連接器接觸件機(jī)械磨損失效機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究

摘"要：連接器接觸件的機(jī)械磨損是其電接觸性能劣化的主要原因。通過(guò)開(kāi)展連接器機(jī)械插拔模擬實(shí)驗(yàn)，測(cè)試連接器機(jī)械插拔過(guò)程中接觸電阻和插入力的瞬時(shí)波形，并分析反復(fù)插拔條件下接觸電阻的穩(wěn)定值和插入力的退化趨勢(shì)，獲得失效后插針表面的微觀形貌特征和元素成分，從而提出機(jī)械磨損失效機(jī)理。所得結(jié)論可為連接器的高可靠長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：連接器; 機(jī)械磨損; 失效機(jī)理; 插入力; 接觸電阻

中圖分類(lèi)號(hào)： TM503+.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）03-0060-06

DOI：10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.03.010

Experimental Investigation of Mechanical Wear Failure Mechanism for Connectors

HAN Yicheng，"MENG Yuan，"ZHANG Chao，"REN Wanbin

（School of Electrical Engineering and Automation，Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China）

Abstract：

Mechanical wear of connectors is the main reason for the deterioration of electrical contact properties.The contact resistance and insertion force waveforms of connector are obtained by carrying out the mechanical insertion and withdrawal experiment.The degradation trends of static contact resistance and insertion force are analyzed，and the morphologies of failed pin samples are observed.Finally，the possible failure mechanisms of mechanical wear of connectors are presented.The obtained conclusions can provide a guidance for improving the reliability and lifetime of connectors.

Key words：

connector; mechanical wear; failure mechanism; insertion force; contact resistance

0"引"言

連接器是電氣系統(tǒng)中傳輸電流和信號(hào)的機(jī)電元件［1］，同時(shí)也是引發(fā)電氣故障的主要爆發(fā)點(diǎn)。連接器接觸故障引起系統(tǒng)供電中斷、信號(hào)失真或設(shè)備故障等問(wèn)題時(shí)有報(bào)道。據(jù)統(tǒng)計(jì)，連接器失效約占系統(tǒng)中電子元器件失效案例總數(shù)的30%～60%［2］。

連接器主要以機(jī)械插拔動(dòng)作實(shí)現(xiàn)電氣的互接與中斷。在機(jī)械插拔過(guò)程中材料的機(jī)械磨損、腐蝕、疲勞等現(xiàn)象可導(dǎo)致連接器插拔特性和電接觸特性的退化［3-4］。插入力是反映連接器插拔特性的重要參數(shù)，直接影響連接器的可靠性和穩(wěn)定性［5］。文獻(xiàn)［6］利用理論計(jì)算模型和簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯苛瞬蹇讓挾群烷_(kāi)孔間隙對(duì)插入力的影響。文獻(xiàn)［7］將連接器機(jī)械磨損的過(guò)程分為鍍層磨損、金屬間化合物磨損和基底金屬磨損3個(gè)階段，并研究了插入力對(duì)磨損的影響。本文統(tǒng)計(jì)分析了連接器插入力的峰值，認(rèn)為峰值的波動(dòng)與插針頭部的倒角平面關(guān)系密切［8］。

接觸電阻是反映連接器電接觸特性的重要參數(shù)，較低且穩(wěn)定的接觸電阻是保證連接器可靠電接觸的前提［9］。文獻(xiàn)［10］研究發(fā)現(xiàn)重復(fù)插拔操作使表面鍍層磨損，基底金屬氧化是接觸電阻增大的主要原因。文獻(xiàn)［11］統(tǒng)計(jì)分析了插拔過(guò)程中接觸電阻的間歇性失效現(xiàn)象，并指出失效原因是插針與插孔磨損。文獻(xiàn)［12］認(rèn)為重復(fù)插拔動(dòng)作會(huì)使連接器插孔發(fā)生應(yīng)力松弛，接觸力減小，從而導(dǎo)致接觸電阻增大。然而，人們對(duì)連接器機(jī)械磨損退化過(guò)程與失效機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍不全面。

