坑壓式接觸件壓接可靠性的可視化分析

林殿夫，青 春，張孟君，毛文陸，劉璽偉，王 璐

(沈陽興華航空電器有限責任公司，遼寧沈陽，110144)

1 引言

線束產品是設備電路網絡的主體，其中以連接器與導線線芯的電連接最為關鍵。為滿足連接器向小型化方向發展，絕大多數采用坑壓式壓接，而其壓接質量問題常具有隱蔽性，往往在投用很久后才逐漸暴露，近年來線束產品的問題屢見不鮮。當前壓接標準中規定的檢驗方法以耐拉力、接觸電阻等性能數據為主，對微觀組織的檢驗分析方法還不夠深入，因此對壓接的微觀組織可視化研究應運而生。

2 坑壓式壓接

2.1 坑壓式壓接原理

坑壓式連接器具有小體積、高密度，接觸件取送方便等優勢，這基于接觸件與導線的坑壓式壓接的結構[1]?？訅菏綁航邮峭ㄟ^壓接鉗來完成，通過控制壓力以及鉗口位移，接觸件的壓接筒沿著導線四周產生機械壓縮和變形，直至將導線壓緊、固定于接觸件中，從而使導線、壓接筒之間形成致密的、永久性的電連接和機械連接，并形成坑窩壓痕。

圖1 坑壓式接觸件壓接結構

圖2 接觸件壓接導線截面示意圖

圖3 壓接導線后的接觸件圖

2.2 過壓

在壓接過程中，應避免過壓情況的發生。過壓情況會導致接觸件與導線之間空隙過小，增加壓接筒對線芯的徑向剪切，線芯造成損傷，截面形狀發生畸變，甚至使壓接筒壓接處裂碎，影響電導通[2]。過壓有可能由壓接檔位選擇過小、接觸件延展性不足、導線鍍層與接觸件鍍層不一致或其它原因引起，需要更換合格且檔位適宜的壓接鉗進行壓接，或采取其它相應措施予以避免。

2.3 欠壓

在壓接過程中，應避免欠壓情況的發生。欠壓情況會導致接觸件與導線之間空隙過大，耐拉伸、彎折、振動的能力均會削減；導線線芯送入壓接筒不到位、壓接鉗檔位不正確、接觸件與線芯的規格不匹配均會促使欠壓情況的發生。所以應認真考慮壓接鉗檔位、接觸件、導線的匹配度，壓接時導線線芯送入至以觀察孔可觀測到的位置為準。

3 壓痕

壓接檔位與接觸件、導線線芯三者不匹配會導致壓接質量變差，接觸件和導線線芯一般在設計階段就已確定，不易更改，因此壓接檔位的選擇尤為關鍵，檔位過小會導致接觸件過壓，檔位過大會導致欠壓。

以M22520/1-04壓接鉗為例，分別調至1～6檔位對某系列20#接觸件以及適配的FF46-2 1×0.5mm2導線進行壓接，通過DWQ-10定位器確定接觸件壓痕的軸向位置。每次壓接前使用通止塞規對鉗口尺寸進行校檢，校檢結果合格，如表1所示。

表1 鉗口尺寸校檢情況

將導線剝去適宜長度的絕緣皮后送入壓接筒，線芯通過觀察孔后進行一次壓定，不重復壓接，壓接后將壓接筒部位在電子顯微儀下調焦投影成像。

當使用1～2檔位壓接時，壓接筒的壓痕過深，尤其通過1檔位壓接的壓接筒，其鍍層、觀察孔已嚴重變形，甚至通過觀察孔可隱約看到內部線芯的損傷，因此接觸件過度的壓縮形變會導致接觸件與線芯連接的可靠性的降低，壓接處耐拉伸、彎折、振動等機械性能嚴重衰退，導電性能不足。

當使用6檔位壓接時，壓接筒的壓痕過小、過淺，線芯松動，拉脫力可能無法達到預期。對于其可能存在欠壓情況，壓痕顯微圖無法直觀判斷，須結合截面金相圖來判斷。

當使用3～5檔位壓接時，壓接筒的壓痕適中，因此選取這三個檔位各5個接觸件壓接相同導線，并進行耐拉力、耐彎折測試試驗，結果如表2～3所示，三個檔位耐拉力值均符合相關標準(國內標準85N，美軍標準89.2N)，4檔位為最優檔位。因此4檔位壓接的壓痕深度和形狀可作為同類接觸件壓接合格的輔助參考之一。

