壓接高度對端子壓接性能的影響

劉小山 李啟明 靳印凱

摘要：通過調整壓接機檔位獲取四種不同壓接高度的端子試樣，研究壓接高度對耐拉力、接觸電阻、接觸溫升的影響，獲得了端子壓接性能與壓接高度的定性關系，同時基于接觸電阻計算模型，采用參數回歸法，得到了接觸電阻、接觸溫升與壓接高度的定量關系式，為指導工程上快速選取壓接高度參數提供了模型參考。

Abstract： The influence of crimped height on the pull out force， contact resistance， terminal temperature rise were investigated by four terminal samples with different crimped height. The qualitative relationship between crimped height and the crimped performance were obtained. Based on the classical computational model of contact resistance， the relation between crimped height and contact resistance was established by parameter fitting method， which provide model reference for quickly crimped height parameter selection on the project.

關鍵詞：壓接高度;耐拉力;接觸電阻;接觸溫升

Key words： crimped height;pull out force;contact resistance;contact temperature rise

中圖分類號：TM247 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0020-03

0 ?引言

壓接工藝有著焊接和繞接無法企及的優勢，其特點是不需要焊料和助焊劑，克服了焊接技術焊件清洗困難和焊接氧化的缺點，同時對環境要求低、易于操作等優點，使其成為一種連接可靠，生產效率高、能適應自動化生產特點的電氣連接技術[1]。隨著電氣產品可靠性的要求愈發嚴格，對壓接原理和影響壓接質量的因素已經有了一定的研究，壓接工藝流程也具備相關的標準。李慧娟等從壓接原理出發，對壓接影響因素，進行了定性的分析，同時規范了端子壓接的工藝流程[2]。文獻[3]研究了影響壓接電性能的因素，以及對影響因素的管控方式，建立了壓接質量控制流程與檢測方法。任國泰在《壓接端接性能及其影響因素》通過實驗樣品，研究了壓接高度和嚙合長度對壓接機械性能和電氣性能的影響[4]。目前關于壓接應用的研究較多，尤其是工藝流程控制與檢測方面，說明端子壓接的規范應用愈發收到重視。但關于壓接理論計算分析以及壓接參數對壓接質量影響的定量分析，還未多見相關的詳細報告。本文基于上述目的設計試驗，并結合電接觸理論，對壓接后的機械性能、電氣性能與壓接高度的關系進行分析，并擬合出壓接高度這一單因素曲線方程式，用于估算壓接高度的最優范圍，進而指導壓接機壓膜的高度調整，具有一定的實際意義。

1 ?實驗方案設計

1.1 試驗目的

本試驗目的是研究壓接高度對端子壓接機械性能和電氣性能的影響，機械性能是指耐拉力，需要進行耐拉力試驗和端子截面金相試驗，參考《GJB_5020-2001_壓接連接技術要求》實施。電氣性能主要是接觸電阻和接觸溫升，需要進行接觸電阻和接觸溫升測試，依據《JB/T 2436.1-1992 導線用銅壓接端頭》進行。由于端子耐拉力和截面分析均為破壞性試驗，為了合理利用樣件，需制作兩組樣件，如表1所示。

壓接機型號為DMC-11851（AF8），導線型號為GKW-LW＼＼0.5，線徑20AWG，單根線徑0.18mm，共19根。端子結構為車制，材料銅合金，表面鍍金0.3μm，壓接區域外徑1.6mm，長度3.4mm。

端子壓接高度的測量采用截面分析儀進行，樣件分別量取后取平均值，端子壓接高度與檔位對應關系如表2所示。

1.2 試驗設備

試驗設備如表3所示。

2 ?試驗結果及分析

2.1 壓接高度h對耐拉力f的影響

圖1所示壓接高度與耐拉力的關系。從圖1可以看出，隨著壓接高度的降低，耐拉力快速增加，曲線斜率較大，壓接高度降低至一定的范圍，耐拉力變化趨于平穩，超出變化范圍后，繼續降低壓接高度，耐拉力顯著降低。對圖示數據進行非線性回歸，得到兩者的定量關系式（1），相關性系數為0.987。

（1）

式（1）導數為零附近，存在最佳的壓接區域，保持耐拉力最優。可見壓接高度的設置，對端子的機械性能有著非常大的影響，要想達到最優的耐拉力，需找到臨界壓接高度，壓接高度設置在臨界值附近范圍內。

圖2所示為壓縮比隨壓接高度變化的對應關系，壓接高度最大為1.50時，壓縮比最大，耐拉力最小，表現為欠壓狀態，從圖3可以看出，截面有很多的空隙，線束截面基本保持圓形，并未達到壓緊變形狀態，耐拉力測試的結果表現為線束從端子壓接區域直接脫出。而壓接高度最小為1.38時，壓縮比最小62.2%，表現為過壓狀態，截面狀態如圖4所示，線束擠滿四個角落，線束在壓接區域形成最小截面積，耐拉力樣品的斷裂位置也是在最小截面處，即壓痕位置斷裂。壓接高度范圍在1.4-1.5之間時，壓縮比控制在80-90%的最優范圍內，截面狀態如圖5所示。

2.2 壓接高度h對接觸電阻Rc的影響

圖6為端子壓接高度與接觸電阻的關系曲線。從圖6可以看出，一定范圍內，壓接高度與接觸電阻呈指數遞減關系，當壓接高度低于一定值后，接觸電阻呈上升趨勢。這一現象說明了，壓接高度過低出現過壓接，可能出現微觀斷股等現象減小壓接截面積，導致壓接電阻增加。

