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冷熱沖擊試驗(yàn)研究

目前，各工程師在制定標(biāo)準(zhǔn)，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)時對于溫度變化類的試驗(yàn)有很多不同的見解，且此類試驗(yàn)名稱過多，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)了一些不恰當(dāng)?shù)氖褂梅椒?。本文特對溫度變化類試?yàn)進(jìn)行解讀，一方面對各類試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行分析，另一方面推薦使用合適的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目，以供各工程師參考使用。

溫度變化類試驗(yàn)項(xiàng)目有眾多名稱：溫度變化、溫度循環(huán)、溫度交變、快速溫變、溫度沖擊、冷熱沖擊、溫度梯度、分級溫度等名稱。且不同體系的標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)用的試驗(yàn)方法是不同的，如何區(qū)分這些試驗(yàn)項(xiàng)目，如何選擇試驗(yàn)項(xiàng)目，這需要對各類型試驗(yàn)的來源以及其區(qū)別進(jìn)行分析。

本文針對的試驗(yàn)項(xiàng)目是溫度變化類的，對于濕熱類，溫濕度循環(huán)等試驗(yàn)項(xiàng)目后續(xù)再以專題敘述。

1、 溫度變化試驗(yàn)

1.1 來源

各類標(biāo)準(zhǔn)中的溫度變化試驗(yàn)均來源于IEC 60068-2-14 試驗(yàn)方法N：溫度變化中的 Nb 。在特定溫度變率之溫度變化試驗(yàn)。

1.2  定義

溫度變化試驗(yàn)，為設(shè)置一定的溫度變化速率進(jìn)行高溫與低溫之間的轉(zhuǎn)變。故在實(shí)際應(yīng)用中有兩類：一類為慢速的溫度變化試驗(yàn)，其溫度變化速率＜3℃/min（一般各標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常選擇參數(shù)為1℃/min），也既一般應(yīng)用中的溫度變化、溫度循環(huán)、溫度交變試驗(yàn)（此三類為一種試驗(yàn)）；另一類為快速的溫度變化試驗(yàn)，其溫度變化速率≥3℃/min（一般各標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常選擇參數(shù)為3℃/min、4℃/min、5℃/min、7℃/min、10℃/min），也既一般應(yīng)用中的快速溫變試驗(yàn)。溫度變化速率越快，考核越嚴(yán)酷。

1.3  目的及應(yīng)用范圍

本試驗(yàn)適用于組件、裝備或其它產(chǎn)品。為產(chǎn)品模擬帶電工作時隨溫度的變化，如在系統(tǒng)/組件工作時快速改變周圍溫度。如果系統(tǒng)/組件處在熱浸透溫度（例如安裝在發(fā)動機(jī)上的系統(tǒng)/組件），高溫階段附加的短暫溫度峰值要確保產(chǎn)品在這期間的基本功能。為避免系統(tǒng)/組件內(nèi)的電熱擴(kuò)散抑制系統(tǒng)/組件達(dá)到低溫的效果，故在降溫階段將產(chǎn)品關(guān)閉。失效模式為溫度變化引起的電氣故障。 

注：本試驗(yàn)不是壽命試驗(yàn)。

1.4  試驗(yàn)方法及參數(shù)

1.4.1  溫度變化試驗(yàn)：

各類標(biāo)準(zhǔn)中建議采用ISO 16750-4  5.3.1 溫度變化試驗(yàn)，具體試驗(yàn)程序見圖1及圖2，圖1應(yīng)用于非發(fā)動機(jī)艙產(chǎn)品，圖2應(yīng)用于發(fā)動機(jī)艙中零部件，因?yàn)槠渚哂邪l(fā)動機(jī)熄火后的余熱考核，故在溫度變化中加入了極限高溫貯存的考核。

圖1溫度變化曲線

TOB：高溫極限工作溫度

TUB：低溫極限工作溫度

工作類別3.2： 使用13.5V帶電工作

圖2 有后續(xù)加熱的溫度變化曲線

TOB：高溫極限工作溫度

TUB：低溫極限工作溫度

TNH：發(fā)動機(jī)熄火后（停車），出現(xiàn)的最高環(huán)境溫度

工作類別3.2： 使用13.5V帶電工作

1.4.2  快速溫變試驗(yàn)：

目前發(fā)現(xiàn)部分企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中有此類項(xiàng)目，如GM3172 ，其具體試驗(yàn)方法參加圖3，此類試驗(yàn)屬于加速壽命試驗(yàn)方法，故一般不推薦應(yīng)用于認(rèn)證試驗(yàn)中。