表2 M22520/1-04壓接20#接觸件、20#導線耐拉力能力測試結果

表3 M22520/1-04壓接20#接觸件、20#導線耐受彎折能力測試結果

4 截面金相

根據壓痕可以用肉眼直觀判別出過壓情況，但相比較而言，欠壓情況沒有過壓情況明顯，因此針對欠壓情況尚需一種直觀的判別方法。

選取第3章所述的接觸件、導線、工具分1～6檔進行壓接，壓接流程同第3章所述，壓接后進行切取、鑲樣、打磨、腐蝕、成像。具體如下：

(1)用切線鉗將導線于壓接筒邊緣處進行剪切，也就是去除壓接筒外部的導線。

(2)選取熱固型PF2A4-161J酚醛模塑料粉末做鑲粉，該物質不與酒精反應，便于成像前擦拭。將其與接觸件一同送入鑲嵌機，調制高溫、高壓狀態，使接觸件和殘留導線加熱至150℃后保持15min，最終接觸件被固化后的鑲粉致密包裹，并露出邊緣以備研磨，如圖4所示，中部為接觸件，四周為熱固后的鑲樣粉。

圖4 鑲樣后的坑壓式接觸件

圖5 研磨后的坑壓式接觸件

(3)將接觸件邊緣研磨至露出壓接筒上的實際壓接處，一般為壓接筒入口和觀察孔的中位點，研磨粗磨、細磨、拋光等三個步驟進行：粗磨時使用落地式砂輪機進行磨制，并采用水冷方式進行冷卻，防止接觸件和砂輪摩擦產生的熱量使接觸件和導線的金屬組織發生變化；粗磨后的接觸件經冷卻、洗凈、吹干后在粗砂紙、細砂紙上進行研磨，同方向重復一定次數后旋轉90°繼續細磨；細磨后留下的表面粗糙處使用拋光紅外碳硫分析儀進行拋光，使接觸件的粗糙度Ra降低至0.04以下。研磨后的效果如圖5所示。

(4)根據接觸件材料控制腐蝕液的組份及配比濃度，常見的接觸件材料有錫青銅、鈹青銅等，依據試驗經驗，采用表4所示的腐蝕液。

表4 腐蝕液組分及配比濃度表

(5)將鑲樣粉包裹的樣件置于金相分析儀物鏡下，投影出截面金相圖，圖像如圖6～11所示。

從這些圖像，同檔位下的四個壓接坑窩都沿壓接筒圓周均勻排布且深度一致，但隨著檔位升高，接觸件的形變程度降低。該種導線共有19股線芯，分三層排布，從內至外分別具有1、6、12股。每股線芯橫截面由壓接前近似圓形變為壓接后的多邊形，邊數與其相鄰股線和相鄰壓接筒邊界數量之和相等，以五邊形、六邊形居多，這說明每股線芯的受力面較多，因此受力均勻。但線芯的形變和受損程度隨檔位降低而增加。

通過6檔位壓接的線芯排布十分松散，耐拉力值無法達到預期，尤其在配套裝備遇冷時，線芯受熱脹冷縮效應遠大于接觸件，增加了線芯從接觸件中脫落的風險，因此線束在低溫環境中的故障率較高[3]。而1～4檔位下線芯與線芯之間、線芯與接觸件之間的空隙率均不足10%，它們形成了氣密性連接。

在1～2檔位下的接觸件和線芯的形變程度最大，線芯面積較壓接之前的殘存率低于60%，可能存在過壓情況，截面金相圖無法直觀判斷，須結合壓痕顯微圖一起分析。

由表2～3數據可知，4檔位的機械可靠性最高，因此其截面金相圖可作為同類接觸件壓接合格的輔助參考之一。

5 總結

利用壓痕可清晰觀測出接觸件的過壓情況，但對于欠壓情況并不明顯；而截面金向圖可直觀識別出接觸件的欠壓情況，但對于過壓情況還需要借助運算軟件計算壓縮后的形變量和空隙面積，較為繁瑣。單獨使用上述任意一種可視化圖像也均需要耗費大量人力物力，無法適用于大批量的檢測分析，必須將二者進行綜合分析，方可直觀地、清晰地、快速地攝取較為精準的實際壓接情況，洞悉壓接導線線芯的受壓情況，分析出接觸件壓接的可靠性水平。

與傳統的機械試驗檢測方法相比，本方法具有多方面優勢：

(a)在目鏡下，用肉眼便可觀察得出結論，節省人力、設備、時間等成本；

(b)傳統的機械試驗破壞性更大，試驗后接觸件、導線狀態均發生變化，無法二次復驗進行追溯，本方法只磨掉了接觸件壓接筒的后半部分，隨時可進行二次復查；

(c)觀察效果更清晰，可洞悉每一根線芯的實際情況，從細節處查找問題；

(d)傳統方法是測量拉力、彎折次數等性能參數的間接方式，本方法為直接方式，邏輯上更貼合實際。