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冷熱沖擊試驗研究

更新時間：2010-06-14

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冷熱沖擊試驗研究

目前，各工程師在制定標準，執行標準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，導致實際應用中出現了一些不恰當的使用方法。本文特對溫度變化類試驗進行解讀，一方面對各類試驗項目進行分析，另一方面推薦使用合適的標準項目，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、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。且不同體系的標準中應用的試驗方法是不同的，如何區分這些試驗項目，如何選擇試驗項目，這需要對各類型試驗的來源以及其區別進行分析。

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

1、 溫度變化試驗

1.1 來源

各類標準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 。在特定溫度變率之溫度變化試驗。

1.2 定義

溫度變化試驗，為設置一定的溫度變化速率進行高溫與低溫之間的轉變。故在實際應用中有兩類：一類為慢速的溫度變化試驗，其溫度變化速率＜3℃/min（一般各標準經常選擇參數為1℃/min），也既一般應用中的溫度變化、溫度循環、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（一般各標準經常選擇參數為3℃/min、4℃/min、5℃/min、7℃/min、10℃/min），也既一般應用中的快速溫變試驗。溫度變化速率越快，考核越嚴酷。

1.3 目的及應用范圍

本試驗適用于組件、裝備或其它產品。為產品模擬帶電工作時隨溫度的變化，如在系統/組件工作時快速改變周圍溫度。如果系統/組件處在熱浸透溫度（例如安裝在發動機上的系統/組件），高溫階段附加的短暫溫度峰值要確保產品在這期間的基本功能。為避免系統/組件內的電熱擴散抑制系統/組件達到低溫的效果，故在降溫階段將產品關閉。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

1.4.1 溫度變化試驗：

各類標準中建議采用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應用于非發動機艙產品，圖2應用于發動機艙中零部件，因為其具有發動機熄火后的余熱考核，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：發動機熄火后（停車），出現的zui高環境溫度

工作類別3.2：使用13.5V帶電工作

1.4.2 快速溫變試驗：

目前發現部分企業標準中有此類項目，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，故一般不推薦應用于認證試驗中。

圖3快速溫變曲線

1.5 差異及應用分析

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，后續專稿論述。

1.6 重要參數解析

溫度變化試驗的特點：產品在試驗中工作、溫度變化的速率一定、循環數一般設置30個循環以內、極限溫度值（因此項試驗為工作+存儲類試驗，故其極限值根據產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，以供大家參考。

表1 產品溫度變化試驗參數推薦表

循環數	30個
zui低環境溫度	Tmin（產品低溫工作極限溫度）
zui高環境溫度	Tmax（產品高溫工作極限溫度）
溫度變化速率	4℃/min
產品的溫度穩定時間（存儲時間）	見表2
抽樣數量	應用	數量（件）	產品舉例
	安全類	20	發動機控制器、安全氣囊控制器、胎壓監視器
	操控類	15	雨量傳感器、光照傳感器、門開關
	便攜類	10	CD機、娛樂系統
操作狀態	見圖1、圖2

產品在極限溫度中的貯存時間參加表2 。

表2 產品重量與其溫度浸入時間的關系

產品重量（kg）	浸入時間（保溫時間min）
＜0.34	20
0.34-0.68	30
0.68-0.91	40
0.91-1.36	50
1.36-4.53	75
＞4.53	待定義

從圖4和圖5可以看出，結構比較簡單的元器件和含元器件、零部件較少的整機，一般選擇5次循環就可以了。結構比較復雜，所用元器件、零部件較多的整機選擇10次循環就可以將絕大部分故障原因暴露出來。為了設備、整機和儀器可靠性更高，有時也可能選擇20到30次循環。

圖4 不同設備循環的選擇

圖5 不同設備循環的選擇

2、 冷熱沖擊試驗

2.1 來源

各類標準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 。在特定時間內快速溫度變化試驗。

2.2 定義

在特定時間內進行快速溫度變化，轉換時間一般設定為手動2～3 分鐘，自動少于30 秒，小試件則少于10 秒。常用術語中的溫度沖擊試驗也屬于冷熱沖擊試驗。

2.3 目的及應用范圍

這是一個加速試驗，模擬車輛中大量的慢溫度循環。對應實際車輛溫度循環，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導致的材料裂化或密封失效。本試驗將導致機械缺陷（裂縫），不要求帶電工作。

2.4 試驗方法及參數

2.4.1 冷熱沖擊試驗（氣體）：

有兩種實現方式，一種為手動轉換，將產品在高溫箱和低溫箱之間進行轉換；另一種為沖擊試驗箱，通過開關冷熱室的循環風門或其它類似手段實現溫度轉換。其中溫度上限、溫度下限為產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 。實現方式為吊籃式，將產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－金屬密封及類似產品，因此電器產品中不予考核該項目。

