淺談低頻電纜屏蔽處理與失效故障

姬明學(xué)

貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽(yáng)，550009

0 引言

低頻電纜是指工作頻率小于3MHz的電纜，低頻電纜作為相關(guān)型號(hào)產(chǎn)品中的“神經(jīng)樞紐”和“血脈通道”，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量可靠性要求較高，電氣性能不合格將導(dǎo)致產(chǎn)品功能性失效。低頻電纜性能指標(biāo)主要有環(huán)境性能、機(jī)械性能、電氣性能。其中電氣性能指標(biāo)常見的不合格有接線關(guān)系錯(cuò)誤、絕緣電阻低、介質(zhì)耐電壓擊穿、短路等。

相比較而言，接線關(guān)系錯(cuò)誤雖然對(duì)產(chǎn)品是致命的，但由于其具有固定性、可檢測(cè)性，只要確保裝配過(guò)程正確，在后續(xù)裝配、使用過(guò)程中一般不會(huì)發(fā)生變化，因此比較容易受控。而電氣性能中的絕緣耐壓性能則涉及材料性能、裝配工藝、過(guò)程防護(hù)等，可隨環(huán)境及使用工況發(fā)生變化，不可控因素較多，保障難度也較大。

低頻電纜絕緣失效主要表現(xiàn)形式有：①接觸對(duì)之間以及接觸對(duì)與外殼之間，絕緣電阻減值。②接觸對(duì)之間以及接觸對(duì)與外殼之間短路。③在正常大氣壓下絕緣件電擊穿。④在低氣壓下產(chǎn)生飛弧[1]。若導(dǎo)體間絕緣間隙過(guò)小，會(huì)直接發(fā)生搭接短路或擊穿后不可逆的短路現(xiàn)象。但需要說(shuō)明的是絕緣體本身的絕緣性能與承受介質(zhì)耐電壓考驗(yàn)的能力是不能等同的。

在電纜組裝件裝配過(guò)程中，因屏蔽層處理不當(dāng)約占擊穿短路質(zhì)量問題原因的20%。本文重點(diǎn)介紹屏蔽導(dǎo)線及防波套處理工藝、失效模式及解決措施。

1 屏蔽處理工藝介紹

1.1 屏蔽處理用材料

在低頻電纜網(wǎng)裝配過(guò)程中，屏蔽處理的對(duì)象即主材主要有屏蔽導(dǎo)線、防波套、導(dǎo)電膠布等。輔材有各類熱縮管、聚酰亞胺薄膜、聚四氟乙烯薄膜、聚四氟乙烯生料帶、無(wú)堿玻璃帶、電工玻璃膠帶、電工絕緣布膠帶、PVC電氣膠帶等。

輔材中熱縮管類生產(chǎn)效率高，但線束較硬，且由于高溫時(shí)會(huì)變軟，焊點(diǎn)拉尖或屏蔽絲容易刺破，另外對(duì)于較長(zhǎng)的電纜拆裝不方便，且大部分時(shí)候都需要預(yù)套，返工性極差；而帶材類如生料帶、聚酰亞胺薄膜類返工性好、線束較柔軟，但由于需要按照“半疊法”等方式包纏，效率較低，且有松散的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 屏蔽導(dǎo)線處理

屏蔽導(dǎo)線的端頭處理是絕緣防護(hù)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。屏蔽導(dǎo)線一般分為無(wú)護(hù)套的編制屏蔽導(dǎo)線、有護(hù)套的編制屏蔽導(dǎo)線、有護(hù)套的繞包屏蔽導(dǎo)線三類。一般來(lái)說(shuō)，針對(duì)屏蔽導(dǎo)線端頭的處理方式主要有綁扎法、錫焊法、膠固法等，其他處理方式都是在此基礎(chǔ)上根據(jù)不同使用要求進(jìn)行變化。處理的核心要求一是屏蔽端頭不發(fā)生竄動(dòng)（膠固法除外），二是屏蔽層與其他組件隔離，目的就是防止屏蔽端頭散絲、刺破導(dǎo)線、磨損其他組件等，在裝配或使用過(guò)程中造成短路、擊穿等絕緣失效。

綁扎法一般適用于無(wú)護(hù)套編織屏蔽或?qū)Ь€有護(hù)套編織屏蔽，但不需要接地的情況。綁扎法的處理要求是在導(dǎo)線與屏蔽層間套熱縮管，將屏蔽層修剪整齊、捋順后外翻，然后將屏蔽層綁扎，在綁扎部位涂膠固定后再在屏蔽層外套熱縮管[2]。

錫焊法一般適用于無(wú)護(hù)套編織屏蔽導(dǎo)線或有護(hù)套編織等需要焊接屏蔽層接地的情況。錫焊法與綁扎法的主要區(qū)別在于采用鍍銀銅絲線替代綁扎線（一般為棉線或錦絲線）對(duì)屏蔽絲進(jìn)行纏繞捆扎，然后采用電烙鐵對(duì)銅絲線進(jìn)行搪錫處理。

