車用氧傳感器失效案例分析及微裂紋檢測方法研究

孫東睿 高宏宇 王金興 欣白宇 商安琪 叢鑫

作者簡介：孫東睿（1984—），男，高級工程師，碩士學位，研究方向為汽車材料與制備工藝。

基金項目：絕熱及氣體傳感稀土陶瓷及其關鍵制備技術（2022YFB3504900）。

參考文獻引用格式：

孫東睿， 高宏宇， 王金興， 等. 車用氧傳感器失效案例分析及微裂紋檢測方法研究[J]. 汽車工藝與材料， 2024（5）： 64-67.

SUN D R， GAO H Y， WANG J X， et al. Analysis of Failure Cases of Vehicle Oxygen Sensors & Study of Microcrack Detection Methods[J]. Automobile Technology & Material， 2024（5）： 64-67.

摘要：為解決陶瓷片芯內部產生微裂紋而導致傳感器總成失效的問題，研究分析了一種簡單且無損檢測陶瓷片芯微裂紋的方法，該方法利用酒精對陶瓷良好的浸潤性，可填充到裂紋中間，利用酒精與空氣電導率的差異，通過檢測陶瓷片芯電流的變化快速判斷片芯內部是否出現微裂紋；將該方法應用于某車型前氧傳感器失效案例分析，采用光學顯微鏡和高精度CT進一步證明了微裂紋的產生及原因；結果表明，酒精檢測法可準確判斷陶瓷片芯內部產生微裂紋，裂紋產生的原因是加熱器電壓過高，內部熱應力不均勻導致加熱器電極與片芯主體脫離，進而導致片芯內部產生微裂紋。

關鍵詞：裂紋檢測 失效分析 前氧傳感器 陶瓷片芯

中圖分類號：U465.3? ?文獻標志碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230180

Analysis of Failure Cases of Vehicle Oxygen Sensors & Study

of Microcrack Detection Methods

Sun Dongrui， Gao Hongyu， Wang Jinxing， Xin Baiyu， Shang Anqi， Cong Xin

（Global R&D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013）

Abstract： In order to solve the problem of microcracks in the ceramic chips causing failure of the sensor assembly， this article studied and analyzed a simple and non-destructive method for detecting the microcracks in the ceramic chips， which can be filled in the middle of the crack by using the good wettability of alcohol to the ceramic， and the difference between the conductivity of alcohol and air was used to quickly determine whether there were microcracks in the chips by detecting the change of the current of the ceramic chips. This method was applied to the case study of the failure of the front oxygen sensor of a vehicle model. The cause of microcracks was further proved by optical microscopy and high-precision CT. The results show that the alcohol detection method could accurately determine the occurrence of microcracks inside ceramic chips， and the cause of cracks is excessively high heater voltage， and the uneven internal thermal stress， which cause the heater electrode to detach from the chips body， which in turn leads to microcracks inside the chips.

Key words： Sheet stampings， Gravity distortion， Nonlinearity， Simulation

1 前言

1.1 氧傳感器簡介

汽車尾氣中含有碳氫化合物、一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等有害氣體，是大氣污染的主要來源之一[1-2]。為了應對日趨嚴格的汽車尾氣排放法規，乘用車需要安裝氧傳感器來控制整車排放。氧傳感器是控制汽車尾氣排放的關鍵核心零部件，其作用是通過監測汽車尾氣中的氧氣濃度，將監測信號發送至發動機管理模塊，發動機管理模塊根據監測信號調節發動機空燃比，達到節能減排的目的。

為滿足《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》要求，乘用車在排氣系統中需安裝兩個氧傳感器，分別為寬域氧傳感器和窄域氧傳感器，寬域氧傳感器安裝在三元催化器之前，又稱為前氧傳感器，窄域氧傳感器安裝在三元催化器之后，又稱為后氧傳感器[3-8]。

1.2 氧傳感器失效原因

在使用過程中，常見的失效現象包括氧傳感器無法加熱、輸出信號異常、信號端斷開。常見的失效原因如下[9-11]。

a. 線束接觸不良：由于陶瓷片芯引腳較多，引腳與線束的接觸點易在高溫振動下產生位移，片芯與線束接觸不良，進而導致傳感器無信號。

b. 氧傳感器中毒：常見的氧傳感器中毒包括鉛中毒、硫中毒和硅中毒。汽車的燃料和潤滑油中含有鉛元素和硫元素，汽車發動機密封件使用的硅橡膠中含有硅元素，在高溫環境下，這些元素會隨著尾氣進入氧傳感器，與氧傳感器片芯中的鉑電極發生反應，或者形成氧化物附著在鉑電極表面，最終降低鉑電極的催化活性，影響氧傳感器信號輸出。

c. 氧傳感器積碳：當發動機處于濃燃狀態下，空燃比偏低，燃料因為燃燒不充分而產生大量的碳，覆蓋在氧傳感器廢氣罩和片芯表面，影響氧傳感器的信號輸出。

d. 傳感器陶瓷片芯開裂：氧傳感器片芯的主要材料是氧化釔穩定氧化鋯（Yttria-Stabilized Zirconia，YSZ）陶瓷，在氧傳感器工作時，片芯表面溫度為700～800 ℃，當排氣管中的冷凝水或尾氣中含有的水蒸氣接觸到氧傳感器片芯時，局部溫度驟降，導致YSZ陶瓷開裂。此外，由于內部加熱器溫度突變，也會導致局部溫度過高而引起YSZ陶瓷片芯開裂，進而導致信號端或加熱器端斷開。

