Badanie wydajności spawania grafitowego materiału kontaktowego impregnowanego srebrem

Przekaźniki sygnału kolejowego to specjalne przełączniki służące do zamykania lub otwierania obwodów sterowania sygnałem. Są jednym z kluczowych elementów wyposażenia systemu kolejowego. Dlatego żywotność elektryczna i niezawodność produktów przekaźnikowych zawsze były gorącym tematem dla projektantów i użytkowników. Naukowcy przeprowadzili wiele badań nad mechanizmem awarii przekaźników. Zgodnie z zastosowaniami przemysłowymi i statystykami testów stwierdzono, że spawanie materiału stykowego powstające podczas operacji przełączania jest jednym z głównych trybów awarii.

SolidnyMiedziane stykisą jednymi z najważniejszych elementów układu styków przekaźnika, więc ich działanie zapobiegające spawaniu bezpośrednio wpływa na niezawodność i żywotność przekaźnika. Spawanie materiału stykowego odnosi się do zjawiska polegającego na tym, że materiał stykowy dwóch biegunów jest szybko nagrzewany i topiony lokalnie pod działaniem źródła ciepła, a następnie szybko schładzany i zestalony, aby połączyć dwa bieguny w jeden i nie można go rozdzielić za pomocą zewnętrznego przywracania siła. Ogólnie dzieli się je na spawanie statyczne i spawanie dynamiczne. Zgrzewanie statyczne spowodowane jest działaniem termicznym prądu podczas zamykania styku. W rzeczywistej pracy jest to niezwykle rzadkie. Główną przyczyną uszkodzeń styków jest dynamiczne zjawisko spawania, w którym materiały styków są ze sobą zgrzewane pod wpływem ciepła generowanego przez wyładowanie łukowe podczas procesu zamykania lub rozłączania.

Łuk powstający w momencie przerwania obwodu przez styk jest kluczem do rozpoczęcia spawania dynamicznego. Energia łuku powoduje częściowe stopienie materiału stykowego, tworząc obszar stopiony, a następnie szybkie zestalenie stopionego obszaru może spowodować utworzenie spoiny na części stykowej styku. Gdy siła zgrzewania będzie większa od siły zrywającej, powstanie dynamiczne zgrzewanie materiału stykowego. Powszechnie uważa się, że im większa jest siła zgrzewania materiału stykowego, tym gorsza jest jego odporność na zgrzewanie. W pewnych warunkach stosowania odporność materiału stykowego na spawanie jest ściśle związana z jego składem, strukturą, rezystywnością, przewodnością cieplną i innymi właściwościami. Z jednej strony wpływa na powstawanie i intensywność łuku, z drugiej strony wpływa na proces spawania i wielkość siły spawania.

Naukowcy przeprowadzili szeroko zakrojone i dogłębne badania nad zachowaniem podczas spawania materiałów kontaktowych z tlenku srebra i metalu, takich jak AgCdO, AgSnO2 i AgCuO, a także zaproponowali modele i teorie spawania. Główną ideą konstrukcyjną tego typu materiału jest to, że srebro pełni rolę fazy przewodzącej prąd, przewodząc prąd i ciepło, a faza nierozpuszczalna, taka jak tlenek, działa jako stabilizator zwiększający lepkość fazy stopionej lub jako środek rozkładający zużywać energię łuku. Jednak wraz ze wzrostem mocy nowe przekaźniki stawiają wyższe wymagania dotyczące właściwości zapobiegających spawaniu materiałów stykowych. Tradycyjne materiały kontaktowe nie są już w stanie spełniać tych wymagań, a grafitowe materiały kontaktowe impregnowane srebrem cieszą się coraz większym zainteresowaniem ze względu na ich doskonałe właściwości. Grafitowe materiały kontaktowe impregnowane srebrem zazwyczaj obejmują srebro impregnowane w szkielecie grafitowym jako fazę przewodzącą prąd, a grafit jako faza trudna do rozpuszczenia może zarówno ograniczać wielkość jeziorka stopionego, jak i zużywać energię łuku. Jednakże badania nad materiałami kontaktowymi z grafitu impregnowanego srebrem nie są dogłębne, szczególnie rzadko opisuje się badania ich zachowania podczas spawania. Dlatego w tym badaniu wykorzystano urządzenie do testowania spawania w celu zbadania dynamicznego zachowania podczas spawania czterech grafitowych materiałów stykowych impregnowanych srebrem przy różnych prądach i napięciach, a także systematycznie obserwowano i scharakteryzowano morfologię powierzchni i mikrostrukturę styków. W drodze analizy porównawczej wybrano grafitowe materiały stykowe impregnowane srebrem o doskonałych właściwościach zapobiegających spawaniu.