膠固法一般適用于屏蔽端頭需要處理進(jìn)連接器灌膠腔或堆膠部位的情況。膠固法處理較為簡(jiǎn)單，將修剪整齊捋順后的屏蔽絲端頭周圍均勻涂上一層膠，通過(guò)烘焙固化后確保不散絲，要求膠液固化后屏蔽絲能整體在導(dǎo)線上滑動(dòng)。

1.3 防波套處理

電纜線束處理中，防波套的絕緣防護(hù)處理非常重要，由于防波套是一種由各種金屬絲編織而成的網(wǎng)型套管，因此防波套在絕緣防護(hù)處理方面，主要考慮的是防波套整體對(duì)導(dǎo)線等的磨損及端頭金屬絲對(duì)導(dǎo)線的刺破、搭接等導(dǎo)致的短路、擊穿問題。

1.3.1 內(nèi)襯處理

為了防止防波套對(duì)導(dǎo)線的磨損及刺破，一般防波套內(nèi)部都會(huì)墊一層熱縮管或包纏聚酰亞胺膠帶、生料帶等，至于選擇何種材料，可根據(jù)具體產(chǎn)品特點(diǎn)根據(jù)前述章節(jié)各種材料的優(yōu)劣進(jìn)行合理取舍。

針對(duì)單根防波套的絕緣處理，將線束上的防波套端頭修剪整齊，并將防波套外翻在線束上，線束與防波套端頭之間纏繞聚四氟乙烯薄膜（或直接用合適尺寸的熱縮管，需提前套入）以保護(hù)線束中的絕緣層不被防波套的金屬絲磨破，外翻后采用棉線或錦綸絲線綁扎，然后涂Q98或DBSF61011三防保護(hù)劑進(jìn)行防脫處理。

1.3.2 分叉處理

對(duì)于多分支線束防波套的處理，一般按照“大包小”原則進(jìn)行處理。大防波套外翻后綁扎，整體外套熱縮管，分支處也可以采用帶材包覆、?？s套管法等進(jìn)行處理。

當(dāng)分支線束較多時(shí)，應(yīng)將分支防波套端頭的綁扎位置錯(cuò)位排列[3]，以避免在分支接頭處線徑過(guò)度鼓起。

1.3.3 端頭處理

防波套的處理常見工藝有綁扎法、夾緊法、壓接法等。

（1）綁扎法

當(dāng)防波套端頭處理在連接器尾端或甩線端時(shí)，將防波套端頭外翻后綁扎，在綁扎處涂Q98膠液后外套熱縮管處理。

（2）夾緊法

當(dāng)防波套處理在連接器尾罩或線夾內(nèi)時(shí)，視情況在防波套端頭內(nèi)套熱縮管后推至線夾或尾罩內(nèi)，將端頭內(nèi)翻，并視情況進(jìn)行綁扎處理，再安裝線夾或尾罩。

在操作過(guò)程中，需將防波套捋順，至于防波套是內(nèi)翻還是外翻，需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，對(duì)此沒有明確要求，但內(nèi)翻產(chǎn)品美觀，但屏蔽絲是否捋順無(wú)法觀察，外翻外觀不美觀，且一般需要增加綁扎、套熱縮管、纏導(dǎo)電布等操作。

（3）壓接法

壓接法是將防波套處理在屏蔽壓接環(huán)上。先將防波套端頭修剪整齊套在壓接環(huán)壓接區(qū)域，一般要求防波套端頭距離連接器殼體約3mm，且均勻分布在壓接環(huán)上，使用壓接模具壓接為六方形狀，最后使用熱縮管加以保護(hù)。

2 屏蔽處理失效模式

屏蔽處理不當(dāng)導(dǎo)致電纜網(wǎng)擊穿、短路等故障的失效模式主要有屏蔽絲掉落造成金屬多余物失效、屏蔽絲刺破導(dǎo)線造成短路失效、屏蔽絲松散造成搭接失效等。

2.1 屏蔽導(dǎo)線處理失效案例

某電纜網(wǎng)在裝配及使用過(guò)程中，發(fā)生多次屏蔽導(dǎo)線的屏蔽層與孔位擊穿、短路故障，該電纜網(wǎng)采用的是AFRP-250-2*0.14屏蔽導(dǎo)線。其裝配工藝為：屏蔽端頭后推→屏蔽端頭“膠固法”處理→導(dǎo)線壓接→導(dǎo)線合件裝入→導(dǎo)線合件打底膠固定→屏蔽層前推到連接器尾端→連接器灌封及堆膠，產(chǎn)品X光檢查如圖1所示。

