航天電連接器及其組件失效分析

1、航天電連接器及其組件失效分析摘要：介紹了航天電連接器及其組件失效分析中初步分析。詳細(xì)分析。故障假設(shè)和最終鑒定四個階段的內(nèi)容及方法。闡述了斷路。接觸不良。瞬斷。絕緣不良。短路。誤配線。固定不良和密封不良等常見失效模式和失效機(jī)理。給出了失效分析的程序和若干檢驗(yàn)方法。關(guān)鍵詞：航天電連接器；組件；失效分析；程序0引言航天電連接器及其組件是航天系統(tǒng)工程重要的配套接口元件，它們廣泛應(yīng)用于各個系統(tǒng)和部位，提供信號和能量的傳輸。只要其中某個接點(diǎn)出現(xiàn)故障，就可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)的失效。在航天電連接器及其組件出現(xiàn)失效故障后，應(yīng)分析其發(fā)生原因，并在此基礎(chǔ)上歸納失效模式和機(jī)理。通過失效分析，不僅可找出此類器件常見失效的原

2、因，為提高設(shè)計可靠性和強(qiáng)化生產(chǎn)工藝過程控制提供條件，并且可為修訂和制訂技術(shù)規(guī)范。規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)提供重要依據(jù)。失效分析對確保航天電連接器及其組件的質(zhì)量與可靠性有重要的作用，因此越來越受到人們的關(guān)注和重視。為此，本文對航天電連接器及其組件的失效分析問題進(jìn)行了探討。1程序與方法失效分析涉及設(shè)計。材料。冷熱加工工藝。裝配及使用維護(hù)(包括存放使用環(huán)境條件)等多方面，其主要過程如圖1所示。圖1失效分析程序1.1初步分析其任務(wù)是通過失效故障調(diào)查。外觀檢查等，確定失效位置和特征并估計失效模式，初步了解失效原因。分析時應(yīng)對相關(guān)器件的使用環(huán)境。制造工藝過程和失效故障歷史進(jìn)行調(diào)查。a)失效故障調(diào)查了解所用材料及其冷熱加

3、工工藝操作情況和設(shè)計圖紙文件。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)(如電性能。力學(xué)性能。工作溫度。濕度和環(huán)境介質(zhì)等)要求，以及裝配質(zhì)量和有關(guān)存放。使用。維護(hù)等歷史記錄。若故障涉及被插合連接器及其組件，則還應(yīng)擴(kuò)大調(diào)查范圍。b)外觀檢查為防止引入新的人為失效，失效分析必須遵循“先外觀后內(nèi)部，先整體后局部，先非破壞性后破壞性”的程序。即先用肉眼或低倍放大鏡。實(shí)體顯微鏡等仔細(xì)觀察發(fā)生接觸不良(斷路。瞬斷或接觸電阻超差等)或絕緣不良(絕緣電阻超差。短路?；鸹ǚ烹娀驌舸┑?部位零件的外貌特征，觀察金屬零件表面是否有彎曲變形。開裂或裂紋擴(kuò)展，非金屬零件表面是否有金屬多余物。污損。表面燒蝕放電等痕跡，以初步判斷連接器使用過程中的受力和通

4、電狀態(tài)，推斷導(dǎo)致失效的原因。1.2詳細(xì)分析綜合利用如層層剝皮。推理演繹。故障樹分析等各種失效分析方法，以及試驗(yàn)方法和分析技術(shù)進(jìn)行仔細(xì)分析，得出初步結(jié)論。a)實(shí)物外觀檢查觀察失效部位的外貌特征，記錄最重要的特征。對發(fā)生內(nèi)部擊穿的絕緣體，必要時可解剖失效部位，再進(jìn)行外觀檢查分析。b)無損檢測用磁粉。滲透。超聲。射線等無損檢測方法，分析失效部位相關(guān)零件的表面及內(nèi)在缺陷，觀察內(nèi)部零件的結(jié)構(gòu)組成和相對位置等。c)裂紋(斷口)分析材質(zhì)不良或熱處理質(zhì)量控制不當(dāng)，會造成電連接器鎖緊裝置中彈簧。壓簧等彈性零件脆斷和疲勞破壞等失效。對此類故障常先用肉眼或低倍放大鏡進(jìn)行宏觀觀察，以確定斷裂位置和裂紋擴(kuò)展方向，然后依

