壓力開關(guān)簧片斷裂失效分析與改進(jìn)

壓力開關(guān)為空調(diào)控制執(zhí)行類電子器件，實(shí)現(xiàn)制冷劑循環(huán)系統(tǒng)工作壓力的動態(tài)監(jiān)控與閉環(huán)控制，在系統(tǒng)壓力過高或過低情況下，反饋系統(tǒng)壓力異常信號，并控制壓縮機(jī)、冷卻風(fēng)扇啟停等^[1]，保障空調(diào)系統(tǒng)處于安全的工作狀態(tài)，在家用、商用、汽車空調(diào)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

目前，空調(diào)系統(tǒng)用壓力開關(guān)一般分為高壓保護(hù)和低壓保護(hù)兩種^[2]，由制冷系統(tǒng)接管、外殼（安裝蓋、塑殼）、密封薄膜、承壓膜片、動靜觸點(diǎn)、頂桿組件、簧片等構(gòu)成（圖1）。其中，簧片需要頻繁承受制冷劑系統(tǒng)啟停及壓力波動傳遞的疲勞沖擊，如可靠性設(shè)計或匹配不當(dāng)，在其與頂桿組件接觸或應(yīng)力集中位置會發(fā)生疲勞斷裂。本文在疲勞強(qiáng)度可靠性計算的基礎(chǔ)上，對售后安裝1 ～ 3年后零星出現(xiàn)的壓力開關(guān)內(nèi)部簧片斷裂失效樣件進(jìn)行失效分析，并結(jié)合失效機(jī)理，改進(jìn)簧片結(jié)構(gòu)尺寸可靠性設(shè)計，提高簧片疲勞強(qiáng)度，延長簧片使用壽命。

1   失效現(xiàn)象

本次失效件集中為2016 年新引進(jìn)的MQW 品牌壓力開關(guān)，售后使用1-3 年后出現(xiàn)多單投訴，整機(jī)報“低壓保護(hù)”、“無法開機(jī)”等。拆解多個失效件，發(fā)現(xiàn)簧片折彎處附近斷裂（圖2）。在壓力開關(guān)正常工作時，該位置動、靜觸點(diǎn)長期處于導(dǎo)通狀態(tài)，內(nèi)部頂桿組件頂住簧片，簧片長期處于拉應(yīng)力狀態(tài)（詳情可見圖1）。

圖2 簧片斷裂失效位置示意

2   失效案例統(tǒng)計

對失效案例數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，并按壓力開關(guān)物料品牌、編碼、安裝省份、使用時間等進(jìn)行統(tǒng)計，查找規(guī)律。

按品牌、編碼統(tǒng)計：故障件77.8% 集中在2016 年新引進(jìn)的某品牌WQM，編碼顯示均為多家品牌同時供應(yīng)，故按編碼統(tǒng)計無明顯規(guī)律。

按安裝省份統(tǒng)計：各省器件故障數(shù)、安裝數(shù)據(jù)無顯著差異，分析與用戶使用習(xí)慣和環(huán)境相關(guān)性不大。

按使用時間進(jìn)行統(tǒng)計：使用minitab 統(tǒng)計> 可靠性/生存> 分布分析> 分布ID 圖，對分布特征進(jìn)行極大似然估計。發(fā)現(xiàn)按使用時間統(tǒng)計，分布相關(guān)系數(shù)吻合度AD 值（0 ～ 1）達(dá)到0.762（良好，見圖3），證明空調(diào)使用過程中的器件簧片所受整機(jī)啟停的應(yīng)力沖擊等因素是造成疲勞斷裂的主要原因。

3   理化檢驗(yàn)

對簧片應(yīng)力疲勞斷裂相關(guān)的結(jié)構(gòu)、材料成分、硬度、拉伸性能、金相組織、微觀斷口進(jìn)行理化檢驗(yàn)，情況如下。

3.1 宏觀檢測

對比不同廠家簧片斷裂位置折彎結(jié)構(gòu)、尺寸，使用宏觀觀測及投影儀檢測，發(fā)現(xiàn)WQM 品牌（對比HG、HL 品牌）簧片折彎處存在明顯的折彎銳角（圖4 中方框），且處于松弛狀態(tài)下的折彎角度θ（投影儀檢測，見圖5）偏小約為3.6° ，同時存在簧片厚度偏小0.015 mm 的情況，對比數(shù)據(jù)見表1。

表1 壓力開關(guān)失簧片結(jié)構(gòu)尺寸對比

圖4 不同廠家簧片折彎位置對比

圖5 X-ray下折彎角度檢測

3.2 化學(xué)成分分析

取失效斷裂WQM 品牌的庫存制品1#、售后失效品2# 簧片進(jìn)行化學(xué)成分對比分析，結(jié)果見表2。

表2 簧片T2化學(xué)成分表/wt%

由表2 可見，品牌WQM 庫存樣品、售后失效品的簧片化學(xué)成分檢測符合GB/T5231—2001《加工銅及同和僅僅化學(xué)成分和產(chǎn)品形狀^[3]》的要求，售后樣件表面未見氯、硫等腐蝕性雜質(zhì)元素異常沉積。