圖1 故障件內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

為了查清故障原因，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行X光檢查，發(fā)現(xiàn)部分故障產(chǎn)品屏蔽層與接觸件根部有搭接現(xiàn)象，如圖2所示，從而導(dǎo)致孔位與屏蔽發(fā)生短路故障；而部分故障產(chǎn)品X光檢查正常，將產(chǎn)品灌封膠撬除后，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線絕緣層被屏蔽絲刺破，從而導(dǎo)致孔位與屏蔽發(fā)生擊穿、短路故障，如圖3所示。

圖2 屏蔽絲與接觸件搭接

圖3 屏蔽絲刺破導(dǎo)線

為解決上述問題，采取了兩個(gè)措施，一是對(duì)膠固法工藝進(jìn)行優(yōu)化，在屏蔽層與導(dǎo)線間增加熱縮管，熱縮管超過(guò)屏蔽層端頭至少1mm，如圖4所示；二是在導(dǎo)線合件打底膠工序增加“膠液必須覆蓋接觸件尾端，不允許有肉眼可見的裸露線芯及接觸件”，以及“必須確保打底膠液完全固化后方可將屏蔽推至連接器尾端進(jìn)行后續(xù)灌封、堆膠操作”的工藝要求。

圖4 膠固法工藝優(yōu)化

通過(guò)上述工藝優(yōu)化后，該產(chǎn)品合格率大幅提升，屏蔽處理導(dǎo)致的擊穿、短路問題得到徹底解決。另外，針對(duì)屏蔽端頭處理，不可避免會(huì)有屏蔽絲飛濺、散落形成多余物，因此屏蔽修剪應(yīng)在專用工位上進(jìn)行，修剪時(shí)采用托盤等接住多余物，修剪時(shí)連接器端頭朝上，采用吸塵器及時(shí)將細(xì)小屏蔽絲吸走等管理措施，對(duì)防止屏蔽處理過(guò)程產(chǎn)生多余物影響產(chǎn)品性能非常有效。

2.2 防波套處理失效案例

某型號(hào)使用電纜網(wǎng)，在裝聯(lián)測(cè)試時(shí)，外殼與芯線發(fā)生短路現(xiàn)象。通過(guò)復(fù)查產(chǎn)品工藝，防波套與外殼為聯(lián)通狀態(tài)，將產(chǎn)品拆解后發(fā)現(xiàn)線束在分叉處導(dǎo)線表皮存在擊穿黑點(diǎn)，為屏蔽層刺破導(dǎo)線絕緣層導(dǎo)致，同時(shí)確認(rèn)刺破部位，內(nèi)襯聚酰亞胺膠帶未完全包裹，如圖5所示。

圖5 防波套內(nèi)襯處理失效

將導(dǎo)線拆下后取出在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線上有擊穿黑點(diǎn)，如圖6所示。包纏聚酰亞胺膠帶時(shí)存在縫隙，對(duì)導(dǎo)線的防護(hù)不到位，在后續(xù)產(chǎn)品使用過(guò)程中反復(fù)彎折和擠壓，導(dǎo)致屏蔽絲從縫隙處刺破導(dǎo)線絕緣層引起短路。

圖6 防波套內(nèi)襯處理失效

為解決內(nèi)襯保護(hù)失效導(dǎo)致屏蔽絲刺破問題，在屏蔽端頭處理工序完成后，增加檢驗(yàn)點(diǎn)，明確對(duì)使用聚酰亞胺膠帶包裹后的線束進(jìn)行檢查，確保無(wú)縫隙，同時(shí)選擇帶膠聚酰亞胺薄膜，防止在包纏過(guò)程中發(fā)生滑動(dòng)產(chǎn)生縫隙而失去保護(hù)作用。

在防波套處理過(guò)程中，應(yīng)避免損傷，操作完成后應(yīng)檢查收頭位置處屏蔽層修理后的質(zhì)量，用手撫摸時(shí)無(wú)銳角及毛刺[4]。

3 失效檢測(cè)

為將屏蔽處理失效的產(chǎn)品及時(shí)篩出并提升檢測(cè)效率，在出廠前可在《電連接器試驗(yàn)方法》（GJB 1217A—2009）施加電壓的持續(xù)時(shí)間為60s、施加速率為500V/s（rms或DC）要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)工廠實(shí)際情況，在廠內(nèi)質(zhì)量一致性試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品耐壓情況將測(cè)試電壓提高25%，加壓時(shí)間縮短到2s。需要指出的是，絕緣耐壓測(cè)試次數(shù)不宜過(guò)多，以免對(duì)元器件造成不可逆的損傷。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)低頻電纜組裝件中屏蔽處理工藝的介紹，重點(diǎn)針對(duì)屏蔽導(dǎo)線端頭、防波套等的處理工藝進(jìn)行了說(shuō)明，對(duì)失效案例進(jìn)行了探討并給出了解決措施，對(duì)相關(guān)低頻電纜工程技術(shù)人員及操作人員具有一定借鑒和指導(dǎo)意義。