變頻開關(guān)電源高頻變壓器焊接質(zhì)量分析與研究
周?平,項永金,張秀鳳,戴銀燕,王少輝(格力電器(合肥)有限公司,安徽??合肥,230088)
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202005/413603.htm摘?要:空調(diào)控制器中使用的高頻變壓器主要用在開關(guān)電源中,高頻變壓器是進行能量儲存和傳輸?shù)闹匾考?,目前大多?shù)高頻變壓器都為帶引腳手插式變壓器。高頻變壓器在中性鹽霧箱中放置48小時,引腳被腐蝕產(chǎn)生鐵的氧化物覆蓋在引腳的最外面,呈暗紅色的鐵銹,表現(xiàn)出的現(xiàn)象為氧化、生銹,時間久了會使引腳腐蝕斷裂,解決引腳氧化生銹問題,可以提高高頻變壓器的可靠性和使用壽命。
關(guān)鍵詞:高頻變壓器;引腳生銹氧化;可靠性;使用壽命
0 引言
高頻變壓器在開關(guān)電源中是進行能量儲存和傳輸?shù)闹匾考?。高頻變壓器應具有漏感小、線圈分布電容小及各線圈之間的耦合電容也要小的特點。高頻變壓器主要由初級線圈、次級線圈、磁芯、引腳、支架組成。針對試驗數(shù)據(jù)顯示17年實驗室共反饋高頻變壓器鹽霧試驗不合格1單,2018年僅上半年就已經(jīng)反饋10單,問題集中爆發(fā),快速研究解決引腳氧化問題,具有非常重要的意義。
1 事件背景
高頻變壓器中性鹽霧試驗引腳銹蝕嚴重,從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看各廠家都存在此異常,且2018年上半年呈直線上升趨勢,迫切需要分析整改,具體各供應商下線不合格率見圖一。
2 高頻變壓器引腳中性鹽霧試驗氧化的原因及失效機理分析
鹽霧是指大氣中由含鹽微小液滴所構(gòu)成的彌散系統(tǒng)。其成因主要是海洋中海水激烈擾動、風浪破碎、海浪拍岸等產(chǎn)生大量泡沫、氣泡,氣泡破裂時會生成微小的水滴,大部分水滴因重力作用而降落,部分處于同渦動擴散保持平衡的狀態(tài)而分布于海面上,它們隨氣流升入空中,經(jīng)裂解、蒸發(fā)、混并等過程演變成彌散系統(tǒng),形成大氣鹽核。
主要利用鹽霧試驗設備所創(chuàng)造的人工模擬鹽霧環(huán)境條件來考核產(chǎn)品或金屬材料耐腐蝕性能的環(huán)境試驗,鹽霧試驗分為二大類,一類為天然環(huán)境暴露試驗,另一類為人工加速模擬鹽霧環(huán)境試驗。
人工模擬鹽霧環(huán)境試驗是利用一種具有一定容積空間的試驗設備——鹽霧試驗箱,人工模擬鹽霧試驗又包括中性鹽霧試驗、醋酸鹽霧試驗、銅鹽加速醋酸鹽霧試驗、交變鹽霧試驗。
鹽霧實驗的主要目的是考核產(chǎn)品或金屬材料的耐鹽霧腐蝕性能,鹽霧試驗結(jié)果也是對產(chǎn)品質(zhì)量的判定,是正確衡量產(chǎn)品或金屬抗鹽霧腐蝕質(zhì)量的關(guān)鍵依據(jù)。
人工模擬實驗分為下面三種:
(1) 中性鹽霧試驗(NSS試驗)是出現(xiàn)最早目前應用領(lǐng)域最廣的一種加速腐蝕試驗方法。它采用5%的氯化鈉鹽水溶液,溶液PH值調(diào)在中性范圍(6~7)作為噴霧用的溶液。試驗溫度均取35℃,要求鹽霧的沉降率在1 ml~2 ml/80 cm 2 .h之間。
(2) 醋酸鹽霧試驗(ASS試驗)是在中性鹽霧試驗的基礎上發(fā)展起來的。它是在5%氯化鈉溶液中加入一些冰醋酸,使溶液的PH值降為3左右,溶液變成酸性,最后形成的鹽霧也由中性鹽霧變成酸性。它的腐蝕速度要比NSS試驗快3倍左右。
(3) 銅鹽加速醋酸鹽霧試驗(CASS試驗)是國外新近發(fā)展起來的一種快速鹽霧腐蝕試驗,試驗溫度為50 ℃,鹽溶液中加入少量銅鹽—氯化銅,強烈誘發(fā)腐蝕。它的腐蝕速度大約是NSS試驗的8倍。
