銅端子免換模壓接及校檢方式研究

鄭偉航ZHENG Wei-hang；劉鳳英LIU Feng-ying；鄒繼偉ZOU Ji-wei

（株洲中車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司，株洲412000）

0 引言

高鐵運(yùn)行時(shí)傳輸?shù)碾妷簶O高，要求電氣連接性能必須具備穩(wěn)定的可靠性。電氣連接工藝技術(shù)中，焊接需要助焊劑、焊料等輔料，且電烙鐵溫度達(dá)350℃以上，導(dǎo)致被焊件容易發(fā)生氧化。繞接僅適用于小線連接，適用范圍較窄。壓接克服了以上缺陷，通過(guò)設(shè)備提供的壓力擠壓端子與導(dǎo)線，使得金屬間發(fā)生塑性變形，即可形成穩(wěn)定的機(jī)械、電氣連接。

何喜梅等人研究了壓接高度對(duì)端子壓接質(zhì)量的影響[1]。葉中飛等人研究了壓接對(duì)稱度對(duì)壓接點(diǎn)應(yīng)力的影響[2]。馮愛(ài)軍等人認(rèn)為合理的壓接工藝參數(shù)才能保證壓接質(zhì)量合格[3]。還有其他學(xué)者研究了壓模寬度、壓模對(duì)邊距等因素對(duì)壓接質(zhì)量的影響，以及壓模對(duì)邊距對(duì)導(dǎo)線握著力的影響。鑒于此，本文對(duì)免換模壓接工藝技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)壓接端子做拉拔力、接觸電阻、截面金相試驗(yàn)，分析其壓接質(zhì)量，提出通過(guò)測(cè)量端子壓接區(qū)域?qū)叧叽?，從而判定壓接質(zhì)量是否合格的校檢方式。

技術(shù)路線如圖1 所示，首先對(duì)市面上新興技術(shù)免換模壓接進(jìn)行分析，接著對(duì)免換模技術(shù)壓接質(zhì)量進(jìn)行型式試驗(yàn)驗(yàn)證，最后通過(guò)材質(zhì)分析及形變分析提出新的校檢方法。

圖1 技術(shù)路線

1 壓接技術(shù)研究

坑式壓接成型呈不規(guī)則狀，模式壓接端子多為規(guī)則多邊形，可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行切換，可通過(guò)壓接區(qū)域成型尺寸判定壓接質(zhì)量。

免換模壓接技術(shù)：

四邊、六邊免換模壓接技術(shù)是通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)邊，經(jīng)滑動(dòng)邊與固定邊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)換為壓接力緊固端子與線束。四邊免換模技術(shù)的壓接邊數(shù)少，與端子的接觸面積有限，需要較大出力，壓接高度較深，內(nèi)部芯線及端子變形大，導(dǎo)致壓接部位接觸電阻較大。六邊免換模壓接比四邊免換模壓接多兩條邊，增加了與端子、線纜銅芯的接觸面積，壓接形變量較小，有效增加了端子的導(dǎo)電率，解決壓接邊緣應(yīng)力集中的問(wèn)題。避免了四邊壓接端子容易飛邊，導(dǎo)電率較低的技術(shù)質(zhì)量缺陷。

TJ CL542-2018 要求沖壓的閉式壓線筒壓接連接采用六邊壓接方式，JB/T 5109 折彎角越小折彎邊應(yīng)力容易集中，導(dǎo)致端子開(kāi)裂，六邊壓接折彎角120°，四邊壓接折彎角90°。綜上，本文選擇六邊免換模壓接技術(shù)進(jìn)行工藝技術(shù)驗(yàn)證。

2 壓接試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

試樣線纜選用4GKW-AX 高壓導(dǎo)線，下線長(zhǎng)度300mm，試樣端子TO、DTO、LCA，適配線徑為35-120mm，壓接設(shè)備BZW-6F 六邊免換模壓接機(jī)，壓模寬度12.5mm。每組試驗(yàn)設(shè)置3 個(gè)試樣，做拉脫力、截面金相、接觸電阻試驗(yàn)驗(yàn)證壓接質(zhì)量。

2.1 拉脫力試驗(yàn)

端子處于過(guò)壓狀態(tài)時(shí)，壓接區(qū)域過(guò)量收縮，十分脆弱。端子處于欠壓狀態(tài)時(shí)，抗拉強(qiáng)度小，導(dǎo)線易從銅壓接端頭內(nèi)脫落。為保證壓接連接的質(zhì)量，需要在端子壓接后做拉脫力試驗(yàn)，檢驗(yàn)其機(jī)械性能。

拉力機(jī)相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：拉伸速度設(shè)置為25mm/min～50mm/min，接近力保持值時(shí)調(diào)節(jié)到1～2N/S。按照GB/T 9327-2008[4]進(jìn)行拉拔測(cè)試，負(fù)荷的保持力按線束規(guī)格的60 倍來(lái)設(shè)定，當(dāng)拉脫力試驗(yàn)機(jī)拉脫力提升到峰值時(shí)，保持力持續(xù)一分鐘，如圖2 所示，端子與導(dǎo)線產(chǎn)生-13mm 相對(duì)位移，傳感器輸出拉力曲線沒(méi)有下落，表明芯線未發(fā)生斷裂，導(dǎo)線未從端子內(nèi)部脫出，試驗(yàn)合格。

