汽車線束端子連接可靠性技術(shù)研究

茍榮非，蔡 恒，王 強(qiáng)，毛葉平，毛國(guó)軍

（重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司 長(zhǎng)安汽車工程研究院，重慶 401120）

隨著汽車信息化、智能化需要日益增長(zhǎng)，車用電子電器功能不斷增加，各系統(tǒng)之間的交互也越來(lái)越密切。隨之而來(lái)的是汽車線束連接功能復(fù)雜程度的增加，其中小電流連接回路的增加最為突出，對(duì)端子連接可靠性提出更高的要求。目前行業(yè)內(nèi)對(duì)端子連接可靠性技術(shù)的研究主要集中在端子本身的設(shè)計(jì)及制造領(lǐng)域，從端子應(yīng)用和故障分析角度對(duì)端子連接可靠性研究還相對(duì)較少。汽車線束工程師在端子連接可靠性故障分析中缺少理論研究支撐。本文通過(guò)端子鍍層防護(hù)、反向應(yīng)力衰減、壓接可靠性3個(gè)方面，結(jié)合理論數(shù)據(jù)和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)端子連接可靠性的失效因子進(jìn)行分析，并提出在實(shí)際應(yīng)用中提升端子連接可靠性的設(shè)計(jì)方法和驗(yàn)證手段，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 端子鍍層防護(hù)

由于金屬與空氣中的氧接觸會(huì)產(chǎn)生化學(xué)變化，生成金屬氧化層，所以為確保端子連接部位保持穩(wěn)定的接觸電阻，防止端子氧化、腐蝕，端子表面都會(huì)設(shè)置鍍層進(jìn)行保護(hù)。目前行業(yè)內(nèi)使用的鍍層材質(zhì)有錫(Sn)、銀(Ag)、金(Au)，由于價(jià)格差異巨大，采用鍍錫的方式最為普遍。各種鍍層材質(zhì)的特性對(duì)比見(jiàn)表1。鍍金材質(zhì)的端子由于其耐腐蝕性、耐磨性能強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在發(fā)動(dòng)機(jī)上布置的零件或其它重要零部件上被大量應(yīng)用。

端子鍍層保護(hù)主要體現(xiàn)在保持鍍層自身穩(wěn)定性和減少接觸點(diǎn)摩擦所導(dǎo)致的鍍層磨損。

對(duì)于端子的鍍層，往往認(rèn)為鍍層越厚，其抗氧化性能越好，所以在端子設(shè)計(jì)過(guò)程中，會(huì)錯(cuò)誤地將鍍Sn層加厚。殊不知由于Sn很軟，Sn層越厚，經(jīng)過(guò)微振動(dòng)后很容易被刮損，產(chǎn)生大量的磨耗粉，增加接觸電阻。通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)表明，厚的Sn層比起薄的Sn層端子，其微振動(dòng)后基材更易裸露形成氧化物，就更容易發(fā)生接觸阻抗增加的現(xiàn)象。

表1 各種鍍層材質(zhì)的特性對(duì)比

為抑制Sn的微振動(dòng)磨耗，Sn層厚度控制在1μm以下為宜，且以Sn和Ni的2層電鍍（Ni打底鍍Sn）的應(yīng)用較普遍，但又存在Ni會(huì)向表面擴(kuò)散，形成Ni-O氧化物，造成接觸阻抗增加，引起接觸不良。為了抑制Ni的擴(kuò)散，通過(guò)研究表明，使用3層電鍍方式（圖1），即在Sn與Ni之間加入Cu-Sn合金層，可以有效抑制Ni擴(kuò)散，對(duì)基材起到良好的保護(hù)。

圖1 3層電鍍示意圖

相對(duì)于公、母端子微振動(dòng)所帶來(lái)的鍍層磨損較緩慢而言，護(hù)套間隙過(guò)大和端子晃動(dòng)所帶來(lái)的端子間的磨損，對(duì)端子鍍層造成的影響更直接。通過(guò)不同間隙護(hù)套進(jìn)行加速振動(dòng)試驗(yàn)（振動(dòng)加速度40 g；振動(dòng)頻率100～400 Hz）可以發(fā)現(xiàn)：護(hù)套間隙越大，對(duì)鍍層的磨損越嚴(yán)重。護(hù)套晃動(dòng)對(duì)端子的磨損情況對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 護(hù)套晃動(dòng)對(duì)端子的磨損情況對(duì)比