1.1 Charakterystyka właściwości użytkowych i strukturalnych grafitowych materiałów kontaktowych impregnowanych srebrem
Seria grafitów elektrycznych impregnowanych srebremNity miedzianeMateriały przygotowano metodą prasowania izostatycznego na gorąco z wykorzystaniem osnowy grafitowej o różnej porowatości i strukturze porów. Wskaźniki wydajności materiałów przedstawiono w tabeli 1. Mikrostrukturę materiałów kontaktowych z grafitu impregnowanego srebrem oraz morfologię powierzchni po teście wydajności zgrzewania obserwowano i scharakteryzowano za pomocą mikroskopu metalograficznego i skaningowego mikroskopu elektronowego.

1.2 Test wydajności spawania i zbieranie danych
Cztery rodzaje grafitowych materiałów kontaktowych impregnowanych srebrem zostały przetworzone na styki statyczne o powierzchni roboczej 3,5 mm × 4,1 mm. Dopasowano do nich elektryczne miedziane nity wykonane z metalicznego srebra. Wydajność spawania materiałów stykowych badano w warunkach prądu obciążenia od 80 A do 100 A i odpowiadającego napięcia od 80 V do 100 V za pomocą urządzenia do badania siły zgrzewania opracowanego przez Harbin Institute of Technology (patrz rysunek 1). Podczas testu do każdego testu stosowano nowy styk, aby zapewnić, że powierzchnia styku znajdowała się w stanie wyjściowym. Sygnały napięcia, prądu i siły styku podczas procesu zwierania styków rejestrowano za pomocą wielokanałowego oscyloskopu KEYSIGHT DSOX3024T.

W urządzeniu testowym statyczna miedź elektrycznaStyki nitowesą zamocowane na uchwycie obrotowym, a uchwyt obrotowy jest przymocowany do ruchomego końca czujnika siły poprzez gniazdo izolacyjne. Statyczny koniec czujnika siły jest zamocowany na suwaku regulacyjnym, który może regulować położenie w kierunku płaskim poprzez gniazdo montażowe. Czujnik siły zbiera stan siły styku statycznego w celu uzyskania nacisku styku i siły zgrzewania. Stroik jest zamocowany na izolującym stałym gnieździe i opiera się na elektromagnesie napędowym, który popycha testowany styk statyczny, aby zakończyć działanie zamykające. Po wyłączeniu elektromagnesu sterującego jego rozłączenie opiera się na własnym resetowaniu sztywności. Ponieważ skok elektromagnesu napędowego jest stały, urządzenie to zmienia siłę styku między stykami, regulując położenie elektromagnesu napędowego. Podczas testu laserowy czujnik przemieszczenia służy do pomiaru przemieszczenia stroika w celu monitorowania skoku styku. Stałe końce powyższych części są przymocowane do podstawy, aby zapewnić stabilne położenie względne każdej części. Podczas testu elektromagnes najpierw zamyka styk ruchomy i styk statyczny pod obciążeniem z określoną prędkością, następnie odcina zasilanie obciążenia i przesuwa czujnik siły, aby wyregulować suwak w celu powolnego oddzielania zamkniętych styków.

Krzywą zmiany siły kontaktowej podczas procesu rozdzielania styków przedstawiono na rysunku 2. Styki znajdujące się w stanie wyjściowym w stanie zamkniętym utrzymują kontakt pod określonym ciśnieniem; w miarę przesuwania się suwaka siła kontaktowa stopniowo maleje od punktu B i maleje do 0 w punkcie E, a styki ruchome i statyczne zaczynają się rozdzielać; jeśli między stykami nie ma spawania, styki zostaną bezpośrednio rozdzielone, a siła styku wyniesie 0. Jeśli pomiędzy stykami nastąpi spawanie, siła styku będzie nadal spadać, a siła działająca na styk statyczny zmieni się z nacisku na rozciąganie; punkt W jest pozycją, w której styki zespawane zaczynają się rozdzielać, a wartość napięcia w tym momencie osiąga maksimum; wówczas powierzchnia zgrzewania styku ulega szybkiemu rozerwaniu, siła zgrzewania gwałtownie maleje i zostaje całkowicie oddzielona w punkcie S. Podczas całego procesu zrywania zgrzewania różnica pomiędzy minimalną dynamiczną siłą styku przed stykami ruchomymi i statycznymi nie stykają się (punkt W), a dynamiczna siła styku po rozłączeniu (punkt S) jest maksymalną siłą zgrzewania po zespawaniu materiału styku.