圖3快速溫變曲線

1.5  差異及應(yīng)用分析

以上的兩項(xiàng)試驗(yàn)，推薦使用ISO 16750-4  5.3.1 溫度變化試驗(yàn)，由于其更能貼合日常中產(chǎn)品的使用情況，快速溫變試驗(yàn)適用于壽命加速試驗(yàn)，其具體的加速因子及方法，后續(xù)專稿論述。

1.6  重要參數(shù)解析

溫度變化試驗(yàn)的特點(diǎn)：產(chǎn)品在試驗(yàn)中工作、溫度變化的速率一定、循環(huán)數(shù)一般設(shè)置30個循環(huán)以內(nèi)、極限溫度值（因此項(xiàng)試驗(yàn)為工作+存儲類試驗(yàn)，故其極限值根據(jù)產(chǎn)品使用情況不同有兩種方案供選擇，具體看參見圖1，圖2）；此為產(chǎn)品性能考核試驗(yàn)（非壽命試驗(yàn)）。附表為一外部公司的推薦參數(shù)，以供大家參考。

表1  產(chǎn)品溫度變化試驗(yàn)參數(shù)推薦表

產(chǎn)品在極限溫度中的貯存時間參加表2 。

表2  產(chǎn)品重量與其溫度浸入時間的關(guān)系

從圖4和圖5可以看出，結(jié)構(gòu)比較簡單的元器件和含元器件、零部件較少的整機(jī)，一般選擇5次循環(huán)就可以了。結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所用元器件、零部件較多的整機(jī)選擇10次循環(huán)就可以將絕大部分故障原因暴露出來。為了設(shè)備、整機(jī)和儀器可靠性更高，有時也可能選擇20到30次循環(huán)。

圖4  不同設(shè)備循環(huán)的選擇

圖5  不同設(shè)備循環(huán)的選擇

2、 冷熱沖擊試驗(yàn)

2.1 來源

各類標(biāo)準(zhǔn)中的冷熱沖擊試驗(yàn)均來源于IEC 60068-2-14 試驗(yàn)方法N：溫度變化中的Na 。在特定時間內(nèi)快速溫度變化試驗(yàn)。

2.2  定義

在特定時間內(nèi)進(jìn)行快速溫度變化，轉(zhuǎn)換時間一般設(shè)定為手動2～3 分鐘，自動少于30 秒，小試件則少于10 秒。常用術(shù)語中的溫度沖擊試驗(yàn)也屬于冷熱沖擊試驗(yàn)。

2.3  目的及應(yīng)用范圍

    這是一個加速試驗(yàn)，模擬車輛中大量的慢溫度循環(huán)。對應(yīng)實(shí)際車輛溫度循環(huán)，用較快的溫度變化率及更寬的溫度變化范圍，加速是可行的。失效模式為因老化和不同的溫度膨脹系數(shù)導(dǎo)致的材料裂化或密封失效。本試驗(yàn)將導(dǎo)致機(jī)械缺陷（裂縫），不要求帶電工作。

2.4  試驗(yàn)方法及參數(shù)

2.4.1  冷熱沖擊試驗(yàn)（氣體）：

    有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種為手動轉(zhuǎn)換，將產(chǎn)品在高溫箱和低溫箱之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換；另一種為沖擊試驗(yàn)箱，通過開關(guān)冷熱室的循環(huán)風(fēng)門或其它類似手段實(shí)現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換。其中溫度上限、溫度下限為產(chǎn)品的存儲極限溫度值。具體方法參見圖6 。

圖6  溫度沖擊曲線

2.4.1  冷熱沖擊試驗(yàn)（液體）：

此試驗(yàn)來源于IEC 60068-2-14 試驗(yàn)方法N：溫度變化中的Nc 。實(shí)現(xiàn)方式為吊籃式，將產(chǎn)品放置在吊籃中按照要求浸入不同的溫度液體中。則適用于玻璃－金屬密封及類似產(chǎn)品，因此電器產(chǎn)品中不予考核該項(xiàng)目。