本文通過(guò)開(kāi)展連接器機(jī)械插拔實(shí)驗(yàn)，獲取了接觸電阻和插入力的特征，并結(jié)合反復(fù)插拔實(shí)驗(yàn)條件觀測(cè)的性能參數(shù)和接觸件微觀形貌退化趨勢(shì)，提出了連接器機(jī)械磨損失效的物理機(jī)理。

1"實(shí)驗(yàn)方法

1.1"實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

連接器機(jī)械插拔模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括機(jī)械裝置、測(cè)控電路和軟件3個(gè)部分。機(jī)械裝置主要由夾持機(jī)構(gòu)、三維定位機(jī)構(gòu)、電機(jī)和力傳感器組成。通過(guò)調(diào)節(jié)夾持機(jī)構(gòu)與三維定位機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)連接器公端、母端中心位置的對(duì)齊，通過(guò)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)連接器的插入和拔出動(dòng)作。力傳感器固定在電機(jī)和夾持機(jī)構(gòu)之間，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械插拔力的測(cè)量。

測(cè)控電路主要包括驅(qū)動(dòng)模塊、恒流源模塊、信號(hào)采集模塊。通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)連接器機(jī)械插拔，插拔最大行程為150 mm，分辨率為10 μm，插拔速度調(diào)整范圍為1～100 mm/s，分辨率為10 μm/s。恒流源模塊可為接觸電阻的測(cè)量提供100 mA測(cè)試電流，接觸電阻的測(cè)量方式為四線法。同時(shí)信號(hào)采集模塊用于力與接觸壓降信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，采樣周期為4 μs。采用Qt Creator開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)操作軟件，通過(guò)計(jì)算采集的信號(hào)可提取連接器插入力、拔出力和接觸電阻等特性參數(shù)。插拔力的測(cè)量范圍為1 000 N，精度為1 N，接觸電阻的測(cè)量范圍為100 mΩ，精度為0.1 mΩ。

1.2"實(shí)驗(yàn)條件

本文選取了9針的圓形連接器作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。連接器的接觸件由銅合金材料制成，表面鍍金。連接器試樣如圖2所示。插孔具有的開(kāi)槽收口結(jié)構(gòu)可為接觸件提供穩(wěn)定的正向力。選擇系統(tǒng)的連續(xù)機(jī)械插拔模式，設(shè)置機(jī)械插拔速度為1 mm/s，插拔行程為4 mm，負(fù)載電流為100 mA，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為25 ℃，濕度為65%RH。

2"結(jié)果分析與討論

2.1"典型波形

連接器機(jī)械插拔過(guò)程中接觸電阻和插拔力的典型波形如圖3所示。

在插入深度為0.25 mm時(shí)，插針與插孔開(kāi)始接觸，接觸電阻迅速下降。在插入深度為4.00 mm時(shí)，接觸電阻穩(wěn)定在5.8 mΩ。插針拔出至深度0.28 mm時(shí)，插針與插孔開(kāi)始脫離，接觸電阻迅速上升。由于插針、插孔和連接器外殼之間均存在配合間隙，插入力在深度0.24～0.93 mm處未明顯增加。隨后插孔逐漸擴(kuò)張，插入力開(kāi)始上升，在深度2.72 mm處上升至最大值52.3 N。在插入深度為4.00 mm時(shí)，插針開(kāi)始拔出，插入力迅速下降。由于存在配合間隙，拔出力在深度3.22～3.77 mm處保持為零。隨后拔出力開(kāi)始上升，在深度2.11 mm處上升至最大值58.2 N。隨著插針拔出插孔的變形量減小，拔出力逐漸減小，在深度0.28 mm處插針完全拔出。

本文定義插針與插孔開(kāi)始接觸時(shí)的插入深度為Da，插針與插孔完全脫離時(shí)的插入深度為Dc，插針完全插入時(shí)的插入深度為Db，Db點(diǎn)對(duì)應(yīng)的接觸電阻為接觸電阻穩(wěn)定值R，插入過(guò)程中力的最大值為插入力Fi，F(xiàn)i對(duì)應(yīng)的插入深度為Dd，拔出過(guò)程中力的最大值為Fe。

