扁平連接器線束故障原因分析

肖銀河，張 明，曾志衛(wèi)，鄧番林

（1.株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南株洲，412001；2.深圳市美信咨詢有限公司，廣東深圳，518108）

1 引言

用戶反饋地鐵SVG模塊用扁平連接器線束（3M雙絞扁平線諾凌扁平線插頭）存在接觸不良的現(xiàn)象，共9很故障品，故障發(fā)生在交付調試階段，從出廠到用戶現(xiàn)場存放1年左右，存放地點為烏魯木齊。

2 理化檢驗與分析

2.1 電測試驗

對現(xiàn)場返回的7根線束進行通電測試，使用萬用表電阻檔測量扁平線束兩端對應管腳接觸情況，通斷測試接觸不良記錄見下表1，7根線束都有故障。每根線束有20根導體，共140根，其中通過測試發(fā)現(xiàn)41根不通電，通電測試發(fā)現(xiàn)接觸不良的點位都是奇數(shù)位。

表1 故障線束電測結果

2.2 X－Ray分析

對故障品線束進行X－Ray分析，發(fā)現(xiàn)接觸不良的線束連接器的接觸片疑似斷裂以及裂紋，如圖1箭頭所示。接觸片中存在裂紋將引起電阻異常增大，而斷裂將導致電路中形成斷路，由此可知，接觸片故障原因可能為連接器中的接觸片存在異常導致。

圖1 故障線束X－Ray觀察圖

2.3 低倍觀察

對接觸片進行低倍觀察，如圖2所示。奇數(shù)位接觸片表面存在較多腐蝕痕跡，局部接觸件折彎處可見裂縫以及完全斷裂。偶數(shù)位基本無腐蝕痕跡，但部分接觸片在折彎處表面有微裂紋。

圖2 奇數(shù)位和偶數(shù)位接觸片典型外觀圖片

2.4 表面分析

對4＃故障線束奇數(shù)位接觸片進行微觀形貌觀察，如圖3所示。斷裂接觸片表面可見明顯腐蝕形貌，局部腐蝕較密集嚴重（圖3a）。圖3（b）為斷裂故障接觸片中斷口微觀形貌，斷面粗糙，局部可見腐蝕產物堆積，微觀形貌呈纖維狀，存在沿晶形貌特征；圖3c與圖3d為故障接觸片斷口中未腐蝕基材與腐蝕處腐蝕物EDS能譜圖，由圖可知，接觸片基材為Cu－Zn合金，腐蝕物含較高的O元素，并含有酸性腐蝕性元素S，結果見表2。腐蝕物中Zn元素含量原高于Cu，可能為基體發(fā)生脫鋅腐蝕使其在表面富集導致。

表2 成分分析結果（W t.%）

圖3 接觸片微觀形貌觀察

2.5 金相分析

對斷裂接觸片用酒精超聲波清洗后進行鑲嵌研磨拋光腐蝕；接觸片組織為α相＋β相，斷口處截面金相組織經腐蝕后可見斷口處存在脫鋅現(xiàn)象，EDS可知邊緣腐蝕處Zn含量較低。

表3 金相組織成分分析結果

2.6 酸霧模擬試驗

為驗證奇數(shù)位和偶數(shù)位腐蝕狀態(tài)差異，對未腐蝕接觸片進行加載電壓的酸霧試驗。偶數(shù)位接地，奇數(shù)位＋15VDC，酸霧濃度設置為1‰H2SO4，試驗溫度49℃，時間100h。試驗后接觸片表面形貌結果如圖4所示，奇數(shù)位接觸片表面可見明顯腐蝕，偶數(shù)位未見明顯異常，與失效現(xiàn)象高度一致。

圖4 接觸片斷口金相顯微組織

圖5 酸霧測試后接觸片形貌

3 分析與討論

連接器線束出現(xiàn)故障，其失效主要表現(xiàn)為電阻增大以及斷路異常。拆解后微觀觀察可見線束接觸片存在斷裂以及裂紋，斷裂導致線束斷路異常，裂紋導致電阻增大，與失效現(xiàn)象表現(xiàn)一致。失效接觸片低倍觀察發(fā)現(xiàn)表面存在較多腐蝕痕跡，且腐蝕均在奇數(shù)位，而偶數(shù)位基本無明顯腐蝕痕跡，表明腐蝕出現(xiàn)數(shù)位上規(guī)律性與電路中電流方向具有較高的相關性。斷裂接觸片斷口可見沿晶形貌，表面具有較多腐蝕物，具有應力腐蝕開裂特征。

接觸片基材為黃銅，其具有良好力學性能、導電導熱性能以及耐蝕性能［1］，黃銅的Zn含量與應力腐蝕敏感性密切相關，當Zn含量小于15% 時，應力腐蝕敏感度較低；但大于15%時，其脫鋅腐蝕與應力腐蝕的敏感度較高［2－3］；接觸片表面腐蝕物中Zn含量較高而Cu含量較少，表明斷面發(fā)生的脫鋅腐蝕，而Cu并未溶解。脫鋅腐蝕以優(yōu)先溶解機制為主進行反應，即脫鋅首先在高Zn相開始，當周圍高Zn相及晶界脫鋅完成后，剩余的低Zn相將繼續(xù)脫鋅，留下疏松多孔的Cu［3～4］，這將降低接觸片的強度。

黃銅的應力腐蝕開裂往往是和脫鋅腐蝕聯(lián)系在一起的，當黃銅構件存放于特殊的環(huán)境中時，其腐蝕速率與環(huán)境中的腐蝕性離子存在較大關系，內陸地區(qū)中，最主要的腐蝕性污染物質是，烏魯木齊晝夜溫差大，表面易集結水汽形成凝露、水膜，環(huán)境中的硫化物溶于表面水膜，為后續(xù)的電化學腐蝕提供了電解液條件。因此在潮濕的腐蝕環(huán)境中，構件就較易先發(fā)生脫鋅腐蝕。黃銅接觸片在冷加工后往往在彎折處等位置存在殘余應力或者外加拉應力，為應力腐蝕開裂提供應力因素。由低倍觀察可知，未腐蝕的偶數(shù)位接觸篇表面存在明顯裂紋。連接器接觸片為表面鍍鎳黃銅，其表面鍍層微裂紋使黃銅基材裸露，使黃銅與空氣中的水汽、SO2、CO2等接觸形成電解質，為應力腐蝕提供環(huán)境因素［8］。

由模擬試驗可知，奇數(shù)位接觸片表面可見明顯腐蝕，偶數(shù)位未見明顯異常，與失效現(xiàn)象高度一致。奇數(shù)位電子流出，加速了基材組織的氧化反應（M→Mn＋＋ne），使腐蝕速度大大加快，而偶數(shù)位電子流入，抑制基材中Zn的溶解，因此連接器中的電子流動方向的差異是造成奇數(shù)位偶數(shù)位接觸片腐蝕狀態(tài)差異的直接原因。

4 總結

（1）連接器線束接觸片斷裂屬于應力腐蝕開裂。

（2）連接器中的電子流動方向是造成奇數(shù)位偶數(shù)位接觸片腐蝕狀態(tài)差異的直接原因。

（3）接觸片彎折處存在殘余應力、環(huán)境中的硫化物及晝夜溫差造成的表面潤濕使黃銅應力腐蝕開裂是接觸片斷裂造成線束故障的主要原因。鍍鎳黃銅表面微裂紋，使黃銅基材裸露于含硫化物的潮濕環(huán)境中，為應力腐蝕提供環(huán)境因素。