導線端子壓接連接技術在核動力裝置反應堆保護系統中的應用和可靠性驗證

馬 玥，劉 清，王庭兵

（中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室，成都 610213）

0 引言

現代電氣互聯技術中的連接形式主要分為焊接法和壓接法，隨著電子電氣產品的逐步小型化、高密度封裝，傳統的焊接技術因為操作空間限制和操作復雜程度逐步失去了主導地位，被壓接技術逐步取代。核動力裝置反應堆保護系統作為第三代核電技術的重要組成部分，掌管了核電站300多個系統、近萬套設備，是核電站的中樞神經，其設備內部大量運用了壓接連接技術，它的運行穩定直接關系著整個核電廠的安全穩定運行，換而言之，它的電氣連接穩定性和可靠性是系統運行的關鍵要素。因此，確保導線端子壓接連接技術的可靠性猶為重要。

圖1 壓接技術關鍵指標關系圖Fig.1 Relationship between key indicators of crimping technology

1 壓接機理

不管是工具的壓接還是設備的壓接，都是依靠其壓接部位的壓模或壓頭擠壓形成的。操作過程中，借助手柄或者自動化機器的操作，從端子外壁施加一定的壓力，讓端子在外力的作用下，隨壓模或壓頭擠壓直至收縮、包裹、從而夾緊中央的線芯。在這個過程中，壓力不斷增加促使兩種金屬表面的原子相互接近，使接觸的金屬表面過熱而產生塑性形變，擠去了金屬表面的氧化膜，兩種金屬以潔凈的表面接觸，產生金屬原子擴散作用，使接觸電阻近似為零，從而使金屬間達到牢固的電氣連接。

在壓接的過程中，壓入深度作為關鍵因素，直接決定了壓接的可靠有效區域，其中包括導電率、截面積、耐拉力強度這3個重要質量特性指標。隨著壓力的增加，端子壓接區域的壓入深度隨之變化，而壓入深度的變化，也影響了壓接的各項特性值。其影響關系如圖1所示。

2 壓接流程

如圖2所示。

3 關鍵技術

導線端子壓接連接技術最直觀的控制點即為壓接深度，壓接深度一般很難衡量和計算。把它當作一個初始狀態，由壓接深度的縱向指標轉變為一個橫向值，即壓接截面積，由壓接截面積的大小來判定壓接深度；其次，壓接的截面積可以直接反映壓痕對稱性、塑性形變、接線柱填充率、導線芯線狀態等直觀因素，另外，截面的壓接狀態也決定了壓接的緊固程度和導電性能，即抗拉力強度和導電率或是接觸電阻、電壓降。因此，將關鍵技術要素的指標分成了4個層級，分別為縱向層、橫向層、觀察層和數據層，如圖3所示。

3.1 縱向層

圖2 壓接操作流程圖Fig.2 Flow chart of crimping operation

圖3 壓接關鍵要素Fig.3 Critical elements of crimping

縱向層最直接的指標就是壓入深度，直接體現著壓接力的大小，壓入深度設計值的確定需要先確定壓接的導線類型、端子類型，然后確定壓接的工具或設備類型，綜合考慮以決定采用何種壓接形式。為確保每次壓接都能達到這個設計值，即壓入深度的一致性，因此選用具有壓接全周期的工具或設備在壓頭或壓模未受損、壓接材料不變、壓接檔位不變情況下，一次壓接全周期操用以保證壓入深度和一致性。

3.2 橫向層

壓接的深度是為了控制壓接強度，壓接截面積是壓接深度的橫向轉換，是反映導線填充單位密度的直接指標，用以衡量其壓接部位的壓接深度和固有面積內導線股數或填充情況分布率。導線占空比是導線截面積與端子壓線筒內徑截面積之比。選擇適當的占空比對壓接接合點的形成與質量有很大關系，將直接影響其抗拉強度和導電性。

3.3 觀察層

3.3.1 壓痕對稱性

歪斜、不對稱的壓接其壓接受力必然也不均勻，壓接的接觸面積、導電率及耐拉力等也會受到影響，通過匹配性的選擇及壓接設計過程的控制，可使壓痕對稱、均勻，直觀地影響壓接截面形態。

3.3.2 塑性形變

填充率及硬化變形反映著導線與端子壓線筒的接觸情況及原子間的擴散情況，填充率是由塑性形變量決定的，對導電率、耐拉力均有很大影響。當導線芯線硬化變形且填充率大于90%時，可以滿足接觸電阻損耗要求，且能大大提高導線端子的拉脫力。

3.3.3 接線柱填充率

壓接時，為了最大程度使耐拉力值及導電率最佳，要選擇合適的導線截面積殘存率和端子壓線筒截面積殘存率。

1）導線截面積殘存率可以用導線壓接變形前的截面積與導線壓接變形后的截面積的百分比值來表示，計算公式為：

式（1）中，A代表導線截面積殘存率；S1、S2各代表變形前、后的導線截面積（mm2）。

2）端子壓線筒截面積殘存率的選擇，可以用端子壓線筒壓接變形后的筒壁面積與端子壓線筒壓接變形前的筒壁面積的百分比值來表示，計算公式為：

式（2）中，B代表壓線筒截面積殘存率；S3、S4各代表壓線筒變形前、后的面積（mm2）。

3.4 數據層

3.4.1 導電率

導電率與壓接接觸電阻密切相關，壓接接觸電阻的組成主要由收縮電阻、氧化電阻、集中電阻3部分組成，它主要用于表現壓接端子壓接后其壓接部位的電壓降，它是影響電性能的主要指標，其計算公式為：

