基于環(huán)境應(yīng)力篩選ESS的溫控器可靠性研究

張威,周月飛,舒宏,張?jiān)?潘亮

（空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,珠海 519070）

引言

環(huán)境應(yīng)力篩選（ESS）是通過(guò)施加合理的環(huán)境應(yīng)力和電應(yīng)力，快速將產(chǎn)品內(nèi)部缺陷激發(fā)，發(fā)現(xiàn)早期故障并進(jìn)行設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)的方式來(lái)進(jìn)行解決[1]。目前已經(jīng)在軍工和民用領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用，隨著消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品可靠性需求的提升，環(huán)境應(yīng)力篩選已經(jīng)成為產(chǎn)品研制生產(chǎn)過(guò)程中的重要程序，要求100 %進(jìn)行[2]。已經(jīng)應(yīng)用拓展至電子產(chǎn)品、電氣、機(jī)電、電化學(xué)產(chǎn)品等領(lǐng)域。

溫控器是冰箱的關(guān)鍵核心控制部件，主要通過(guò)控制壓縮機(jī)開(kāi)停來(lái)實(shí)現(xiàn)冰箱穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)確保箱內(nèi)溫度正常。通過(guò)對(duì)售后數(shù)據(jù)調(diào)研分析和故障樣機(jī)返廠拆解，發(fā)現(xiàn)溫控器故障率較高的主要原因有波紋管銹蝕、感溫管焊接松脫等早期失效故障，因此有必要對(duì)溫控器入廠檢驗(yàn)進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選，解決早期故障問(wèn)題，降低售后故障率。

李良巧[3]等對(duì)環(huán)境應(yīng)力篩選的試驗(yàn)理論和方法進(jìn)行詳細(xì)論述，闡明其基本特征和典型環(huán)境應(yīng)力等；GJB 1032-1990[4]對(duì)環(huán)境應(yīng)力的篩選條件、篩選程序等內(nèi)容做出明確規(guī)定，用于指導(dǎo)開(kāi)展環(huán)境應(yīng)力篩選；肖偉[5]等對(duì)環(huán)境應(yīng)力篩選的技術(shù)進(jìn)行研究并提出具體實(shí)施辦法，吳豪[6]等對(duì)環(huán)境應(yīng)力篩選中凝露的形成和具體控制措施提出分析和解決方案，王瑩[7]等對(duì)電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選概念、方法和典型應(yīng)力進(jìn)行分析并設(shè)計(jì)改進(jìn)方案。

目前對(duì)溫控器應(yīng)用環(huán)境應(yīng)力篩選技術(shù)的研究?jī)?nèi)容較少，本文通過(guò)建立環(huán)境應(yīng)力篩選能力數(shù)學(xué)模型，開(kāi)展理論分析和測(cè)試驗(yàn)證，分析導(dǎo)致溫控器早期失效的主要因素，提出改進(jìn)方案，從而解決溫控器早期失效問(wèn)題。

1 環(huán)境應(yīng)力篩選效果對(duì)比

《可靠性工程師手冊(cè)》書(shū)中對(duì)13種應(yīng)力篩選的效果進(jìn)行調(diào)查分析并作出比較，其結(jié)果如圖1所示，從圖中可以看出溫度循環(huán)是最有效的篩選應(yīng)力，其次是隨機(jī)振動(dòng)。溫度循環(huán)可以激發(fā)裂紋擴(kuò)大、接頭不良和密封失效等故障，隨機(jī)振動(dòng)可以激發(fā)機(jī)械疲勞、磨損等故障，而溫控器在冰箱內(nèi)部倉(cāng)儲(chǔ)和使用時(shí)主要經(jīng)歷的應(yīng)力是倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)的高溫、蒸發(fā)器表面的低溫以及運(yùn)輸過(guò)程中的振動(dòng)顛簸，因此針對(duì)溫控器的環(huán)境應(yīng)力篩選的應(yīng)力組合綜合考慮選擇溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)，可以快速有效發(fā)現(xiàn)溫控器的早期失效故障。

圖1 各種環(huán)境應(yīng)力篩選效果對(duì)比

2 溫度循環(huán)應(yīng)力和隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力篩選數(shù)學(xué)模型

