銅合金特性對汽車連接器端子品質(zhì)的影響

毛建偉，王文玲，陳 磊，陳 瑋，王振中，王明亮

（河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030）

近年來，隨著中國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，很大程度上推動了包括汽車連接器在內(nèi)的汽車零部件的發(fā)展。汽車連接器是在電子系統(tǒng)中擔(dān)負著電能傳輸、信號控制和傳遞任務(wù)的重要基礎(chǔ)元件之一［1］，它主要由插接件（端子）、絕緣體、外殼及附件組成，端子是實現(xiàn)連接器內(nèi)部電接觸功能的核心部件［2］。連接器端子所用原材料主要是銅合金，銅合金種類繁多，其品質(zhì)及性能指標也參差不齊。連接器端子的材料好壞關(guān)系到連接器的品質(zhì)和可靠性穩(wěn)定與否，連接器端子的材料不但要從其力學(xué)性能、熱力學(xué)性能、電性能和電化學(xué)腐蝕等性能考慮，而且還要從材料的可加工性和成本方面考慮。

連接器端子的品質(zhì)檢驗項目主要包括外觀和尺寸、機械性能、電氣性能和環(huán)境性能等［3］。本文從原材料（銅合金）特性的角度出發(fā)，探討原材料特性對連接器端子品質(zhì)的影響及改善對策。為連接器端子材料的選擇以及提升汽車連接器端子產(chǎn)品品質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 銅合金特性對端子外觀和尺寸的影響

合格的外觀和尺寸是保障連接器端子性能的基本條件。絕大部分的端子在沖壓成型過程中都是以彎曲為主的變形方式。在彎曲成型過程中，端子主要存在材料彎曲回彈造成的尺寸超差問題、折彎開裂的外觀問題等。

1.1 銅合金彎曲特性對端子折彎開裂的影響

折彎開裂對于連接器端子來說是致命的品質(zhì)問題，給企業(yè)和客戶造成不同程度的損失。銅合金在沖壓折彎過程中，受到一個彎曲力矩的作用，相當于中性軸的彎曲凹面受到壓縮變形，而中性軸的彎曲凸面受到拉伸變形。當凸面受到拉伸變形超過材料所能承受的變形極限時導(dǎo)致開裂。

銅合金材料具有優(yōu)良的彎曲特性，一定程度上避免了端子產(chǎn)品的開裂問題。影響銅合金彎曲特性的因素主要有以下幾方面：①銅合金的機械性能：針對同一種材料，其機械強度越高，塑性越差，彎曲特性就越差。②銅合金板帶材彎曲方向：平行于軋制方向的彎曲特性優(yōu)于垂直于軋制方向。這是因為在軋制過程中，晶粒是沿著軋制方向被拉長而形成纖維組織，而垂直于軋制方向上存在很多晶界，從而導(dǎo)致了材料的各向異性。③端子彎曲角、彎曲半徑和材料厚度：端子的彎曲角度越小，彎曲半徑越小，銅合金板帶材厚度越大，板帶材中性軸的彎曲凸面受到拉伸變形越大，越易開裂［4］。④在端子沖壓生產(chǎn)過程中，為了使折彎成型更容易，在銅合金板帶材的相應(yīng)位置沖壓一道預(yù)壓痕，使材料纖維組織發(fā)生織構(gòu)變化而導(dǎo)致形變硬化，材料的彎曲特性變差。

1.2 銅合金彎曲回彈對端子尺寸的影響

銅合金在彎曲成型過程中，由于板帶材的內(nèi)外層由拉應(yīng)力過渡到壓應(yīng)力的彈性變形區(qū)的存在，彎曲卸載之后板帶材必然會造成回彈。銅合金的回彈特性造成了端子外形尺寸超差的品質(zhì)缺陷，嚴重時將會影響到后續(xù)的連接器裝配精度。

