導(dǎo)線端子壓接連接技術(shù)在核動(dòng)力裝置反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用和可靠性驗(yàn)證

馬 玥，劉 清，王庭兵

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610213）

0 引言

現(xiàn)代電氣互聯(lián)技術(shù)中的連接形式主要分為焊接法和壓接法，隨著電子電氣產(chǎn)品的逐步小型化、高密度封裝，傳統(tǒng)的焊接技術(shù)因?yàn)椴僮骺臻g限制和操作復(fù)雜程度逐步失去了主導(dǎo)地位，被壓接技術(shù)逐步取代。核動(dòng)力裝置反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)作為第三代核電技術(shù)的重要組成部分，掌管了核電站300多個(gè)系統(tǒng)、近萬(wàn)套設(shè)備，是核電站的中樞神經(jīng)，其設(shè)備內(nèi)部大量運(yùn)用了壓接連接技術(shù)，它的運(yùn)行穩(wěn)定直接關(guān)系著整個(gè)核電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行，換而言之，它的電氣連接穩(wěn)定性和可靠性是系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵要素。因此，確保導(dǎo)線端子壓接連接技術(shù)的可靠性猶為重要。

圖1 壓接技術(shù)關(guān)鍵指標(biāo)關(guān)系圖Fig.1 Relationship between key indicators of crimping technology

1 壓接機(jī)理

不管是工具的壓接還是設(shè)備的壓接，都是依靠其壓接部位的壓?；驂侯^擠壓形成的。操作過(guò)程中，借助手柄或者自動(dòng)化機(jī)器的操作，從端子外壁施加一定的壓力，讓端子在外力的作用下，隨壓模或壓頭擠壓直至收縮、包裹、從而夾緊中央的線芯。在這個(gè)過(guò)程中，壓力不斷增加促使兩種金屬表面的原子相互接近，使接觸的金屬表面過(guò)熱而產(chǎn)生塑性形變，擠去了金屬表面的氧化膜，兩種金屬以潔凈的表面接觸，產(chǎn)生金屬原子擴(kuò)散作用，使接觸電阻近似為零，從而使金屬間達(dá)到牢固的電氣連接。

在壓接的過(guò)程中，壓入深度作為關(guān)鍵因素，直接決定了壓接的可靠有效區(qū)域，其中包括導(dǎo)電率、截面積、耐拉力強(qiáng)度這3個(gè)重要質(zhì)量特性指標(biāo)。隨著壓力的增加，端子壓接區(qū)域的壓入深度隨之變化，而壓入深度的變化，也影響了壓接的各項(xiàng)特性值。其影響關(guān)系如圖1所示。

2 壓接流程

如圖2所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)

導(dǎo)線端子壓接連接技術(shù)最直觀的控制點(diǎn)即為壓接深度，壓接深度一般很難衡量和計(jì)算。把它當(dāng)作一個(gè)初始狀態(tài)，由壓接深度的縱向指標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)橫向值，即壓接截面積，由壓接截面積的大小來(lái)判定壓接深度；其次，壓接的截面積可以直接反映壓痕對(duì)稱性、塑性形變、接線柱填充率、導(dǎo)線芯線狀態(tài)等直觀因素，另外，截面的壓接狀態(tài)也決定了壓接的緊固程度和導(dǎo)電性能，即抗拉力強(qiáng)度和導(dǎo)電率或是接觸電阻、電壓降。因此，將關(guān)鍵技術(shù)要素的指標(biāo)分成了4個(gè)層級(jí)，分別為縱向?qū)印M向?qū)?、觀察層和數(shù)據(jù)層，如圖3所示。

3.1 縱向?qū)?/h3>

圖2 壓接操作流程圖Fig.2 Flow chart of crimping operation

圖3 壓接關(guān)鍵要素Fig.3 Critical elements of crimping

縱向?qū)幼钪苯拥闹笜?biāo)就是壓入深度，直接體現(xiàn)著壓接力的大小，壓入深度設(shè)計(jì)值的確定需要先確定壓接的導(dǎo)線類型、端子類型，然后確定壓接的工具或設(shè)備類型，綜合考慮以決定采用何種壓接形式。為確保每次壓接都能達(dá)到這個(gè)設(shè)計(jì)值，即壓入深度的一致性，因此選用具有壓接全周期的工具或設(shè)備在壓頭或壓模未受損、壓接材料不變、壓接檔位不變情況下，一次壓接全周期操用以保證壓入深度和一致性。