5、次增大觀察倍數(shù)，用光學(xué)或電子顯微鏡觀察斷口形貌。分析斷裂性質(zhì)和原因時，必須同時進(jìn)行低倍宏觀分析和高倍觀察。d)微觀分析采用光學(xué)。電子顯微鏡等對失效零件進(jìn)行顯微組織分析，觀察材料質(zhì)量，如檢查斷口邊沿或裂縫內(nèi)是否存在氧化物或其他夾雜，裂縫兩側(cè)有無脫碳，表層有否過燒。氧化。腐蝕和表面脫碳，晶粒大校顯微組織是否正常(有無有害相析出等),以及裂紋分布等。必要時可采用X射線結(jié)構(gòu)分析或其他相分析方法。e)化學(xué)分析用化學(xué)光譜分析等方法鑒定相關(guān)零件材料(包括鍍層成分。厚度和結(jié)構(gòu))是否符合設(shè)計工藝要求。必要時可進(jìn)行微量有害元素分析和微區(qū)電子探針分析，以配合相分析工作。f)電性能檢測采用導(dǎo)通和絕緣電阻等電性能檢驗(yàn)方

6、法，驗(yàn)證失效部位和模式是否屬實(shí)。在進(jìn)行此類驗(yàn)證時，決不能加重或改變原有的失效特征。g)力學(xué)性能試驗(yàn)根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，采用相應(yīng)的力學(xué)性能試驗(yàn)設(shè)備，對發(fā)生失效的同一批次連接器及其組件進(jìn)行接觸件的單孔分離力。接觸件在絕緣體上的保持力和位置。絕緣體在外殼上的保持力和位置。連接器組件的電纜拉脫力。連接器的耐力矩等試驗(yàn)，以驗(yàn)證相關(guān)零件的力學(xué)性能是否符合要求，剔除發(fā)生失效的不合格品。1.3失效原因假設(shè)歸納整理初步和詳細(xì)分析的結(jié)果，列出要素和證據(jù)，對失效機(jī)理和原因作出假設(shè)，并補(bǔ)充數(shù)據(jù)。1.4最終鑒定在上述分析的基礎(chǔ)上完成失效分析報告(如有條件，可進(jìn)行重現(xiàn)失效故障的驗(yàn)證試驗(yàn))。失效分析報告主要內(nèi)容為：a)來樣簡

7、歷記錄失效產(chǎn)品的使用歷史和環(huán)境條件，以及失效部位的外貌特征；b)觀察試驗(yàn)描述采用各種失效分析手段和試驗(yàn)方法進(jìn)行詳細(xì)觀察試驗(yàn)的結(jié)果；c)分析意見運(yùn)用各種邏輯方法，對失效模式和機(jī)理進(jìn)行分析；d)結(jié)論對失效故障分析作最終鑒定；e)改進(jìn)建議提出防止發(fā)生類似失效的措施。2常見失效模式及機(jī)理航天電連接器及其組件的常見失效故障主要有：a)斷路產(chǎn)生斷路的原因很多，如設(shè)計選材不合理或熱處理工藝質(zhì)量差，插孔材料硬脆造成插孔簧片斷裂，或插孔材料太軟造成插孔松弛；膠接工藝質(zhì)量差，插孔與插針插合部位粘有多余膠液；裝配工藝質(zhì)量差，二次鎖緊裝置裝配不到位；生產(chǎn)過程中導(dǎo)線線芯因剝線操作不當(dāng)或受機(jī)械損傷而斷裂；壓接孔與導(dǎo)線線徑

