劉悅 江燕

廣東中認(rèn)華南檢測技術(shù)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(chǎn)品中被廣泛使用，其性能優(yōu)劣對整個產(chǎn)品的安全性能起決定性作用。在檢測認(rèn)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(jié)果作為重要的判定依據(jù)，球壓試驗依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60695-10-2:2014、國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5169.21-2017進(jìn)行測試，此次通過之前參加由國際電工委員會電工產(chǎn)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(jīng)歷，總結(jié)球壓試驗關(guān)鍵設(shè)備特性及操作方法。

2 試驗關(guān)鍵設(shè)備

2.1 負(fù)載裝置關(guān)鍵特性

負(fù)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(tǒng)中構(gòu)成，其被設(shè)計成可施加一個垂直向下的作用力，包含壓力球的質(zhì)量相當(dāng)于20N±0.2N的負(fù)載。測試過程中應(yīng)確保使用壓力球未磨損或變形，且整個質(zhì)量符合要求。測試過程中可把壓力球擦拭干凈，可給負(fù)載裝置增加固定支架，以免負(fù)載裝置在整個測試過程中會有晃動（圖1），導(dǎo)致出現(xiàn)壓痕不規(guī)則及邊緣難以分辨（圖2）。CLT決議DSH 0391D、DSH 2075 中規(guī)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(jié)果時應(yīng)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(guān)鍵特性

試樣支座有足夠的強度支持負(fù)載裝置，有平滑的表面,有足夠大的質(zhì)量，以防在烘箱內(nèi)放置和取出試樣時，出現(xiàn)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(yīng)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(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中已未說明支座的外觀尺寸及材質(zhì)，選擇盡可能大尺寸、導(dǎo)熱和受熱性能優(yōu)越的材料做為支座，實現(xiàn)烘箱內(nèi)測量溫度值與支座溫度值保持±2℃以內(nèi)，根據(jù)下述操作方法進(jìn)行驗證試樣支座是否能夠滿足要求，以免影響最終結(jié)果。

2.3 烘箱關(guān)鍵特性

熱平衡：GB/T 5169.21-2017中要求烘箱應(yīng)是單室的，其溫度的梯度、波動和偏差應(yīng)符合IEC 60216-4-1的要求并適用于設(shè)置試驗溫度。其中標(biāo)準(zhǔn)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(jù)GB/T 5169.21-2017要求烘箱和試驗裝置應(yīng)在指定的溫度（±2℃）下預(yù)熱至少3h，此溫度在距離試樣中心約50mm以內(nèi)的位置測量（此測量點溫度與支座測量點溫度保持±2℃以內(nèi)），且3h內(nèi)的溫差、波動、溫度變化首先均應(yīng)滿足IEC 60216-4-1:2006要求。

圖1 帶固定支架試驗裝置

圖2 不規(guī)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(guī)定溫度的測試環(huán)境，進(jìn)行試驗前可對所選烘箱進(jìn)行溫度核查，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5170.2-2017進(jìn)行檢驗核查烘箱是否滿足要求。通過熱電偶、數(shù)據(jù)采集器組成溫度測量系統(tǒng)，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(tǒng)，一般選取烘箱容積≤2m3，以便更好的控制內(nèi)部環(huán)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(jiān)控點（圖4）。當(dāng)設(shè)備達(dá)到設(shè)置值且穩(wěn)定30min后，開始記錄各測量點的溫度值和設(shè)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(shù)據(jù)，根據(jù)以下公式計算烘箱存在的溫度指示誤差：

式中：TO—設(shè)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(shè)備工作空間的測量點數(shù)；n—測量次數(shù)；Tij—設(shè)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(shè)備指示溫度的平均值，單位為攝氏度（℃）；TDi—設(shè)備第i次指示溫度值，單位為攝氏度（℃）；ΔTD—設(shè)備溫度指示誤差，單位為攝氏度（℃）。