3.2 橫向?qū)?/h3>

壓接的深度是為了控制壓接強(qiáng)度，壓接截面積是壓接深度的橫向轉(zhuǎn)換，是反映導(dǎo)線填充單位密度的直接指標(biāo)，用以衡量其壓接部位的壓接深度和固有面積內(nèi)導(dǎo)線股數(shù)或填充情況分布率。導(dǎo)線占空比是導(dǎo)線截面積與端子壓線筒內(nèi)徑截面積之比。選擇適當(dāng)?shù)恼伎毡葘?duì)壓接接合點(diǎn)的形成與質(zhì)量有很大關(guān)系，將直接影響其抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電性。

3.3 觀察層

3.3.1 壓痕對(duì)稱性

歪斜、不對(duì)稱的壓接其壓接受力必然也不均勻，壓接的接觸面積、導(dǎo)電率及耐拉力等也會(huì)受到影響，通過(guò)匹配性的選擇及壓接設(shè)計(jì)過(guò)程的控制，可使壓痕對(duì)稱、均勻，直觀地影響壓接截面形態(tài)。

3.3.2 塑性形變

填充率及硬化變形反映著導(dǎo)線與端子壓線筒的接觸情況及原子間的擴(kuò)散情況，填充率是由塑性形變量決定的，對(duì)導(dǎo)電率、耐拉力均有很大影響。當(dāng)導(dǎo)線芯線硬化變形且填充率大于90%時(shí)，可以滿足接觸電阻損耗要求，且能大大提高導(dǎo)線端子的拉脫力。

3.3.3 接線柱填充率

壓接時(shí)，為了最大程度使耐拉力值及導(dǎo)電率最佳，要選擇合適的導(dǎo)線截面積殘存率和端子壓線筒截面積殘存率。

1）導(dǎo)線截面積殘存率可以用導(dǎo)線壓接變形前的截面積與導(dǎo)線壓接變形后的截面積的百分比值來(lái)表示，計(jì)算公式為：

式（1）中，A代表導(dǎo)線截面積殘存率；S1、S2各代表變形前、后的導(dǎo)線截面積（mm2）。

2）端子壓線筒截面積殘存率的選擇，可以用端子壓線筒壓接變形后的筒壁面積與端子壓線筒壓接變形前的筒壁面積的百分比值來(lái)表示，計(jì)算公式為：

式（2）中，B代表壓線筒截面積殘存率；S3、S4各代表壓線筒變形前、后的面積（mm2）。

3.4 數(shù)據(jù)層

3.4.1 導(dǎo)電率

導(dǎo)電率與壓接接觸電阻密切相關(guān)，壓接接觸電阻的組成主要由收縮電阻、氧化電阻、集中電阻3部分組成，它主要用于表現(xiàn)壓接端子壓接后其壓接部位的電壓降，它是影響電性能的主要指標(biāo)，其計(jì)算公式為：

式（3）中，Ri為收縮電阻，是壓接后壓接截面積減小而產(chǎn)生的附加電阻；Rj為氧化膜電阻，是壓接接觸面上的氧化膜形成的附件電阻；Rs為集中電阻，是導(dǎo)線與端子之間接觸表面電阻，是接觸電阻的主要組成部分。

圖4 導(dǎo)線截面積與耐拉力值對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.4 Corresponding relationship between the cross-sectional area of the wire and the tensile strength value

導(dǎo)線有電阻從而存在線路損耗，而壓接接頭可能會(huì)因?yàn)椴馁|(zhì)或接觸面積等因素增大電阻，從而加大損耗。因此，壓接接頭處結(jié)合得越好，越能提高導(dǎo)電率從而減小損耗。通常情況下，氧化膜電阻可以視為接近0值，因?yàn)樵趬航拥倪^(guò)程中，塑形形變的過(guò)程使得氧化膜基本已經(jīng)全部被外力破壞；集中電阻是兩種接觸導(dǎo)體的固有阻值，因此通常選取與導(dǎo)線線芯材質(zhì)、鍍層一致的端子進(jìn)行壓接，以保證集中電阻最??；界面電阻是通過(guò)導(dǎo)線與端子壓線筒的接觸面積體現(xiàn)，因此兩種導(dǎo)體接觸面積越大，金屬間出現(xiàn)的原子級(jí)擴(kuò)散越多，界面電阻將越小。在導(dǎo)線類型確定后，集中電阻也就固定，能變化的就只有界面電阻，因此在壓接時(shí)需要盡可能大地增加兩種導(dǎo)體的接觸面積。

導(dǎo)電率的另一種直觀體現(xiàn)為電壓降，可以通過(guò)測(cè)算電壓降增量來(lái)體現(xiàn)壓接部位的導(dǎo)電率及壓接電阻情況。

