銅合金特性對汽車連接器端子品質的影響

毛建偉，王文玲，陳 磊，陳 瑋，王振中，王明亮

（河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030）

近年來，隨著中國汽車工業的快速發展，很大程度上推動了包括汽車連接器在內的汽車零部件的發展。汽車連接器是在電子系統中擔負著電能傳輸、信號控制和傳遞任務的重要基礎元件之一［1］，它主要由插接件（端子）、絕緣體、外殼及附件組成，端子是實現連接器內部電接觸功能的核心部件［2］。連接器端子所用原材料主要是銅合金，銅合金種類繁多，其品質及性能指標也參差不齊。連接器端子的材料好壞關系到連接器的品質和可靠性穩定與否，連接器端子的材料不但要從其力學性能、熱力學性能、電性能和電化學腐蝕等性能考慮，而且還要從材料的可加工性和成本方面考慮。

連接器端子的品質檢驗項目主要包括外觀和尺寸、機械性能、電氣性能和環境性能等［3］。本文從原材料（銅合金）特性的角度出發，探討原材料特性對連接器端子品質的影響及改善對策。為連接器端子材料的選擇以及提升汽車連接器端子產品品質提供理論依據。

1 銅合金特性對端子外觀和尺寸的影響

合格的外觀和尺寸是保障連接器端子性能的基本條件。絕大部分的端子在沖壓成型過程中都是以彎曲為主的變形方式。在彎曲成型過程中，端子主要存在材料彎曲回彈造成的尺寸超差問題、折彎開裂的外觀問題等。

1.1 銅合金彎曲特性對端子折彎開裂的影響

折彎開裂對于連接器端子來說是致命的品質問題，給企業和客戶造成不同程度的損失。銅合金在沖壓折彎過程中，受到一個彎曲力矩的作用，相當于中性軸的彎曲凹面受到壓縮變形，而中性軸的彎曲凸面受到拉伸變形。當凸面受到拉伸變形超過材料所能承受的變形極限時導致開裂。

銅合金材料具有優良的彎曲特性，一定程度上避免了端子產品的開裂問題。影響銅合金彎曲特性的因素主要有以下幾方面：①銅合金的機械性能：針對同一種材料，其機械強度越高，塑性越差，彎曲特性就越差。②銅合金板帶材彎曲方向：平行于軋制方向的彎曲特性優于垂直于軋制方向。這是因為在軋制過程中，晶粒是沿著軋制方向被拉長而形成纖維組織，而垂直于軋制方向上存在很多晶界，從而導致了材料的各向異性。③端子彎曲角、彎曲半徑和材料厚度：端子的彎曲角度越小，彎曲半徑越小，銅合金板帶材厚度越大，板帶材中性軸的彎曲凸面受到拉伸變形越大，越易開裂［4］。④在端子沖壓生產過程中，為了使折彎成型更容易，在銅合金板帶材的相應位置沖壓一道預壓痕，使材料纖維組織發生織構變化而導致形變硬化，材料的彎曲特性變差。

1.2 銅合金彎曲回彈對端子尺寸的影響

銅合金在彎曲成型過程中，由于板帶材的內外層由拉應力過渡到壓應力的彈性變形區的存在，彎曲卸載之后板帶材必然會造成回彈。銅合金的回彈特性造成了端子外形尺寸超差的品質缺陷，嚴重時將會影響到后續的連接器裝配精度。

影響銅合金彎曲回彈特性的因素主要有以下幾方面：①銅合金的機械性能：銅合金彎曲回彈量與材料的屈服強度成正比，與彈性模量成反比［5］。這是因為銅合金屈服強度越大，在一定的彎曲變形程度下，材料變形區應力越大，彈性變形區越大，回彈值越大。而銅合金彈性模量越大，在一定的彎曲變形程度下，材料的彈性變形區越小，回彈值越小。②相對彎曲半徑（R/t）和彎曲角：銅合金在彎曲成型時，相對彎曲半徑和彎曲角越小時，卸載后回彈值越小，因為在一定的彎曲變形程度下，塑性變形區大，彈性變形占總變形的比例小，回彈值越小。

2 銅合金特性對端子插拔力的影響

端子插拔力是公端與母端相互配合時插入和拔出所需要的摩擦力，其是連接器機械性能中重要的一部分，端子插拔力過小，則端子易于松脫，導致電接觸不穩定或失效；插拔力過大，造成裝配困難。根據公端與母端相互配合時的受力情況以及現有端子彈性結構，將端子彈性結構簡化為懸臂梁模型，如圖1所示。

圖1 端子彈性結構簡化圖

根據懸臂梁理論和摩擦力理論，可得公端與母端第1次配合時的插拔力公式［6］

式中：μ——摩擦系數；F——端子的正壓力；d——端子彈性結構位移量；W——端子彈性結構的寬度；L——端子彈性結構的長度；E——材料的彈性模量；t——材料的厚度。

由上述公式可知，連接器端子插拔力的大小與端子材料的厚度、彈性模量、摩擦系數、彈性結構的寬度和位移量成正比，與彈性結構的懸臂長度成反比。當產品結構設計完成后，可以通過改變端子材料的參數（彈性模量、表面粗糙度、鍍層材料及厚度）來調整插拔力的大小。

