扁平連接器線束故障原因分析

肖銀河，張 明，曾志衛(wèi)，鄧番林

（1.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南株洲，412001；2.深圳市美信咨詢有限公司，廣東深圳，518108）

1 引言

用戶反饋地鐵SVG模塊用扁平連接器線束（3M雙絞扁平線諾凌扁平線插頭）存在接觸不良的現(xiàn)象，共9很故障品，故障發(fā)生在交付調(diào)試階段，從出廠到用戶現(xiàn)場(chǎng)存放1年左右，存放地點(diǎn)為烏魯木齊。

2 理化檢驗(yàn)與分析

2.1 電測(cè)試驗(yàn)

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)返回的7根線束進(jìn)行通電測(cè)試，使用萬用表電阻檔測(cè)量扁平線束兩端對(duì)應(yīng)管腳接觸情況，通斷測(cè)試接觸不良記錄見下表1，7根線束都有故障。每根線束有20根導(dǎo)體，共140根，其中通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)41根不通電，通電測(cè)試發(fā)現(xiàn)接觸不良的點(diǎn)位都是奇數(shù)位。

表1 故障線束電測(cè)結(jié)果

2.2 X－Ray分析

對(duì)故障品線束進(jìn)行X－Ray分析，發(fā)現(xiàn)接觸不良的線束連接器的接觸片疑似斷裂以及裂紋，如圖1箭頭所示。接觸片中存在裂紋將引起電阻異常增大，而斷裂將導(dǎo)致電路中形成斷路，由此可知，接觸片故障原因可能為連接器中的接觸片存在異常導(dǎo)致。

圖1 故障線束X－Ray觀察圖

2.3 低倍觀察

對(duì)接觸片進(jìn)行低倍觀察，如圖2所示。奇數(shù)位接觸片表面存在較多腐蝕痕跡，局部接觸件折彎處可見裂縫以及完全斷裂。偶數(shù)位基本無腐蝕痕跡，但部分接觸片在折彎處表面有微裂紋。

圖2 奇數(shù)位和偶數(shù)位接觸片典型外觀圖片

2.4 表面分析

對(duì)4＃故障線束奇數(shù)位接觸片進(jìn)行微觀形貌觀察，如圖3所示。斷裂接觸片表面可見明顯腐蝕形貌，局部腐蝕較密集嚴(yán)重（圖3a）。圖3（b）為斷裂故障接觸片中斷口微觀形貌，斷面粗糙，局部可見腐蝕產(chǎn)物堆積，微觀形貌呈纖維狀，存在沿晶形貌特征；圖3c與圖3d為故障接觸片斷口中未腐蝕基材與腐蝕處腐蝕物EDS能譜圖，由圖可知，接觸片基材為Cu－Zn合金，腐蝕物含較高的O元素，并含有酸性腐蝕性元素S，結(jié)果見表2。腐蝕物中Zn元素含量原高于Cu，可能為基體發(fā)生脫鋅腐蝕使其在表面富集導(dǎo)致。

表2 成分分析結(jié)果（W t.%）

圖3 接觸片微觀形貌觀察

2.5 金相分析

對(duì)斷裂接觸片用酒精超聲波清洗后進(jìn)行鑲嵌研磨拋光腐蝕；接觸片組織為α相＋β相，斷口處截面金相組織經(jīng)腐蝕后可見斷口處存在脫鋅現(xiàn)象，EDS可知邊緣腐蝕處Zn含量較低。

表3 金相組織成分分析結(jié)果

2.6 酸霧模擬試驗(yàn)

為驗(yàn)證奇數(shù)位和偶數(shù)位腐蝕狀態(tài)差異，對(duì)未腐蝕接觸片進(jìn)行加載電壓的酸霧試驗(yàn)。偶數(shù)位接地，奇數(shù)位＋15VDC，酸霧濃度設(shè)置為1‰H2SO4，試驗(yàn)溫度49℃，時(shí)間100h。試驗(yàn)后接觸片表面形貌結(jié)果如圖4所示，奇數(shù)位接觸片表面可見明顯腐蝕，偶數(shù)位未見明顯異常，與失效現(xiàn)象高度一致。