2.1 高頻變壓器引腳鹽霧試驗氧化生銹產(chǎn)生原理
高頻變壓器是在天然暴露環(huán)境下使用的,選擇中性鹽霧試驗,用于模擬在惡劣的環(huán)如在天然暴露環(huán)境下對某產(chǎn)品樣品進行試驗,待其腐蝕可能要1年,而在人工模擬鹽霧環(huán)境條件下試驗,只要24小時,即可得到相似的結(jié)果。將失效模式提前驗證考核暴露缺陷,解決高頻變壓器引腳生銹腐蝕問題可大大提高其可靠性及使用壽命。
鹽霧對金屬材料的腐蝕,主要是導電的鹽溶液滲入金屬內(nèi)部發(fā)生電化學反應,形成“低電位金屬-電解質(zhì)溶液-高電位雜質(zhì)”微電池系統(tǒng),發(fā)生電子轉(zhuǎn)移,作為陽極的金屬出現(xiàn)溶解,形成新的化合物即腐蝕物。鹽霧腐蝕破壞過程中起主要作用的是氯離子。它具有很強的穿透本領(lǐng),破壞金屬的鈍態(tài)。不斷沉降在試樣表面上的鹽液膜,使含氧量始終保持在接近飽和狀態(tài)。腐蝕產(chǎn)物的形成,使?jié)B入金屬缺陷里的鹽溶液的體積膨脹,因此增加了金屬的內(nèi)部應力,引起了應力腐蝕,導致保護層鼓起。主要化學反應如下:
2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2
然后再氧化:
4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3
但我們所見到的鐵銹其實是Fe2O3的水合物,其總方程式可以表示為4Fe+3O2+XH2O=2Fe2O3 · XH2O
如果只是初中階段的話,可以直接認為就是Fe2O3的,即Fe(OH)3失水。但是簡單的氧化是不對的,因為在干燥環(huán)境下Fe不會生銹的。
形成原電池化學反應:
負極(Fe):Fe=Fe2++2e-
正極:O2+2H2O+4e-=4OH-
總反應:2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH) 2
由于吸收氧氣,所以也叫吸氧腐蝕.
生成的Fe(OH)2被氧所氧化,生成Fe(OH)3脫水生成Fe2O3鐵銹。鋼鐵制品在大氣中的腐蝕主要是吸氧腐蝕。
2.2 高頻變壓器引腳中性鹽霧試驗氧化生銹失效分析
2.2.1 故障件外觀檢查
觀察上銹的部位,引腳的切腳面較嚴重,主要為內(nèi)部金屬氧化,產(chǎn)生的氧化物膨脹覆蓋在引腳表層,將氧化物去除,引腳錫鍍層已被破壞,基材裸漏且已被銹蝕。
2.2.2 引腳材質(zhì)測試分析
對故障引腳進行打磨后,引腳基材呈黑色,各廠家引腳主要成分的百分比如下表1所示。從測試數(shù)據(jù)來看,引腳使用的是鍍錫銅包鋼線,是以低碳鋼為芯線,其外表順次鍍覆銅、錫或錫基合金層加工而成的產(chǎn)品,A、C廠家含銅量最高,B、C廠家含銅量最低,但是差異性不大。非生銹主因。
2.2.3 鍍層厚度金相對比
對引腳進行金相試驗,鍍層的總體平均厚度值,測試數(shù)據(jù)如下 ,引腳氧化生銹的主要原因為:引腳鍍層不均,導致48小時中性鹽霧試驗不合格。從測試數(shù)據(jù)來看各廠家鍍層厚度相差不大,但是各廠家家鍍層都存在不連續(xù)性,鍍層存在凹點。鍍層不均是其中一個因素。
2.3 失效機理分析與問題復現(xiàn)
綜上所示,導致引腳在中性鹽霧試驗條件下出現(xiàn)氧化的主要原因為:引腳鍍層不連續(xù),鋼基材裸漏在嚴酷中型鹽霧惡劣環(huán)境下產(chǎn)生氧化物附著導致。銅包鋼基材裸漏的原因可能有以下3種主要影響因素:
2.3.1 引腳裝配過程的損傷