關于接觸電阻的計算國內外學者建立的模型非常多，考慮到眾多的影響因素。但最為經典的計算模型仍屬20世紀30年代，HOLM提出的計算模型，其表達式如下式（2）所示[5]。

（2）

式（2）中：RC為接觸電阻，ρ1、ρ2分別為兩接觸材料的電阻率，即導線和端子的電阻率，α為接觸斑點直徑。該公式雖涉及的因素較少，但至今仍作為指導電接觸設計的經典依據，其中斑點直徑的測量較為復雜，公式（2）多用于理論指導。工程上目前用的較多的計算模型，其表達式如式（3）所示[6]。

（3）

式（3）中，F為接觸壓力，KC、m為經驗常數，與接觸材料、接觸形式、表面狀況等因素有關。必須指出，接觸電阻的計算實際是很復雜的問題，式（3）也有很大的局限性，不能概括各種因素對接觸電阻的影響，尤其的接觸面的氧化對K值的影響很大。同時也未對過壓時時接觸電阻與接觸壓力的關系進行單獨說明，過壓時接觸壓力較大，計算出的接觸電阻會變小，而真實情況由于過壓導致壓接截面積顯著降低，甚至出現線束斷股等現象，實際的接觸電阻是變大的。且由于大多數壓接設備并沒有顯示接觸壓力，實際運用該參數時無法獲取，但端子壓接后的幾何參數易于測量，如壓接高度、壓接寬度測量，則較為簡單直接，而且大部分壓接機都具有較為精確的壓接模具高度調節功能。式（4）描述了接觸區域幾何參數與接觸壓力的的關系，如下所示[7]。

（4）

式中，a為接觸面的幾何半徑，F為接觸壓力，E為材料的彈性模量，μ為材料泊松比，r為兩接觸材料的幾何參數。由式（4）可推斷出，壓接高度的影響因子同樣為接觸壓力F、材料的彈性模量E與泊松比μ、導線與端子的幾何參數r，對于確定的導線與端子，采用式（3）可反推計算出接觸壓力F，再采用參數回歸法得到壓接高度和接觸壓力F的定量關系式，如式（5）所示。

（5）

將式（5）代入關系式（3）中，即可得到基于經典模型的接觸電阻與壓接高度的關系式，如式（6）所示。

（6）

式（6）中，KC、m可由參數回歸得到，實際上m與接觸形式有關的參數，隨著壓接高度的變化，接觸形式由點接觸，線接觸到面接觸過渡，因此參數m是與壓接高度有關的變量，得到參數m與壓接高度的關系曲線，可以用來更精確預測壓接電阻。

2.3 壓接高度h對接觸溫升的影響

圖7所示為壓接高度與接觸溫升的關系。

從圖7可以看出，隨著壓接高度的降低，溫升逐漸降低，當壓接高度低于一定值后，溫升呈上升趨勢，與壓接電阻的變化趨勢保持一致，這是由于溫升的高低與電壓降有關。文獻[8]導出了接觸溫升與接觸材料硬度H、接觸壓力F的關系式（7）。

（7）

式（7）中，λ為材料熱導率，ρ為電阻率，H材料硬度值，均為材料常數。接觸溫升與電流成正的平方關系，與接觸壓力呈反比關系。將公式（5）接觸壓力F與壓接高度f的關系式，代入上式中，可得到包含壓接高度的關系式（8），如下所示。

（8）

式（8）表明，對于確定的導線與端子組合，材料參數為定值，未發生過壓的情況下，接觸溫升隨壓接高度降低而減小。過壓情況發生后，由于材料發生了破壞，限制了計算模型的應用。

3 ?結束語

文中通過壓接端子幾何參數與壓接機械、電氣性能的定量關系研究，基于試驗設計獲取有效數據，采用參數回歸的方法進行處理，得到如下三項結論，為壓接工程應用提供了理論依據與數據支撐。

①耐拉力隨著壓接高度的降低逐漸增加，繼續降低壓接高度，耐拉力維持在一定范圍，隨后發生過壓，耐拉力顯著降低;

②分析接觸電阻、接觸溫升隨壓接高度的變化，建立基于經典計算模型的壓接電阻與壓接高度，壓接溫升與壓接高度的定量關系式。在不發生過壓的情況，可快速估算文中樣品端子的壓接電阻與壓接溫升;

③綜合壓接機械性能與電氣性能的最優體現，文中匹配的線束與端子，壓接高度需控制在1.42-1.45mm之間。

參考文獻：

[1]黃健峰.線束端子壓接工藝的研究與可靠性分析[D].北京：北京郵電大學，2016.

[2]李慧娟，車聰聰.端子壓接工藝探究[J].機電信息，2015（6）：106-107.

[3]徐英.壓接連接工藝技術研究[J].電子工藝技術，2015，26（1）：21-23.

[4]任國泰.端子壓接工藝探究[J].機電元件，2001（6）：18-20.

[5]王萬崗，等.弓網系統靜態接觸電阻特性研究[J].高壓電器，2012，48（1）：30-33.

[6]許軍，等.電接觸的接觸電阻研究[J].電工材料，2011（1）：10-13.

[7]程禮椿，等.接觸電阻模型發展與應用[J].低壓電器，1993（5）：11-15.

[8]吳積欽.受電弓_接觸網系統電接觸特性研究[D].成都：西南交通大學，2009.

作者簡介：劉小山（1985-），男，山東菏澤人，工程師，主要研究方向為變流器產品集成工藝。