圖4 接觸片斷口金相顯微組織

圖5 酸霧測(cè)試后接觸片形貌

3 分析與討論

連接器線束出現(xiàn)故障，其失效主要表現(xiàn)為電阻增大以及斷路異常。拆解后微觀觀察可見線束接觸片存在斷裂以及裂紋，斷裂導(dǎo)致線束斷路異常，裂紋導(dǎo)致電阻增大，與失效現(xiàn)象表現(xiàn)一致。失效接觸片低倍觀察發(fā)現(xiàn)表面存在較多腐蝕痕跡，且腐蝕均在奇數(shù)位，而偶數(shù)位基本無明顯腐蝕痕跡，表明腐蝕出現(xiàn)數(shù)位上規(guī)律性與電路中電流方向具有較高的相關(guān)性。斷裂接觸片斷口可見沿晶形貌，表面具有較多腐蝕物，具有應(yīng)力腐蝕開裂特征。

接觸片基材為黃銅，其具有良好力學(xué)性能、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能以及耐蝕性能［1］，黃銅的Zn含量與應(yīng)力腐蝕敏感性密切相關(guān)，當(dāng)Zn含量小于15% 時(shí)，應(yīng)力腐蝕敏感度較低；但大于15%時(shí)，其脫鋅腐蝕與應(yīng)力腐蝕的敏感度較高［2－3］；接觸片表面腐蝕物中Zn含量較高而Cu含量較少，表明斷面發(fā)生的脫鋅腐蝕，而Cu并未溶解。脫鋅腐蝕以優(yōu)先溶解機(jī)制為主進(jìn)行反應(yīng)，即脫鋅首先在高Zn相開始，當(dāng)周圍高Zn相及晶界脫鋅完成后，剩余的低Zn相將繼續(xù)脫鋅，留下疏松多孔的Cu［3～4］，這將降低接觸片的強(qiáng)度。

黃銅的應(yīng)力腐蝕開裂往往是和脫鋅腐蝕聯(lián)系在一起的，當(dāng)黃銅構(gòu)件存放于特殊的環(huán)境中時(shí)，其腐蝕速率與環(huán)境中的腐蝕性離子存在較大關(guān)系，內(nèi)陸地區(qū)中，最主要的腐蝕性污染物質(zhì)是，烏魯木齊晝夜溫差大，表面易集結(jié)水汽形成凝露、水膜，環(huán)境中的硫化物溶于表面水膜，為后續(xù)的電化學(xué)腐蝕提供了電解液條件。因此在潮濕的腐蝕環(huán)境中，構(gòu)件就較易先發(fā)生脫鋅腐蝕。黃銅接觸片在冷加工后往往在彎折處等位置存在殘余應(yīng)力或者外加拉應(yīng)力，為應(yīng)力腐蝕開裂提供應(yīng)力因素。由低倍觀察可知，未腐蝕的偶數(shù)位接觸篇表面存在明顯裂紋。連接器接觸片為表面鍍鎳黃銅，其表面鍍層微裂紋使黃銅基材裸露，使黃銅與空氣中的水汽、SO2、CO2等接觸形成電解質(zhì)，為應(yīng)力腐蝕提供環(huán)境因素［8］。

由模擬試驗(yàn)可知，奇數(shù)位接觸片表面可見明顯腐蝕，偶數(shù)位未見明顯異常，與失效現(xiàn)象高度一致。奇數(shù)位電子流出，加速了基材組織的氧化反應(yīng)（M→Mn＋＋ne），使腐蝕速度大大加快，而偶數(shù)位電子流入，抑制基材中Zn的溶解，因此連接器中的電子流動(dòng)方向的差異是造成奇數(shù)位偶數(shù)位接觸片腐蝕狀態(tài)差異的直接原因。

4 總結(jié)

（1）連接器線束接觸片斷裂屬于應(yīng)力腐蝕開裂。

（2）連接器中的電子流動(dòng)方向是造成奇數(shù)位偶數(shù)位接觸片腐蝕狀態(tài)差異的直接原因。

（3）接觸片彎折處存在殘余應(yīng)力、環(huán)境中的硫化物及晝夜溫差造成的表面潤(rùn)濕使黃銅應(yīng)力腐蝕開裂是接觸片斷裂造成線束故障的主要原因。鍍鎳黃銅表面微裂紋，使黃銅基材裸露于含硫化物的潮濕環(huán)境中，為應(yīng)力腐蝕提供環(huán)境因素。