壓接高度對端子壓接性能的影響

劉小山 李啟明 靳印凱

摘要：通過調(diào)整壓接機(jī)檔位獲取四種不同壓接高度的端子試樣，研究壓接高度對耐拉力、接觸電阻、接觸溫升的影響，獲得了端子壓接性能與壓接高度的定性關(guān)系，同時(shí)基于接觸電阻計(jì)算模型，采用參數(shù)回歸法，得到了接觸電阻、接觸溫升與壓接高度的定量關(guān)系式，為指導(dǎo)工程上快速選取壓接高度參數(shù)提供了模型參考。

Abstract： The influence of crimped height on the pull out force， contact resistance， terminal temperature rise were investigated by four terminal samples with different crimped height. The qualitative relationship between crimped height and the crimped performance were obtained. Based on the classical computational model of contact resistance， the relation between crimped height and contact resistance was established by parameter fitting method， which provide model reference for quickly crimped height parameter selection on the project.

關(guān)鍵詞：壓接高度;耐拉力;接觸電阻;接觸溫升

Key words： crimped height;pull out force;contact resistance;contact temperature rise

中圖分類號：TM247 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0020-03

0 ?引言

壓接工藝有著焊接和繞接無法企及的優(yōu)勢，其特點(diǎn)是不需要焊料和助焊劑，克服了焊接技術(shù)焊件清洗困難和焊接氧化的缺點(diǎn)，同時(shí)對環(huán)境要求低、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，使其成為一種連接可靠，生產(chǎn)效率高、能適應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)特點(diǎn)的電氣連接技術(shù)[1]。隨著電氣產(chǎn)品可靠性的要求愈發(fā)嚴(yán)格，對壓接原理和影響壓接質(zhì)量的因素已經(jīng)有了一定的研究，壓接工藝流程也具備相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。李慧娟等從壓接原理出發(fā)，對壓接影響因素，進(jìn)行了定性的分析，同時(shí)規(guī)范了端子壓接的工藝流程[2]。文獻(xiàn)[3]研究了影響壓接電性能的因素，以及對影響因素的管控方式，建立了壓接質(zhì)量控制流程與檢測方法。任國泰在《壓接端接性能及其影響因素》通過實(shí)驗(yàn)樣品，研究了壓接高度和嚙合長度對壓接機(jī)械性能和電氣性能的影響[4]。目前關(guān)于壓接應(yīng)用的研究較多，尤其是工藝流程控制與檢測方面，說明端子壓接的規(guī)范應(yīng)用愈發(fā)收到重視。但關(guān)于壓接理論計(jì)算分析以及壓接參數(shù)對壓接質(zhì)量影響的定量分析，還未多見相關(guān)的詳細(xì)報(bào)告。本文基于上述目的設(shè)計(jì)試驗(yàn)，并結(jié)合電接觸理論，對壓接后的機(jī)械性能、電氣性能與壓接高度的關(guān)系進(jìn)行分析，并擬合出壓接高度這一單因素曲線方程式，用于估算壓接高度的最優(yōu)范圍，進(jìn)而指導(dǎo)壓接機(jī)壓膜的高度調(diào)整，具有一定的實(shí)際意義。

1 ?實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

本試驗(yàn)?zāi)康氖茄芯繅航痈叨葘Χ俗訅航訖C(jī)械性能和電氣性能的影響，機(jī)械性能是指耐拉力，需要進(jìn)行耐拉力試驗(yàn)和端子截面金相試驗(yàn)，參考《GJB_5020-2001_壓接連接技術(shù)要求》實(shí)施。電氣性能主要是接觸電阻和接觸溫升，需要進(jìn)行接觸電阻和接觸溫升測試，依據(jù)《JB/T 2436.1-1992 導(dǎo)線用銅壓接端頭》進(jìn)行。由于端子耐拉力和截面分析均為破壞性試驗(yàn)，為了合理利用樣件，需制作兩組樣件，如表1所示。

壓接機(jī)型號為DMC-11851（AF8），導(dǎo)線型號為GKW-LW＼＼0.5，線徑20AWG，單根線徑0.18mm，共19根。端子結(jié)構(gòu)為車制，材料銅合金，表面鍍金0.3μm，壓接區(qū)域外徑1.6mm，長度3.4mm。

端子壓接高度的測量采用截面分析儀進(jìn)行，樣件分別量取后取平均值，端子壓接高度與檔位對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備如表3所示。

