TD31触头脱焊问题原因分析

李启孝苟娇娇李一丹宿明超王涛

【摘要】：本文针对TD31型真空灭弧室在生产过程中出现触头脱焊的问题，利用“质量问题技术归零”理念，通过理论分析与问题复现试验相结合，对加工工艺进行摸索排查，确定造成触头脱焊的原因并提出相应的纠正预防措施。

【关键字】：真空灭弧室；触头；脱焊；老炼

1引言

目前行业内真空灭弧室焊接工艺普遍采用真空钎焊炉进行“一次封排”。所谓的“一次封排”就是先把灭弧室的零件组装（钎焊）成部件，如动管芯、静管芯等，然后按封排的灭弧室图纸装配成整管在高真空炉中钎焊、零件去气，降温过程中各焊缝被密封[1]，实现真空灭弧室“一次封排”。本文针对TD31型真空灭弧室在生产过程中出现触头脱焊的问题，排查各加工过程，应用“质量问题技术归零[2]”的理念，“定位准确、机理清楚、问题复现、措施有效、举一反三”的要求，以杜绝问题重复发生。

2问题引出

2016年11月二次老炼时出现1只TD31型灭弧室高压加不上并且灭弧室内部异常响动。外观检查发现动静导电杆（包括螺纹孔）表面严重氧化。经过X光检测和解剖分析，发现灭弧室内部异常响动的原因是动管芯触头脱焊（如图2.1所示），但触头座六瓣及触头片六瓣焊接部位均有焊料。

图2.1触头脱焊

3问题定位

首先对整管灭弧室加工流程进行梳理，找出能造成该不合格特征的异常环节或工序，。其中TD31灭弧室加工工艺流程如下：部件钎焊→一次封排→一次老炼→真空度测试→二次老炼（发现问题工步）

通过灭弧室加工工艺流程梳理，结合解剖后实物分析，认为焊料的二次融化是造成触头脱焊的主要原因，其中能够造成焊料二次融化的可疑工步：“装配”过程中真空炉温度过高造成焊料二次融化；老炼、真空度检测、镀银时因通电流造成灭弧室发热，以致温度高于焊料的二次融化温度。

其次对每个加工工步进行分析，做到“精确定位”或缩小可疑工步范围：

①进行二次老炼时（每槽n只），开始加压时便出现高压加工不上问题，随后对该槽n只整管进行剔除，将问题产品剔除出来。检查整管及模具，外观无异常，模具位置也正常，因此排除二次老炼过程中造成的触头脱焊问题。

②真空度测试时动静触头拉开的一定距离，当动端施加高压时，灭弧室内部漏电流较小，且测试时间短，因此灭弧室发热小，实际生产过程中经过真空度测试后的灭弧室不会表现出发热的现象，因此不会造成焊料二次融化。

③“一次封排”时由于整管钎焊工艺温度虽然低于部件钎焊温度，但真空炉内不同位置存在温度梯度的问题，因此整管焊接过程中局部位置可能存在温度较高导致焊料二次融化使得触头脱焊。对同一真空炉其它产品100%全部进行X光检测以及对该真空炉进行检测均未发现异常。利用动管芯在该真空炉内进行模拟试验，未出现动触头脱焊的问题。

④一次老炼时动静触头拉开到额定开距，当动端施加高压时，灭弧室内部漏电流大，且老炼工艺时间一般较长，因此灭弧室存在发热的问题，实际生产过程中也会遇到经过老炼后灭弧室发热的现象（尤其在拉开距离较小的情况下），因此一次老炼工序是导致触头脱焊的可疑工步。

经过质量记录追溯、现场情况的了解、结合实践进行初步分析，将产生问题的可疑工步锁定在一次老炼工序。

4问题复现

为确保质量问题定位的准确性，进行复现试验。利用外观不合格但真空度合格的整管进行老炼验证试验。试验方案结果如下：

注：1）H1＜H2＜H3＜H额；U1＜U2＜U额；

2）H额表示老炼额定开距；U额表示老炼额定电压；

灭弧室外观以及内部零件状态、脱焊现象均与出现问题时的特征相同（如图2所示）。通过复现试验说明老炼过程中当开距不足（H3＜H额）时，老炼电压又能施加到工艺要求值，此时变压器原边电流较大，会造成灭弧室动管芯触头与触头座之间焊料二次融化，导致触头脱焊。

图2复现试验整管解剖情况

5机理分析

5.1理论推导：

灭弧室在小开距高电压情况下老炼时，因老炼产生的热量为：

Q=I²Rt5-1

式中：

I表示老炼时真空灭弧室上通过的电流；

R表示线路中回路电阻，小开距高电压情况下，因触头之间放电产生电弧，回路电阻非“零”非“无穷大”；

t表示老炼时间。

其中：R=U/I-r5-2

I=n1/n2*I05-3

U表示变压器输出电压（老炼电压）

r表示限流电阻；

I0表示变压器原边电流。

结合公式5-1、5-2、5-3得出：

Q=(n1/n2*I0)²*（U/I0*n2/n1-r）*t5-4

根据热力学计算公式，真空灭弧室发热吸收的热量为：

Q=cm△T=cm（T-T0）=(c1m1a%+c2m2b%+……)（T-T0）[3]5-5

式中：

c表示材料比热容；

m表示质量，对于真空灭弧室，主要为触头电极部分质量；

c1、c2表示电极部分不同材料的比热容；

m1、m2表示电极部分不同材料的质量；

a%、b%表示电极部分不同材料的质量占比；

△T表示变化的温度；

T表示真空灭弧室经过老炼吸热后的温度；

T0表示真空灭弧室老炼之前初始温度。

根据能量守恒定律，结合公式5-4、5-5得出：

(n1/n2*I0)²*（U/I0*n2/n1-r）*t=cm（T-T0）=(c1m1a%+c2m2b%+……)（T-T0）5-6

根据公式5-6可求出老炼后灭弧室电极发热后升高的温度。

T=[(n1/n2*I0)²*（U/I0*n2/n1-r）*t]/(c1m1a%+c2m2b%+……)+T05-7

5.2实例计算：

以复现试验中使用的老炼设备为例：

变压器原边电流为I0，变压器原边与次级变比n1/n2，老炼电压为U，变压器限流电阻为r，老炼时间为t，初始温度T0。

以实际TD31灭弧室测量数据代入上述公式5-7计算得出：T=1180℃

即通过老炼后可使TD31真空灭弧室电极温度升高到1180℃，该温度下能够造成焊缝处的焊料二次融化后脱焊。

6结束语

通过试验验证表明，真空灭弧室老炼过程中开距较小的情况下，也会造成灭弧室发热，甚至出现触头脱焊的问题，因此需要对涉及工艺参数进行严格控制，既要保证老炼效果，又要避免产生导电杆发热氧化甚至触头脱焊的不合格特征。

参考文献:

[1]李建基真空灭弧室制造技术的进步2005

[2]周新红质量问题技术归零方法的应用与实践2015

[3]王竹溪热力学2005