2.1 溫度循環(huán)應(yīng)力篩選數(shù)學(xué)公式

溫度循環(huán)應(yīng)力篩選度數(shù)學(xué)公式為[8]：

式中：

SS—篩選度；

R—溫度變化范圍（高溫設(shè)計(jì)值-低溫設(shè)計(jì)值）℃；

V—溫度變化速率（℃/min）；

N—循環(huán)次數(shù)。

2.2 溫控器溫度循環(huán)參數(shù)確定

根據(jù)GB/T 22688-2008《家用和類似用途壓力式溫度控制器》[9]中相關(guān)要求溫控器耐高溫60 ℃，耐低溫-30 ℃，因此我們將ESS溫度循環(huán)應(yīng)力條件設(shè)定為上限溫度60 ℃，下限溫度-30 ℃，溫度變化率分別選擇5 ℃/min、10 ℃/min、15 ℃/min、20 ℃/min，循環(huán)次數(shù)分別對(duì)應(yīng)選擇1~5次，保溫時(shí)間高溫、低溫各120 min，其溫度變化率篩選度曲線如圖2所示。

圖2 溫度循環(huán)篩選度曲線

從圖中可以看出，溫度變化速率越快，篩選度越高，但過(guò)快的溫度變化率容易對(duì)產(chǎn)品造成疲勞損傷。又考慮到溫變周期短、溫變速率小會(huì)出現(xiàn)篩選度低可能會(huì)導(dǎo)致早期故障難以發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，同時(shí)溫控器入廠篩選試驗(yàn)需要在24 h內(nèi)完成以滿足生產(chǎn)需求，因此綜合多方面因素分析，最終優(yōu)化后的溫控器溫度循環(huán)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 篩選優(yōu)化后的溫度循環(huán)參數(shù)

2.3 隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力篩選數(shù)學(xué)公式

典型的隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度如圖3所示，通常也用頻譜的加速度均方根值來(lái)表示隨機(jī)振動(dòng)的強(qiáng)度，加速度均方根值按公式（2）計(jì)算求出：

圖3 典型的隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度圖

式中：

Grms—加速度均方根值g；

A1—20~80 Hz區(qū)間、功率譜密度曲線之下的面積；

A2—80~350 Hz區(qū)間、功率譜密度曲線之下的面積；

A3—350~2 000 Hz區(qū)間、功率譜密度曲線之下的面積。

隨機(jī)振動(dòng)的篩選度可按照公式（3）計(jì)算求出[8]：

式中：

SS—篩選度；

Grms—振動(dòng)加速度均方根值；

t—振動(dòng)時(shí)間（min）。

2.4 溫控器隨機(jī)振動(dòng)參數(shù)確定

結(jié)合溫控器包裝和實(shí)際運(yùn)輸條件，我們將ESS隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力中的加速度均方根分別設(shè)定為3 g、4 g、5 g、6 g、7 g，振動(dòng)時(shí)間分別對(duì)應(yīng)10~60 min，其不同振動(dòng)量值條件下的篩選能力如圖4所示。

圖4 不同振動(dòng)量值的篩選能力

從圖中可以看出在相同時(shí)間條件下，隨機(jī)振動(dòng)加速度量值越大，篩選能力越好，同時(shí)通過(guò)圖中還可以分析出隨機(jī)振動(dòng)的效果可以很快顯現(xiàn)。按照均方根加速度值6 g來(lái)看，20 min左右的時(shí)間其振動(dòng)篩選能力可達(dá)到85 %以上，繼續(xù)延長(zhǎng)隨機(jī)振動(dòng)時(shí)間篩選效果增加不明顯，反而有可能帶來(lái)其他的負(fù)面影響[10]。因此綜合多方面因素分析，最終優(yōu)化后的參數(shù)見(jiàn)表2。

3 試驗(yàn)條件和驗(yàn)證結(jié)果

3.1 試驗(yàn)樣品和方法

以某冰箱（BCD-190C）溫控器（見(jiàn)圖5）為研究載體，其結(jié)構(gòu)主要由波紋管、感溫管、彈簧、導(dǎo)桿等關(guān)鍵部件組成，抽取200個(gè)樣品進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選（溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)各100個(gè)）。試驗(yàn)設(shè)備采用高低溫試驗(yàn)箱（溫度范圍為-70~150 ℃）和振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)（頻率范圍為5~2 500 Hz），見(jiàn)圖6，溫度循環(huán)參數(shù)嚴(yán)格按照表1的要求進(jìn)行，隨機(jī)振動(dòng)參數(shù)嚴(yán)格按照表2的要求進(jìn)行。

圖6 波紋管銹跡和感溫管焊接松脫

表2 篩選優(yōu)化后的參數(shù)

圖5 某冰箱（BCD-190C）溫控器

圖6 高低溫試驗(yàn)箱和振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)