2.2"接觸電阻與插入力的退化過(guò)程

本文定義連接器失效對(duì)應(yīng)的接觸電阻閾值為10 mΩ。接觸電阻R隨插拔次數(shù)變化的退化曲線如圖4所示。圖4可分為3個(gè)階段：3 200次內(nèi)接觸電阻穩(wěn)定值均低于10 mΩ;在3 200～13 000次期間接觸電阻穩(wěn)定值在6.3～61.7 mΩ，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)確認(rèn)超過(guò)10 mΩ的次數(shù)為1 994次，可以將該階段理解為連接器發(fā)生間歇性失效現(xiàn)象;13 000次以后接觸電阻穩(wěn)定值均大于10 mΩ且發(fā)生劇烈波動(dòng)，波動(dòng)范圍為13.2～100 mΩ，由此可認(rèn)為連接器發(fā)生永久失效。

插入力與拔出力隨插拔次數(shù)變化的曲線如圖5所示。

插入力Fi在實(shí)驗(yàn)初期迅速上升，120次時(shí)增大至最大值152.6 N;隨后插入力開(kāi)始減小，減小的速度隨插拔次數(shù)的增大而減小，14 000次時(shí)已減小至81.2 N。拔出力的退化趨勢(shì)與插入力相似，在128次時(shí)增大至最大值134.3 N，14 000次時(shí)減小至56.1 N。插入力Fi對(duì)應(yīng)插入深度Dd。

插入力［13］可表示為

Fi=2kδμcos α+sin αcos α－μsin α，"（0lt;s≤l1）

2μkδmax，"（s＞l1）（1）

式中："k——插孔剛度;

δ——插孔的形變量;

μ——插針和插孔間的摩擦系數(shù);

α——接觸面與水平方向的夾角;

δmax——插孔的形變量最大值。

由圖5（c）可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)多次插拔后，接觸件表面鍍層被磨損，初始光滑的接觸面變得粗糙不平，增大了插針、插孔間的摩擦系數(shù)，導(dǎo)致插入力在前60次迅速增大。隨著插拔次數(shù)的增加，磨損導(dǎo)致插針、插孔形狀發(fā)生變化，插入力開(kāi)始減小并趨于穩(wěn)定值。另外，0～60次期間插入深度Dd從2.8 mm上升至4 mm，之后插入深度Dd保持在4 mm，可見(jiàn)插針表面的磨損也導(dǎo)致插入深度Dd增加。

2.3"接觸電阻與插拔力瞬時(shí)值的退化過(guò)程

進(jìn)一步研究接觸電阻在機(jī)械插拔過(guò)程中的退化過(guò)程。接觸電阻瞬時(shí)值Rt隨插入深度的變化如圖6所示。第1 000次時(shí)在插入深度為1.0～1.5 mm處，接觸電阻瞬時(shí)值Rt最大值為98.2 mΩ，接觸電阻穩(wěn)定值為5.8 mΩ;第6 000次時(shí)接觸電阻瞬時(shí)值Rt的波動(dòng)區(qū)域擴(kuò)大，最大值為100 mΩ，接觸電阻穩(wěn)定值為11.4 mΩ;第13 000次時(shí)接觸電阻瞬時(shí)值Rt在整個(gè)周期內(nèi)均大于10 mΩ，接觸電阻穩(wěn)定值為100 mΩ。

當(dāng)接觸電阻瞬時(shí)值Rt發(fā)生劇烈波動(dòng)時(shí)，穩(wěn)定值R卻具有低值。接觸電阻穩(wěn)定值只表示接觸件完全插入時(shí)的接觸狀態(tài)，而瞬時(shí)值則反映了整個(gè)插拔過(guò)程的接觸狀態(tài)。為了量化接觸電阻瞬時(shí)值Rt的波動(dòng)，本文定義瞬時(shí)過(guò)程中超過(guò)10 mΩ的時(shí)長(zhǎng)為間歇失效時(shí)間tf，如圖6（a） 中a和b間的時(shí)長(zhǎng)為0.5 s。進(jìn)一步定義接觸電阻失效率χ為間歇失效時(shí)間tf與插拔時(shí)間T的比值。