式（3）中，Ri為收縮電阻，是壓接后壓接截面積減小而產生的附加電阻；Rj為氧化膜電阻，是壓接接觸面上的氧化膜形成的附件電阻；Rs為集中電阻，是導線與端子之間接觸表面電阻，是接觸電阻的主要組成部分。

圖4 導線截面積與耐拉力值對應關系Fig.4 Corresponding relationship between the cross-sectional area of the wire and the tensile strength value

導線有電阻從而存在線路損耗，而壓接接頭可能會因為材質或接觸面積等因素增大電阻，從而加大損耗。因此，壓接接頭處結合得越好，越能提高導電率從而減小損耗。通常情況下，氧化膜電阻可以視為接近0值，因為在壓接的過程中，塑形形變的過程使得氧化膜基本已經全部被外力破壞；集中電阻是兩種接觸導體的固有阻值，因此通常選取與導線線芯材質、鍍層一致的端子進行壓接，以保證集中電阻最小；界面電阻是通過導線與端子壓線筒的接觸面積體現，因此兩種導體接觸面積越大，金屬間出現的原子級擴散越多，界面電阻將越小。在導線類型確定后，集中電阻也就固定，能變化的就只有界面電阻，因此在壓接時需要盡可能大地增加兩種導體的接觸面積。

導電率的另一種直觀體現為電壓降，可以通過測算電壓降增量來體現壓接部位的導電率及壓接電阻情況。

3.4.2 耐拉力強度

耐拉力是線芯與端子壓接結合后牢固程度的量化體現。在外來軸向拉力下，使導線芯線從端子壓線筒內拉脫所需要的力，確定設計的耐拉力值以及將導線芯線與端子壓線筒之間的結合達到耐拉力設計值，以保證壓接可靠性是關鍵。

不同截面積的導線其與端子壓線筒結合后的耐拉力值是不一樣的，導線截面積與耐拉力值對應關系如圖4所示。

4 壓接的實施與可靠性驗證

4.1 實施

壓接連接的實施按照端頭的種類進行，端頭圖樣如圖5所示，并按照GJB 5020《壓接連接技術要求》附錄B（參考件）要求每組選取6支試驗件。

4.2 可靠性驗證

4.2.1 電壓降增量

圖5 壓接連接端頭圖樣Fig.5 Pattern of crimp connection end

圖6 剖面圖樣及填充率計算過程Fig.6 Sectional drawing and filling rate calculation process

表1 電壓降增量測算Table 1 Incremental calculation of voltage drop

表2 剖面和耐拉力試驗項目Table 2 Profile and tensile test items

根據GJB5020《壓接連接技術要求》，對壓接后的電壓降增量進行測算，測算值應小于標準中確定的電壓降增量值，測算公式[1]為：

式（4）中，△U代表電壓降增量（mV）；U代表壓接部分電壓降（mV）；U0代表相同長度被壓接導線的電壓降（mV）[1]，截取導線長度25mm。

電壓降增量測算值小于標準允許的最大電壓降增量限值，滿足試驗要求，試驗結果合格。

4.2.2 剖面和耐拉力

1）試驗驗證

根據RCC-E-2005-E4210《壓水堆核島電氣設備設計和建造規則》[2]，剖面和耐拉力試驗項目見表2；剖面圖樣及填充率計算過程如圖6所示，剖面驗證樣本見表3；耐拉力測試見表4。

2）剖面圖片顯微核查結論

經剖面顯微圖片核查，所有試驗件壓痕基本對稱、硬化變形基本均勻、接觸部分無絕緣材料、接觸部分無裂紋、壓接填充率大于90%、無被夾斷的芯線，滿足試驗要求，試驗結果合格。

4.2.3 耐拉力試驗

1）試驗

試驗件拉力試驗的抗拉強度，應大于IEC 60352-2中Table 1對應導線截面積的拉脫力值[3]，耐拉力測試見表4。

2）耐拉力測試結論

經拉力試驗，所有試驗件拉力值均大于標準最小拉脫力參考值，滿足試驗要求，試驗結果合格。

表3 剖面驗證樣本Table 3 Profile verification samples

5 結語

本文通過對導線端子壓接技術的關鍵要素進行分析，并按照GJB 5020《壓接連接技術要求》進行壓接樣本數量采樣，對其重要指標電壓降增量測算、耐拉力值測試以及剖面形態核查和填充率計算進行工藝驗證，測試結果全部滿足要求，有效地驗證了導線端子壓接連接技術在核動力裝置反應堆保護系統制造工藝技術中運用的可靠性。

表4 耐拉力測試Table 4 Tensile strength test