2 ?試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 壓接高度h對耐拉力f的影響

圖1所示壓接高度與耐拉力的關(guān)系。從圖1可以看出，隨著壓接高度的降低，耐拉力快速增加，曲線斜率較大，壓接高度降低至一定的范圍，耐拉力變化趨于平穩(wěn)，超出變化范圍后，繼續(xù)降低壓接高度，耐拉力顯著降低。對圖示數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸，得到兩者的定量關(guān)系式（1），相關(guān)性系數(shù)為0.987。

（1）

式（1）導(dǎo)數(shù)為零附近，存在最佳的壓接區(qū)域，保持耐拉力最優(yōu)。可見壓接高度的設(shè)置，對端子的機(jī)械性能有著非常大的影響，要想達(dá)到最優(yōu)的耐拉力，需找到臨界壓接高度，壓接高度設(shè)置在臨界值附近范圍內(nèi)。

圖2所示為壓縮比隨壓接高度變化的對應(yīng)關(guān)系，壓接高度最大為1.50時(shí)，壓縮比最大，耐拉力最小，表現(xiàn)為欠壓狀態(tài)，從圖3可以看出，截面有很多的空隙，線束截面基本保持圓形，并未達(dá)到壓緊變形狀態(tài)，耐拉力測試的結(jié)果表現(xiàn)為線束從端子壓接區(qū)域直接脫出。而壓接高度最小為1.38時(shí)，壓縮比最小62.2%，表現(xiàn)為過壓狀態(tài)，截面狀態(tài)如圖4所示，線束擠滿四個(gè)角落，線束在壓接區(qū)域形成最小截面積，耐拉力樣品的斷裂位置也是在最小截面處，即壓痕位置斷裂。壓接高度范圍在1.4-1.5之間時(shí)，壓縮比控制在80-90%的最優(yōu)范圍內(nèi)，截面狀態(tài)如圖5所示。

2.2 壓接高度h對接觸電阻Rc的影響

圖6為端子壓接高度與接觸電阻的關(guān)系曲線。從圖6可以看出，一定范圍內(nèi)，壓接高度與接觸電阻呈指數(shù)遞減關(guān)系，當(dāng)壓接高度低于一定值后，接觸電阻呈上升趨勢。這一現(xiàn)象說明了，壓接高度過低出現(xiàn)過壓接，可能出現(xiàn)微觀斷股等現(xiàn)象減小壓接截面積，導(dǎo)致壓接電阻增加。

關(guān)于接觸電阻的計(jì)算國內(nèi)外學(xué)者建立的模型非常多，考慮到眾多的影響因素。但最為經(jīng)典的計(jì)算模型仍屬20世紀(jì)30年代，HOLM提出的計(jì)算模型，其表達(dá)式如下式（2）所示[5]。

（2）

式（2）中：RC為接觸電阻，ρ1、ρ2分別為兩接觸材料的電阻率，即導(dǎo)線和端子的電阻率，α為接觸斑點(diǎn)直徑。該公式雖涉及的因素較少，但至今仍作為指導(dǎo)電接觸設(shè)計(jì)的經(jīng)典依據(jù)，其中斑點(diǎn)直徑的測量較為復(fù)雜，公式（2）多用于理論指導(dǎo)。工程上目前用的較多的計(jì)算模型，其表達(dá)式如式（3）所示[6]。

（3）

式（3）中，F(xiàn)為接觸壓力，KC、m為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，與接觸材料、接觸形式、表面狀況等因素有關(guān)。必須指出，接觸電阻的計(jì)算實(shí)際是很復(fù)雜的問題，式（3）也有很大的局限性，不能概括各種因素對接觸電阻的影響，尤其的接觸面的氧化對K值的影響很大。同時(shí)也未對過壓時(shí)時(shí)接觸電阻與接觸壓力的關(guān)系進(jìn)行單獨(dú)說明，過壓時(shí)接觸壓力較大，計(jì)算出的接觸電阻會變小，而真實(shí)情況由于過壓導(dǎo)致壓接截面積顯著降低，甚至出現(xiàn)線束斷股等現(xiàn)象，實(shí)際的接觸電阻是變大的。且由于大多數(shù)壓接設(shè)備并沒有顯示接觸壓力，實(shí)際運(yùn)用該參數(shù)時(shí)無法獲取，但端子壓接后的幾何參數(shù)易于測量，如壓接高度、壓接寬度測量，則較為簡單直接，而且大部分壓接機(jī)都具有較為精確的壓接模具高度調(diào)節(jié)功能。式（4）描述了接觸區(qū)域幾何參數(shù)與接觸壓力的的關(guān)系，如下所示[7]。