χ=tfT（2）

將插入深度平均分成3個(gè)區(qū)域，即擴(kuò)張區(qū)為0.25～1.50 mm，過(guò)渡區(qū)為1.50～2.75 mm，穩(wěn)定區(qū)為2.75～4.00 mm。定義總失效率χs為3個(gè)區(qū)域失效率χ1、χ2、χ3的和，即

χs=χ1+χ2+χ3（3）

失效率隨插拔次數(shù)的變化如圖7所示。3 000次內(nèi)接觸電阻總失效率χs為0.08～0.16，間歇失效現(xiàn)象全部出現(xiàn)在擴(kuò)張區(qū)。4 000～7 000次內(nèi)接觸電阻總失效率χs為0.18～0.23，擴(kuò)張區(qū)與過(guò)渡區(qū)出現(xiàn)間歇失效現(xiàn)象，且過(guò)渡區(qū)的失效率隨著插拔次數(shù)增加而上升。8 000～14 000次內(nèi)接觸電阻總失效率χs為0.31～0.99，3個(gè)區(qū)域內(nèi)均出現(xiàn)失效現(xiàn)象。擴(kuò)張區(qū)最先出現(xiàn)失效現(xiàn)象，隨著插拔次數(shù)的增加，過(guò)渡區(qū)和穩(wěn)定區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)間歇失效現(xiàn)象。

由于插入與拔出過(guò)程中插拔力的變化趨勢(shì)相似，僅研究插入過(guò)程中力瞬時(shí)值的變化。插拔力瞬時(shí)值的變化如圖8所示。第1次力在2.6 mm處達(dá)到最大值48.3 N，之后略減小后保持在47.3 N。第6 000次力在4.0 mm處取得最大值128.5 N，第13 000次的力較第6 000次相比有所減小。

2.4"失效機(jī)理分析

為了更好地解釋接觸電阻和插入力的退化規(guī)律以及接觸件機(jī)械磨損的失效機(jī)理，利用掃描電鏡和EDS能譜分析獲得了失效后插針表面的微觀形貌和元素成分。失效后磨損表面的微觀形貌與元素分布如圖9所示。由圖9（a）～9（d）可見(jiàn)，反復(fù)插拔使插針表面存在明顯的磨損痕跡，其中擴(kuò)張區(qū)的磨損面積最大，向縱深方向的磨損面呈減小趨勢(shì)。過(guò)渡區(qū)表面有明顯的犁溝痕跡，且犁溝中存在磨屑，在擴(kuò)張區(qū)與穩(wěn)定區(qū)有明顯的磨屑堆積。由圖9（e）可見(jiàn)，擴(kuò)張區(qū)與穩(wěn)定區(qū)中O比例較高，分別為74.45%和67.56%，過(guò)渡區(qū)中O比例為29.72%。由此可見(jiàn)，表面的磨屑為銅的氧化物，是瞬時(shí)接觸電阻增大的主要原因。

接觸件磨損面演化過(guò)程示意如圖10所示。

由圖10（a）可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，接觸件表面光滑，插入力和拔出力較小。階段1中機(jī)械磨損導(dǎo)致接觸位置摩擦系數(shù)增大，插入力和拔出力迅速增大。由圖10（a）～10（c）可見(jiàn)，隨著插拔次數(shù)的增加，鍍層形狀發(fā)生改變，使得位置Dd從擴(kuò)張區(qū)向縱深方向移動(dòng)，最終移動(dòng)到穩(wěn)定區(qū)，是圖5（c）中Dd點(diǎn)位置變化的原因。磨損產(chǎn)生的磨屑在插拔運(yùn)動(dòng)作用下堆積在擴(kuò)張區(qū)與穩(wěn)定區(qū)。金磨屑導(dǎo)電性良好且不易氧化，因此階段一中接觸電阻未發(fā)生明顯變化。

