定子电连接器失效分析

吴伟建, 于耀华, 徐 辉

上海第一机床厂有限公司 上海 201308

1 失效现象

某型驱动机构定子部件是产生磁场的关键部件,由定子铁心、绕组、机座等零件组成。利用嵌线工艺将绕组嵌入定子铁心的槽型中,当电流通过时产生磁场,从而实现对转子部件的控制与能量转换。定子内部绕组通过引接线从机座内部引线孔引出,并通过钎焊工艺与电连接器插座引脚连接。电连接器的插头与控制电源装置连接,电连接器作为中继装置,使定子部件与控制电源装置实现互连。电连接器属于精密制造机电元件,在驱动机构有效持续运行时,需要完成电信号传输工作,其性能的可靠性、稳定性至关重要,影响并决定机构的整机性能。

笔者在定子部件故障诊断的基础上,针对电连接器的失效现象,按照失效分析程序,通过多种分析手段,确认造成电连接器失效的原因。

电连接器是一种依靠插针插孔的离合来实现电路通断的元件[1]。定子部件主要包括机座、定子绕组、端盖、电连接器及其它金属构件,电流不稳定现象与电气部件相关。定子部件出现三相电流不稳定现象,表明定子绕组未完全断电,绕组、引接线、电连接器中至少一部分存在故障。通过零部件互换、交叉性能检测及半拆解检查等方法,确定电连接器失效[2-6]。

2 现场情况

定子电连接器为接触对用双曲面线簧接触结构,电连接器的插头和插座之间为主键与两个辅键定位插合螺纹连接,使用时环境温度为0～80 ℃,相对湿度不高于95%,工作温度为0～200 ℃。电连接器四处接线柱与定子绕组引接线通过钎焊连接,引接线从定子内部引出,并经密封套四个引线孔穿出。钎焊后,对有机硅及固化剂进行调配,用于接线柱周围位置的灌封处理。电连接器与硅橡胶密封套位置关系如图1所示。

图1 电连接器与密封套位置关系

电连接器要求在无电负荷条件下,可以承受500次以上的插合和分离动作,且不出现机械损伤。零件的摩擦表面允许有磨损,但不允许暴露出基体金属。通过失效件检验、复验记录及装配过程记录,确认电连接器的表面无锈蚀、裂纹、毛刺、肿胀及机械损伤,表明该失效件进入装配时完好无损,性能合格。电连接器共有四个接触件,尾部与引接线焊接,焊接后,通过灌封进行绝缘处理。电连接器失效状态如图2所示。

图2 电连接器失效状态

3 断口检查

为深入了解电连接器的失效情况,从宏观断口形貌检查、微观断口形貌检查两个方面开展工作,结合X射线检查、体视显微镜检查、扫描电镜、能谱分析等方法,对失效断口的损伤情况进行观察。在不影响检测结果的前提下,根据不同条件下的分析要求,对断口进行适当干化、吸湿等处理,以使分析过程更具有针对性。

3.1 断口宏观检查

考虑拆解密封套可能导致内部引接线发生二次损伤,破坏原有的失效状态,因此通过X射线检查,确定密封套的内部形貌,如图3所示。检查发现与电连接器四个接触件尾部接点相连的四条引接线中,一条引接线发生断裂,记录为1号引接线,位于插座接触件焊点上部。与此同时其余三条引接线也有部分单丝产生断裂现象,断线部位间存在散乱雾斑及点斑,记录为2号、3号、4号引接线。

解剖密封套,露出已经处于断裂状态的引接线及钎焊接头,如图4所示。观察发现,断裂邻近区域的密封套已碳化,呈深黑色。断头周围覆盖一层灰褐色物质,具体成分需进一步分析。从碳化程度可知,该处曾因过热导致周边物质碳化发黑。

用体视显微镜对各引接线进行检查,形貌如图5所示。1号引接线脱出端各单丝独立分开,断口位置并不处在同一平面,部分单丝已发生不同程度的弯曲变形,断裂处存在较为明显的颈缩及凹陷现象,断口周边区域覆盖有一层灰褐色物质,表明此处断裂受锐器割裂可能性较小,引接线单丝曾受拉伸力作用。

图3 密封套内部形貌

检查1号引接线钎焊接头,发现断裂处位于接头上部,断口形貌与脱出端类似。检查2号、3号、4号引接线,发现钎焊接头上部均存在部分单丝断裂现象,说明引接线在安装或使用时已发生断裂或部分开裂[7]。