2.1 Mikrostruktura grafitowych materiałów stykowych impregnowanych srebrem
Metalograficzna fotografia grafitu impregnowanego srebrem Copper SilverSkontaktuj się z Nitemmateriał pokazano na rysunku 3, gdzie jasny biały obszar to metaliczne srebro, a szaro-czarny obszar to grafitowa matryca. Proces impregnacji srebrem poprzez prasowanie izostatyczne na gorąco może całkowicie wypełnić pory matrycy grafitowej metalicznym srebrem i utworzyć przypominającą sieć, połączoną strukturę metalicznego srebra. Jednakże, ze względu na różnice w strukturze porów i porowatości osnowy grafitowej, mikrostruktury czterech grafitowych materiałów stykowych impregnowanych srebrem różnią się znacząco: wielkość porów osnowy grafitowej materiału AgC (30) jest stosunkowo jednolita, a wielkość obszaru metalicznego srebra wynosi około dziesiątek mikronów; w materiale AgC (40) występują duże obszary metalicznego srebra, większe niż 100 µm; a w materiałach AgC (50) i AgC (60) występuje wiele obszarów metalicznego srebra o wielkości mniejszej niż 10 µm.

Różnica w mikrostrukturze grafitowych materiałów stykowych impregnowanych srebrem jest kluczem do różnic w ich wydajności. W szczególności wraz ze wzrostem zawartości węgla AgC(60) osiąga ponad 16-krotność AgC(30), co jest związane ze spadkiem zawartości metalicznego srebra jako fazy przewodzącej prąd. Jednakże właściwości przewodzące materiału nie mają jednakowo proporcjonalnego związku z zawartością metalicznego srebra. Dlatego właściwości przewodzące grafitowego materiału kontaktowego impregnowanego srebrem są wynikiem synergistycznego działania metalicznego srebra i grafitu i są ściśle powiązane z właściwościami przewodzącymi i strukturą porów materiału grafitowego.

2.2 Właściwości spawalnicze grafitowych materiałów kontaktowych impregnowanych srebrem
Zmianę siły zgrzewania materiałów stykowych z grafitu impregnowanego srebrem pod wpływem prądu przedstawiono na rysunku 4. Jak widać z rysunku 4, gdy prąd jest mniejszy niż 80 A, pomiędzy punktami styku nie występuje zjawisko zgrzewania z czterech materiałów kontaktowych. Gdy prąd wzrośnie do 90 A, AgC(60) wykazuje zjawisko zgrzewania przy sile zgrzewania 0,8×10-3 N. Gdy prąd osiąga 95 A, wszystkie cztery materiały stykowe wykazują zjawisko zgrzewania, ale siła zgrzewania zmienia się wielkości i jest ułożony stopniowo. Gdy prąd wzrośnie do 100 A, siła spawania AgC30 osiągnie 1,5×10-3 N, natomiast siła spawania AgC(60) wzrośnie do 6,61×10-3 N.

Rysunek 5 przedstawia morfologię powierzchni czterech styków elektrycznych z miedzi grafitowej impregnowanej srebrem po spawaniu przy prądzie 100 A. Jak widać na rysunku 5, obszar erozji łukowej wszystkich materiałów jest czarny w środku i biały na krawędzi, ale wielkość i mikrostruktura obszaru erozji różnych materiałów są różne. Powierzchnia powierzchni AgC (30) erodowanej łukiem jest najmniejsza i ma średnicę około 0,943 mm. Krawędź to cząstki srebra utworzone przez metaliczne srebro w obszarze centralnym, topiące się pod działaniem łuku i rozpylające wokół punktu styku podczas procesu zgrzewania dynamicznego. Wraz ze spadkiem zawartości Ag wielkość napylonych cząstek srebra stopniowo maleje. Obszar erozji wtórnej zaczyna pojawiać się w środku obszaru erozji łukowej AgC (50). Wtórny obszar erozji na powierzchni AgC (60) jest bardziej wyraźny i rozwija się do wnętrza materiału. Świadczy to o tym, że podczas procesu zgrzewania dynamicznego, czyli procesu zgrzewania dynamicznego z odbiciami, występowały zjawiska erozji łukowej.

