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电老化工艺对热双金属元件的稳定性分析
（德力西电气有限公司上海分公司，上海 201812）鲁礼骏 靳海富 肖裕文
摘要：本文阐述了低压电器中的热双金属元件的电老化工艺对其稳定性的分析，研究了热双金属元件及组元随着电老化次数的增加，热双金属元件逐渐趋于稳定状态。通过热双金属元件的工作端初始位置变化的分析，确定其达到稳定状态所需电老化的次数及相关工艺参数。
关键词：热双金属元件；电老化；残余应力；稳定性

The analysis of electrical aging process of thermal bimetal element on its stability
（Delixi Electric Co., LTD.Shanghai Branch , Shanghai 201812）Lu Lijun, Jin Haifu, Xiao yuwen

Abstract: This paper describes the analysis of electrical aging process in low voltage electric apparatus of thermal bimetal element on its stability. And with the increase of the number of electrical aging, thermal bimetal element working end of initial position of the steady state. Analyzing the change of working end of the initial position of thermal bimetal element , determine the required to reach the steady state electrical frequency and parameters of aging.
Key words: thermal bimetal element; electrical aging; residual stress; stability

1 引言
热双金属元件是由两种或多种不同膨胀系数的金属或合金复合在一起组成的具有随温度变化而发生形状变化的复合功能材料[1]。这种材料广泛应用于低压电器产品上，如塑壳式断路器、热过载继电器等。热双金属元件在加工成形的过程中会产生较大的残余应力，在元件焊接、铆接过程中也会产生残余应力，这些应力是造成热双金属元件工作不稳定的原因之一[1]。热双金属元件在使用前需对其残余应力消除处理。本文主要阐述采用电老化工艺对热双金属元件的稳定性分析。
2 控制热双金属元件的稳定性的意义
稳定性是指热双金属元件在长期应用中，性能是否保持稳定，元件工作端的移动轨迹是否重复。热双金属元件在使用过程中，经常呈现这样一种现象：当使用较长一段时间或静止放置一段时间，条形热双金属元件的工作端在电器产品中不能回复到原来位置。工程技术称之为零点漂移。元件出现零点漂移就会直接影响产品长延时热过载保护功能的准确性，而其主要原因是元件的不稳定性所致[2]。
为了尽可能的避免热双金属元件在使用过程中出现零点漂移现象，在使用前，需对元件进行稳定性处理，尽可能的消除热双金属元件的残余应力[3]。

3 试验材料和方法
电老化是消除热双金属元件的残余应力的一种稳定性处理工艺方法，对热双金属元件通以几倍额定工作电流，消除其在加工过程中的残余应力[4]。
试验材料以某型号的热过载继电器为例，试验环境温度为室温20℃，热双金属元件牌号为5J1578，将焊接完好的热双金属元件装配在产品上，并紧固热双金属元件的焊接支架。热过载继电器的三相热双金属元件阻值相同。调节焊接支架，确保三相热双金属元件保持图1中初始位置。此方法通常称为零位调整，即热双金属元件经过加工装配后，需进行元件工作端零位调整。X为第一热双金属元件顶端到基准面的水平距离。Y为第二热双金属元件顶端到基准面的距离，Z为第三热双金属元件顶端到基准面的距离。测量X、Y、Z、值，分别记录X1、Y1、Z1数值。然后对产品的三相热双金属元件通10倍（电流倍数可根据额定电流大小确定，若额定电流较大，可适当降低通电电流倍数、或通电时间，避免热双金属元件烧坏）的额定电流3秒，自然冷却4小时后，再按照图示，测量X、Y、Z值，分别记录为X2、Y2、Z2值。依次循环操作电老化次数11次。注意每次间隔时间保持4小时，记录数值是在热双金属元件达到冷却状态下进行的。数据记录如表1、表2、表3所示。

图1产品结构简图

表1：X值与电老化次数的关系表
电老化序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
X值（mm）
7.22
6.98
7.12
7.22
7.12
7.18
7.10
7.14
7.18
7.10
7.18
7.14

表2：Y值与电老化次数的关系表
电老化序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Y值（mm）
21.68
21.54
21.66
21.54
21.58
21.64
21.56
21.60
21.62
21.58
21.64
21.60

