧特性，使燃弧时间缩 短，电弧半径扩大；还可添加活性元素改变触头材料的表面张力温度系数，使熔池的 形状发生改变。 本文中还设计了一套触头动作模拟装置，可用于测试触头材料的抗熔焊能力。采 用电磁铁和弹簧控制触头的往复运动，接触压力可调，熔焊力可测，触头装拆方便。 关键词：AgMeO 触头；电弧熔焊；熔池流动；数值分析；添加元素 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
4、华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - II - Abstract Electrical contact is the key component of relays. Its performance affects the reliability of electrical power system greatly. With the implement of environment restriction from the European Union and the improving from 14V to 42V of the power supply in automo
5、bile, the requirement to the electrical contact materials for automobile relays will be more rigorous. Contact welding because of arc is the most serious failure phenomenon. Theoretic analyses for welding phenomena can give the guidance to the research and development of contact materials. The heat
6、and flow process during contact welding by arc is investigated by numerical method, and correlative factors which can affect the welding resistant ability of the AgMeO contact material are discussed. The axial symmetry model of cylindrical contact under arc is set up. The temperature distribution, v
7、elocity distribution and content distribution are calculated by the Finite Volume Method. The results show that the weld molten pool is on the local area of the contact and its size is small. The gradient of temperature distribution is on the order of 107K/m, and the rate of temperature change is on
8、 the order of 107K/s. Changes the thermal conductivity、 heat capacity、decomposition temperature or decomposition enthalpy of the MeO phases give little benefit to improve the welding resistant ability of the AgMeO contact material. The fluid flow in weld pool is mainly driven by surface tension. The
9、 effect of the flow driven by electromagnetic force and buoyancy force is weak. The negative value of surface tension temperature coefficient causes near surface fluid moving from the centre to the periphery, the shape of the pool become shallow and wide. The positive value of surface tension temper
10、ature coefficient for causing near surface fluid moving from the periphery to the centre results in a very deep pool. The content of the MeO on the surface of the contact increases because of the fluid flow. The bigger size of the MeO particle is, the more obvious the segregation is. The segregation
11、 of MeO on the contact surface increases the welding area and decreases the welding strength of the contact material. Adding some appropriate element in contact material may be an efficient means to improve the welding resistant ability. By the additive, the arc duration can be shorter and 华 中 科 技 大
12、 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - III - the arc can be more dispersed on the electrical contact. The additive which changes the surface tension temperature coefficient can make the weld pool shallow. An apparatus which simulates the contact action is designed to test the weld performance of th
13、e real electrical contact material. The movement of the contacts is controlled by electromagnet and springs. The contact force can be adjusted and the welding force can be measured. It is easy to assemble and disassemble the contacts. Key Words: AgMeO contact; arc welding; molten pool flow; numerica
14、l analyses; additive element 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人
15、授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 1 - 1 绪绪 论论 1.1 课题背景及研究意义 电接触学(Science of Electric Contacts)是专门研究电子连接中固态导体与固态导 体、固态导体与液态导体、固态或液态导体与等离子体接
16、触过渡区的机械现象、电现 象、热现象、化学现象的一个专门学科1。电接触这一概念，用以描述两个组件因带 电接触而产生的一种状态2。这种组件则称为触头。 电触头是开关、继电器、接触器等电器设备的关键元件之一, 其功能是接通和切 断电流。触头材料则是影响开关电器触头系统工作可靠性的关键因素。在继电器的使 用中，约 70%以上的故障发生在触点。现代化的大型机电系统中包含的触点数目常在 数十万以上， 如果其中的一个或几个工作失效， 则将导致整个系统工作紊乱甚至瘫痪， 造成的后果将无法估量3。 图图 1.1 银基触头铆钉 汽车继电器是指专门应用于汽车电器控制的继电器，它广泛用于控制汽车启动、 预热、空调、灯光、雨刮、电喷、油泵、防盗、音响、导航、电动风扇、冷却风扇、 电动门窗、 安全气囊、 防抱死制动、 悬架控制以及汽车电子仪表和故障诊断等系统中。 汽车继电器的销售额约占继电器总销售额的 18.4%。 据调查，每辆货车平均用 7 只继电器，轿车平均用 15 只继电器（一些高级轿车用 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科