由圖10（d）可見(jiàn)，在階段2中接觸面磨損趨于嚴(yán)重，基底銅暴露在空氣后形成氧化膜，導(dǎo)致接觸電阻增大，而插拔磨損又會(huì)破壞氧化膜，導(dǎo)致接觸電阻減小。由圖10（e）～10（f）可見(jiàn)，隨著機(jī)械插拔次數(shù)的增加，磨損區(qū)域不斷擴(kuò)大，最終所有區(qū)域均出現(xiàn)鍍層破損和基底金屬氧化現(xiàn)象，其中擴(kuò)張區(qū)的磨損最嚴(yán)重。由圖10（f）可見(jiàn)，在階段3中插針表面已呈傾斜面，若插孔存在應(yīng)力松弛與疲勞，可導(dǎo)致插孔的形變量變小，并進(jìn)一步導(dǎo)致插拔力減小。當(dāng)插拔力不足以破壞表面氧化膜時(shí)，接觸電阻持續(xù)增大并發(fā)生永久失效。

3"結(jié)"語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)圓形連接器接觸件進(jìn)行機(jī)械插拔實(shí)驗(yàn)研究了其性能退化過(guò)程與物理失效機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，插針不同區(qū)域的磨損程度差異很大，其中擴(kuò)張區(qū)最嚴(yán)重。基底金屬表面形成氧化膜可導(dǎo)致接觸電阻增大，機(jī)械磨損又可破壞氧化膜使接觸電阻減小。兩種行為的交替作用是接觸電阻發(fā)生波動(dòng)的主要原因。插拔力不足以破壞基底金屬表面氧化膜時(shí)，接觸電阻持續(xù)增大將導(dǎo)致接觸件永久失效。

【參 考 文 獻(xiàn)】

［1］"REN W B， WANG P， FU Y H， et al.Effects of temperature on fretting corrosion behaviors of gold-plated copper alloy electrical contacts［J］.Tribology International，2015，83：1-11.

［2］"REN W B， MENG Y， WANG T Y.Preliminary experimental study on the insertion and withdrawal characteristics of blade and receptacle pair［C］//Proceedings of IEEE 14th Conference on Industrial Electronics and Applications，2019：184-192.

［3］"WANG L， TAN Y， ZHAO Y G， et al.Failure analysis of rectangular electrical connectors for gold-plated jack surface discoloring［C］//Proceedings of 2019 International Conference on Quality，Reliability，Risk，Maintenance，and Safety Engineering，2019：729-735.

［4］"馬杰， 姚靜波， 辛朝軍.環(huán)境溫濕度對(duì)航天電連接器可靠性的影響［J］.機(jī)電元件，2014，34（1）：28-30.

［5］"孟圓， 任萬(wàn)濱.電連接器特性參數(shù)原位分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電器與能效管理技術(shù)，2021（8）：31-35.

［6］"ABDI R E I， BENJEMAA N.Experimental and analytical studies of the connector insertion pgase［J］.IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies，2008，1（4）：751-758.

［7］"HAMMAM T.Friction，wear and electric properties of tin-coated tin bronze for separable electric connectors［C］//Proceedings of 18th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts，1996：321-330.

［8］"MENG Y， REN W B.Inverstigation on failure mechanism of electrical connectors under repetitve mechanical insertion and withdrawal operations［C］∥The 12th International Conference on Prognostics and System Health Management，2021，1207：e012011.

［9］"王騰雨， 任萬(wàn)濱.電連接器接插件插拔模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電工材料，2019，（1）：12-16.

［10］"ESSONE-OBAME H， CRETINON L， COUSIN B， et al.Investigation on friction coefficient evolution for thin-gold layer contacts［C］//Proceedings of 26th International Conference on Electrical Contacts，2012：411-416.

［11］"MENG Y， REN W B， CHAO Z.Investigation on intermittent phenomenon of electrical connectors under repetitive mechanical insertion and withdrawal operations［J］.IEEE Transactions on Components Packing and Manufacturing Technology，2022，12（9）：1533-1541.

［12］"SONG J， YUAN H M， KOCH C.Accelerated testing of electromechanical connectors considering thermal and mechanical loads［C］//Proceedings of 29th International Conference on Electrical Contacts and 64th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts，2018：467-474.

［13］"孟圓.電連接器插拔與電接觸行為的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2021.

收稿日期： 20231222