（4）

式中，a為接觸面的幾何半徑，F(xiàn)為接觸壓力，E為材料的彈性模量，μ為材料泊松比，r為兩接觸材料的幾何參數(shù)。由式（4）可推斷出，壓接高度的影響因子同樣為接觸壓力F、材料的彈性模量E與泊松比μ、導(dǎo)線與端子的幾何參數(shù)r，對于確定的導(dǎo)線與端子，采用式（3）可反推計(jì)算出接觸壓力F，再采用參數(shù)回歸法得到壓接高度和接觸壓力F的定量關(guān)系式，如式（5）所示。

（5）

將式（5）代入關(guān)系式（3）中，即可得到基于經(jīng)典模型的接觸電阻與壓接高度的關(guān)系式，如式（6）所示。

（6）

式（6）中，KC、m可由參數(shù)回歸得到，實(shí)際上m與接觸形式有關(guān)的參數(shù)，隨著壓接高度的變化，接觸形式由點(diǎn)接觸，線接觸到面接觸過渡，因此參數(shù)m是與壓接高度有關(guān)的變量，得到參數(shù)m與壓接高度的關(guān)系曲線，可以用來更精確預(yù)測壓接電阻。

2.3 壓接高度h對接觸溫升的影響

圖7所示為壓接高度與接觸溫升的關(guān)系。

從圖7可以看出，隨著壓接高度的降低，溫升逐漸降低，當(dāng)壓接高度低于一定值后，溫升呈上升趨勢，與壓接電阻的變化趨勢保持一致，這是由于溫升的高低與電壓降有關(guān)。文獻(xiàn)[8]導(dǎo)出了接觸溫升與接觸材料硬度H、接觸壓力F的關(guān)系式（7）。

（7）

式（7）中，λ為材料熱導(dǎo)率，ρ為電阻率，H材料硬度值，均為材料常數(shù)。接觸溫升與電流成正的平方關(guān)系，與接觸壓力呈反比關(guān)系。將公式（5）接觸壓力F與壓接高度f的關(guān)系式，代入上式中，可得到包含壓接高度的關(guān)系式（8），如下所示。

（8）

式（8）表明，對于確定的導(dǎo)線與端子組合，材料參數(shù)為定值，未發(fā)生過壓的情況下，接觸溫升隨壓接高度降低而減小。過壓情況發(fā)生后，由于材料發(fā)生了破壞，限制了計(jì)算模型的應(yīng)用。

3 ?結(jié)束語

文中通過壓接端子幾何參數(shù)與壓接機(jī)械、電氣性能的定量關(guān)系研究，基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)獲取有效數(shù)據(jù)，采用參數(shù)回歸的方法進(jìn)行處理，得到如下三項(xiàng)結(jié)論，為壓接工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。

①耐拉力隨著壓接高度的降低逐漸增加，繼續(xù)降低壓接高度，耐拉力維持在一定范圍，隨后發(fā)生過壓，耐拉力顯著降低;

②分析接觸電阻、接觸溫升隨壓接高度的變化，建立基于經(jīng)典計(jì)算模型的壓接電阻與壓接高度，壓接溫升與壓接高度的定量關(guān)系式。在不發(fā)生過壓的情況，可快速估算文中樣品端子的壓接電阻與壓接溫升;

③綜合壓接機(jī)械性能與電氣性能的最優(yōu)體現(xiàn)，文中匹配的線束與端子，壓接高度需控制在1.42-1.45mm之間。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃健峰.線束端子壓接工藝的研究與可靠性分析[D].北京：北京郵電大學(xué)，2016.

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[3]徐英.壓接連接工藝技術(shù)研究[J].電子工藝技術(shù)，2015，26（1）：21-23.

[4]任國泰.端子壓接工藝探究[J].機(jī)電元件，2001（6）：18-20.

[5]王萬崗，等.弓網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)接觸電阻特性研究[J].高壓電器，2012，48（1）：30-33.

[6]許軍，等.電接觸的接觸電阻研究[J].電工材料，2011（1）：10-13.

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[8]吳積欽.受電弓_接觸網(wǎng)系統(tǒng)電接觸特性研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2009.

作者簡介：劉小山（1985-），男，山東菏澤人，工程師，主要研究方向?yàn)樽兞髌鳟a(chǎn)品集成工藝。