銅包鋁復合導線高可靠壓接技術研究

裴雨滋，田知靜，葉 宇，曹 瑞，陳雅容

(1.貴州航天電器股份有限公司； 2.航天五院物資部； 3.北京衛星制造廠)

1 引言

隨著航天事業的蓬勃發展，航天器的功能需求日益復雜，其傳輸功率、傳輸信息量以及使用的連接器的規格和種類不斷增加，使得航天器的電纜網體積和重量大大增加，占用了航天器大部分的重量。然而航天器的重量越大，其發射難度和發射成本越高。相同航天器重量的前提下，若電纜網的重量越大，可以攜帶上天的其他儀器設備勢必會受到影響，進而給航天器的型號研制帶來困難，故而對航天器電纜網的輕量化、小型化要求越來越迫切。電纜網輕量化最有效途徑之一是選用輕質的金屬導線材料，銅包鋁復合導線因其不亞于銅芯導線的電性能和機械性能、且具有重量輕的特點，因而被用來替代銅芯導線以達到電纜網減重的目的。本文根據銅包鋁復合導線的性能特點，開展了銅包鋁復合導線電子裝聯技術可靠性研究，經過分析選用壓接方式進行裝聯，通過銅包鋁復合導線與壓接端子的密封壓接，以達到銅包鋁復合導線壓接的高可靠性。

2 銅包鋁復合導線性能特點

銅包鋁復合導線是一種層狀金屬復合材料，銅鋁復合金屬經過拉拔和退火形成的外層是銅，內層為純鋁芯，銅鋁相達到了冶金程度的結合，同時具有雙層繞包絕緣結構，其結構如圖1所示[1]。以AWG 24銅包鋁復合導線為例，其由7根芯線組成，分為內外兩層，內層由1根鍍鎳的銅合金線芯構成，外層由6根鍍鎳的鋁合金線芯構成，且此鋁合金線芯分為兩層，內層為純鋁芯，外層為純銅；在7根芯線的外面繞包聚酰亞胺和聚四氟乙烯雙層絕緣層，如圖2所示。

圖1 銅包鋁復合導線結構示意圖

圖2 銅包鋁復合導線橫截面圖(左)及示意圖(右)

銅包鋁復合導線的銅層體積比一般在5%～15%，使用鋁材料代替銅材料，在相同體積的情況下，銅包鋁復合導線的重量要比銅芯導線輕的多，相同線規的銅包鋁復合導線重量不到銅合金導線的60%。在航天航空方面，重量的減輕能夠極大的降低成本。由于在質量和直徑相同的條件下，銅包鋁復合導線的長度要比銅芯線長得多，因而其散熱效果好。在電纜中使用銅包鋁復合導線作為導體，其溫升低，安全性佳[2]。

銅包鋁復合導線界面大都由鋁組成，鋁及其氧化物的可焊性較差，且焊接時的高溫易使銅包鋁復合導線界面產生金屬間化合物，從而降低其機械性能及電性能。故而為實現銅包鋁復合導線高可靠電子裝聯一般采用壓接的方式進行。銅包鋁復合導線線芯分為純鋁芯和純銅兩部分，由于銅鋁雙金屬之間存在較大的電位差，約為2.04 V，導致該導線接觸外界潮氣等電解質時極易發生電化學腐蝕現象，所以使用銅包鋁復合導線時需采取密封措施防止潮氣進入導體表面。

根據銅包鋁復合導線的性能特點，為實現高可靠電子裝聯，可采用密封壓接的方式，將導線線芯和絕緣皮同時進行壓接，前者與壓接端子形成良好的電接觸，后者形成密封作用，防止銅包鋁復合導線在使用過程中造成氧化和電化學腐蝕，而且能夠增加壓接端的機械強度，增強連接的可靠性。

3 銅包鋁復合導線密封壓接端子設計

為實現銅包鋁復合導線與壓接端子的密封壓接，設計密封型壓接端子，其具有三個顯著特點：

①在接觸件壓接筒內增加一個圓柱體薄壁盲孔結構的壓接環，材料為純銀。一方面可以滿足與導線壓接后形成一個U型的密閉空間，防止外部濕氣的進入；另一方面可以降低壓接端子與導線線芯之間的電位差，增加壓接的可靠性；而且壓接環作為中間層可以起到緩沖壓接端子與復合導線壓接應力的作用；