8、不匹配。壓接鉗使用不當(dāng)造成虛壓等。斷路表現(xiàn)為連接器組件導(dǎo)通檢測時，回路電阻高于儀器的通斷電阻判定值。b)接觸不良接觸件是連接器組件的核心導(dǎo)電部分，它將來自接觸件尾部所連電纜。電線的電壓或信號傳遞到對應(yīng)的接觸件。故接觸件必須具備優(yōu)良的結(jié)構(gòu)。穩(wěn)定可靠的接觸保持力和良好的導(dǎo)電性能。造成連接器接觸不良的因素很多，如接觸件結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，材料選用錯誤，機(jī)械加工尺寸超差，表面粗糙，熱處理。膠接及表面處理等工藝不合理，貯存使用環(huán)境惡劣和操作使用不當(dāng)?shù)取ＴO(shè)計。制造。檢驗(yàn)。貯存和使用等環(huán)節(jié)都會造成連接器接觸不良1。電連接器接觸不良失效因果關(guān)系如圖2所示。圖2電連接器接觸不良失效因果關(guān)系接觸不良不同于斷路，其檢測

9、目的是剔除某些因存在高阻抗接點(diǎn)而導(dǎo)致回路電阻增大的產(chǎn)品。當(dāng)用一般的導(dǎo)通儀進(jìn)行導(dǎo)通檢測時，若回路電阻低于通斷電阻判定值，則儀器均示為通路。而實(shí)際上在導(dǎo)通回路中可能存在接觸不良的高阻抗接點(diǎn)。航天系統(tǒng)工程中部分組件的回路工作電流和電壓僅為數(shù)十毫安和數(shù)十毫伏，因此要求回路電阻盡可能低，一般為幾歐至數(shù)十毫歐。若回路中存在虛焊。虛壓。線芯損傷等造成的高阻抗接點(diǎn)，就會使回路電阻超過規(guī)定值而影響信號的正常傳輸。為此，連接器電纜組件都應(yīng)進(jìn)行導(dǎo)通回路電阻檢測，以確保電接觸和連接的可靠性。用戶可根據(jù)被檢測產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，選用可設(shè)定導(dǎo)通回路電阻判定值的儀器，如日本Nac公司的EEDX64/128/192導(dǎo)通檢測儀。

10、c)瞬間斷電連接器組件端子(接觸件)接觸電阻主要與接觸壓力有關(guān)。當(dāng)接觸壓力保持不變或其變化幾乎可忽略時，所對應(yīng)的是靜態(tài)接觸電阻；若連接器處于振動。沖擊。碰撞等動態(tài)使用環(huán)境中，其接觸電阻(動態(tài)接觸電阻)會隨接觸壓力的量值。方向和時間而變。由于這種變化是在極短時間內(nèi)發(fā)生的，其間，插合的一對接觸件有可能因受擠壓或牽引而導(dǎo)致接觸電阻減小或增大，甚至造成瞬間斷電2。這種瞬間斷電現(xiàn)象雖僅持續(xù)數(shù)微秒，仍足以導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)。d)絕緣不良連接器組件中絕緣體的作用是使接觸件保持正確的定位固定和相互絕緣。通過絕緣電阻檢驗(yàn)可判定連接器組件的絕緣性能是否符合電路設(shè)計的要求，或在經(jīng)受高溫。潮濕等環(huán)境應(yīng)力時，其絕緣性能是否符

11、合有關(guān)技術(shù)條件的規(guī)定。絕緣電阻主要受絕緣體材料。溫度。濕度。污損。試驗(yàn)電壓及施加測試電壓的持續(xù)時間等因素的影響。絕緣體表面或內(nèi)部的金屬多余物。表面塵埃。焊劑等污染受潮。有機(jī)材料析出物和有害氣體吸附膜與表面水膜溶合形成離子性導(dǎo)電通道，以及霉斑。絕緣材料老化等，都會造成短路。漏電。擊穿和絕緣電阻低等絕緣不良3。電連接器絕緣不良失效因果關(guān)系如圖3所示。圖3電連接器絕緣不良失效因果關(guān)系圖4電連接器固定不良失效因果關(guān)系e)短路(擊穿)短路是指連接器組件中不該導(dǎo)通的回路被導(dǎo)通的故障，是危及安全使用性能的致命失效。絕緣材料質(zhì)量低劣，濕熱。鹽霧?；覊m等惡劣環(huán)境條件，接線錯誤和壓接質(zhì)量差等都是造成短路的直接原因