2 試驗部分

本次失效案例均發生在某混合動力車型上，在寒區測試期間，車輛在發動機起動后，連接電瓶上電時前氧傳感器損壞無信號輸出，失效氧傳感器型號為博世生產的LSU 5.2寬域氧傳感器，如圖1所示[12-15]。

試驗過程如下：

a. 使用電鋸切開兩支失效氧傳感器的外廢氣罩、內廢氣罩、六角螺母、陶瓷粉環，將氧傳感器片芯取出。

b. 去除兩支氧傳感器陶瓷片芯表面熱沖擊保護（Thermal Shock Protection，TSP）涂層后，用低倍光學顯微鏡觀察氧傳感器片芯表面觀察裂紋現象。

c. 將兩支失效氧傳感器片芯（樣件1和樣件2）的加熱器PIN腳接入穩壓電源，PIN腳定義如圖2所示，在電路中串聯一個數字萬用表（圖3）。用穩壓電源向三支氧傳感器的加熱器PIN3和PIN4腳加載20 V電壓，記錄數字萬用表的讀數I1，將三支失效氧傳感器片芯浸沒到95%的酒精溶液中，記錄數字萬用表讀數I2。

d. 使用高精度CT檢測失效氧傳感器陶瓷片芯的內部結構。

3 結果與討論

3.1 低倍光學顯微鏡結果

經肉眼觀察，陶瓷片芯外觀完好無損，未出現裂紋，去除片芯表面的TSP涂層后，涂層下面存在微小鼓包。使用低倍光學顯微鏡觀察片芯表面，未在陶瓷片芯表面觀察到裂紋（圖4）。初步判斷失效部位在陶瓷片芯頭部微小鼓包位置。

3.2 酒精裂紋檢測結果

當氧傳感器片芯出現裂紋時，片芯中的裂縫會被空氣填充，傳感器PIN腳之間為斷路，電流僅為納安級。酒精對于YSZ陶瓷具有良好的浸潤性，當氧傳感器片芯浸入到酒精中時，酒精會填充到裂紋中間，室溫下95%的酒精溶液的電導率為1.35×10-3? μS/cm，酒精溶液的電導率大于裂縫中的空氣，在數字萬用表上可以觀察到加熱器兩端電流快速增大，電流可達微安級或毫安級，通過電流的變化可以判斷氧傳感器片芯的內部是否出現裂紋。

分別測試并記錄3支失效氧傳感器片芯樣件1、樣件2和樣件3浸入酒精溶液前、后的電流，檢測結果見表1，結果表明，3支失效氧傳感器陶瓷片芯樣件1、樣件2和樣件3分別浸沒到酒精溶液中后，較在空氣中電流明顯增大，這是因為酒精浸入陶瓷芯片內部微裂紋后，導致整個片芯主體導電率發生變化，引起電流的升高。說明3個失效的氧傳感器片芯內部出現了微裂紋。

3.3 高精度CT檢測結果

陶瓷片芯的內部結構圖如圖5所示，陶瓷片芯由氧化鋯層、氧化鋁層、加熱電極等組成，在2層氧化鋯層中間夾著被上、下2層氧化鋁覆蓋的加熱器電極。

為了進一步分析氧傳感器陶瓷片芯微裂紋產生的原因，使用高精度CT掃描片芯內部結構（圖6），圖6a圓圈處表明加熱器的鉑電極處發生了分層開裂，導致片芯表面形成鼓包。這種分層開裂使得加熱電極與陶瓷片芯本體分開，從正面觀察，圖6b圓圈處體現為加熱電極表面有破損斷開點，直接造成加熱器斷路。從加熱器電極彎曲形狀判斷，是由于受到片芯內部熱應力的沖擊導致，內部熱應力主要來源于施加在加熱器電極兩端的加熱電壓。

車輛起動時，施加在加熱器電極兩端的加熱電壓過高導致加熱電極受到高溫沖擊，局部產生熱應力，氧化鋯層和氧化鋁層的熱膨脹系數不同，陶瓷片芯內部發生形變和分層，在分層的過程中，包裹在兩層氧化鋁層中間的加熱器電極被撕開產生斷點。進而形成加熱器斷路，使氧傳感器停止工作，失去信號。

3.4 失效結果重現分析

為了進一步證明失效原因是加熱電壓過高，取3支正常的氧傳感器，分別加熱電極兩端，迅速施加20 V加熱電壓后，3支傳感器停止工作，失去信號。對失效的3支傳感器采用酒精裂紋試驗檢測內部微裂紋現象，試驗結果如表2所示。

在加熱器兩端PIN3和PIN4角施加穩壓電源以后，將3支氧傳感器陶瓷片芯樣件1、樣件2和樣件3分別浸沒到酒精溶液中以后，加熱器兩端較在空氣中電流明顯增大。進一步證明了失效分析結果的準確性。

4 結束語

酒精裂紋檢測法可以有效檢測氧傳感器陶瓷片芯內部是否存在微裂紋，在不損害傳感器的前提下，可通過酒精和空氣電導率的差異，利用電流的變化對氧傳感器的裂紋進行快速判斷。3支失效片芯在空氣中電流分別為0.003 μA、0.001 μA、0.001 μA，浸入酒精后，電流升高到99.967 μA、47.920 μA、50.730 μA，以此判斷傳感器片芯出現裂紋。這種方法通過酒精和空氣電導率的差異，利用電流的變化對氧傳感器的裂紋進行快速判斷，將酒精裂紋檢測法應用于前氧傳感器失效分析，經過失效結果復現，加熱電壓過高是加熱電極出現斷點是前氧傳感器失效的原因。

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