咨询热线0755-23312011

检测认证专业知识分享

碰撞测试知识:重复冲击对结构与焊点的影响

技术概述

碰撞试验(在部分标准体系中称为连续碰撞或颠震试验)是模拟产品在使用与运输中反复承受低强度、短时间冲击的试验项目,与单次大幅值的冲击试验相对应。产品在实际服役中很少只经历一次冲击:车辆行驶中悬挂传递的连续颠簸、搬运过程中包装件的反复磕碰、设备安装后受到的持续性机械扰动,都属于重复性冲击载荷。单次冲击试验难以暴露载荷累积引起的渐进性损伤,碰撞试验正是为考核这类效应而设。相应方法可参照 GB/T 2423.6 与 IEC 60068-2-55 执行。碰撞试验的典型特征是波形多为半正弦脉冲、峰值加速度相对冲击试验较低、脉冲持续时间较短,但重复次数高达数百至上千次。对于焊点、螺纹连接、卡扣结构与脆性材料部件而言,重复冲击造成的损伤累积效应尤为突出,是本项目考核的核心对象。

从产品失效统计看,大量在用户使用一段时间后出现的故障并非源于单次过载,而是源于日复一日的重复小能量冲击:设备随车辆行驶数月后出现焊点开裂,便携仪器在反复磕碰后紧固件松动,均属此类。这些失效在设计阶段往往被单次冲击试验与振动试验遗漏,原因在于其载荷形式介于两者之间——单次能量不足以触发冲击试验的损伤判据,持续时间又短于振动试验的连续激励。碰撞试验填补了这一空白,使重复冲击载荷有了标准化的考核手段。

原理说明

结构在单次冲击下即使未发生明显损伤,内部也可能产生微观塑性变形、微裂纹或连接界面处的微小滑移。重复施加冲击时,这些微观损伤不断扩展与累积:金属焊点内的微裂纹在每次冲击的循环应力作用下逐步萌生与扩展,最终发展为宏观开裂;螺纹连接在反复的惯性力矩作用下发生微动磨损,预紧力逐渐衰减直至松动;卡扣等塑料结构在高应力点经历疲劳过程,出现应力发白、裂纹直至断裂。这一机理与疲劳损伤累积理论一脉相承,即损伤程度取决于应力幅值与循环次数的组合,即使单次应力远低于材料静强度,足够次数的重复作用仍可能导致失效。碰撞试验正是通过规定波形、峰值、持续时间与重复次数的标准化组合,使样品在受控条件下经历相当于实际寿命中重复冲击的考核,从而在短期内暴露结构疲劳、连接松动与焊点开裂等渐进性失效模式。

方法与参数

碰撞试验的主要参数包括峰值加速度、脉冲持续时间、波形(通常为半正弦)、每分钟碰撞次数(重复频率)、总碰撞次数与试验轴向。试验时样品通过夹具刚性安装于碰撞试验机的台面上,台面由驱动机构按规定频率反复提升并跌落于波形发生器上,产生连续的标准脉冲;样品沿三个互相垂直的轴向分别激励,每个轴向的碰撞次数按标准推荐的严酷等级执行。峰值与持续时间的具体量级、重复频率与总次数,应依据适用标准推荐的等级、产品实际环境数据或客户技术条件确定,不应自行臆造。样品是否处于工作状态按试验目的确定:考核结构完好性时可静态安装,考核工作适应性时须通电并监测功能。参数一经确定应严格保持稳定,整个试验过程中脉冲波形与峰值须满足标准容差要求,重复频率的均匀性也会影响损伤累积效果,均需在试验中加以验证。

实施要点

碰撞试验实施的要点集中在夹具、设备验证与过程监控三方面。夹具必须具有足够刚性并可靠紧固,任何夹具松动或共振都会改变传递到样品的脉冲特性,使数千次碰撞的载荷失真;试验前应在安装状态下进行波形校验,确认峰值、持续时间和速度变化量在容差带内。样品安装应模拟实际固定状态,接地、走线与附件的安装方式也应符合实际使用情况,因为线缆的惯性与悬挂方式会影响连接端部的受力。试验过程中应定期抽查脉冲波形,防止波形发生器磨损或紧固状态变化导致条件漂移;对通电监测的样品,应记录异常发生的碰撞序号,便于定位损伤敏感阶段。试验前后均须进行外观与功能检测,条件允许时可在试验前后各做一次低量级扫频,比较固有频率变化以识别内部隐性损伤。试验中断处理、样品失效后的继续与否,应在试验方案中事先约定。