圖2 拉脫力測(cè)試界面

2.2 截面金相試驗(yàn)

GJB 5020-2001 要求壓接截面無(wú)雜質(zhì)，壓接區(qū)域變形均勻，芯線成不規(guī)則六邊，導(dǎo)線和端子間呈氣密性連接，所有導(dǎo)線的圓形截面均已發(fā)生變形，變形后端子不應(yīng)有破裂或損傷，所有空隙所占面積應(yīng)小于線股所占空間總面積的10%[5]。

如圖3 所示，所有芯線均已變形，且端子與導(dǎo)線呈氣密性連接，輸出變形比如圖4 所示，可知變形比時(shí)刻處于75%的標(biāo)準(zhǔn)之上，導(dǎo)線的芯線間存有較大空隙，所以其變形比往往小于芯線，截面變形均符合標(biāo)準(zhǔn)，壓接截面分析合格。

圖3 壓接部位截面分析

圖4 壓接變形比

2.3 接觸電阻試驗(yàn)

壓接區(qū)域接觸電阻直接影響電性能，根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt，當(dāng)電阻R 值較大，放熱Q 也較大，則壓接過(guò)深的端子長(zhǎng)期處于發(fā)熱的狀態(tài)，造成柜體內(nèi)部時(shí)刻升溫，影響內(nèi)部組件以及電連接器件的使用壽命，降低產(chǎn)品可靠性、安全性，極端情況下會(huì)出現(xiàn)燒灼情況，因此接觸電阻必須滿足TJ CL542-2018 鐵標(biāo)要求，端子壓接部位的電阻不大于相同長(zhǎng)度導(dǎo)線電阻的2 倍。

圖5 壓接電阻試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)示意圖

式中：RAB為AB 間的電阻；RBC為BC 間的電阻。做接觸電阻試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示，可知試樣接觸電阻數(shù)據(jù)均低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，驗(yàn)證其電氣性能合格。

圖6 接觸電阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 校檢方式研究

端子導(dǎo)線壓接作業(yè)時(shí)，隨著設(shè)備壓接深度增加，端子的導(dǎo)電率、耐拉力增加，當(dāng)達(dá)到最佳壓接深度時(shí)，端子的壓接質(zhì)量會(huì)處于最優(yōu)狀態(tài)，但是進(jìn)一步增大壓接深度，端子導(dǎo)電率、耐拉力性能會(huì)下降。探究壓接工序的最佳范圍，并制定實(shí)時(shí)校檢方式具有現(xiàn)實(shí)意義。

經(jīng)拉脫力、截面金相以及接觸電阻試驗(yàn)論證，證實(shí)了六邊免換模壓接技術(shù)的可行性。壓接后的端子和導(dǎo)線呈壓接緊密的規(guī)則六邊形，可以通過(guò)公式測(cè)量壓接高度，推算其截面積，用于判斷接觸電阻、拉脫力性能。QCT29106-2014 要求形變比控制在80%和90%之間，USCAR21 要求形變比控制在80%和85%之間。本文設(shè)定銅端子形變?yōu)?5%[6]，則端子形變范圍在80%-85%，芯線（包含間隙）形變范圍在90%-95%，由于芯線空隙無(wú)法具體估量，最大為10%往往無(wú)法達(dá)到，所以取其變形比為85%-90%。導(dǎo)線、端子材質(zhì)均為紫銅，可統(tǒng)一分析其形變比，取壓接校檢范圍上下限為80%和90%。

式中：S端子為端子截面積，S芯線為芯線截面積，0.85 為設(shè)定最優(yōu)形變，0.8 為下限形變，0.9 為上限形變，n 為芯線根數(shù)。公式（2）通過(guò)測(cè)量端子高度測(cè)算壓接面積，然后使用公式（3）分別測(cè)算端子與芯線實(shí)際截面，關(guān)聯(lián)形變比范圍值，從而測(cè)算最優(yōu)壓接范圍值。所以，可通過(guò)測(cè)量壓接后的端子對(duì)邊尺寸，通過(guò)公式搭建的數(shù)學(xué)模型分析其壓接質(zhì)量，如圖7 兩線之間即為最優(yōu)壓接區(qū)間。

4 結(jié)論

本文分析了端子壓接高度與拉脫力、接觸電阻之間的關(guān)系，驗(yàn)證六邊免換模壓接技術(shù)，通過(guò)對(duì)銅壓接端子做型式試驗(yàn)，以拉脫力試驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)械特性、截面金相試驗(yàn)驗(yàn)證了壓接程度合乎標(biāo)準(zhǔn)、接觸電阻試驗(yàn)驗(yàn)證了其電連接特性。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)模式壓接的尺寸特性，創(chuàng)新性地提出一種新的、可量化的端子壓接質(zhì)量評(píng)判依據(jù)，改變當(dāng)前只能通過(guò)型式試驗(yàn)管控端子壓接質(zhì)量的方式，通過(guò)測(cè)量端子的高度尺寸判斷壓接質(zhì)量，在不需要破壞壓接端子的前提下，將壓接截面積以及拉脫力屬性可視化，從而實(shí)時(shí)監(jiān)控壓接工序端子質(zhì)量。