坑壓式接觸件壓接可靠性的可視化分析

林殿夫，青 春，張孟君，毛文陸，劉璽偉，王 璐

(沈陽(yáng)興華航空電器有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng)，110144)

1 引言

線束產(chǎn)品是設(shè)備電路網(wǎng)絡(luò)的主體，其中以連接器與導(dǎo)線線芯的電連接最為關(guān)鍵。為滿足連接器向小型化方向發(fā)展，絕大多數(shù)采用坑壓式壓接，而其壓接質(zhì)量問(wèn)題常具有隱蔽性，往往在投用很久后才逐漸暴露，近年來(lái)線束產(chǎn)品的問(wèn)題屢見(jiàn)不鮮。當(dāng)前壓接標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的檢驗(yàn)方法以耐拉力、接觸電阻等性能數(shù)據(jù)為主，對(duì)微觀組織的檢驗(yàn)分析方法還不夠深入，因此對(duì)壓接的微觀組織可視化研究應(yīng)運(yùn)而生。

2 坑壓式壓接

2.1 坑壓式壓接原理

坑壓式連接器具有小體積、高密度，接觸件取送方便等優(yōu)勢(shì)，這基于接觸件與導(dǎo)線的坑壓式壓接的結(jié)構(gòu)[1]?？訅菏綁航邮峭ㄟ^(guò)壓接鉗來(lái)完成，通過(guò)控制壓力以及鉗口位移，接觸件的壓接筒沿著導(dǎo)線四周產(chǎn)生機(jī)械壓縮和變形，直至將導(dǎo)線壓緊、固定于接觸件中，從而使導(dǎo)線、壓接筒之間形成致密的、永久性的電連接和機(jī)械連接，并形成坑窩壓痕。

圖1 坑壓式接觸件壓接結(jié)構(gòu)

圖2 接觸件壓接導(dǎo)線截面示意圖

圖3 壓接導(dǎo)線后的接觸件圖

2.2 過(guò)壓

在壓接過(guò)程中，應(yīng)避免過(guò)壓情況的發(fā)生。過(guò)壓情況會(huì)導(dǎo)致接觸件與導(dǎo)線之間空隙過(guò)小，增加壓接筒對(duì)線芯的徑向剪切，線芯造成損傷，截面形狀發(fā)生畸變，甚至使壓接筒壓接處裂碎，影響電導(dǎo)通[2]。過(guò)壓有可能由壓接檔位選擇過(guò)小、接觸件延展性不足、導(dǎo)線鍍層與接觸件鍍層不一致或其它原因引起，需要更換合格且檔位適宜的壓接鉗進(jìn)行壓接，或采取其它相應(yīng)措施予以避免。

2.3 欠壓

在壓接過(guò)程中，應(yīng)避免欠壓情況的發(fā)生。欠壓情況會(huì)導(dǎo)致接觸件與導(dǎo)線之間空隙過(guò)大，耐拉伸、彎折、振動(dòng)的能力均會(huì)削減；導(dǎo)線線芯送入壓接筒不到位、壓接鉗檔位不正確、接觸件與線芯的規(guī)格不匹配均會(huì)促使欠壓情況的發(fā)生。所以應(yīng)認(rèn)真考慮壓接鉗檔位、接觸件、導(dǎo)線的匹配度，壓接時(shí)導(dǎo)線線芯送入至以觀察孔可觀測(cè)到的位置為準(zhǔn)。

3 壓痕

壓接檔位與接觸件、導(dǎo)線線芯三者不匹配會(huì)導(dǎo)致壓接質(zhì)量變差，接觸件和導(dǎo)線線芯一般在設(shè)計(jì)階段就已確定，不易更改，因此壓接檔位的選擇尤為關(guān)鍵，檔位過(guò)小會(huì)導(dǎo)致接觸件過(guò)壓，檔位過(guò)大會(huì)導(dǎo)致欠壓。

以M22520/1-04壓接鉗為例，分別調(diào)至1～6檔位對(duì)某系列20#接觸件以及適配的FF46-2 1×0.5mm2導(dǎo)線進(jìn)行壓接，通過(guò)DWQ-10定位器確定接觸件壓痕的軸向位置。每次壓接前使用通止塞規(guī)對(duì)鉗口尺寸進(jìn)行校檢，校檢結(jié)果合格，如表1所示。