3.4.2 耐拉力強(qiáng)度

耐拉力是線芯與端子壓接結(jié)合后牢固程度的量化體現(xiàn)。在外來(lái)軸向拉力下，使導(dǎo)線芯線從端子壓線筒內(nèi)拉脫所需要的力，確定設(shè)計(jì)的耐拉力值以及將導(dǎo)線芯線與端子壓線筒之間的結(jié)合達(dá)到耐拉力設(shè)計(jì)值，以保證壓接可靠性是關(guān)鍵。

不同截面積的導(dǎo)線其與端子壓線筒結(jié)合后的耐拉力值是不一樣的，導(dǎo)線截面積與耐拉力值對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

4 壓接的實(shí)施與可靠性驗(yàn)證

4.1 實(shí)施

壓接連接的實(shí)施按照端頭的種類進(jìn)行，端頭圖樣如圖5所示，并按照GJB 5020《壓接連接技術(shù)要求》附錄B（參考件）要求每組選取6支試驗(yàn)件。

4.2 可靠性驗(yàn)證

4.2.1 電壓降增量

圖5 壓接連接端頭圖樣Fig.5 Pattern of crimp connection end

圖6 剖面圖樣及填充率計(jì)算過(guò)程Fig.6 Sectional drawing and filling rate calculation process

表1 電壓降增量測(cè)算Table 1 Incremental calculation of voltage drop

表2 剖面和耐拉力試驗(yàn)項(xiàng)目Table 2 Profile and tensile test items

根據(jù)GJB5020《壓接連接技術(shù)要求》，對(duì)壓接后的電壓降增量進(jìn)行測(cè)算，測(cè)算值應(yīng)小于標(biāo)準(zhǔn)中確定的電壓降增量值，測(cè)算公式[1]為：

式（4）中，△U代表電壓降增量（mV）；U代表壓接部分電壓降（mV）；U0代表相同長(zhǎng)度被壓接導(dǎo)線的電壓降（mV）[1]，截取導(dǎo)線長(zhǎng)度25mm。

電壓降增量測(cè)算值小于標(biāo)準(zhǔn)允許的最大電壓降增量限值，滿足試驗(yàn)要求，試驗(yàn)結(jié)果合格。

4.2.2 剖面和耐拉力

1）試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)RCC-E-2005-E4210《壓水堆核島電氣設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》[2]，剖面和耐拉力試驗(yàn)項(xiàng)目見(jiàn)表2；剖面圖樣及填充率計(jì)算過(guò)程如圖6所示，剖面驗(yàn)證樣本見(jiàn)表3；耐拉力測(cè)試見(jiàn)表4。

2）剖面圖片顯微核查結(jié)論

經(jīng)剖面顯微圖片核查，所有試驗(yàn)件壓痕基本對(duì)稱、硬化變形基本均勻、接觸部分無(wú)絕緣材料、接觸部分無(wú)裂紋、壓接填充率大于90%、無(wú)被夾斷的芯線，滿足試驗(yàn)要求，試驗(yàn)結(jié)果合格。

4.2.3 耐拉力試驗(yàn)

1）試驗(yàn)

試驗(yàn)件拉力試驗(yàn)的抗拉強(qiáng)度，應(yīng)大于IEC 60352-2中Table 1對(duì)應(yīng)導(dǎo)線截面積的拉脫力值[3]，耐拉力測(cè)試見(jiàn)表4。

2）耐拉力測(cè)試結(jié)論

經(jīng)拉力試驗(yàn)，所有試驗(yàn)件拉力值均大于標(biāo)準(zhǔn)最小拉脫力參考值，滿足試驗(yàn)要求，試驗(yàn)結(jié)果合格。

表3 剖面驗(yàn)證樣本Table 3 Profile verification samples

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)導(dǎo)線端子壓接技術(shù)的關(guān)鍵要素進(jìn)行分析，并按照GJB 5020《壓接連接技術(shù)要求》進(jìn)行壓接樣本數(shù)量采樣，對(duì)其重要指標(biāo)電壓降增量測(cè)算、耐拉力值測(cè)試以及剖面形態(tài)核查和填充率計(jì)算進(jìn)行工藝驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果全部滿足要求，有效地驗(yàn)證了導(dǎo)線端子壓接連接技術(shù)在核動(dòng)力裝置反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)制造工藝技術(shù)中運(yùn)用的可靠性。

表4 耐拉力測(cè)試Table 4 Tensile strength test