硬同軸線接插頭斷裂失效分析

宋為民 楊靖輝 朱紹峰

【摘要】本文通過對硬同軸線接插頭斷裂樣品分析，分別檢驗了樣品的化學成分、硬度和金相組織，采用掃描電子顯微鏡觀察了斷口的微觀形貌。結(jié)果表明，使用過程中斷裂的樣品是由于工作環(huán)境溫度高導(dǎo)致第二相和晶體長大，材料強度下降而產(chǎn)生的斷裂;產(chǎn)品裝機試驗時斷裂的樣品是由于固溶處理過熱而產(chǎn)生的脆性斷裂。通過分析，提出了接插頭質(zhì)量控制和使用環(huán)境控制的措施。

【關(guān)鍵詞】硬同軸線;接插頭;斷裂分析

引言

同軸線屬于TEM波（橫向電磁波）傳輸線，是一種由內(nèi)、外導(dǎo)體構(gòu)成的雙導(dǎo)體傳輸線。因具有頻帶寬，損耗低，尺寸小，與微帶電路連接方便等特點，廣泛應(yīng)用于功率傳輸系統(tǒng)中。同軸線按結(jié)構(gòu)型式可分為軟同軸線和硬同軸線。硬同軸線的外導(dǎo)體是金屬管，內(nèi)導(dǎo)體一般為金屬管或?qū)嵭牡膶?dǎo)體，用鈹青銅QBe2制作。內(nèi)、外導(dǎo)體間的介質(zhì)是空氣，內(nèi)、外導(dǎo)體用介質(zhì)材料實現(xiàn)支撐[1]。同軸線連接接頭分為接插頭和平接頭。插接頭指，內(nèi)導(dǎo)體一個做成插芯，另一個做成插孔，通過插芯和插孔連接。外導(dǎo)體則通過螺紋或卡口連接[2]。硬同軸線系統(tǒng)在空間布局受制約，傳輸功率較大時，對接插頭連接要求較高，如接觸電阻要小，無泄漏功率，無尖角等。大功率傳輸中插接頭連接易產(chǎn)生打火、插頭斷裂等形式而失效。本文對運行過程中及裝配過程中發(fā)生的接插頭斷裂現(xiàn)象進行了分析，提出了零件質(zhì)量控制措施。

1.斷裂現(xiàn)象

圖1 使用過程斷裂失效樣品 ? ?圖2 裝配過程失效樣品

（樣品1） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （樣品2）

硬同軸線接插頭斷裂有產(chǎn)品使用過程中斷裂（樣品1）和在產(chǎn)品裝機試驗時斷裂（樣品2）兩種形式。斷裂均發(fā)生于插接頭的根部，斷口與軸心線垂直，斷面無宏觀塑性變形，斷口表面有黑色物質(zhì)覆蓋。使用過程斷裂失效樣品（樣品1）局部可以看到因電弧而留下的燒蝕痕跡。

2.斷裂失效樣品的理化分析

2.1 樣品的硬度

對樣品進行維氏硬度測試，每個樣取5點測試平均值。樣品1維氏硬度為265 HV0.2，樣品2維氏硬度為385 HV0.2。可以看出，經(jīng)使用一段時間后，硬同軸線接插頭硬度數(shù)值有較大幅度的下降。

2.2 樣品化學成分

對兩種斷裂樣品化學成分分析結(jié)果（如表1所示）表明，對兩種樣品取樣后，所測元素化學成分符合GB/T5231-2001的規(guī)定。

表1 樣品1成分（wt%）

成分元素 Be Ni Fe Al Si

GB/T5231-2001 1.9-2.2 0.2-0.5 ≤0.15 ≤0.15 ≤0.15

樣品1 2.05 0.24 0.10 0.12 0.12

樣品2 2.10 0.31 0.11 0.10 0.10

2.3 顯微組織

在平行于斷口平面方向取樣，用1號至4號金相砂紙逐級磨制后進行機械拋光，用腐蝕后在工學顯微鏡下對樣品進行觀察。依據(jù)GB/T 6394-2002對樣品平均晶粒度進行計算。樣品1顯微組織為α基體上發(fā)布著γ2相，顯微組織中出現(xiàn)異常大晶粒（圖3），晶界較平直。根據(jù)GB/T 6394-2002，樣品平均晶粒度約45微米。樣品2顯微組織為α基體上發(fā)布著γ2相，局部區(qū)域可觀察到孿晶組織（圖4）。晶界較直，有局部熔合現(xiàn)象。根據(jù)GB/T 6394-2002，樣品平均晶粒度約32微米。

圖3 樣品1組織 ? ?400× ? ?圖4 樣品2組織 ? ?400×

2.4 微觀斷口

采用掃描電子顯微鏡，分別對樣品1和樣品2斷口進行觀察。圖5為樣品1斷口微觀形貌，圖5a斷裂特征為韌窩+少量解理。在圖5a中，除韌窩外，還可以看到晶界間的孔洞。圖6為樣品2斷口微觀形貌，6a斷裂特征為沿晶+少量韌窩，6b可以觀察到二次裂紋和晶界間的缺陷，說明部分晶粒之間結(jié)合狀況不好。