表1 鉗口尺寸校檢情況

將導(dǎo)線剝?nèi)ミm宜長(zhǎng)度的絕緣皮后送入壓接筒，線芯通過(guò)觀察孔后進(jìn)行一次壓定，不重復(fù)壓接，壓接后將壓接筒部位在電子顯微儀下調(diào)焦投影成像。

當(dāng)使用1～2檔位壓接時(shí)，壓接筒的壓痕過(guò)深，尤其通過(guò)1檔位壓接的壓接筒，其鍍層、觀察孔已嚴(yán)重變形，甚至通過(guò)觀察孔可隱約看到內(nèi)部線芯的損傷，因此接觸件過(guò)度的壓縮形變會(huì)導(dǎo)致接觸件與線芯連接的可靠性的降低，壓接處耐拉伸、彎折、振動(dòng)等機(jī)械性能嚴(yán)重衰退，導(dǎo)電性能不足。

當(dāng)使用6檔位壓接時(shí)，壓接筒的壓痕過(guò)小、過(guò)淺，線芯松動(dòng)，拉脫力可能無(wú)法達(dá)到預(yù)期。對(duì)于其可能存在欠壓情況，壓痕顯微圖無(wú)法直觀判斷，須結(jié)合截面金相圖來(lái)判斷。

當(dāng)使用3～5檔位壓接時(shí)，壓接筒的壓痕適中，因此選取這三個(gè)檔位各5個(gè)接觸件壓接相同導(dǎo)線，并進(jìn)行耐拉力、耐彎折測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)果如表2～3所示，三個(gè)檔位耐拉力值均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)85N，美軍標(biāo)準(zhǔn)89.2N)，4檔位為最優(yōu)檔位。因此4檔位壓接的壓痕深度和形狀可作為同類接觸件壓接合格的輔助參考之一。

表2 M22520/1-04壓接20#接觸件、20#導(dǎo)線耐拉力能力測(cè)試結(jié)果

表3 M22520/1-04壓接20#接觸件、20#導(dǎo)線耐受彎折能力測(cè)試結(jié)果

4 截面金相

根據(jù)壓痕可以用肉眼直觀判別出過(guò)壓情況，但相比較而言，欠壓情況沒(méi)有過(guò)壓情況明顯，因此針對(duì)欠壓情況尚需一種直觀的判別方法。

選取第3章所述的接觸件、導(dǎo)線、工具分1～6檔進(jìn)行壓接，壓接流程同第3章所述，壓接后進(jìn)行切取、鑲樣、打磨、腐蝕、成像。具體如下：

(1)用切線鉗將導(dǎo)線于壓接筒邊緣處進(jìn)行剪切，也就是去除壓接筒外部的導(dǎo)線。

(2)選取熱固型PF2A4-161J酚醛模塑料粉末做鑲粉，該物質(zhì)不與酒精反應(yīng)，便于成像前擦拭。將其與接觸件一同送入鑲嵌機(jī)，調(diào)制高溫、高壓狀態(tài)，使接觸件和殘留導(dǎo)線加熱至150℃后保持15min，最終接觸件被固化后的鑲粉致密包裹，并露出邊緣以備研磨，如圖4所示，中部為接觸件，四周為熱固后的鑲樣粉。

圖4 鑲樣后的坑壓式接觸件

圖5 研磨后的坑壓式接觸件

(3)將接觸件邊緣研磨至露出壓接筒上的實(shí)際壓接處，一般為壓接筒入口和觀察孔的中位點(diǎn)，研磨粗磨、細(xì)磨、拋光等三個(gè)步驟進(jìn)行：粗磨時(shí)使用落地式砂輪機(jī)進(jìn)行磨制，并采用水冷方式進(jìn)行冷卻，防止接觸件和砂輪摩擦產(chǎn)生的熱量使接觸件和導(dǎo)線的金屬組織發(fā)生變化；粗磨后的接觸件經(jīng)冷卻、洗凈、吹干后在粗砂紙、細(xì)砂紙上進(jìn)行研磨，同方向重復(fù)一定次數(shù)后旋轉(zhuǎn)90°繼續(xù)細(xì)磨；細(xì)磨后留下的表面粗糙處使用拋光紅外碳硫分析儀進(jìn)行拋光，使接觸件的粗糙度Ra降低至0.04以下。研磨后的效果如圖5所示。

