冷熱沖擊試驗箱的研究

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有很多不同的見解，且此類試驗名稱過多，導(dǎo)致實際應(yīng)用中出現(xiàn)了一些不恰當(dāng)?shù)氖褂梅椒ā１疚奶貙囟茸兓愒囼炦M(jìn)行解讀，一方面對各類試驗項目進(jìn)行分析，另一方面推薦使用合適的標(biāo)準(zhǔn)項目，以供各工程師參考使用。

溫度變化類試驗項目有眾多名稱：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)用的試驗方法是不同的，如何區(qū)分這些試驗項目，如何選擇試驗項目，這需要對各類型試驗的來源以及其區(qū)別進(jìn)行分析。

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

 

1.1 來源

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

 

1.2 定義

溫度變化試驗，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。故在實際應(yīng)用中有兩類：一類為慢速的溫度變化試驗，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（此三類為一種試驗）；另一類為快速的溫度變化試驗，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。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：本試驗不是壽命試驗。

 

1.4 試驗方法及參數(shù)

1.4.1 溫度變化試驗：

各類標(biāo)準(zhǔn)中建議采用ISO 16750-4 5.3.1溫度變化試驗，具體試驗程序見圖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，因為其具有發(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*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：

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

圖3快速溫變曲線

 

1.5 差異及應(yīng)用分析

以上的兩項試驗，推薦使用ISO 16750-4 5.3.1溫度變化試驗，由于其更能貼合日常中產(chǎn)品的使用情況，快速溫變試驗適用于壽命加速試驗，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

溫度變化試驗的特點：產(chǎn)品在試驗中工作、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（因此項試驗為工作+存儲類試驗，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（非壽命試驗）。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

 

2.1 來源

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

 

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也屬于冷熱沖擊試驗。

 

2.3 目的及應(yīng)用范圍

   這是一個加速試驗，模擬車輛中大量的慢溫度循環(huán)。對應(yīng)實際車輛溫度循環(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。本試驗將導(dǎo)致機(jī)械缺陷（裂縫），不要求帶電工作。

 

2.4 試驗方法及參數(shù)

2.4.1 冷熱沖擊試驗（氣體）：

   有兩種實現(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；另一種為沖擊試驗箱，通過開關(guān)冷熱室的循環(huán)風(fēng)門或其它類似手段實現(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（液體）：

此試驗來源于IEC 60068-2-14 試驗方法N：溫度變化中的Nc。實現(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－?屬密封及?似產(chǎn)品，因此電器產(chǎn)品中不予考核該項目。

 

2.5 差異及應(yīng)用分析

以上兩項試驗項目中，推薦使用IEC 60068-2-14 ，Na進(jìn)行試驗。此試驗項目屬于加速考核產(chǎn)品的試驗，IEC60068-2-14 ，Na以及ISO 16750-4 5.3.2冷熱沖擊試驗中推薦的循環(huán)數(shù)為5，實際應(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，其試驗執(zhí)行為樣品存儲類試驗，試驗中產(chǎn)品不工作，產(chǎn)品的溫度沖擊次數(shù)以產(chǎn)品實際會使用到的次數(shù)為準(zhǔn)，此類試驗項目屬于產(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，因為我們考核的模擬情況不一樣，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，故其循環(huán)數(shù)一般超過100）。

2.6 重要參數(shù)解析

此試驗有幾個重要參數(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（因此項試驗為存儲類試驗，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)驗數(shù)值，暫不在此文詳述。

表3 冷熱沖擊試驗參數(shù)推薦表

 

3.1 來源

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

 

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也屬于溫度梯度試驗。

 

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*大工作電壓及*小工作電壓對產(chǎn)品的工作模式進(jìn)行功能試驗。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，產(chǎn)品應(yīng)保持正常功能，即功能狀態(tài)應(yīng)符合試驗中及試驗后都正常工作。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

此項試驗實際應(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?。焊邷毓ぷ鳂O限溫度、低溫工作極限溫度、試驗中產(chǎn)品帶電工作、溫度變化速率等重要參數(shù)都相近，區(qū)別為溫度變化試驗中有高溫余熱存儲溫度極限考核，而溫度梯度試驗僅為工作極限溫度考核，故溫度變化試驗實際已經(jīng)包括了溫度梯度的效果，建議取消此類試驗項目的測試。

 

3.6 重要參數(shù)解析

   此試驗有幾個重要參數(shù)需要考慮：極限溫度（因此項試驗為工作類試驗，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)。

 

4.1 風(fēng)速要求

各類溫度變化類試驗標(biāo)準(zhǔn)中都對溫度變化試驗箱內(nèi)的風(fēng)速有要求，均要求小于等于2m/S。這一要**要確保受試產(chǎn)品在試驗中不會因受到過高的氣流作用，產(chǎn)生與實際使用中差異過大的熱傳導(dǎo)。試驗箱內(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)生不符合實際的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。

 

4.2 **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，建議試驗時考慮控制控制試驗箱的濕度。一般要求箱內(nèi)**濕度小于或等于20g/m。

 

4.3 對試驗箱空氣溫度恢復(fù)時間的要求

   GJB150.5（同MIL-STD-810 C/D）和GB2423.22（同IEC60068-2-14）對這一要求規(guī)定相同，均是小于等于試驗時間（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5min。提出這一要求的目的在于要求試驗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項目的區(qū)別及來源，以及對試驗設(shè)備的要求。在實際應(yīng)用中推薦大家使用溫度變化試驗項目（ISO16750-4 5.3.1 溫度變化試驗）和冷熱沖擊試驗（ISO 16750-4 5.3.2冷熱沖擊試驗，試驗循環(huán)數(shù)推薦使用見表3 ）。