在公、母端子的匹配應(yīng)用中，不同鍍層的端子也應(yīng)避免配對(duì)使用：①表面硬度，由于插拔和微振動(dòng)出現(xiàn)的摩擦，堅(jiān)硬的面會(huì)把柔軟的面刨起，比如堅(jiān)硬的鍍金會(huì)把較軟的鍍錫層刨起，從而破壞鍍錫層的防護(hù)；②接觸電位，不同金屬電位差的不同，會(huì)導(dǎo)致電氣性腐蝕，而高溫、高濕的環(huán)境還將使腐蝕加快。金屬標(biāo)準(zhǔn)電位表如圖2所示。

圖2 金屬標(biāo)準(zhǔn)電位表

由于鍍層的磨損和腐蝕是一個(gè)微觀層面的變化，其發(fā)生較細(xì)微，很難通過(guò)肉眼進(jìn)行判斷，所以在分析鍍層損傷所帶來(lái)的端子連接不可靠故障時(shí)，往往需要借助儀器設(shè)備對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)。在實(shí)際的故障分析過(guò)程中，會(huì)根據(jù)不同的測(cè)試要求選擇相應(yīng)的測(cè)試方式。端子鍍層檢測(cè)方式對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 端子鍍層檢測(cè)方式對(duì)比

2 反向應(yīng)力衰減

公端子前端插入到母端子縫隙內(nèi)時(shí)，母端子的彈簧片被擠壓發(fā)生形變后產(chǎn)生反向應(yīng)力（圖3）。一般認(rèn)為，母端子彈簧片上的凸起與公端子接觸部分為接觸面，而接觸負(fù)載集中在母端子凸起部位。所以在研究規(guī)避端子接觸反向應(yīng)力的衰減時(shí)，主要是研究如何減少母端子的接觸負(fù)載所產(chǎn)生的方向應(yīng)力的衰減。

圖3 端子接觸應(yīng)力示意圖

接觸負(fù)載與端子接觸電阻密切相關(guān)，通過(guò)不同接觸負(fù)載下的瞬斷測(cè)試（圖4）可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)端子接觸負(fù)載只有1N時(shí)，其接觸電阻超過(guò)10mΩ，且波動(dòng)較大；而在接觸負(fù)載為10N時(shí)，接觸電阻僅為0.1mΩ，且阻值更穩(wěn)定。表明：端子間接觸負(fù)載越大，接觸電阻越穩(wěn)定，因此越易獲得可靠的連接性能。

圖4 不同接觸負(fù)載下的瞬斷測(cè)試

接觸負(fù)載增大有利于端子接觸電阻的穩(wěn)定，過(guò)大地提高接觸電阻在使用初期可以獲得良好的接觸性能，但對(duì)端子長(zhǎng)期的使用性能來(lái)說(shuō)并不可?。孩俟?、母端子接觸時(shí)接觸負(fù)載過(guò)大，會(huì)加劇對(duì)電鍍表層的磨損，而鍍層磨損后底層銅材氧化導(dǎo)致接觸電阻迅速上升。②由于母端子不同的彈簧片形狀，其形變量與反向應(yīng)力特性也隨之變化（圖5），在考慮制造公差的前提下，端子間接觸負(fù)載增加應(yīng)確保母端子的形變量盡可能控制在彈性形變區(qū)域內(nèi)，使其具有較高接觸負(fù)載的同時(shí)，還能維持長(zhǎng)期的連接穩(wěn)定性。

圖5 反向應(yīng)力和形變量的關(guān)系

常規(guī)的公、母端子接觸多為單觸點(diǎn)接觸，從端子接觸電阻與端子觸點(diǎn)的關(guān)系來(lái)看，觸點(diǎn)的總電阻R總可按照各觸點(diǎn)電阻Ri并聯(lián)關(guān)系來(lái)計(jì)算，觸點(diǎn)數(shù)量個(gè)數(shù)越多，電阻越小。各觸點(diǎn)電阻并聯(lián)關(guān)系公式如下

觸點(diǎn)增多帶來(lái)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)便是將反向應(yīng)力衰減的失效概率降低。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)雙觸點(diǎn)或多觸點(diǎn)的設(shè)計(jì)理念是提高線束端子連接可靠性的有效手段。TE 8觸點(diǎn)的端子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 TE 8觸點(diǎn)的端子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

盡管金屬材料的應(yīng)力衰減是其本生的固有特性、不可逆，但不同材質(zhì)的端子在不同溫度下的耐應(yīng)力衰減性能卻大不相同。通過(guò)對(duì)各種材質(zhì)在不同溫度下通電3 000 h后能保持至少70%應(yīng)力的測(cè)試對(duì)比（圖7）發(fā)現(xiàn)：行業(yè)內(nèi)使用最為普遍的黃銅（C268）材質(zhì)，其對(duì)應(yīng)的溫度在80 ℃及以下，表明黃銅材質(zhì)的端子，要保持穩(wěn)定的可靠連接，其使用溫度應(yīng)不高于80 ℃，而磷青銅(C519)材質(zhì)的端子則可適用于125 ℃以下的溫度。

