球壓試驗關鍵設備及操作方法分析

劉悅 江燕

廣東中認華南檢測技術有限公司 廣東中山 528427

1 引言

非金屬材料在家用和類似用途電器產品中被廣泛使用，其性能優劣對整個產品的安全性能起決定性作用。在檢測認證過程中對非金屬材料有球壓、灼熱絲等測試，判定材料是否有足夠耐熱性，球壓試驗結果作為重要的判定依據，球壓試驗依據國際標準IEC 60695-10-2:2014、國家標準GB/T 5169.21-2017進行測試，此次通過之前參加由國際電工委員會電工產品及元件合格評定組織（IECEE）指定的IFM Quality Services Pty Ltd. 的球壓能力驗證經歷，總結球壓試驗關鍵設備特性及操作方法。

2 試驗關鍵設備

2.1 負載裝置關鍵特性

負載裝置由一個直徑為5mm±0.05mm的壓力球（符合ISO 3290-1的滾動軸承成品鋼球）連接到砝碼系統中構成，其被設計成可施加一個垂直向下的作用力，包含壓力球的質量相當于20N±0.2N的負載。測試過程中應確保使用壓力球未磨損或變形，且整個質量符合要求。測試過程中可把壓力球擦拭干凈，可給負載裝置增加固定支架，以免負載裝置在整個測試過程中會有晃動（圖1），導致出現壓痕不規則及邊緣難以分辨（圖2）。CLT決議DSH 0391D、DSH 2075 中規定壓痕最大直徑大于最小直徑不能超0.2mm（圖3），所以最終測量結果時應測量最長直徑及最短直徑，判斷壓痕是否符合要求。

2.2 試樣支座關鍵特性

試樣支座有足夠的強度支持負載裝置，有平滑的表面,有足夠大的質量，以防在烘箱內放置和取出試樣時，出現試驗裝置溫度明顯降低的情況。試樣支座中心表面下方約3mm的位置安裝一個獨立熱電偶，用于檢查試樣支座的溫度不顯著偏離試驗溫度，在整個試驗過程中應保證熱電偶（K型或J型）探測溫度保持在測試溫度（±2℃）的值。為滿足整個試驗過程中熱電偶探測點的溫度保持在測試溫度（±2℃）的值，現行標準中已未說明支座的外觀尺寸及材質，選擇盡可能大尺寸、導熱和受熱性能優越的材料做為支座，實現烘箱內測量溫度值與支座溫度值保持±2℃以內，根據下述操作方法進行驗證試樣支座是否能夠滿足要求，以免影響最終結果。

2.3 烘箱關鍵特性

熱平衡：GB/T 5169.21-2017中要求烘箱應是單室的，其溫度的梯度、波動和偏差應符合IEC 60216-4-1的要求并適用于設置試驗溫度。其中標準IEC 60695-10-2:2014 和IEC 60216-4-1:2006中對烘箱要求是溫差、波動、溫度變化，根據GB/T 5169.21-2017要求烘箱和試驗裝置應在指定的溫度（±2℃）下預熱至少3h，此溫度在距離試樣中心約50mm以內的位置測量（此測量點溫度與支座測量點溫度保持±2℃以內），且3h內的溫差、波動、溫度變化首先均應滿足IEC 60216-4-1:2006要求。

圖1 帶固定支架試驗裝置

圖2 不規則壓痕

圖3 最大、最小直徑之差超0.2mm

綜上所述，烘箱提供規定溫度的測試環境，進行試驗前可對所選烘箱進行溫度核查，可根據標準GB/T 5170.2-2017進行檢驗核查烘箱是否滿足要求。通過熱電偶、數據采集器組成溫度測量系統，首先核查烘箱是否存在溫度指示誤差，以便修正烘箱溫度系統，一般選取烘箱容積≤2m3，以便更好的控制內部環境溫度。將烘箱定出上、中、下三個水平面，三層布4個點（A、B、C、D）、中心1個點（O）、下層4個點（K、L、M、N）共9個監控點（圖4）。當設備達到設置值且穩定30min后，開始記錄各測量點的溫度值和設備指示的溫度值，每隔1min記錄一次，共記錄30次，用所記錄的數據，根據以下公式計算烘箱存在的溫度指示誤差：

式中：TO—設備工作空間全部測量點的溫度測量平均值，單位為攝氏度（℃）；m—設備工作空間的測量點數；n—測量次數；Tij—設備工作空間第j點第i次的溫度測量值，單位為攝氏度（℃）；TD—設備指示溫度的平均值，單位為攝氏度（℃）；TDi—設備第i次指示溫度值，單位為攝氏度（℃）；ΔTD—設備溫度指示誤差，單位為攝氏度（℃）。

如果設備溫度指示誤差過大，直接影響測試結果，可根據誤差數值修正烘箱溫度系統。

烘箱波動度應符合IEC 60216-4-1的要求（表1），根據上述9個監控點的30次記錄數據進行判斷烘箱波動度是否符合IEC 60216-4-1要求，但實際標準IEC 60695-10-2:2014、GB/T 5169.21-2017中要求溫差和波動度應滿足±2℃要求，通過離放置試樣中心約50mm的監控點和試樣支座中心表面下方約3mm的位置的監控點數據，在達到規定溫度后3h的預熱狀態下記錄監控數據判斷烘箱在這兩個位置是否能夠達到標準IEC 60695-10-2:2014、GB/T 5169.21-2017要求溫差和波動度為±2℃。