②在接觸件尾端設計外錐形和內沉槽結構。當接觸件尾端壓接后，其外徑與臨近前端接觸件外徑保持一致，在接觸件內部與絕緣層配合形成了倒錐形結構，從而實現了良好的密封，如圖3所示。但若是尾端內孔保持不變，必然導致錐形體根部壁厚尺寸較厚，壓接后錐形體根部對導線絕緣皮形成過壓接，從而使絕緣層遭受損壞。因此，在此處設計內沉槽，減小錐形體根部壁厚尺寸，避免對絕緣層的過壓；

圖3 銅包鋁復合導線用密封壓接端子結構示意圖(左)和壓接后示意圖(右)

③在接觸件根部附近開制工藝孔。為了同時滿足與銅包鋁復合導線線芯和絕緣皮的雙層壓接，接觸件尾端壓接筒較長，在進行接觸件鍍金過程中為保證接觸件孔底鍍金的均勻性，需在根部附近開制工藝孔，使其內孔處鍍液具有良好的流動性，從而保證接觸件深孔孔底的鍍金層厚度，確保電接觸可靠性。

4 壓接工藝驗證

為實現密封壓接，壓接端子尾端外錐形進行環壓，將銅包鋁復合導線絕緣層壓接包封；壓接端子前端通過坑壓將導線線芯、壓接環及接觸件壓接筒壓接起來。本文采用專用壓接工具對AWG 24銅包鋁復合導線與密封型壓接端子進行壓接，壓接導線長度為(200±10)mm，工具的前端能夠實現導線線芯、壓接環及壓接筒的四坑八點壓接，工具的后端能夠實現導線絕緣皮與壓接端子尾端的絕緣密封六方形壓接，如圖4所示。對壓接樣品進行金相分析、壓接電阻、抗拉力試驗，金相分析如圖5所示，試驗數據如表1和表2所示。

圖4 銅包鋁復合導線壓接后實物圖

圖5 壓接樣品橫截面金相分析圖

表1 第一組樣品試驗數據表

表2 第二組樣品試驗數據表

試驗樣品編號壓接電阻(mΩ)溫度沖擊后壓接電阻(mΩ)潮濕后壓接電阻(mΩ)鹽霧后壓接電阻(mΩ)測試電流3A測試電流5A測試電流3A測試電流5A測試電流3A測試電流5A測試電流3A測試電流5A2-7#31.8032.8130.5831.5829.1931.0334.0732.012-8#32.5632.6631.3532.7034.0435.2236.3637.422-9#30.7932.4430.5631.8529.5730.9328.3529.502-10#30.6532.3130.3332.0630.0131.7028.6930.37

從圖5可以看出，導線絕緣皮與壓接端子尾端的壓接為六方壓接，其橫截面為六邊形，絕緣皮與壓接端子之間壓接緊密，沒有縫隙，能夠有效防止外部濕氣的進入。

從表1可以看出，壓接端子的壓接電阻和抗拉力均有良好的一致性，測試電流為5A時的壓接電阻要大于測試電流為3A時的壓接電阻。從表2可以看出，溫度沖擊前后壓接電阻變化不大；潮濕后的壓接電阻比初始值略有降低；鹽霧后的壓接電阻比初始值有所下降。由此可見，在經過一系列試驗項目后，接觸件的壓接電阻比較穩定，一致性良好。對試驗樣品的導線段電阻進行測量，測試電流3A時為29.79 mΩ，測試電流5A時為30.90 mΩ，則接觸件不包含導線的壓接電阻為1.30 mΩ(測試電流為3A時)和1.87 mΩ(測試電流為5A時)，滿足使用要求。

5 結論

電纜網的輕量化是未來3～5年發展的趨勢，在航天航空方面對于電纜網的輕量化要求，銅包鋁復合導線具有明顯優勢和應用前景。本文設計了銅包鋁復合導線壓接用密封型壓接端子，通過復合導線與壓接端子前端的四坑八點壓接、與壓接端子后端的密封六方形壓接，能夠實現銅包鋁復合導線的高可靠壓接裝聯，為后續輕量化元器件的研制提供了技術基礎。