影響銅合金彎曲回彈特性的因素主要有以下幾方面：①銅合金的機械性能：銅合金彎曲回彈量與材料的屈服強度成正比，與彈性模量成反比［5］。這是因為銅合金屈服強度越大，在一定的彎曲變形程度下，材料變形區(qū)應(yīng)力越大，彈性變形區(qū)越大，回彈值越大。而銅合金彈性模量越大，在一定的彎曲變形程度下，材料的彈性變形區(qū)越小，回彈值越小。②相對彎曲半徑（R/t）和彎曲角：銅合金在彎曲成型時，相對彎曲半徑和彎曲角越小時，卸載后回彈值越小，因為在一定的彎曲變形程度下，塑性變形區(qū)大，彈性變形占總變形的比例小，回彈值越小。

2 銅合金特性對端子插拔力的影響

端子插拔力是公端與母端相互配合時插入和拔出所需要的摩擦力，其是連接器機械性能中重要的一部分，端子插拔力過小，則端子易于松脫，導(dǎo)致電接觸不穩(wěn)定或失效；插拔力過大，造成裝配困難。根據(jù)公端與母端相互配合時的受力情況以及現(xiàn)有端子彈性結(jié)構(gòu)，將端子彈性結(jié)構(gòu)簡化為懸臂梁模型，如圖1所示。

圖1 端子彈性結(jié)構(gòu)簡化圖

根據(jù)懸臂梁理論和摩擦力理論，可得公端與母端第1次配合時的插拔力公式［6］

式中：μ——摩擦系數(shù)；F——端子的正壓力；d——端子彈性結(jié)構(gòu)位移量；W——端子彈性結(jié)構(gòu)的寬度；L——端子彈性結(jié)構(gòu)的長度；E——材料的彈性模量；t——材料的厚度。

由上述公式可知，連接器端子插拔力的大小與端子材料的厚度、彈性模量、摩擦系數(shù)、彈性結(jié)構(gòu)的寬度和位移量成正比，與彈性結(jié)構(gòu)的懸臂長度成反比。當產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，可以通過改變端子材料的參數(shù)（彈性模量、表面粗糙度、鍍層材料及厚度）來調(diào)整插拔力的大小。

在汽車行業(yè)標準QC/T 1067.1—2017中，不僅對端子第1次插入力和拔出力有規(guī)定，而且對端子經(jīng)過多次插拔循環(huán)后的插拔力也有相應(yīng)的要求［7］。在端子檢驗時會出現(xiàn)端子經(jīng)過多次插拔循環(huán)后的插拔力驟然下降的現(xiàn)象，這是因為公端與母端配合時，母端的彈性結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的應(yīng)變而產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力，當端子彈性結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力超過銅合金材料的屈服強度，端子彈性結(jié)構(gòu)進入塑性變形階段，所以經(jīng)過多次插拔循環(huán)后，彈性結(jié)構(gòu)回彈量小，此時彈性結(jié)構(gòu)的位移量變小，導(dǎo)致端子經(jīng)過多次插拔循環(huán)后插拔力小。當產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，可以通過提升端子材料的屈服強度，使端子彈性結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力低于材料的屈服強度，避免端子彈性結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形，保證端子經(jīng)過多次插拔循環(huán)后的插拔力。

3 銅合金特性對端子電氣性能的影響

接觸電阻是汽車連接器端子的主要電氣性能，接觸電阻主要由導(dǎo)體電阻Rp、膜層電阻Rf和集中電阻Rc組成，它直接影響汽車各電器設(shè)備的信號傳輸和電氣連接的穩(wěn)定性和可靠性［8-9］。

導(dǎo)體電阻主要取決于端子使用的銅合金材料本身的導(dǎo)電性能。不同的端子銅合金材料，其導(dǎo)電性不同，目前端子產(chǎn)品常用的銅合金材料導(dǎo)電性由小到大順序為：錫磷青銅（QSn6.5-0.1等）、黃銅（H70、H65等）、高導(dǎo)電銅合金（Cu-Ni-Si系列合金等）。