表3：Z值与电老化次数的关系表
电老化序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Z值（mm）
36.22
36.46
36.28
36.40
36.32
36.38
36.40
36.36
36.30
36.32
36.36
36.30
对试验数据进行整理，用波形图来表示X、Y、Z值与电老化次数的关系，如图2、图3、图4。

图2 X值与电老化次数的波形图

图3 Y值与电老化次数的波形图

图4 Z值与电老化次数的波形图
4 试验结果
从图2、图3、图4中波形图可知，随着对热双金属元件的电老化次数的增加，热双金属元件冷却到常温时，其工作端位置波动幅度趋缓。即元件工作端经过多次大电流冲击后，基本趋于稳定。
从表1、表2、表3中分别计算出ΔX1=X2-X1、ΔY1=Y2-Y0、ΔZ1=Z2-Z1……记录如下表：
表4 ΔX值随电老化次数的变化
X值
ΔX1
ΔX2
ΔX3
ΔX4
ΔX5
ΔX6
ΔX7
ΔX8
ΔX9
ΔX10
ΔX11
变化量/mm
－0.24
＋0.14
＋0.10
－0.10
＋0.06
－0.08
＋0.04
＋0.04
－0.08
＋
0.08
－0.04

表5 ΔY值随电老化次数的变化
Y值
ΔY1
ΔY2
ΔY3
ΔY4
ΔY5
ΔY6
ΔY7
ΔY8
ΔY9
ΔY10
ΔY11
变化量/mm
－0.16
＋0.12
－0.12
＋0.04
＋0.06
－0.08
＋0.04
＋0.02
－0.04
＋
0.06
－0.04

表6 ΔZ值随电老化次数的变化
Z值
ΔZ1
ΔZ2
ΔZ3
ΔZ4
ΔZ5
ΔZ6
ΔZ7
ΔZ8
ΔZ9
ΔZ10
ΔZ11
变化量/mm
＋0.24
－0.18
＋0.12
－0.08
＋0.06
＋0.02
－0.04
－0.06
＋0.02
＋
0.04
－0.04

5 讨论分析
表4、表5、表6中可以得出，ΔX1、ΔY1、ΔZ1数据较大，说明第1次电老化前后，热双金属元件工作端起始位置变化较大，此时热双金属的残余应力部分被消除。表中的ΔX1~ΔX4≥0.1mm、ΔY1~ΔY3＞0.1mm、ΔZ1~ΔZ3＞0.1mm,而ΔX5~ΔX11、ΔY4~ΔY11、ΔZ4~ΔZ11均小于0.1mm，根据热过载继电器三相冷态同步调整的经验，三相热双金属元件冷态初始位置公差范围±0.05mm，即热双金属工作端位置波动范围为0.1mm，所以，从上述表4、5、6分析，电老化3~4,次后，热双金属元件趋于稳定状态。
低压电器的电老化后，三相热双金属元件工作端的间距发生改变，如表4、表5、表6，前3~4次电老化过程中，元件工作端位置老化前后变化较大，需对电老化后的热双金属元件的焊接支架进行零位调整，使元件工作端原始行为状态一致[5]。提高元件在受热时弯曲挠度的一致性、稳定性。

6 结语
本文通过数据阐述了热双金属元件随着电老化次数的增加，热双金属元件逐渐趋于稳定的特性。同时通过热双金属元件的工作端初始位置变化的分析，确定其达到稳定状态所需电老化的次数及相关工艺参数。使用该方法可以提高低压电器的延时动作特性的稳定性和制造合格率。为了提高电老化的工作效率，可以在加工过程中，降低热双金属冷却时间。

参考文献：
[1] 霍志文. 双金属在低压电器的设计应用及常见问题分析[J]，电工材料，2009(1)：31-36.
[2] 朱民达. 热双金属元件的稳定性[J]，低压电器 1995 (1)：50.
[3] 文玉华，倪华，严密，张忠民. 热双金属残余应力的电阻分析[J]， 金属热处理 2004，29(7)：66.
[4] 周茂祥 低压电器设计手册[M]，北京：机械工业出版社，1992.
[5] 朱民达 条形双金属元件的一致性[J]，低压电器 1993(1)：31.

作者简介：
鲁礼骏（男，1983-），工程师 主要从事低压电器的技术工作。
靳海富（男，1979-），工程师 主要从事低压电器的研究和管理工作。
肖裕文（男，1988-），工程师 主要从事低压电器的技术工作。