定子電連接器失效分析

吳偉建, 于耀華, 徐 輝

上海第一機床廠有限公司 上海 201308

1 失效現象

某型驅動機構定子部件是產生磁場的關鍵部件,由定子鐵心、繞組、機座等零件組成。利用嵌線工藝將繞組嵌入定子鐵心的槽型中,當電流通過時產生磁場,從而實現對轉子部件的控制與能量轉換。定子內部繞組通過引接線從機座內部引線孔引出,并通過釬焊工藝與電連接器插座引腳連接。電連接器的插頭與控制電源裝置連接,電連接器作為中繼裝置,使定子部件與控制電源裝置實現互連。電連接器屬于精密制造機電元件,在驅動機構有效持續運行時,需要完成電信號傳輸工作,其性能的可靠性、穩定性至關重要,影響并決定機構的整機性能。

筆者在定子部件故障診斷的基礎上,針對電連接器的失效現象,按照失效分析程序,通過多種分析手段,確認造成電連接器失效的原因。

電連接器是一種依靠插針插孔的離合來實現電路通斷的元件[1]。定子部件主要包括機座、定子繞組、端蓋、電連接器及其它金屬構件,電流不穩定現象與電氣部件相關。定子部件出現三相電流不穩定現象,表明定子繞組未完全斷電,繞組、引接線、電連接器中至少一部分存在故障。通過零部件互換、交叉性能檢測及半拆解檢查等方法,確定電連接器失效[2-6]。

2 現場情況

定子電連接器為接觸對用雙曲面線簧接觸結構,電連接器的插頭和插座之間為主鍵與兩個輔鍵定位插合螺紋連接,使用時環境溫度為0～80 ℃,相對濕度不高于95%,工作溫度為0～200 ℃。電連接器四處接線柱與定子繞組引接線通過釬焊連接,引接線從定子內部引出,并經密封套四個引線孔穿出。釬焊后,對有機硅及固化劑進行調配,用于接線柱周圍位置的灌封處理。電連接器與硅橡膠密封套位置關系如圖1所示。

圖1 電連接器與密封套位置關系

電連接器要求在無電負荷條件下,可以承受500次以上的插合和分離動作,且不出現機械損傷。零件的摩擦表面允許有磨損,但不允許暴露出基體金屬。通過失效件檢驗、復驗記錄及裝配過程記錄,確認電連接器的表面無銹蝕、裂紋、毛刺、腫脹及機械損傷,表明該失效件進入裝配時完好無損,性能合格。電連接器共有四個接觸件,尾部與引接線焊接,焊接后,通過灌封進行絕緣處理。電連接器失效狀態如圖2所示。

圖2 電連接器失效狀態

3 斷口檢查

為深入了解電連接器的失效情況,從宏觀斷口形貌檢查、微觀斷口形貌檢查兩個方面開展工作,結合X射線檢查、體視顯微鏡檢查、掃描電鏡、能譜分析等方法,對失效斷口的損傷情況進行觀察。在不影響檢測結果的前提下,根據不同條件下的分析要求,對斷口進行適當干化、吸濕等處理,以使分析過程更具有針對性。

3.1 斷口宏觀檢查

考慮拆解密封套可能導致內部引接線發生二次損傷,破壞原有的失效狀態,因此通過X射線檢查,確定密封套的內部形貌,如圖3所示。檢查發現與電連接器四個接觸件尾部接點相連的四條引接線中,一條引接線發生斷裂,記錄為1號引接線,位于插座接觸件焊點上部。與此同時其余三條引接線也有部分單絲產生斷裂現象,斷線部位間存在散亂霧斑及點斑,記錄為2號、3號、4號引接線。

解剖密封套,露出已經處于斷裂狀態的引接線及釬焊接頭,如圖4所示。觀察發現,斷裂鄰近區域的密封套已碳化,呈深黑色。斷頭周圍覆蓋一層灰褐色物質,具體成分需進一步分析。從碳化程度可知,該處曾因過熱導致周邊物質碳化發黑。

用體視顯微鏡對各引接線進行檢查,形貌如圖5所示。1號引接線脫出端各單絲獨立分開,斷口位置并不處在同一平面,部分單絲已發生不同程度的彎曲變形,斷裂處存在較為明顯的頸縮及凹陷現象,斷口周邊區域覆蓋有一層灰褐色物質,表明此處斷裂受銳器割裂可能性較小,引接線單絲曾受拉伸力作用。

圖3 密封套內部形貌

檢查1號引接線釬焊接頭,發現斷裂處位于接頭上部,斷口形貌與脫出端類似。檢查2號、3號、4號引接線,發現釬焊接頭上部均存在部分單絲斷裂現象,說明引接線在安裝或使用時已發生斷裂或部分開裂[7]。

