坑壓式接觸件空隙率的研究

(航天科工集團十院3419廠，江蘇蘇州，215129)

1 引言

在軍用線束領域，壓接是一道重要工序。壓接連接技術是指在常溫下，通過壓接設備或工具，對裝入導線的接觸件施加一定壓力并保持一段時間，使其產(chǎn)生塑性變形而形成可靠的電氣連接，具有優(yōu)良的機械性能和電氣性能。所謂坑壓式壓接，是指通過壓頭將連接器的接觸件壓成坑式窩點的壓接法。軍用線束上所用的坑壓式一般為四面雙窩點，如圖1所示。

圖1 坑壓式壓接法

在GJB5020-2001《壓接連接技術要求》中對壓接后接觸件的空隙率，只在壓接截面金相顯微鏡檢查中有提到一點要求：所有空隙所占面積應小于導線所占空間總面積的10%。

而在我們公司大量的坑壓式壓接的生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，壓接的各項指標都是合格，金相解剖空隙率也小于10%，如為8.7%時，如下圖2所示。此時連接器的部分接觸件孔位在終檢測試導通電阻會出現(xiàn)接觸電阻超5%的輕微變大現(xiàn)象。為此本文將對這種接觸電阻要求嚴格的產(chǎn)品進行深入研究。

圖2 壓接金相圖

2 接觸電阻

導線導體表面、接觸件內(nèi)部表面盡管十分光滑、且都有鍍層覆蓋，如導線導體表面鍍銀，連接器接觸件表面鍍金。都在顯微鏡下觀察接觸面都是凹凸不平。此時的接觸，并不是整個接觸面的接觸，而是散布在接觸面上的一些點的接觸。真正導體與接觸件直接接觸部分，也被稱為導電斑點，是由接觸壓力破壞界面膜后形成。此部分導電斑點的面積遠小于實際接觸面積。圖3是實際接觸的示意圖。

圖3 實際接觸面積示意圖

接觸件總接觸電阻R可由下列公式(1)表示：

R=Rc+Rf+Rm

(1)

式中：Rc——收縮電阻；

Rf——表面膜層電阻；

Rm——導體電阻。

在軍用線束產(chǎn)品的實際測量連接器的接觸電阻時，都是包含接觸件本身電阻和引出導線的導體電阻。接觸件和導線導體的電阻主要取決于金屬材料本身的導電性能。為便于區(qū)分，本文將收縮電阻加上表面膜層電阻稱為真實的接觸電阻，即接觸電阻R=Rc+Rf。

2.1 收縮電阻

當電流通過接觸件表面流向導線導體時，從原來截面較大的接觸面突然轉到截面很小的導電斑點時，電流會發(fā)生劇烈收縮現(xiàn)象，也叫集中現(xiàn)象，此時電流路徑加長，導電面積減少。此現(xiàn)象所呈現(xiàn)的附加電阻被稱為收縮電阻。

圖4 接觸斑點示意圖

收縮電阻有很多數(shù)學模型，其中Holm計算模型比較簡單。Holm理論主要有四點假設，此時導電斑點為半徑α圓形，且單個α斑點足夠遠，接觸表面沒有污染層，并且接觸的兩個金屬為相同材料ρ1=ρ2=ρ。

在滿足上述條件下，Holm計算公式為：

(2)

式中：RC——收縮電阻，Ω；

ρ——材料電阻率，Ω·m；

α——接觸斑點半徑，m。

在實際生產(chǎn)的情況下，接觸件內(nèi)表面中，導電斑點應該有n個。我們假設其斑點面積都一樣大，這樣在電路上是并聯(lián)的關系，總的收縮電阻將為：

(1)

αi為第i個導電斑點半徑；αp為n個斑點半徑的平均值。

2.2 表面膜層電阻

電接觸表面上，由于種種原因覆蓋著一層導電性很差的物質(zhì)，例如金屬氧化物、硫化物、灰塵、污染物或夾在接觸面間的油膜、水膜等。一般來說，電接觸表面氧化膜居多，而氧化膜多半是半導體，電阻率很高，使得產(chǎn)品接觸電阻大大增加，此電阻被稱為表面膜層電阻Rf。

此時單個半徑為α圓形導電斑點表面膜層電阻計算公式：

式中：U——接觸面之間的電壓，V；

J——流過膜層的電流密度，A/m2；

σ——膜層電阻率，Ω·m2。

對于具有 n 個導電斑點的接觸件，且其平均半徑為αp，則總表面膜層電阻：

則接觸電阻的計算公式為：

從公式中可以看出，當接觸件材料固定時，接觸斑點的半徑越大，此時的接觸電阻越小。即要獲得可靠接觸，必須保證兩金屬的充分接觸。對接觸件的壓接電阻而言，可得出壓接后，空隙率越小，接觸面積越大，接觸電阻越小的關系。

3 實驗驗證

在 GJB5020-2001《壓接連接技術要求》對壓接深度和導線截面積、耐拉力定義的曲線圖如下，即隨著壓接深度的加大，導線截面積越來越小，導線的耐拉力先逐漸升高到最大值，在壓接處拉斷后再逐漸減小。但該趨勢圖沒有給出壓接過程中導線截面積的具體數(shù)值，即壓接空隙率的變化趨勢圖。

為驗證空隙率對壓接可靠性的影響，我們從較小的壓接深度開始試做，每個檔位10只產(chǎn)品，5只進行耐拉力試驗，5只進行金相顯微鏡檢查。然后再加大壓接深度，直至導線的導體從壓接處斷裂，金相檢查的空隙率為零。為此得出耐拉力和空隙率的17組試驗結果如下表1所示。

圖5 壓接過程參數(shù)變化

表1 耐拉力和空隙率試驗數(shù)據(jù)表

同時，我們繪制耐拉力值和空隙率的對比曲線圖如下圖6所示。結果，我們發(fā)現(xiàn)，在空隙率10%左右時，耐拉力并不是最大，還處于上升階段，而空隙率為3%以下時，導線的耐拉力處于平穩(wěn)的頂峰階段。

圖6 耐拉力和空隙率曲線圖

通過我們廠先前的生產(chǎn)經(jīng)驗，空隙率在10%左右時，接觸件的電阻值會出現(xiàn)輕微的變大現(xiàn)象。為此我們將空隙率為3%的接觸件如圖7所示，進行溫度沖擊試驗。實驗條件：-55℃～+125℃，單次循環(huán)，高、低溫保持時間至少為30min，共20次循環(huán)。記錄溫度沖擊前后的接觸件的電阻值，結果顯示所有試驗件，在溫度沖擊后沒有出現(xiàn)超過5%電阻變化值的現(xiàn)象。

此次試驗證明了，壓接空隙率為3%時，接觸件的導通電阻值恒定性很好，產(chǎn)品質(zhì)量得到保證。

圖7 空隙率3%的金相圖

4 結論

對接觸電阻要求嚴格的產(chǎn)品，我們可以通過適當加大壓接深度，使壓接空隙率保持在3%左右，這樣連接器的接觸件將獲得可靠的、永久性的接觸，從而降低接觸電阻變大的風險。通過對壓接空隙率的監(jiān)控，我們公司采用坑壓式接觸件的產(chǎn)品質(zhì)量得到了提升，滿足了軍工客戶的要求。