3.2 驗(yàn)證結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)束后分別對(duì)2組試驗(yàn)條件下各100個(gè)溫控器進(jìn)行外觀、機(jī)械、電氣安全檢查，其中溫度循環(huán)試驗(yàn)出現(xiàn)9個(gè)樣品故障，主要表現(xiàn)為溫控器波紋管出現(xiàn)銹跡，分析主要是波紋管材質(zhì)差無(wú)法經(jīng)受高低溫等溫度交變?cè)囼?yàn)條件沖擊導(dǎo)致；隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)出現(xiàn)12個(gè)樣品故障，主要表現(xiàn)為感溫管焊接不牢靠出現(xiàn)松脫現(xiàn)象，分析主要是焊接處是一個(gè)平臺(tái)無(wú)法保證焊接的可靠性導(dǎo)致。從驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看溫控器入廠檢驗(yàn)合格率僅能達(dá)到90 %左右，影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，需要從設(shè)計(jì)和工藝方面去有效解決。

4 改進(jìn)方案和效果驗(yàn)證

4.1 改進(jìn)方案

針對(duì)溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)波紋管材質(zhì)、感溫管與坐板蓋之間的結(jié)構(gòu)和部件檢驗(yàn)方面進(jìn)行改進(jìn)：

1）波紋管規(guī)范材質(zhì)為Cu95，增加耐中性鹽霧試驗(yàn)，要求24 h試驗(yàn)后不出現(xiàn)銹跡，同時(shí)對(duì)波紋管伸張耐久性進(jìn)行考核，要求30萬(wàn)次試驗(yàn)后變形量≤0.5 mm；

2）感溫管與坐板蓋之間的焊接處增加一個(gè)凸臺(tái)，確保感溫管與坐板蓋焊接更加牢固，同時(shí)增加感溫管焊接拉力試驗(yàn)，要求≥360 N。

4.2 改進(jìn)后效果驗(yàn)證（如圖7）

圖7 改進(jìn)后的波紋管和感溫管焊接ESS驗(yàn)證效果

改進(jìn)后的溫控器重新抽取200個(gè)樣品，按照表1和表2的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)后僅隨機(jī)振動(dòng)1個(gè)樣品出現(xiàn)固定支架輕微變形故障，波紋管銹跡和感溫管焊接松脫問(wèn)題已經(jīng)得到解決，改進(jìn)后的溫控器入廠檢驗(yàn)合格率達(dá)到99 %以上。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)環(huán)境應(yīng)力篩選進(jìn)行理論分析并建立溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力篩選度數(shù)學(xué)模型，對(duì)冰箱溫控器按照分析的應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，從而提出設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)方向，提高溫控器入廠檢驗(yàn)合格率和長(zhǎng)期使用可靠性，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

1）環(huán)境應(yīng)力篩選是一種現(xiàn)代質(zhì)量與可靠性保證技術(shù)，通過(guò)施加合適的應(yīng)力條件，將其內(nèi)部潛在缺陷加速變成故障，從而在較短的時(shí)間內(nèi)識(shí)別缺陷，對(duì)暴露和排除早期故障十分有效。從產(chǎn)品研發(fā)階段到量產(chǎn)階段，是一道必然進(jìn)行的工序，目前不僅在高科技電子產(chǎn)品和軍工領(lǐng)域產(chǎn)品普遍應(yīng)用，在民用家電領(lǐng)域也已經(jīng)逐步得到推廣實(shí)施。

2）環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)設(shè)計(jì)需要對(duì)產(chǎn)品溫度變化范圍、溫度變化速率和隨機(jī)振動(dòng)量值進(jìn)行合理選擇，結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、復(fù)雜程度、功能和使用要求，通過(guò)溫度循環(huán)應(yīng)力和隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力篩選度數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論分析，確定合適的篩選應(yīng)力參數(shù)。既可以用較短的時(shí)間加速發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的潛在缺陷，又不損壞產(chǎn)品或者增加新的缺陷，同時(shí)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案可以結(jié)合實(shí)際情況有效轉(zhuǎn)化成企業(yè)內(nèi)部檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，提升企業(yè)質(zhì)量控制管理水平。

3）通過(guò)環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)對(duì)溫控器進(jìn)行驗(yàn)證、分析、改進(jìn)和再次效果驗(yàn)證，識(shí)別出溫控器早期失效問(wèn)題主要是波紋管材質(zhì)和感溫管焊接的設(shè)計(jì)缺陷，采取對(duì)波紋管材質(zhì)的改進(jìn)、感溫管焊接凸臺(tái)的增加以及部件質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的完善等方案進(jìn)行改善，有效解決溫控器早期失效問(wèn)題，入廠檢驗(yàn)合格率提升到99 %以上，同時(shí)經(jīng)過(guò)環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)改進(jìn)的溫控器質(zhì)量更穩(wěn)定、可靠性更高。