(4)根據(jù)接觸件材料控制腐蝕液的組份及配比濃度，常見(jiàn)的接觸件材料有錫青銅、鈹青銅等，依據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，采用表4所示的腐蝕液。

表4 腐蝕液組分及配比濃度表

(5)將鑲樣粉包裹的樣件置于金相分析儀物鏡下，投影出截面金相圖，圖像如圖6～11所示。

從這些圖像，同檔位下的四個(gè)壓接坑窩都沿壓接筒圓周均勻排布且深度一致，但隨著檔位升高，接觸件的形變程度降低。該種導(dǎo)線共有19股線芯，分三層排布，從內(nèi)至外分別具有1、6、12股。每股線芯橫截面由壓接前近似圓形變?yōu)閴航雍蟮亩噙呅危厰?shù)與其相鄰股線和相鄰壓接筒邊界數(shù)量之和相等，以五邊形、六邊形居多，這說(shuō)明每股線芯的受力面較多，因此受力均勻。但線芯的形變和受損程度隨檔位降低而增加。

通過(guò)6檔位壓接的線芯排布十分松散，耐拉力值無(wú)法達(dá)到預(yù)期，尤其在配套裝備遇冷時(shí)，線芯受熱脹冷縮效應(yīng)遠(yuǎn)大于接觸件，增加了線芯從接觸件中脫落的風(fēng)險(xiǎn)，因此線束在低溫環(huán)境中的故障率較高[3]。而1～4檔位下線芯與線芯之間、線芯與接觸件之間的空隙率均不足10%，它們形成了氣密性連接。

在1～2檔位下的接觸件和線芯的形變程度最大，線芯面積較壓接之前的殘存率低于60%，可能存在過(guò)壓情況，截面金相圖無(wú)法直觀判斷，須結(jié)合壓痕顯微圖一起分析。

由表2～3數(shù)據(jù)可知，4檔位的機(jī)械可靠性最高，因此其截面金相圖可作為同類接觸件壓接合格的輔助參考之一。

5 總結(jié)

利用壓痕可清晰觀測(cè)出接觸件的過(guò)壓情況，但對(duì)于欠壓情況并不明顯；而截面金向圖可直觀識(shí)別出接觸件的欠壓情況，但對(duì)于過(guò)壓情況還需要借助運(yùn)算軟件計(jì)算壓縮后的形變量和空隙面積，較為繁瑣。單獨(dú)使用上述任意一種可視化圖像也均需要耗費(fèi)大量人力物力，無(wú)法適用于大批量的檢測(cè)分析，必須將二者進(jìn)行綜合分析，方可直觀地、清晰地、快速地?cái)z取較為精準(zhǔn)的實(shí)際壓接情況，洞悉壓接導(dǎo)線線芯的受壓情況，分析出接觸件壓接的可靠性水平。

與傳統(tǒng)的機(jī)械試驗(yàn)檢測(cè)方法相比，本方法具有多方面優(yōu)勢(shì)：

(a)在目鏡下，用肉眼便可觀察得出結(jié)論，節(jié)省人力、設(shè)備、時(shí)間等成本；

(b)傳統(tǒng)的機(jī)械試驗(yàn)破壞性更大，試驗(yàn)后接觸件、導(dǎo)線狀態(tài)均發(fā)生變化，無(wú)法二次復(fù)驗(yàn)進(jìn)行追溯，本方法只磨掉了接觸件壓接筒的后半部分，隨時(shí)可進(jìn)行二次復(fù)查；

(c)觀察效果更清晰，可洞悉每一根線芯的實(shí)際情況，從細(xì)節(jié)處查找問(wèn)題；

(d)傳統(tǒng)方法是測(cè)量拉力、彎折次數(shù)等性能參數(shù)的間接方式，本方法為直接方式，邏輯上更貼合實(shí)際。