膜層電阻是由于接觸表面膜層及其他污染物所引起的電阻，膜層電阻受鍍層的材料及厚度、材料表面的清潔度和材料氧化情況等因素影響。

集中電阻是電流通過端子實際接觸面時，由于電流線收縮或集中而顯示出來的電阻。公端和母端相互配合接觸后，接觸表面的粗糙度使得實際的接觸面積是多個微觀接觸點面積之和，接觸面積越大，集中電阻越小。端子正壓力和接觸面的粗糙度直接影響接觸面積。在保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不變和端子插拔力合格的情況下，可以通過增大端子材料的彈性模量、降低材料的表面粗糙度來增大端子接觸面積，從而減小集中電阻。

4 銅合金特性對端子環(huán)境性能的影響

汽車連接器端子的環(huán)境性能主要包括耐溫性能和耐腐蝕性能等。

連接器端子遍布汽車的各個部位，每個部位的工作環(huán)境溫度不盡相同，端子長時間在高溫條件下工作，不可避免地會出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象。應(yīng)力松弛是指材料在一定的溫度環(huán)境中維持恒定的變形，隨著時間的延長，初始彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危蛊鋺?yīng)力減小。由于端子材料的應(yīng)力松弛而使端子接觸正壓力逐漸減小，接觸電阻增大，溫度升高，而溫度升高加劇材料的應(yīng)力松弛，從而造成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致端子接觸失效。因此，在連接器選材時，需要根據(jù)端子的實際工作環(huán)境溫度來選擇抗應(yīng)力松弛特性優(yōu)異的銅合金材料。

端子產(chǎn)品為了適應(yīng)嚴苛的工作環(huán)境，防止基體銅合金氧化或腐蝕，絕大部分端子需要經(jīng)過表面處理，最常用的端子表面處理是鍍錫。端子的耐腐蝕性能是由鍍層厚度、打底層材料等因素決定。鍍錫層越厚，抗腐蝕性能越強。端子材料在鍍錫之前需要在基體材料上先電鍍打底層（銅或鎳），鎳打底層有效地阻止了銅元素向鍍層表面的擴散，提升了抗腐蝕性能，但是鎳打底的鍍層成本較高。

5 結(jié)束語

通過原材料（銅合金）特性對連接器端子品質(zhì)影響的探討，我們得知性能合格的端子產(chǎn)品要求原材料（銅合金）必須具備優(yōu)良的特性。表1為連接器端子材料的選擇以及提升汽車連接器端子產(chǎn)品品質(zhì)提供了理論依據(jù)。

表1 端子性能與原材料（銅合金）特性的對應(yīng)關(guān)系

［1］ 王奇，楊建璽，苑靜.淺析影響汽車連接器端子導(dǎo)電性能的因素［J］. 汽車電器，2015（4）：49-50.

［2］ 楊三軍，李楠楠，張震華. 汽車電線束中端子的應(yīng)用和解析［J］. 汽車電器，2010 （2）：21-26.

［3］ 王文玲，王武軍，王榮喜，等.車用電線束插接器常見質(zhì)量問題及解決方案［J］.汽車零部件，2013（6）：34-36.

［4］ 張永寬. 板料彎曲中彎裂、回彈、偏移的質(zhì)量分析［J］.科技與企業(yè)，2012（21）：254.

［5］ 王洪芬，王瀟，關(guān)曉東. 板料彎曲回彈分析與控制［J］.吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2013， 29（9）：84-86.

［6］ 王武軍. 車用電線束插接器端子正向力探討［J］.汽車電器，2012 （12）：36-37.

［7］ QC/T 1067.1—2017，汽車電線束和電氣設(shè)備用連接器 第1部分：定義、試驗方法和一般性能要求［S］.

［8］ 王榮喜，王武軍.淺析車用電線束插接器接觸電阻的測試［J］.汽車電器，2013 （4）：56-57.

［9］ 王武軍，王文玲.淺析汽車用插接器端子接觸電阻［J］.汽車零部件，2012（4）：50-52.