在汽車行業標準QC/T 1067.1—2017中，不僅對端子第1次插入力和拔出力有規定，而且對端子經過多次插拔循環后的插拔力也有相應的要求［7］。在端子檢驗時會出現端子經過多次插拔循環后的插拔力驟然下降的現象，這是因為公端與母端配合時，母端的彈性結構發生一定的應變而產生了內應力，當端子彈性結構所受應力超過銅合金材料的屈服強度，端子彈性結構進入塑性變形階段，所以經過多次插拔循環后，彈性結構回彈量小，此時彈性結構的位移量變小，導致端子經過多次插拔循環后插拔力小。當產品結構設計完成后，可以通過提升端子材料的屈服強度，使端子彈性結構所受應力低于材料的屈服強度，避免端子彈性結構發生塑性變形，保證端子經過多次插拔循環后的插拔力。

3 銅合金特性對端子電氣性能的影響

接觸電阻是汽車連接器端子的主要電氣性能，接觸電阻主要由導體電阻Rp、膜層電阻Rf和集中電阻Rc組成，它直接影響汽車各電器設備的信號傳輸和電氣連接的穩定性和可靠性［8-9］。

導體電阻主要取決于端子使用的銅合金材料本身的導電性能。不同的端子銅合金材料，其導電性不同，目前端子產品常用的銅合金材料導電性由小到大順序為：錫磷青銅（QSn6.5-0.1等）、黃銅（H70、H65等）、高導電銅合金（Cu-Ni-Si系列合金等）。

膜層電阻是由于接觸表面膜層及其他污染物所引起的電阻，膜層電阻受鍍層的材料及厚度、材料表面的清潔度和材料氧化情況等因素影響。

集中電阻是電流通過端子實際接觸面時，由于電流線收縮或集中而顯示出來的電阻。公端和母端相互配合接觸后，接觸表面的粗糙度使得實際的接觸面積是多個微觀接觸點面積之和，接觸面積越大，集中電阻越小。端子正壓力和接觸面的粗糙度直接影響接觸面積。在保證產品結構不變和端子插拔力合格的情況下，可以通過增大端子材料的彈性模量、降低材料的表面粗糙度來增大端子接觸面積，從而減小集中電阻。

4 銅合金特性對端子環境性能的影響

汽車連接器端子的環境性能主要包括耐溫性能和耐腐蝕性能等。

連接器端子遍布汽車的各個部位，每個部位的工作環境溫度不盡相同，端子長時間在高溫條件下工作，不可避免地會出現應力松弛現象。應力松弛是指材料在一定的溫度環境中維持恒定的變形，隨著時間的延長，初始彈性變形轉變為塑性變形，而使其應力減小。由于端子材料的應力松弛而使端子接觸正壓力逐漸減小，接觸電阻增大，溫度升高，而溫度升高加劇材料的應力松弛，從而造成惡性循環，最終導致端子接觸失效。因此，在連接器選材時，需要根據端子的實際工作環境溫度來選擇抗應力松弛特性優異的銅合金材料。

端子產品為了適應嚴苛的工作環境，防止基體銅合金氧化或腐蝕，絕大部分端子需要經過表面處理，最常用的端子表面處理是鍍錫。端子的耐腐蝕性能是由鍍層厚度、打底層材料等因素決定。鍍錫層越厚，抗腐蝕性能越強。端子材料在鍍錫之前需要在基體材料上先電鍍打底層（銅或鎳），鎳打底層有效地阻止了銅元素向鍍層表面的擴散，提升了抗腐蝕性能，但是鎳打底的鍍層成本較高。

5 結束語

通過原材料（銅合金）特性對連接器端子品質影響的探討，我們得知性能合格的端子產品要求原材料（銅合金）必須具備優良的特性。表1為連接器端子材料的選擇以及提升汽車連接器端子產品品質提供了理論依據。

表1 端子性能與原材料（銅合金）特性的對應關系

［1］ 王奇，楊建璽，苑靜.淺析影響汽車連接器端子導電性能的因素［J］. 汽車電器，2015（4）：49-50.

［2］ 楊三軍，李楠楠，張震華. 汽車電線束中端子的應用和解析［J］. 汽車電器，2010 （2）：21-26.

［3］ 王文玲，王武軍，王榮喜，等.車用電線束插接器常見質量問題及解決方案［J］.汽車零部件，2013（6）：34-36.

［4］ 張永寬. 板料彎曲中彎裂、回彈、偏移的質量分析［J］.科技與企業，2012（21）：254.

［5］ 王洪芬，王瀟，關曉東. 板料彎曲回彈分析與控制［J］.吉林工程技術師范學院學報，2013， 29（9）：84-86.

［6］ 王武軍. 車用電線束插接器端子正向力探討［J］.汽車電器，2012 （12）：36-37.

［7］ QC/T 1067.1—2017，汽車電線束和電氣設備用連接器 第1部分：定義、試驗方法和一般性能要求［S］.

［8］ 王榮喜，王武軍.淺析車用電線束插接器接觸電阻的測試［J］.汽車電器，2013 （4）：56-57.

［9］ 王武軍，王文玲.淺析汽車用插接器端子接觸電阻［J］.汽車零部件，2012（4）：50-52.