如果設(shè)備溫度指示誤差過大，直接影響測試結(jié)果，可根據(jù)誤差數(shù)值修正烘箱溫度系統(tǒng)。

烘箱波動度應(yīng)符合IEC 60216-4-1的要求（表1），根據(jù)上述9個監(jiān)控點的30次記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷烘箱波動度是否符合IEC 60216-4-1要求，但實際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60695-10-2:2014、GB/T 5169.21-2017中要求溫差和波動度應(yīng)滿足±2℃要求，通過離放置試樣中心約50mm的監(jiān)控點和試樣支座中心表面下方約3mm的位置的監(jiān)控點數(shù)據(jù)，在達(dá)到規(guī)定溫度后3h的預(yù)熱狀態(tài)下記錄監(jiān)控數(shù)據(jù)判斷烘箱在這兩個位置是否能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)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(jiān)控點，試樣支座中心表面下方約3mm的位置的監(jiān)控點和烘箱自帶溫度監(jiān)控點，試樣支座和負(fù)載裝置都在設(shè)置溫度下預(yù)熱至少3h后，按標(biāo)準(zhǔn)IEC 60695-10-2:2014、GB/T 5169.21-2017要求時間完成一次負(fù)載試樣的放置，然后關(guān)注上述3個點的溫度監(jiān)控點溫度是否能夠在5min內(nèi)恢復(fù)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(shè)備升溫至設(shè)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(shè)定的溫度值，單位為攝氏度（℃）；ΔT—溫度允許偏差值（標(biāo)準(zhǔn)IEC 60695-10-2:2014、GB/T 5169.21-2017規(guī)定為2℃），單位為攝氏度（℃）。

2.4 光學(xué)測量裝置

標(biāo)準(zhǔn)IEC 60695-10-2:2014、GB/T 5169.21-2017對測量裝置要求應(yīng)有至少10倍的光學(xué)放大倍率，最大放大倍率不限，精密數(shù)字圖像投影儀可達(dá)到幾十至百倍的放大倍率。測量過程中難的是確認(rèn)壓痕的邊緣，即使使用精密數(shù)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(dǎo)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(guī)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(jié)果為通過，能力驗證中只要最終結(jié)果合理，在偏差范圍內(nèi)即可符合要求。以下是一種通過基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的測量裝置的成像（圖6），球壓壓痕理論上是一個規(guī)則的圓，所以一般測量軟件會采取隨機Hough變換進(jìn)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(zhǔn)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(jìn)行銳化、閥值調(diào)整、對比度調(diào)整等處理（圖5），可以更加精準(zhǔn)的找到整個壓痕的邊緣，最終能夠準(zhǔn)確測量出最大直徑數(shù)據(jù)。

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(nèi)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(chǎn)品認(rèn)證過程中試驗直接從產(chǎn)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(dá)到這個厚度。試樣應(yīng)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(dá)到規(guī)定厚度及規(guī)定大小的尺寸，建議可依據(jù)新版標(biāo)準(zhǔn)IEC 60695-10-2:2014、GB/T 5169.21-2017的6.2條款要求進(jìn)行試樣準(zhǔn)備，以免影響測試結(jié)果。

試樣預(yù)處理，一般試樣應(yīng)放置在溫度15℃～35℃，相對濕度為45%～75%的大氣環(huán)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(yán)格的預(yù)處理環(huán)境。

選定烘箱后設(shè)定測試溫度，測試溫度（容差在±2℃范圍內(nèi)）在距離試樣中心約50mm以內(nèi)的位置J處測量，試樣支座和負(fù)載裝置在設(shè)定溫度下預(yù)熱最少3h，根據(jù)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(nèi)所需時間不同，測試前應(yīng)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(fù)載裝置沿著固定架放置試樣中間位置，應(yīng)避免負(fù)載裝置晃動，應(yīng)垂直試樣向下移動，以免出現(xiàn)其他劃痕或?qū)е聣汉鄄灰?guī)則。

負(fù)載裝置應(yīng)保持在試樣上60±2min，最后將負(fù)載裝置從垂直試樣方向移走，需再次避免移動負(fù)載裝置時晃動，對試樣造成不必要的壓痕。應(yīng)在10s內(nèi)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(nèi)測量壓痕直徑。

整個試驗過程中應(yīng)保持試樣品水平、避免任何震動和位移（包括負(fù)載裝置的位移）。

4 結(jié)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(nèi)外球壓能力驗證工作的經(jīng)驗及結(jié)合最新版標(biāo)準(zhǔn)和CTL決議，對最新版本的球壓試驗標(biāo)準(zhǔn)要求的測試裝置及操作方法進(jìn)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(guī)則的壓痕，以便進(jìn)行測量，最終能夠準(zhǔn)確測出壓痕直徑數(shù)據(jù)及減小測試結(jié)果的誤差。