3.3 拉伸試驗(yàn)

按照GB/T 228—2010《金屬拉力試驗(yàn)法》，對庫存WQM 品牌壓力開關(guān)解剖出簧片進(jìn)行拉伸試驗(yàn)（受樣件尺寸限制，僅考察抗拉強(qiáng)度），結(jié)果見表3。

表3 簧片力學(xué)性能

從表3 的結(jié)果看出，T2 簧片的抗拉強(qiáng)度符合GB/T2059-2008《銅及銅合金帶材^[4]》標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4 斷口微觀檢查

失效件顯微組織為拉伸狀態(tài)的α 相，為正常加工態(tài)未退火的纖維狀態(tài)組織（圖6）。打開售后失效的壓力開關(guān)簧片斷口，并在掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌，簧片早期開裂處斷口形貌為典型的韌性疲勞輝紋（圖7），對斷面表面進(jìn)行EDS 化學(xué)成分分析，僅存微量氧元素，證明失效簧片表面未受工作環(huán)境氣氛影響。對疲勞輝紋寬度進(jìn)行測量，輝紋寬度約0.008 μm，按裂紋擴(kuò)展深度達(dá)到壁厚的80% 認(rèn)為簧片發(fā)生斷裂失效^[5]，計算簧片的疲勞壽命約為10 萬次。

圖6 基體微觀組織

圖7 疲勞輝紋斷裂形貌

3.5 氨熏試驗(yàn)

為確認(rèn)不同品牌產(chǎn)品殘余應(yīng)力差異，各取庫存不同批次制品約20 件，根據(jù)GB/T 10567.2—2007《銅及銅合金加工材殘余應(yīng)力檢驗(yàn)方法^[6]》，將塑殼剪去暴露簧片，采用氯化銨試驗(yàn)法對比進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測。

24 h 試驗(yàn)結(jié)束后，經(jīng)水洗后用5% 硝酸洗液浸泡、震蕩除去表面腐蝕產(chǎn)物。酸洗后試樣用水洗凈、烘干，簧片表面折彎處附近存在大量裂紋不合格，輕輕觸碰已經(jīng)開裂，品牌WQM 不合格率達(dá)到38.5%（表4）。

表4 簧片殘余應(yīng)力檢驗(yàn)結(jié)果

4   分析討論

理化檢驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果表明，WQM 品牌壓力開關(guān)簧片由于折彎半徑小、折彎角度較大，存在較大的加工內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)力集中，分析確認(rèn)其失效模式為應(yīng)力疲勞斷裂。簧片應(yīng)力來源主要有兩個方面^[7]，一是施加外部負(fù)荷，如空調(diào)工作期間系統(tǒng)壓力波動引起，由于簧片折彎處應(yīng)力集中而導(dǎo)致局部應(yīng)力放大，存在于工件內(nèi)部的應(yīng)力即外加應(yīng)力；另一類是由于塑性變形的結(jié)果而殘存于工件內(nèi)部的應(yīng)力即殘余應(yīng)力。經(jīng)MES 微觀檢測，二次電子像呈現(xiàn)清晰的韌性疲勞輝紋，輝紋寬度約0.008 μm，按裂紋擴(kuò)展深度達(dá)到壁厚的80%認(rèn)為簧片發(fā)生斷裂失效，計算簧片的疲勞壽命約為10 萬次，根據(jù)銅材S-N 曲線得到工作應(yīng)力幅值達(dá)到80 MPa 左右，在反復(fù)的應(yīng)力疲勞沖擊下才會發(fā)生應(yīng)力疲勞開裂。因此，壓力開關(guān)器件出現(xiàn)應(yīng)力疲勞沖擊失效的原因是由于選材偏薄，同時折彎處附近應(yīng)力集中，加上空調(diào)系統(tǒng)工作期間產(chǎn)生的應(yīng)力沖擊，經(jīng)過1 ～ 3 年長期疲勞沖擊作用，產(chǎn)生了應(yīng)力疲勞斷裂。

5   改進(jìn)措施

空調(diào)用壓力開關(guān)在殘余應(yīng)力與結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中導(dǎo)致的負(fù)載應(yīng)力作用下，經(jīng)過1 ～ 3 年長達(dá)10 萬次左右的疲勞沖擊，發(fā)生了應(yīng)力疲勞沖擊斷裂，避免此類質(zhì)量事故的改進(jìn)方案是降低殘余及外加應(yīng)力。通過改進(jìn)折彎模具與簧片厚度、調(diào)整負(fù)載行程的方法，將簧片所受疊加應(yīng)力幅降到疲勞極限以下，以保障壓力開關(guān)疲勞壽命。通過上述改進(jìn)后的壓力開關(guān)制品通過殘余應(yīng)力的氨熏試驗(yàn)檢測，并在空調(diào)器上裝配后，經(jīng)過2 年多的長期使用，未再次發(fā)生類似簧片開裂現(xiàn)象。

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[7]李嘉騫,沈海軍.復(fù)合材料層合板疲勞壽命形狀參數(shù)與門檻值分析方法[J].國防科技大學(xué)學(xué)報,2021,43(3):38-44.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年1月期）