圖7 端子材質(zhì)與使用溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系

在實(shí)際故障問(wèn)題的排查中，端子反向應(yīng)力的衰減往往伴隨著端子簧片間隙的變化，可以借助影像測(cè)量?jī)x對(duì)端子簧片的間隙及受損情況進(jìn)行檢查，見(jiàn)表4。

表4 端子間隙檢測(cè)方式

3 壓接可靠性

端子的壓接是為了確保端子與導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)可靠連接，既可實(shí)現(xiàn)較低的壓接電阻，又能得到足夠的機(jī)械抗拉強(qiáng)度。通過(guò)圖8所示的壓接原理可以清晰地看出壓縮量、機(jī)械抗拉強(qiáng)度及壓接電阻3者的關(guān)系。

圖8 端子壓接原理

隨著壓縮量的增大，導(dǎo)線拉伸強(qiáng)度由低到高，達(dá)到頂峰后開(kāi)始下降，曲線的下降段會(huì)伴隨著銅絲過(guò)量變形甚至容易被拔斷；而壓接電阻則是由高到低，形成谷底平緩段后略有回升。從圖8中可以看出，兩項(xiàng)指標(biāo)的最佳點(diǎn)并未重合，需要結(jié)合整體性能予以平衡。良好的壓接品質(zhì)要求高拉伸強(qiáng)度和盡可能小的壓接電阻，所以選擇恰當(dāng)?shù)膲嚎s量是端子壓接的關(guān)鍵：一般將壓縮量控制在15%～25%為宜。

隨著汽車線束輕量化的推進(jìn)，應(yīng)用0.13～0.22 mm2的導(dǎo)線將更加普遍，小線徑的壓接，由于銅絲較細(xì)，銅導(dǎo)線更易被壓損，這種制造風(fēng)險(xiǎn)使機(jī)械性能和電氣性能顯得更難平衡。為同時(shí)獲得良好的壓接機(jī)械性能和電氣性能，對(duì)端子結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。將端子的壓接進(jìn)行功能區(qū)分，在靠近導(dǎo)線側(cè)，以獲得良好的機(jī)械抗拉強(qiáng)度為主，在靠近端子接觸側(cè)，以獲得良好的電氣性能為主。結(jié)合端子的壓接原理，由于機(jī)械性能的最優(yōu)點(diǎn)早于電氣性能的最優(yōu)點(diǎn)，所以將機(jī)械性能為主的端子后端高度設(shè)計(jì)得較低，而前端高度則設(shè)計(jì)得較高，使整個(gè)端子壓接的機(jī)械性能和電氣性能得到更好的平衡，如圖9所示。

圖9 基于端子壓接原理的端子壓接結(jié)構(gòu)優(yōu)化

目前行業(yè)內(nèi)，普遍通過(guò)觀察端子壓接剖面的方式來(lái)判斷壓接是否可靠。壓接剖面在顯微鏡下的理想狀態(tài)為：各銅絲及端子間均壓接緊密，銅絲伴隨有明顯的擠壓變形，并呈現(xiàn)出輪廓清晰的多邊形（圖10）。端子壓接剖面的具體評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)可參見(jiàn)QC/T 29106—2014《汽車電線束技術(shù)條件》。

在滿足如上所述的標(biāo)準(zhǔn)壓接剖面的前提下，將該狀態(tài)端子壓接部位的高度和寬度值（C/H，C/W）作為壓接生產(chǎn)過(guò)程的評(píng)價(jià)指標(biāo)。經(jīng)過(guò)實(shí)際的壓接參數(shù)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)：由于設(shè)備的機(jī)械穩(wěn)定性和過(guò)程制造偏差，生產(chǎn)放行的壓接高、寬標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該比設(shè)計(jì)的壓接高、寬要求更嚴(yán)，這樣才能確保壓接品質(zhì)處于可靠的范圍內(nèi)。比如：在測(cè)量端子高度（C/H）時(shí)，正常的設(shè)計(jì)公差范圍為±0.05mm，實(shí)際生產(chǎn)放行可以將其調(diào)整為±0.02 mm，即使設(shè)備存在正常的壓接波動(dòng)，也可以保證端子的壓接高度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，最大限度地滿足壓接性能指標(biāo)的達(dá)成。

圖10 金相顯微鏡下的端子剖面圖示

4 結(jié)論

本文對(duì)影響汽車線束端子連接可靠性的因素進(jìn)行了深入分析，結(jié)合理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)各因素的具體規(guī)避方法進(jìn)行了研究及應(yīng)用，既為線束端子連接選型提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)，又為端子連接不可靠的故障模式提供了具體的分析方法。

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