2.5  差異及應(yīng)用分析

以上兩項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目中，推薦使用IEC 60068-2-14 ，Na進(jìn)行試驗(yàn)。此試驗(yàn)項(xiàng)目屬于加速考核產(chǎn)品的試驗(yàn)，IEC 60068-2-14 ，Na以及ISO 16750-4  5.3.2 冷熱沖擊試驗(yàn)中推薦的循環(huán)數(shù)為5，實(shí)際應(yīng)用中過少，推薦使用表3參數(shù)。

在此闡明一下IEC 60068-2-14、ISO 16750-4 、MIL-STD-810F及GJB150 中對于冷熱沖擊的要求循環(huán)數(shù)都為5個循環(huán)以內(nèi)，其原因是該三類標(biāo)準(zhǔn)對此試驗(yàn)的定義為：確定裝備能否經(jīng)受其周圍大氣溫度的急劇變化，而不產(chǎn)生物理損壞或性能下降。模擬的情況為：產(chǎn)品的航空運(yùn)輸、航空下投以及其它產(chǎn)品從不同溫度區(qū)域轉(zhuǎn)移的情況。故如為考核此類情況，其試驗(yàn)執(zhí)行為樣品存儲類試驗(yàn)，試驗(yàn)中產(chǎn)品不工作，產(chǎn)品的溫度沖擊次數(shù)以產(chǎn)品實(shí)際會使用到的次數(shù)為準(zhǔn)，此類試驗(yàn)項(xiàng)目屬于產(chǎn)品可靠性的一種。

由上分析可知，對于我們汽車類產(chǎn)品，執(zhí)行此標(biāo)準(zhǔn)時，因?yàn)槲覀兛己说哪M情況不一樣，故參數(shù)需要進(jìn)行變動，主要變動參數(shù)為：循環(huán)數(shù)增加（因應(yīng)用到汽車電器產(chǎn)品中為加速老化試驗(yàn)，故其循環(huán)數(shù)一般超過100）。

2.6  重要參數(shù)解析

此試驗(yàn)有幾個重要參數(shù)需要考慮：循環(huán)數(shù)、溫度轉(zhuǎn)換時間、溫度保持時間、溫度極限值（因此項(xiàng)試驗(yàn)為存儲類試驗(yàn)，故其極限值為存儲極限溫度值）。參考參數(shù)設(shè)置如表3所示，具體的循環(huán)數(shù)來源為加速模型計算出來的一個經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，暫不在此文詳述。

表3  冷熱沖擊試驗(yàn)參數(shù)推薦表

3、 溫度梯度試驗(yàn)

3.1 來源

各類標(biāo)準(zhǔn)中的溫度梯度試驗(yàn)均來源于ISO 16750—4 中5.2 溫度梯度試驗(yàn)。

3.2  定義

依照一定的速率改變溫度，一般取5℃/min，在溫度穩(wěn)定時進(jìn)行功能檢測。常用術(shù)語中的分級溫度試驗(yàn)也屬于溫度梯度試驗(yàn)。

3.3  目的及應(yīng)用范圍

用于檢查機(jī)械和電氣裝置在工作溫度小的局部范圍可能出現(xiàn)的故障。 

3.4 試驗(yàn)方法及參數(shù)

   將產(chǎn)品安放在溫度箱中，以5℃/min溫度梯度從20 ℃ 降到 Tmin（低溫極限工作溫度），然后以5℃/min溫度梯度從Tmin升到 Trnax （高溫極限工作溫度）,每步都要等到產(chǎn)品達(dá)到新的溫度。 每當(dāng)產(chǎn)品到達(dá)新的溫度，按產(chǎn)品的最大工作電壓及最小工作電壓對產(chǎn)品的工作模式進(jìn)行功能試驗(yàn)。在調(diào)溫過程中將產(chǎn)品關(guān)閉。在Tmin 和Tmax 間的每個溫度點(diǎn)，產(chǎn)品應(yīng)保持正常功能，即功能狀態(tài)應(yīng)符合試驗(yàn)中及試驗(yàn)后都正常工作。 循環(huán)數(shù)一般設(shè)置為5個，此為產(chǎn)品性能考核項(xiàng)目。具體執(zhí)行方法參加圖7 。