圖4 密封套解剖形貌

3.2 斷口微觀檢查

掃描電鏡用于聚焦電子束在試樣表面逐點掃描成像,具有場深大、放大倍數范圍廣、不需要重復對焦等特點,能夠獲取試樣表面形貌、晶體取向及表面狀態[8-10]。

通過掃描電鏡對各引接線進行檢查,形貌如圖6所示。1號引接線部分斷口存在損傷痕跡,紅色箭頭所示形貌表明該處曾受到機械外力的作用。1號引接線斷裂處存在頸縮,斷口中心隱約能見紅色箭頭所示韌窩狀,部分單絲有被磨損的痕跡,覆蓋一層灰褐色物質,無法辨別斷裂時的形貌,表明該部位引接線單絲曾受到外力拉伸。其余三條引接線的斷裂單絲也存在頸縮現象。

圖5 引接線體視顯微鏡形貌

3.3 能譜分析

在高能量電子束照射下,目標試樣原子受激發產生特征X射線,與各元素一一對應,且各不相同。通過測定X射線光子能量,即可確認相對應的元素。帶能譜分析的掃描電鏡可快速對試樣表面進行微區定點,并進行掃描定性與定量分析[11-12]。根據結構組成及材料應用情況,為進一步明確表面灰褐色覆蓋層物質成分,找出斷裂的可能原因,對1號引接線斷口表面微區進行能譜分析,結果如圖7～圖9及表1～表3所示。

引接線單絲斷口部分覆蓋物質成分包括C、O、Si、Cu、Pb,經統計得出連接器絕緣材料為聚苯硫醚,本體材料為06Cr18Ni11Ti,密封材料為低苯基硅橡膠,引接線釬焊過程中焊料為S-Sn5PbAg。與引接線本體成分進行對比,可知覆蓋物質成分中Cu為引接線本體,Pb可能為引接線及釬焊焊料成分,C、O、Si來自于絕緣及密封材料。

通過以上分析表明,引接線斷裂處產生了大量熱量,使硅橡膠發生碳化,釬焊部位還可能發生過熔融濺射。

圖6 引接線掃描電鏡形貌

圖7 表面微區1-1能譜圖

圖8 表面微區1-2能譜圖

圖9 表面微區1-3能譜圖

表1 表面微區1-1能譜分析

表2 表面微區1-2能譜分析

表3 表面微區1-3能譜分析

由表面微區1-1元素含量可知,引接線中Cu成分完全未檢測出,表明覆蓋物質將微區處完全填充覆蓋,覆蓋物碳化及覆蓋程度較徹底。由表面微區1-2元素含量可知,Cu成分被檢出,為低苯基硅橡膠受熱碳化覆蓋所致,覆蓋層較淺。由表面微區1-3元素含量可知,Pb成分被檢出,且含量遠遠超出本體中的Pb含量,表明此處的Pb來源于釬焊接頭中的焊料,可以推測熱量同時使釬焊位置發生熔融濺射。

綜合以上分析確認,引接線斷裂之初部分單絲仍然連接,工作狀態下電阻值急劇增大導致發熱。隨著時間推移,熱量無法及時散出,導致溫度不斷升高,使周邊物質碳化熔融,濺射覆蓋于斷裂部位,直至引接線與電連接器接觸件尾部接點處熔斷,導致失效。

4 預防措施及工藝改進

根據失效分析的具體情況,對電連接器的使用過程進行梳理,對定子裝配工藝中的修磨、引線、釬焊、清潔、電性能檢測工序進行優化,提出預防措施及工藝改進。

(1) 優化穿線工藝,防止穿線過程中引接線受較大拉伸力作用。

(2) 對機械金屬部件引線孔區域倒圓并拋光,改善穿線阻力及表面磨損情況。

(3) 優化釬焊工藝,焊前采用助焊劑減少虛焊,防止再氧化,提高焊接質量。

(4) 加強清潔,焊后對釬焊周圍區域及引接線附近區域進行清理,去除焊劑殘余及其它可能損傷引接線的雜質。

(5) 加強檢查,對焊后電性能、外觀表面、焊點牢固性進行檢查并記錄。

所有預防措施及工藝改進都進行完善固化,防止電連接器失效現象再次發生。

按改進后的工藝及預防措施制造定子部件,在試驗過程中未再出現電連接器失效現象。對進行過完整臺架性能試驗的定子試驗件進行拆解,電連接器接點工作正常,未出現斷裂、碳化現象,確認改進措施有效。

5 結束語

針對定子電連接器失效現象,對電連接器引接線斷口部位進行宏觀與微觀檢查,可知引接線受機械損傷及拉伸的綜合外力作用,導致部分單絲斷裂。在工作過程中,引接線斷裂處電阻值增大,引起局部過熱,并使周邊物質碳化,導致失效。采取改善引接線條件、優化釬焊工藝、加強清潔及檢驗等措施后,定子電連接器失效問題得到解決,產品質量得到有效提高。