12、。可通過耐壓檢測判定連接器組件中是否存在短路故障。若絕緣體內(nèi)存在缺陷，施加試驗(yàn)電壓后便會產(chǎn)生擊穿放電或損壞。擊穿放電表現(xiàn)為飛弧(表面放電).火花放電(空氣放電)或擊穿(擊穿放電)等。f)誤配線誤配線是指連接器組件生產(chǎn)裝配過程中，因操作失誤引起的錯接線故障?？山梃b一些成功應(yīng)用于民用連接器組件(線束)的技術(shù)進(jìn)行檢測。g)固定不良一對處于插合狀態(tài)的連接器組件(線束),其殼體通常也為伸出的接觸件提供精確的對中和保護(hù)，同時還具有安裝定位。鎖緊固定的功能。固定不良輕則影響接觸可靠造成瞬間斷電，重則造成連接器插頭與插座。絕緣體與接觸件。插針與插孔不正常分離甚至解體，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)電能傳輸和信號控制中斷。設(shè)

13、計結(jié)構(gòu)不可靠，選材錯誤，成型工藝選擇不當(dāng)，由熱處理。模具。壓接。裝配等工藝質(zhì)量差引起的彈性零件變形斷裂，二次鎖緊機(jī)構(gòu)失靈，壓接裝配不到位等都會造成固定不良。電連接器固定不良失效的因果關(guān)系如圖4所示。需強(qiáng)調(diào)的是，卡環(huán)等關(guān)鍵零件的材質(zhì)。熱處理工藝和外形幾何尺寸，定位槽的尺寸精度等，均應(yīng)經(jīng)過大量可靠性論證試驗(yàn)后才能確定，否則就可能出現(xiàn)上述失效事故4。h)密封不良為適應(yīng)嚴(yán)酷的航天使用環(huán)境，提高連接器組件的使用壽命和可靠性，許多型號都選用了帶封線體的密封型接觸件的連接器組件。造成密封不良失效故障的主要因素有：因殼體互換性差。絕緣體注塑質(zhì)量差。接觸件插配不良等引起的絕緣體與接觸件界面處應(yīng)力集中，以及微裂紋

14、和氣泡等。3常見失效檢驗(yàn)3.1通斷及導(dǎo)通回路電阻檢測航天電連接器及其組件裝配后，都必須進(jìn)行通斷檢測。傳統(tǒng)的蜂鳴器。萬用表或指示燈等手工逐點(diǎn)檢查方法因操作過程十分繁瑣?？菰?，極易造成漏檢和錯檢。隨著航天電連接器及其組件質(zhì)量和可靠性要求的不斷提高，CIRRIS,Nac等公司生產(chǎn)的智能化導(dǎo)通檢測儀得到了較為廣泛的使用。這些儀器可十分便捷地判定線束中有無斷路。短路。誤配線等失效故障。部分型號儀器還能檢測因存在高阻抗接點(diǎn)而造成的接觸不良失效故障。3.2瞬斷檢測瞬斷檢測是在靜態(tài)導(dǎo)通基礎(chǔ)上考核連接器組件(線束)在動態(tài)環(huán)境中的接觸可靠性。一般認(rèn)為，當(dāng)一對插合接觸件兩端的電壓降超過電源的50%,且接觸電阻瞬間增

