直流继电器是电动汽车等直流配电、控制系统中完成执行、切换及保护等功能的关键元器件。熔焊（也被称为粘接）造成触点拒动作是直流继电器最严重的失效模式之一,逐渐成为制约相关产品向高可靠、长寿命及大容量方向发展的瓶颈。熔焊形成的物理过程复杂,并伴随有液桥、熔池及金属液滴溅射等现象,动、静熔焊之间的存在一定的差异,且熔焊具有突发性和随机性的特点。现有的熔池及金属液滴溅射模型只适用于真空电弧,不能直接应用于继电器中常压气氛的分析;已有的液桥模型在金属熔化变形的处理问题上存在不足;目前国内外关于触点动、静熔焊物理过程建模仿真的研究还相对较少。以上问题导致对继电器触点熔焊的认识尚不够完善清晰,无法为触点材料抗熔焊性能评价和继电器进一步优化设计提供有效的理论依据。本文针对直流继电器触点熔焊过程中的共性关键问题,分别建立触点接触区域熔化变形、直流电弧及其作用下熔池-液滴溅射行为的仿真模型和基于温升-熔化-凝固过程的统一分析模型,运用数值计算和实验测量结合的方法,从微观和宏观两个角度分别对继电器触点静熔焊和动熔焊进行研究。首先,针对触点静熔焊形成过程中微观接触区域熔化变形问题,建立了基于流体力学方程和电场方程的金属液桥数学模型,充分考虑负载电流焦耳热作用下金属材料的熔化相变及液态金属的变形问题。对金属液桥形成过程中温度场、电流密度分布和熔化时间等参数进行了仿真计算,实现了金属液桥熔化变形过程微观影响因素的定量分析。基于力学-电场-传热-层流多物理场耦合建立直流继电器触点电接触过程的数学模型,提出了等效动力粘度函数简化处理金属软化变形问题分析方法,通过固体力学有限元仿真计算初始接触半径。接触区域的电流密度分布形成了“环状”焦耳热源,进而产生的中心较薄、边缘较厚液态金属层将构成静熔焊核心区域,而触点接触区域边缘的金属将熔化、软化变形堆积发展为静熔焊的非核心区域;触点接触区域边缘的局部温度梯度分布相对较为集中;有效熔焊区域形成的时间随着触点压力的减小而相应缩短;继电器触点接触区域熔化部分的最大轴向深度随初始接触半径、负载电流的增大而相应增大。其次,围绕直流继电器触点动熔焊过程中的电弧、熔池及液滴溅射等问题,建立了直流继电器电弧的磁流体动力学模型,研究了基于电弧温度场分布、电流密度分布及电弧电压曲线等参数的电弧停滞、电弧运动与电弧重击穿的机理及物理特性,分析了磁场强度、触点速度和电压电流等因素对电弧特性的影响规律。在电弧仿真的基础上,建立了直流电弧作用下熔池及液滴溅射的二维轴对称流体力学模型,采用移动网格和自动重新剖分网格结合的方法解决了液态金属变形的问题。仿真结果表明,电弧斑点压力的增加导致金属液滴溅射角度的降低,电弧热流密度的增加则带来溅射角度的扩大,电弧斑点压力较电弧热流密度对熔池液态金属溅射角度的影响较小;基于仿真计算结果,提出了电弧斑点压力空间分布决定熔池内金属液滴中心溅射和边缘溅射的物理解释。再次,针对直流继电器触点熔焊过程中液态金属凝固这一关键共性问题,采用等效热容法处理相变过程中潜热问题,通过非等温流体与传热耦合建模,分别计算了触点之间微观液态金属和熔池-溅射液滴的等效液态金属的凝固相变降温过程。获得了触点之间等效液态金属凝固相变过程中温度分布,并通过固相分数显示液相与固相之间的渐变过渡。随着触点之间微观液态金属长度的增加,凝固相变的时间反而缩短;初始温度越高,凝固所需的时间也相应增加;随着液态金属厚度的增加,凝固时间将小幅缩短;等效熔焊区域Von Mises应力随着凝固后等效液态金属厚度的增大而变大,其沿轴向分布的非均匀性随着厚度的增大而变得越发明显。最后,计算了直流继电器触点静熔焊力、临界静熔焊电流,基于电弧能量推导并计算了不同条件下的触点动熔焊力,并分析了宏观熔焊截面与微观熔焊斑点之间的关系;搭建了直流继电器触点熔焊特性实验测量系统,实现了直流继电器静熔焊、弹跳电弧、闭合动熔焊的模拟实验。实验结果表明,触点材料的抗静熔焊能力自高到低的顺序是Ag>Cu>AgNi>AgSnO₂>AgSnO₂ln₂O₃;静熔焊力的平均值和随机性均随负载电流的增加而变大。动、静熔焊的熔焊面均随着负载电流的增大而扩大;提高触点的预压力有利于降低弹跳的发生概率和动熔焊力;闭合速度增加会延长触点弹跳时间,进而导致动熔焊力增大。本研究对于完善电弧电接触基础理论具有重要意义,同时还可为触点熔焊机理和失效模式的分析、触点材料抗熔焊性能评价以及直流继电器高可靠、长寿命设计提供依据,此外对于智能电表用磁保持继电器、高电压等级直流大功率继电器等在耐短路电流冲击、抗熔焊能力优化设计也具有一定的实用价值。