t 時間，min。

T 溫度，℃。

圖7  溫度梯度曲線

3.5  差異及應(yīng)用分析

此項(xiàng)試驗(yàn)實(shí)際應(yīng)用中，可以使用溫度變化進(jìn)行替代，溫度變化與其的區(qū)別很小：高溫工作極限溫度、低溫工作極限溫度、試驗(yàn)中產(chǎn)品帶電工作、溫度變化速率等重要參數(shù)都相近，區(qū)別為溫度變化試驗(yàn)中有高溫余熱存儲溫度極限考核，而溫度梯度試驗(yàn)僅為工作極限溫度考核，故溫度變化試驗(yàn)實(shí)際已經(jīng)包括了溫度梯度的效果，建議取消此類試驗(yàn)項(xiàng)目的測試。

3.6  重要參數(shù)解析

    此試驗(yàn)有幾個重要參數(shù)需要考慮：極限溫度（因此項(xiàng)試驗(yàn)為工作類試驗(yàn)，故其極限值為產(chǎn)品工作極限溫度值）、溫度變化速率、循環(huán)數(shù)。

4、 設(shè)備要求

4.1  風(fēng)速要求

各類溫度變化類試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中都對溫度變化試驗(yàn)箱內(nèi)的風(fēng)速有要求，均要求小于等于2m/S。這一要求是要確保受試產(chǎn)品在試驗(yàn)中不會因受到過高的氣流作用，產(chǎn)生與實(shí)際使用中差異過大的熱傳導(dǎo)。試驗(yàn)箱內(nèi)有一定風(fēng)速有利于箱內(nèi)溫度快速均勻，而風(fēng)速過大則會導(dǎo)致受試產(chǎn)品受風(fēng)面熱交換大于背面而在產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生不符合實(shí)際的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。

4.2  絕對濕度要求

MIL-STD-810F中對濕度未作要求，這是基于使用一般材料制成的產(chǎn)品，進(jìn)行溫度沖擊試驗(yàn)時濕度對其影響不顯著的認(rèn)識。810F中特別指出，進(jìn)行多孔滲水材料(如纖維材料)試驗(yàn)時，因濕氣易滲入產(chǎn)品，在低溫下結(jié)冰后膨脹會導(dǎo)致材料損壞，建議試驗(yàn)時考慮控制控制試驗(yàn)箱的濕度。一般要求箱內(nèi)絕對濕度小于或等于20 g/m。

4.3  對試驗(yàn)箱空氣溫度恢復(fù)時間的要求

    GJB150.5（同MIL-STD-810 C/D）和GB2423.22（同IEC 60068-2-14）對這一要求規(guī)定相同，均是小于等于試驗(yàn)時間(指產(chǎn)品達(dá)到溫度穩(wěn)定的時間)的10%，而810F則明確小于等于5 min。提出這一要求的目的在于要求試驗(yàn)箱有較大的熱沉以確保受試產(chǎn)品真正經(jīng)受溫度突然沖擊的環(huán)境。

4.4 對箱壁溫度與試驗(yàn)溫度的差值要求

各類標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定了箱壁溫度與試驗(yàn)溫度的差值要求，這是為了避免因二者之間溫差太大而造成過大的輻射加熱效應(yīng)，從而使受試產(chǎn)品產(chǎn)生溫度不均勻。一般規(guī)定：≤3%（高溫）、≤8%（低溫）。

    由以上分析可知各溫度變化類試驗(yàn)項(xiàng)目的區(qū)別及來源，以及對試驗(yàn)設(shè)備的要求。在實(shí)際應(yīng)用中推薦大家使用溫度變化試驗(yàn)項(xiàng)目（ISO 16750-4  5.3.1 溫度變化試驗(yàn)）和冷熱沖擊試驗(yàn)（ISO 16750-4  5.3.2 冷熱沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)循環(huán)數(shù)推薦使用見表3 ）。