2.5 差異及應用分析

以上兩項試驗項目中，推薦使用IEC 60068-2-14 ，Na進行試驗。此試驗項目屬于加速考核產品的試驗，IEC 60068-2-14 ，Na以及ISO 16750-4 5.3.2 冷熱沖擊試驗中推薦的循環數為5，實際應用中過少，推薦使用表3參數。

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數都為5個循環以內，其原因是該三類標準對此試驗的定義為：確定裝備能否經受其周圍大氣溫度的急劇變化，而不產生物理損壞或性能下降。模擬的情況為：產品的航空運輸、航空下投以及其它產品從不同溫度區域轉移的情況。故如為考核此類情況，其試驗執行為樣品存儲類試驗，試驗中產品不工作，產品的溫度沖擊次數以產品實際會使用到的次數為準，此類試驗項目屬于產品可靠性的一種。

由上分析可知，對于我們汽車類產品，執行此標準時，因為我們考核的模擬情況不一樣，故參數需要進行變動，主要變動參數為：循環數增加（因應用到汽車電器產品中為加速老化試驗，故其循環數一般超過100）。

2.6 重要參數解析

此試驗有幾個重要參數需要考慮：循環數、溫度轉換時間、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）。參考參數設置如表3所示，具體的循環數來源為加速模型計算出來的一個經驗數值，暫不在此文詳述。

表3 冷熱沖擊試驗參數推薦表

循環數	500（發動機艙）、100（其它部位）
zui低環境溫度	Tmin（產品低溫存儲極限溫度）
zui高環境溫度	Tmax（產品高溫存儲極限溫度）
轉換時間	≤30s
產品的溫度穩定時間（存儲時間）	見表2
抽樣數量	5
工作狀態	不工作

3、 溫度梯度試驗

3.1 來源

各類標準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，在溫度穩定時進行功能檢測。常用術語中的分級溫度試驗也屬于溫度梯度試驗。

3.3 目的及應用范圍

用于檢查機械和電氣裝置在工作溫度小的局部范圍可能出現的故障。

3.4 試驗方法及參數

將產品安放在溫度箱中，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）,每步都要等到產品達到新的溫度。每當產品到達新的溫度，按產品的zui大工作電壓及zui小工作電壓對產品的工作模式進行功能試驗。在調溫過程中將產品關閉。在Tmin 和Tmax 間的每個溫度點，產品應保持正常功能，即功能狀態應符合試驗中及試驗后都正常工作。循環數一般設置為5個，此為產品性能考核項目。具體執行方法參加圖7 。

t 時間，min。

T 溫度，℃。

圖7 溫度梯度曲線

3.5 差異及應用分析

此項試驗實際應用中，可以使用溫度變化進行替代，溫度變化與其的區別很小：高溫工作極限溫度、低溫工作極限溫度、試驗中產品帶電工作、溫度變化速率等重要參數都相近，區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 重要參數解析

此試驗有幾個重要參數需要考慮：極限溫度（因此項試驗為工作類試驗，故其極限值為產品工作極限溫度值）、溫度變化速率、循環數。

4、 設備要求

4.1 風速要求

各類溫度變化類試驗標準中都對溫度變化試驗箱內的風速有要求，均要求小于等于2m/S。這一要求是要確保受試產品在試驗中不會因受到過高的氣流作用，產生與實際使用中差異過大的熱傳導。試驗箱內有一定風速有利于箱內溫度快速均勻，而風速過大則會導致受試產品受風面熱交換大于背面而在產品內部產生不符合實際的熱傳導現象。

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品，進行溫度沖擊試驗時濕度對其影響不顯著的認識。810F中特別指出，進行多孔滲水材料（如纖維材料）試驗時，因濕氣易滲入產品，在低溫下結冰后膨脹會導致材料損壞，建議試驗時考慮控制控制試驗箱的濕度。一般要求箱內濕度小于或等于20 g/m。

4.3 對試驗箱空氣溫度恢復時間的要求

GJB150.5（同MIL-STD-810 C/D）和GB2423.22（同IEC 60068-2-14）對這一要求規定相同，均是小于等于試驗時間（指產品達到溫度穩定的時間）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箱有較大的熱沉以確保受試產品真正經受溫度突然沖擊的環境。

4.4 對箱壁溫度與試驗溫度的差值要求

各類標準中還規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，從而使受試產品產生溫度不均勻。一般規定：≤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別及來源，以及對試驗設備的要求。在實際應用中推薦大家使用溫度變化試驗項目（ISO 16750-4 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，試驗循環數推薦使用見表3 ）。

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