15、大超過規(guī)定值時，可判定為瞬間斷電失效故障。故判定是否發(fā)生瞬斷必須同時具備持續(xù)時間和電壓降(或接觸電阻增量)兩個條件3。航天電連接器及其組件大都是在動態(tài)振動環(huán)境中使用的，靜態(tài)接觸電阻合格并不能保證其動態(tài)環(huán)境中的接觸可靠性。接觸電阻合格的連接器在進(jìn)行振動。沖擊和離心等模擬環(huán)境試驗(yàn)時，往往仍會出現(xiàn)瞬斷失效現(xiàn)象。因此，瞬斷檢測除需有符合要求的瞬斷檢測儀外，還必須配備一臺能提供頻率及加速度的振動。沖擊和離心等試驗(yàn)條件的設(shè)備。對一些可靠性要求高的航天連接器組件，最好能進(jìn)行100%的動態(tài)振動試驗(yàn)考核。3.3單孔分離力檢查單孔分離力是指插合狀態(tài)的接觸件由靜止變?yōu)檫\(yùn)動的分離力，用來表征插針和插孔正在接觸。實(shí)驗(yàn)表

16、明，單孔分離力過小，在受振動。沖擊載荷時可能造成信號瞬斷。用測單孔分離力的方法檢查接觸可靠性比測量接觸電阻更有效。航天電連接器生產(chǎn)廠可采用自動插拔力試驗(yàn)機(jī)，對接觸件進(jìn)行100%的單孔分離力檢查。3.4拉脫力和保持力檢查在航天電連接器及其組件的電纜。絕緣體。接觸件等不同部位施加一定的軸向力，以考核整個連接器組件每個絕緣體。接觸件安裝定位是否牢固可靠。對電纜拉脫力及絕緣體。接觸件位置和保持力的考核指標(biāo)與試驗(yàn)方法，連接器組件的標(biāo)準(zhǔn)通常都有詳細(xì)規(guī)定。通過拉脫力和保持力檢查可及時發(fā)現(xiàn)固定不良造成的斷路。接觸不良。瞬間斷電等失效。3.5絕緣耐壓檢測絕緣耐壓檢測是保證航天電連接器及其組件安全使用性能的檢測項(xiàng)

17、目，通過絕緣耐壓檢測可及時發(fā)現(xiàn)絕緣不良。短路(擊穿)等失效故障。日本Nac公司的30X和800等系列多功能自動電性能檢測儀，內(nèi)部采用自動邏輯切換數(shù)字電路，一次插合即能快速準(zhǔn)確地完成導(dǎo)通。絕緣。耐壓和瞬斷等項(xiàng)目的自動檢測。耐壓檢測是在規(guī)定時間內(nèi)施加規(guī)定電壓，以考核連接器組件(線束)的每條連接線在額定電壓下安全工作和耐受開關(guān)浪涌及其他類似現(xiàn)象導(dǎo)致的過電位能力，并據(jù)此判定連接器組件中的絕緣體或?qū)Ь€的絕緣材料及其間隙是否合適。漏電流過大可能引起電參數(shù)或物理性能的改變。由于過電位，即使是在低于擊穿電壓時也可能損壞絕緣或降低其安全系數(shù)，所以作耐壓檢測時應(yīng)慎重。例行試驗(yàn)中如需連續(xù)施加測試電壓，那么在其后的試驗(yàn)中最好適當(dāng)降低測試電壓。絕緣電阻檢測是通過對某一檢測點(diǎn)施加高電壓，測量與非導(dǎo)通點(diǎn)間的漏電流來判定絕緣電阻是否合格。漏電流大于設(shè)定值為不合格，小于或等于設(shè)定值為合格。試驗(yàn)電壓對測試結(jié)果影響很大，施加不同的電壓會得出不同的檢測結(jié)果。3.6氣密性檢查對有密封性要求的電連接器及其組件(線束),必須嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，用氦質(zhì)譜檢漏儀等儀器進(jìn)行100%的密封性檢測，判定其泄漏率是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。隨著航天連接器及其組件應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，一些原來沒有氣密性要求的連接器及其組件(線束),現(xiàn)也增加了氣密性檢查項(xiàng)目。4結(jié)束語在失效分析過程中，必須注意航天連接器及其組件各種常見失效之間的內(nèi)在聯(lián)系，如誤配線