坑壓式接觸件空隙率的研究

(航天科工集團十院3419廠，江蘇蘇州，215129)

1 引言

在軍用線束領域，壓接是一道重要工序。壓接連接技術是指在常溫下，通過壓接設備或工具，對裝入導線的接觸件施加一定壓力并保持一段時間，使其產生塑性變形而形成可靠的電氣連接，具有優良的機械性能和電氣性能。所謂坑壓式壓接，是指通過壓頭將連接器的接觸件壓成坑式窩點的壓接法。軍用線束上所用的坑壓式一般為四面雙窩點，如圖1所示。

圖1 坑壓式壓接法

在GJB5020-2001《壓接連接技術要求》中對壓接后接觸件的空隙率，只在壓接截面金相顯微鏡檢查中有提到一點要求：所有空隙所占面積應小于導線所占空間總面積的10%。

而在我們公司大量的坑壓式壓接的生產過程中發現，壓接的各項指標都是合格，金相解剖空隙率也小于10%，如為8.7%時，如下圖2所示。此時連接器的部分接觸件孔位在終檢測試導通電阻會出現接觸電阻超5%的輕微變大現象。為此本文將對這種接觸電阻要求嚴格的產品進行深入研究。

圖2 壓接金相圖

2 接觸電阻

導線導體表面、接觸件內部表面盡管十分光滑、且都有鍍層覆蓋，如導線導體表面鍍銀，連接器接觸件表面鍍金。都在顯微鏡下觀察接觸面都是凹凸不平。此時的接觸，并不是整個接觸面的接觸，而是散布在接觸面上的一些點的接觸。真正導體與接觸件直接接觸部分，也被稱為導電斑點，是由接觸壓力破壞界面膜后形成。此部分導電斑點的面積遠小于實際接觸面積。圖3是實際接觸的示意圖。

圖3 實際接觸面積示意圖

接觸件總接觸電阻R可由下列公式(1)表示：

R=Rc+Rf+Rm

(1)

式中：Rc——收縮電阻；

Rf——表面膜層電阻；

Rm——導體電阻。

在軍用線束產品的實際測量連接器的接觸電阻時，都是包含接觸件本身電阻和引出導線的導體電阻。接觸件和導線導體的電阻主要取決于金屬材料本身的導電性能。為便于區分，本文將收縮電阻加上表面膜層電阻稱為真實的接觸電阻，即接觸電阻R=Rc+Rf。

2.1 收縮電阻

當電流通過接觸件表面流向導線導體時，從原來截面較大的接觸面突然轉到截面很小的導電斑點時，電流會發生劇烈收縮現象，也叫集中現象，此時電流路徑加長，導電面積減少。此現象所呈現的附加電阻被稱為收縮電阻。

圖4 接觸斑點示意圖

收縮電阻有很多數學模型，其中Holm計算模型比較簡單。Holm理論主要有四點假設，此時導電斑點為半徑α圓形，且單個α斑點足夠遠，接觸表面沒有污染層，并且接觸的兩個金屬為相同材料ρ1=ρ2=ρ。

在滿足上述條件下，Holm計算公式為：

(2)

式中：RC——收縮電阻，Ω；

ρ——材料電阻率，Ω·m；

α——接觸斑點半徑，m。

在實際生產的情況下，接觸件內表面中，導電斑點應該有n個。我們假設其斑點面積都一樣大，這樣在電路上是并聯的關系，總的收縮電阻將為：

(1)

αi為第i個導電斑點半徑；αp為n個斑點半徑的平均值。

2.2 表面膜層電阻

電接觸表面上，由于種種原因覆蓋著一層導電性很差的物質，例如金屬氧化物、硫化物、灰塵、污染物或夾在接觸面間的油膜、水膜等。一般來說，電接觸表面氧化膜居多，而氧化膜多半是半導體，電阻率很高，使得產品接觸電阻大大增加，此電阻被稱為表面膜層電阻Rf。

此時單個半徑為α圓形導電斑點表面膜層電阻計算公式：

式中：U——接觸面之間的電壓，V；

J——流過膜層的電流密度，A/m2；

σ——膜層電阻率，Ω·m2。

對于具有 n 個導電斑點的接觸件，且其平均半徑為αp，則總表面膜層電阻：

則接觸電阻的計算公式為：

從公式中可以看出，當接觸件材料固定時，接觸斑點的半徑越大，此時的接觸電阻越小。即要獲得可靠接觸，必須保證兩金屬的充分接觸。對接觸件的壓接電阻而言，可得出壓接后，空隙率越小，接觸面積越大，接觸電阻越小的關系。

3 實驗驗證

在 GJB5020-2001《壓接連接技術要求》對壓接深度和導線截面積、耐拉力定義的曲線圖如下，即隨著壓接深度的加大，導線截面積越來越小，導線的耐拉力先逐漸升高到最大值，在壓接處拉斷后再逐漸減小。但該趨勢圖沒有給出壓接過程中導線截面積的具體數值，即壓接空隙率的變化趨勢圖。

為驗證空隙率對壓接可靠性的影響，我們從較小的壓接深度開始試做，每個檔位10只產品，5只進行耐拉力試驗，5只進行金相顯微鏡檢查。然后再加大壓接深度，直至導線的導體從壓接處斷裂，金相檢查的空隙率為零。為此得出耐拉力和空隙率的17組試驗結果如下表1所示。

圖5 壓接過程參數變化

表1 耐拉力和空隙率試驗數據表

同時，我們繪制耐拉力值和空隙率的對比曲線圖如下圖6所示。結果，我們發現，在空隙率10%左右時，耐拉力并不是最大，還處于上升階段，而空隙率為3%以下時，導線的耐拉力處于平穩的頂峰階段。

圖6 耐拉力和空隙率曲線圖

通過我們廠先前的生產經驗，空隙率在10%左右時，接觸件的電阻值會出現輕微的變大現象。為此我們將空隙率為3%的接觸件如圖7所示，進行溫度沖擊試驗。實驗條件：-55℃～+125℃，單次循環，高、低溫保持時間至少為30min，共20次循環。記錄溫度沖擊前后的接觸件的電阻值，結果顯示所有試驗件，在溫度沖擊后沒有出現超過5%電阻變化值的現象。

此次試驗證明了，壓接空隙率為3%時，接觸件的導通電阻值恒定性很好，產品質量得到保證。

圖7 空隙率3%的金相圖

4 結論

對接觸電阻要求嚴格的產品，我們可以通過適當加大壓接深度，使壓接空隙率保持在3%左右，這樣連接器的接觸件將獲得可靠的、永久性的接觸，從而降低接觸電阻變大的風險。通過對壓接空隙率的監控，我們公司采用坑壓式接觸件的產品質量得到了提升，滿足了軍工客戶的要求。