（a）斷口形貌 ? 500× ? ? ? ? ? （b）斷口形貌 ? 4000×

圖5 樣品1斷口形貌

（a）斷口形貌 ? 1000× ? ? ? ?（b）斷口形貌 ? ?4000×

圖6 樣品2斷口形貌

3.分析

從成分分析結(jié)果可以看出，兩種失效構(gòu)件均符合GB/T5231-2001對QBe2成分要求。樣品1維氏硬度為265 HV0.2，樣品2維氏硬度為385 HV0.2，樣品1硬度明顯低于樣品2。QBe2是一種時效硬化型銅合金，時效溫度275-340℃，經(jīng)失效處理后，其硬度一般高于36～38HRC（約為360～380Hv），在300℃以下工作，力學性能良好，但在超過340℃，隨著時間增加有過時效效應(yīng)，造成材料材料抗拉、屈服及疲勞強度會降低，隨著溫度上升和時間延長性能進一步下降。樣品1經(jīng)過使用后硬度降低，說明該部件在340℃以上的環(huán)境下工作。

同軸線接插頭在使用過程中因打火或接觸不良均會導(dǎo)致工作溫度升高。由于同軸線接插頭在高功率環(huán)境工作，因此要求接觸良好，通常對同軸線接插頭來說，插座或插芯的內(nèi)導(dǎo)體上均可開槽，靠接觸處的徑向彈力保證插芯和插孔的良好接觸。但在使用過程有時會出現(xiàn)以下現(xiàn)象：

（1）絕緣不良。由于存在表面塵埃、焊劑等污染物，在受潮時，有機材料析出物及有害氣體吸附膜與表面水膜溶合形成離子性導(dǎo)電通道，容易發(fā)生漏電、擊穿等絕緣不良現(xiàn)象。另外，絕緣材料老化也可能造成絕緣不良。

（2）插孔松弛。插合狀態(tài)產(chǎn)生接觸正壓力的簧片要有一定的變形量，若零件沒有按要求加工出現(xiàn)收口至閉合或收口不齊，造成收口變形量小，分離力小，容易在后續(xù)使用失效，而接觸不良也會促進絕緣不良現(xiàn)象。

由于同軸線接插頭的加工插孔松弛及絕緣不良會造成打火現(xiàn)象，造成溫度升高，使用過程產(chǎn)生反復(fù)高溫沖擊，會出現(xiàn)析出相進一步長大，晶粒也會長大的現(xiàn)象，圖3中金相分析也證實了之一推斷。因此，可以判斷樣品1是由于在使用過程中承受熱沖擊而導(dǎo)致強度下降，脆性增大，從而產(chǎn)生的斷裂。

樣品2硬度正常，晶界較直，有局部熔合現(xiàn)象，說明該樣品在淬火處理是有輕微過熱。圖4中局部區(qū)域觀察到孿晶組織，孿晶組織是α基體在冷變形過程中產(chǎn)生的。圖6b中觀察到二次裂紋和晶界間的缺陷，從另一個方面證實了輕微過熱組織的存在。過熱導(dǎo)致晶界局部熔合，削弱了晶界之間的結(jié)合力，降低了材料的強度，增加了材料的脆性。因此，可以認為樣品2是由于過熱導(dǎo)致的斷裂失效。

4.控制措施

從上述分析可以看出鈹青銅的打火斷裂及試驗斷裂分別是環(huán)境和熱處理過程中引起的。在熱處理工藝控制方面，由于QBe2的熱處理條件嚴格，為了防止零件表面氧化，必須在真空爐內(nèi)進行;在熱處理工藝控制方面，要求溫度波動控制在±10℃范圍內(nèi)。

裝機前進行高功率篩選，為保證接觸可靠并有一定的接觸壓力，插芯、插孔都要進行100%的插拔力檢查。裝配成品后也應(yīng)按技術(shù)條件進行插拔力檢查。

除了上述原因引起失效，還有一些難以控制因素作用下也會造成打火，因此要設(shè)置高功率試驗臺，通過耐功率試驗，監(jiān)測溫升，以進一步檢驗同軸線接插頭的電性能，確保裝機前的同軸線性能滿足指標要求。

影響接觸壓力和表面膜層變化的主要因素有振動和溫度，其中又以溫度對電連接器的工作壽命影響最大，這是因為溫度不僅決定了在大氣環(huán)境下接觸件表面膜層的生長，而且還會因插孔蠕變而影響電連器接觸壓力的大小[5]。絕緣件的材料老化，鈹青銅的應(yīng)力松弛[6]也受溫度影響較大，所以硬同軸線接插頭的溫度控制很重要，改善散熱讓其在合理的溫度范圍內(nèi)工作有利于可靠性提高。

5.結(jié)束語

對同軸線接插頭斷裂失效樣品理化分析，確定其斷裂原因分別是工作環(huán)境溫度高和熱處理工藝過程中固溶處理溫度高通過試驗總結(jié)各種失效模式和失效機理，為合理地改進設(shè)計、加強過程控制提供有效依據(jù)。

參考文獻

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[5]張新明，毛新平，鄧至謙，范波，周卓平，曹金榮.鈹銅帶材彎曲應(yīng)力松弛的力學行為[J].中國有色金屬學報，2001，11（6）：989-992.

作者簡介：宋為民（1967—），男，研究員，主要從事雷達工藝總體研究工作。