图4 密封套解剖形貌

3.2 断口微观检查

扫描电镜用于聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像,具有场深大、放大倍数范围广、不需要重复对焦等特点,能够获取试样表面形貌、晶体取向及表面状态[8-10]。

通过扫描电镜对各引接线进行检查,形貌如图6所示。1号引接线部分断口存在损伤痕迹,红色箭头所示形貌表明该处曾受到机械外力的作用。1号引接线断裂处存在颈缩,断口中心隐约能见红色箭头所示韧窝状,部分单丝有被磨损的痕迹,覆盖一层灰褐色物质,无法辨别断裂时的形貌,表明该部位引接线单丝曾受到外力拉伸。其余三条引接线的断裂单丝也存在颈缩现象。

图5 引接线体视显微镜形貌

3.3 能谱分析

在高能量电子束照射下,目标试样原子受激发产生特征X射线,与各元素一一对应,且各不相同。通过测定X射线光子能量,即可确认相对应的元素。带能谱分析的扫描电镜可快速对试样表面进行微区定点,并进行扫描定性与定量分析[11-12]。根据结构组成及材料应用情况,为进一步明确表面灰褐色覆盖层物质成分,找出断裂的可能原因,对1号引接线断口表面微区进行能谱分析,结果如图7～图9及表1～表3所示。

引接线单丝断口部分覆盖物质成分包括C、O、Si、Cu、Pb,经统计得出连接器绝缘材料为聚苯硫醚,本体材料为06Cr18Ni11Ti,密封材料为低苯基硅橡胶,引接线钎焊过程中焊料为S-Sn5PbAg。与引接线本体成分进行对比,可知覆盖物质成分中Cu为引接线本体,Pb可能为引接线及钎焊焊料成分,C、O、Si来自于绝缘及密封材料。

通过以上分析表明,引接线断裂处产生了大量热量,使硅橡胶发生碳化,钎焊部位还可能发生过熔融溅射。

图6 引接线扫描电镜形貌

图7 表面微区1-1能谱图

图8 表面微区1-2能谱图

图9 表面微区1-3能谱图

表1 表面微区1-1能谱分析

表2 表面微区1-2能谱分析

表3 表面微区1-3能谱分析

由表面微区1-1元素含量可知,引接线中Cu成分完全未检测出,表明覆盖物质将微区处完全填充覆盖,覆盖物碳化及覆盖程度较彻底。由表面微区1-2元素含量可知,Cu成分被检出,为低苯基硅橡胶受热碳化覆盖所致,覆盖层较浅。由表面微区1-3元素含量可知,Pb成分被检出,且含量远远超出本体中的Pb含量,表明此处的Pb来源于钎焊接头中的焊料,可以推测热量同时使钎焊位置发生熔融溅射。

综合以上分析确认,引接线断裂之初部分单丝仍然连接,工作状态下电阻值急剧增大导致发热。随着时间推移,热量无法及时散出,导致温度不断升高,使周边物质碳化熔融,溅射覆盖于断裂部位,直至引接线与电连接器接触件尾部接点处熔断,导致失效。

4 预防措施及工艺改进

根据失效分析的具体情况,对电连接器的使用过程进行梳理,对定子装配工艺中的修磨、引线、钎焊、清洁、电性能检测工序进行优化,提出预防措施及工艺改进。

(1) 优化穿线工艺,防止穿线过程中引接线受较大拉伸力作用。

(2) 对机械金属部件引线孔区域倒圆并抛光,改善穿线阻力及表面磨损情况。

(3) 优化钎焊工艺,焊前采用助焊剂减少虚焊,防止再氧化,提高焊接质量。

(4) 加强清洁,焊后对钎焊周围区域及引接线附近区域进行清理,去除焊剂残余及其它可能损伤引接线的杂质。

(5) 加强检查,对焊后电性能、外观表面、焊点牢固性进行检查并记录。

所有预防措施及工艺改进都进行完善固化,防止电连接器失效现象再次发生。

按改进后的工艺及预防措施制造定子部件,在试验过程中未再出现电连接器失效现象。对进行过完整台架性能试验的定子试验件进行拆解,电连接器接点工作正常,未出现断裂、碳化现象,确认改进措施有效。

5 结束语

针对定子电连接器失效现象,对电连接器引接线断口部位进行宏观与微观检查,可知引接线受机械损伤及拉伸的综合外力作用,导致部分单丝断裂。在工作过程中,引接线断裂处电阻值增大,引起局部过热,并使周边物质碳化,导致失效。采取改善引接线条件、优化钎焊工艺、加强清洁及检验等措施后,定子电连接器失效问题得到解决,产品质量得到有效提高。