引腳裝配過程及剪腳損傷裸漏鋼基材——高頻變壓器引腳(pin針)是在骨架插針時為CP卷線,插pin后根據(jù)產(chǎn)品的腳長來切腳的,那么pin截面基材為鋼,未做電鍍處理,便會在鹽霧試驗時最先開始出現(xiàn)生銹,經(jīng)過48H會順延這個截面蔓延至pin針本體,更何況有些產(chǎn)品pin需要剪除2/3,那么生銹的幾率將是100%的不合格;主要為剪切面未做二次處理導致。
pin針在原材料的骨架的插pin過程以及變壓器的加工生產(chǎn)纏腳配線過程中都會造成pin針表面不同程度的摩擦受損,而pin針表現(xiàn)的鍍鎳以及鍍錫厚度極其薄弱。
2.3.2 生產(chǎn)過程排查
引腳校正整形及夾腳測試損傷裸漏鋼基材——高頻變壓器引腳組裝完成后,各廠家需要對引腳進行整形,再進行性能測試,最后打包入庫。引腳校正整形是將輕微變形引腳通過機械力排布在一條直線上。性能測試也會對引腳有一定損傷。變壓器的纏腳后有進行加工上錫,pin針表面會被錫液覆蓋,從表面上看pin針表層確實被錫液完全覆蓋,而實際上表層的錫液之間是存在凹點,在鹽霧試驗的惡劣的試驗環(huán)境下出現(xiàn)滲透腐蝕。
高頻變壓器的線圈與引腳是通過手工焊接組裝的,在焊接過程中電烙鐵也會不注意碰到引腳對鍍層有一定的損傷。
2.3.3 生產(chǎn)工藝排查
剪腳損傷裸漏鋼基材未二次鍍錫處理——通過對各廠家引腳對比,發(fā)現(xiàn)A、B、C廠家部分需要剪腳處理的pin腳,剪切過的引腳基材未進行浸錫處理且剪切面邊緣有鍍層崩邊現(xiàn)象,分析為廠家浸錫后再進行引腳整形,修剪工序,這樣切面不會被浸錫,基材裸漏。
綜上所述高頻變壓器引腳生銹的主要原因有以下幾點:
?。?)生產(chǎn)工藝異常:整形剪腳前進行的浸錫工藝;
?。?)過程鍍層損傷:引腳整形,測試、線圈焊接。
3 高頻變壓器引腳氧化的失效解決方案
?。?)方案1:將浸錫工藝調(diào)到性能測試之后,但是剪切面未做鍍層處理,浸錫效果不好。部分引腳需要進行2/3剪腳處理的引腳,無法將剪切面進行浸錫處理,否則會導致其他引腳連錫短路,此方案不能徹底解決氧化問題。
?。?)方案2:制定引腳剪切、整形的工藝操作作業(yè)書,但是都屬于純手工操作,人員流失、操作手法,工作態(tài)度等不定因素太多,也不能徹底解決。引進全自動的線圈焊接設備,解決人工焊接對引腳的損傷,從一定程度上降低對引腳鍍層的損傷,降低不良發(fā)生概率。
(3)方案3:從生銹源頭引腳材質(zhì)進行整改,將目前廠家使用的CP線(鍍錫銅包鋼 鍍鎳底,其基材為“鋼”)改為磷青銅 材 質(zhì),磷青銅(phospho rbronze)是一種合金銅,具有良好的導電性能,可以徹底解決引腳中性鹽霧試驗生銹腐蝕的問題。
18年下半年各廠家高頻變壓器磷青銅材質(zhì)引腳新制品陸續(xù)來貨,分別進行驗證,均未出現(xiàn)不合格現(xiàn)象。
4 結(jié)論
變壓器引腳氧化腐蝕斷裂會直接影響變頻空調(diào)的使用,引腳氧化失效是隱秘性的、長期性的和關(guān)鍵性的,將引腳基材鋼更改為磷青銅,它具有良好的延展性、導電性能、電鍍性 ,且不含有鐵元素,銅元素與鹽水不可以發(fā)生反應,可以徹底解決引腳在中性鹽霧箱中氧化腐蝕、斷裂的問題,提高元器件在惡性腐蝕環(huán)境下的工作可靠性,提高元器件的使用壽命和整機可靠性。
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(注:本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第06期第47頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。)
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