结果评价

碰撞试验的评价重点在于识别重复载荷引起的渐进性损伤。结构层面应系统检查焊点有无开裂或环状裂纹、螺纹与铆接有无松动、卡扣与粘接界面有无分离、脆性部件有无裂纹,必要时借助放大镜或拆解检查内部装配区域;应对受力敏感部位逐一登记损伤状态。功能层面验证试验后样品各项功能与性能是否满足规范要求,关注接触类部件(接插件、继电器触点、开关)在重复冲击后接触电阻的变化,以及可调部件有无位置漂移。若在试验中进行了功能监测,还应评价碰撞过程中有无误动作与功能中断。判定时可将观察到的损伤与碰撞次数相关联:早期即出现的裂纹表明设计裕度不足,后期出现的损伤则反映累积疲劳效应。试验结论应说明在规定量级与次数的重复冲击下,样品结构与焊点是否保持完好、功能是否正常,并针对薄弱部位提出改进方向,例如增设减振垫、优化焊点形态或加强紧固防松措施。

应用场景

碰撞试验适用于预期安装在机动车辆、船舶、铁路机车、工程机械等持续承受机械扰动载体的电工电子产品,也适用于运输过程中反复磕碰的仪器设备与部件级产品。在产品开发阶段,碰撞试验常用于验证装配工艺可靠性,特别是回流焊工艺变更、新型连接件导入、减振方案优化后的验证;在质量控制层面,可作为定期监督项目确认生产批次的结构一致性。与冲击试验组合使用是常见做法:先以冲击试验考核单次大能量耐受能力,再以碰撞试验考核重复载荷下的累积损伤能力,两者覆盖的失效模式互为补充。对于整机加包装的产品,碰撞试验还可在运输包装验证体系中与跌落、随机振动等项目配合,构成对物流全过程的完整模拟。方案制定时应结合产品安装载体的振动冲击环境调查,选取最能代表服役条件的严酷等级与试验轴向。

从管理角度看,碰撞试验结果还应纳入产品的持续改进机制。试验中暴露的薄弱部位应在图样与工艺文件中固化改进措施,改进后的样品需重新验证;对于结构或工艺变更(如焊料替换、减振件改型、装配方式调整)的产品,应评估变更对碰撞耐受能力的影响并安排再验证。将碰撞试验与其他机械环境试验的记录统一归档,可逐步建立产品结构薄弱点的经验数据库,为后续型号设计提供直接参考,减少重复摸索的成本。

常见问题

问:碰撞试验与冲击试验有什么区别?

答:冲击试验考核单次或少量大幅值冲击的耐受能力,峰值高、次数少;碰撞试验考核重复性低强度冲击的累积损伤效应,峰值相对较低但次数多,两者失效机理与考核目的不同,不能相互替代。

问:碰撞测试的费用如何确定?

答:费用根据样品数量、测试项目、适用标准及出具报告的类型确定,不同样品存在差异,实际费用以检测方案为准,本说明不提供固定报价与折扣信息。

问:碰撞次数是如何确定的?

答:碰撞次数按适用标准推荐的严酷等级并结合产品实际环境确定,标准给出若干等级组合供选择,具体次数与每方向分配以产品标准或技术条件为准。

问:试验中途样品失效还要继续吗?

答:按试验方案约定处理。通常应记录失效时的碰撞次数与现象,评估失效是否影响后续考核有效性;若失效可能掩盖其他缺陷,可协商更换样品完成剩余项目,但报告中应如实说明。

问:碰撞试验能代替振动试验吗?

答:不能。振动试验施加的是连续周期性或随机性激励,考核疲劳与响应特性;碰撞试验施加的是离散脉冲,考核冲击累积效应。两者激励形式不同,考核的失效模式有区别。

问:焊点检查需要拆机吗?

答:视判据要求而定。外观检查可发现明显开裂,但焊点微裂纹往往需要拆解后放大检查才能发现,关键样品建议按方案安排拆解检查,以全面评估内部连接可靠性。

问:重复频率对结果有影响吗?

答:有影响。重复频率决定了相邻脉冲的时间间隔,影响结构响应是否叠加以及温升与磨损状态,标准对每分钟碰撞次数有规定,试验中应保持稳定并纳入记录。