最后通過離放置試樣中心約50mm的監控點，試樣支座中心表面下方約3mm的位置的監控點和烘箱自帶溫度監控點，試樣支座和負載裝置都在設置溫度下預熱至少3h后，按標準IEC 60695-10-2:2014、GB/T 5169.21-2017要求時間完成一次負載試樣的放置，然后關注上述3個點的溫度監控點溫度是否能夠在5min內恢復到指定的溫度（±2℃）且過沖不超過5℃，可通過以下公式計算過沖量是否超過5℃，最終選擇一個合適的烘箱：

式中：ΔTO—溫度過沖量，單位為攝氏度（℃）；T—在設備升溫至設定溫度過程中，測量點實測的最高溫度值，單位為攝氏度（℃）；TS—設定的溫度值，單位為攝氏度（℃）；ΔT—溫度允許偏差值（標準IEC 60695-10-2:2014、GB/T 5169.21-2017規定為2℃），單位為攝氏度（℃）。

2.4 光學測量裝置

標準IEC 60695-10-2:2014、GB/T 5169.21-2017對測量裝置要求應有至少10倍的光學放大倍率，最大放大倍率不限，精密數字圖像投影儀可達到幾十至百倍的放大倍率。測量過程中難的是確認壓痕的邊緣，即使使用精密數字圖像投影儀器成像后的邊緣可能依然模糊，因為本身材料的毛刺或壓力球的磨損和放置壓力裝置時的微小移動都會導致壓痕邊緣不確定，增加了整個測量的難度及不確定度。但只要試驗前確保試驗裝置和試驗過程操作正確，最終壓痕都會相對規則（圖5），所有測量其實都會有一定的誤差，GB/T 5169.21-2017中要求只要壓痕直徑未超過2.0mm，則該試樣的試驗結果為通過，能力驗證中只要最終結果合理，在偏差范圍內即可符合要求。以下是一種通過基于數字圖像處理技術的測量裝置的成像（圖6），球壓壓痕理論上是一個規則的圓，所以一般測量軟件會采取隨機Hough變換進行壓痕特征提取，然后畫出壓痕的切點圓并計算出其直徑d（即判定為壓痕直徑，如圖6），但實際不一定能夠準確畫出一個與壓痕相近的切點圓。成像后通測量軟件對圖像進行銳化、閥值調整、對比度調整等處理（圖5），可以更加精準的找到整個壓痕的邊緣，最終能夠準確測量出最大直徑數據。

圖4 溫度測量點布放示意圖

圖5 清晰壓痕

圖6 隨機Hough變換

表1 3h內的最大允許溫差和溫度波動

3 操作方法

試驗樣品的制備，一般產品認證過程中試驗直接從產品上切取，取樣需注意試樣厚度至少為2.5mm，且上下表面大致平行，可疊加兩個或更多部件以達到這個厚度。試樣應為邊長至少10mm的方形或直徑至少10mm的圓形表面。如果無法保證試樣表面平行或達到規定厚度及規定大小的尺寸，建議可依據新版標準IEC 60695-10-2:2014、GB/T 5169.21-2017的6.2條款要求進行試樣準備，以免影響測試結果。

試樣預處理，一般試樣應放置在溫度15℃～35℃，相對濕度為45%～75%的大氣環境下至少24h。但對于機械性能易受濕度和溫度影響的材料，可提供更為嚴格的預處理環境。

選定烘箱后設定測試溫度，測試溫度（容差在±2℃范圍內）在距離試樣中心約50mm以內的位置J處測量，試樣支座和負載裝置在設定溫度下預熱最少3h，根據實際所選烘箱與支座的不同，J點測量溫度與試樣支座中心表面下方約3mm的位置測量溫度兩者之間在±2℃范圍內所需時間不同，測試前應保證滿足要求。將試樣放置在試樣支座大致中間的位置，然后輕輕地將負載裝置沿著固定架放置試樣中間位置，應避免負載裝置晃動，應垂直試樣向下移動，以免出現其他劃痕或導致壓痕不規則。

負載裝置應保持在試樣上60±2min，最后將負載裝置從垂直試樣方向移走，需再次避免移動負載裝置時晃動，對試樣造成不必要的壓痕。應在10s內將試樣放在20℃±5℃的水中，樣品需整個浸沒水中保持6min±2min，然后從水中移出，并去除所有水跡，并在3min內測量壓痕直徑。

整個試驗過程中應保持試樣品水平、避免任何震動和位移（包括負載裝置的位移）。

4 結束語

GB/T 5169.21-2017將在2018年7月1日正式實施，借此新舊版本交替機會，本文通過參加國內外球壓能力驗證工作的經驗及結合最新版標準和CTL決議，對最新版本的球壓試驗標準要求的測試裝置及操作方法進行分析，希望能夠在球壓測試過程中選擇符合要求的試驗裝置及有正確操作方法，則可獲得相對規則的壓痕，以便進行測量，最終能夠準確測出壓痕直徑數據及減小測試結果的誤差。