Siła zgrzewania jest proporcjonalna do pola przekroju poprzecznego srebra metalicznego, które topi się w materiale i łączy ze sobą podczas procesu chłodzenia. Wraz ze wzrostem prądu zwiększa się obszar erozji łukowej i wzrasta zawartość stopionego srebra w tym obszarze. Dlatego zwiększa się również powierzchnia przekroju poprzecznego srebra metalicznego, które łączy się ze sobą podczas procesu chłodzenia, a także odpowiednio zwiększa się siła zgrzewania. Jednakże powstawanie i wytrzymałość łuku są ściśle powiązane z mikrostrukturą i właściwościami materiału. Zwiększona przewodność zwiększy napięcie generowane przez łuk. Zatem w warunkach napięcia 90 V odpowiadającego 90 A, jedynie AgC (60) o największej rezystancji występuje zjawisko spawania. Efekt wielkości grafitu oddzielającego metaliczne srebro może wpływać na rozkład łuku na powierzchni styku. Jednocześnie efekt oczyszczania powodowany przez CO2 powstający w wyniku utleniania grafitu może wpływać na rozkład łuku i zmniejszać jego intensywność. Połączony wpływ tych dwóch efektów na rozkład i wytrzymałość łuku wraz z przewodnością cieplną materiału wymaga dalszych, systematycznych badań. Aktualne wyniki badań pokazują, że zmniejszenie porowatości i wielkości porów grafitu nie poprawia właściwości przeciwspawalnych. Gdy udział masowy srebra jest mniejszy niż 40%, a wielkość porów jest mniejsza niż 10 μm, zjawisko spawania będzie zachodzić w warunkach niższego prądu, a siła spawania wzrośnie ponad 3 razy.

Według badań literaturowych siła zgrzewania materiału stykowego AgCuO wynosi od {{0}},2 N do 0,4 N przy napięciu 12 V i prądzie od 10 A do 25 A. Dynamiczna siła zgrzewania grafitowego, miedziano-srebrnego styku do przełącznika testowanego w tych warunkach eksperymentalnych wynosi w całości poniżej 0,01 N, czyli o 2 rzędy wielkości mniej niż siła zgrzewania tradycyjnego materiału stykowego AgMeO. Dlatego w porównaniu z materiałem stykowym AgMeO, grafitowy materiał stykowy impregnowany srebrem ma wyższy początkowy prąd spawania i wyjątkowo niską siłę spawania, a także jest materiałem stykowym elektrycznym o doskonałych właściwościach zapobiegających spawaniu. Analiza porównawcza siły spawania i morfologii obszaru erozji łukowej pokazuje, że AgC(30) ma najlepsze właściwości przeciwspawalnicze.

(1) Początkowy prąd spawania grafitowego materiału stykowego impregnowanego srebrem wynosi 90 A, a siła spawania jest mniejsza niż 0,01 N, co zapewnia doskonałe właściwości przeciwspawalnicze.
(2) W przypadku tego samego materiału kontaktowego z grafitu impregnowanego srebrem, wraz ze wzrostem prądu wzrasta siła spawania. Zmniejszenie prądu kontaktowego może zmniejszyć siłę spawania, poprawiając w ten sposób jego działanie przeciwspawalnicze.
(3) W przypadku różnych materiałów kontaktowych z grafitu impregnowanego srebrem siła zgrzewania wzrasta wraz ze wzrostem zawartości węgla, co jest ściśle związane ze strukturą i właściwościami osnowy grafitowej. W tym badaniu materiał AgC(30) ma najlepsze właściwości przeciwspawalne.

nasze produkty

Miedź elektrycznaStyki nitoweto produkt łączący o doskonałych parametrach. Po pierwsze, gwoździe miedziane są wykonane z wysokiej jakości czystej miedzi i charakteryzują się doskonałą przewodnością elektryczną i cieplną. W dziedzinie sprzętu elektronicznego, systemów elektrycznych itp. Pojedyncze gwoździe miedziane mogą zapewnić efektywne przesyłanie prądu i ciepła oraz zapewnić stabilną pracę sprzętu. Po drugie, gwoździe miedziane wykazują doskonałą odporność na korozję. Niezależnie od tego, czy znajdują się w wilgotnym środowisku, czy w kontakcie z różnymi chemikaliami, gwoździe miedziane mogą zachować stabilną wydajność, nie są łatwe do rdzewienia i uszkodzenia, a także znacznie wydłużają ich żywotność.

dowiedz się więcej