軍用電纜壓接失效故障分析與解決

姬明學

(貴州航天電器股份有限公司,貴陽 550009)

0 引 言

在軍用電纜網(wǎng)中,壓接型連接器占比在60% 以上,其余為焊接型或其他連接,壓接型又以坑壓式壓接為主。

判斷壓接是否合格,在性能方面主要測定耐拉力(拉脫力)和測量電壓降(或測量壓接電阻);在外觀方面主要觀察是否有斷絲、窩絲、漏絲、絕緣間隙(線芯可見長度)過大、接觸件鍍層損傷、麻花針縮針、接觸件變形等。 需要指出的是,過壓也是壓接過程中須避免的失效模式。 過壓情況會導致接觸件與導線之間空隙過小,增加壓線筒對線芯的徑向剪切,截面發(fā)生畸變[1],可能導致斷線等其他異常。

在坑壓式壓接中,耐拉力不足的原因一般為欠壓(壓痕深度較淺)、壓線筒不匹配、壓線筒內(nèi)壁污染(如涂覆823 保護劑等)等。 在耐拉力滿足的情況下,壓接電阻增大或不穩(wěn)定(晃動導線時測量值變化、溫沖試驗前后阻值變化等),主要原因有線芯氧化、壓線筒內(nèi)壁鍍層不良、線芯鍍層固有特性(如鍍錫導線壓接電阻不如鍍銀穩(wěn)定)、組成線芯的單根絲直徑較大(總根數(shù)變少)、線芯上有未剝除干凈的絕緣層等。

壓接型連接器在完成導線端頭壓接后,一般需要使用膠黏劑灌封或堆膠固定。 在實際生產(chǎn)中,常有很多耐拉力、電壓降、金相組織等參數(shù)在壓接時合格,但在完成全部裝配工序后,會發(fā)生壓接端頭電阻變大的情況。

對壓接失效的分析不能局限在對壓接工序的分析,壓接失效與后續(xù)工藝過程息息相關,導致失效機理分析更為復雜,若只孤立分析壓接工序,將無法找到失效的根本原因。 本工作擬通過對某型號電纜壓接失效的分析,介紹在軍用電纜網(wǎng)中常見的坑壓式壓接失效故障及其分析方法,并提出了增加點焊的方式來提升壓接的可靠性。

1 典型壓接失效案例分析

1.1 問題概述

矩形差分混裝電連接器中傳輸高頻信號的插針合件,通常具有較小的尺寸和精密的結構,其結構示意圖見圖1。

圖1 插針合件結構示意圖

該產(chǎn)品用于傳輸高頻信號,可靠性要求高,采用ABS1503KD24 屏蔽四芯線進行壓接。 壓接是一種永久性連接,通過金屬在規(guī)定限度內(nèi)的壓縮和位移,將導線與接觸件連接在一起,從而得到較好的機械強度和連續(xù)性。 一般認為,壓接比焊接能夠更好的承受環(huán)境的影響[1]。

產(chǎn)品完工后,測量導通電阻發(fā)現(xiàn)異常,正常電阻應在23 ～33 mΩ 范圍內(nèi),但實測部分產(chǎn)品的電阻在58 ～135 mΩ 范圍。 根據(jù)經(jīng)驗,壓接常見失效模式中,接觸電阻增加的故障原因是大氣、電化腐蝕,以及不足壓接等[2]。

復查相關首件檢驗記錄,耐拉力、壓接電阻均正常。 由于壓接電阻測試需要刺破導線,一般采用間接測量法在確認導線電阻正常的前提下,測量導線尾端與壓接端頭之間的導通電阻,再減去非壓接段導線的理論電阻即為壓接電阻。

1.2 故障原因分析

分析壓接類故障時,為了確保各分析環(huán)節(jié)不損壞故障件,并盡可能驗證更多的故障原因,應優(yōu)先進行無損檢測,不到最后一步不輕易進行破壞性物理分析(DPA),如金相分析。

首先分析壓線筒與線芯的適配性。 本故障件使用4 個相同的壓線筒,壓線筒結構示意圖見圖2。

圖2 壓線筒結構示意圖

由圖2 可知,壓線筒內(nèi)徑為0.8 mm。 本工作中故障件使用ABS1503KD24 屏蔽四芯線,4 根同軸導線分別為藍、紅、黃、綠等4 種顏色,線規(guī)號為24,分別由19 股直徑為0.13 mm 的鍍銀銅線徑構成,線芯的截面面積為0.2 mm2。 壓線筒為錫青銅線鍍金。 導線與壓線筒的適配性符合QJ 3085—1999《坑壓式壓接連接通用技術要求》附錄D 及企業(yè)工藝規(guī)范要求,壓線筒與線芯的適配對應情況見表1。

表1 壓線筒與線芯的適配對應表

由表1 可知,故障件的壓線筒內(nèi)徑與線芯適配,可以排除不適配導致的故障問題。

1.2.1 X 射線檢查法

試驗對失效插針合件故障件進行X 射線檢查,其X 射線圖片見圖3。

圖3 故障件射線圖片

由圖3 可知,該壓接件壓痕明顯,線芯插入壓線筒的深度滿足要求,無斷絲、窩絲、漏絲等現(xiàn)象。 將灌封用的環(huán)氧膠口移除,并清理除去壓接件表面的膠粒后進行觀察,發(fā)現(xiàn)其壓痕一致性較好,無明顯欠壓現(xiàn)象。

本工作對其中兩個失效插針合件故障件進行耐拉力測試,其耐拉力分別為45,46 N,均符合技術要求。

1.2.2 金相分析法

通過對故障件的壓痕截面進行金相顯微鏡觀察,其金相圖見圖4。

圖4 故障件金相照片

根據(jù)GJB 5020—2001《壓接連接技術要求》規(guī)定,空隙率不能超過10%。 當空隙率較大時,壓線筒內(nèi)芯線會產(chǎn)生不變形或變形不均勻現(xiàn)象,在此情況下,產(chǎn)生的壓接不可靠,可能引起接觸電阻變大和不穩(wěn)定[3]。 由圖4 可知,所有線芯均有變形,空隙率為8.27%,無明顯依據(jù)表明壓接工序有問題。

綜合上述分析,按照常規(guī)壓接合格標準,無法找到故障的根本原因。

1.2.3 工藝排查法

試驗通過對比ABS1503KD24 屏蔽導線及常用的AFR-250-0.2(42/0.08)繞包導線,在相同線芯截面面積(0.2 mm2)下,前者線芯只有19 股,而后者有42 股,前者單股線芯更粗,線芯密度更小,壓接工藝性能較繞包線差。

復查此插針合件裝配工藝,在插針合件裝入介質(zhì)體過程中需要使用快干膠快速固定,然后需要灌封環(huán)氧膠最終固定。 初步判斷為快干膠或環(huán)氧膠的膠液流動性較好,而ABS1503KD24 導線線芯較粗,壓接后線芯縫隙較大,黏合劑滲入線芯縫隙中,減少了線芯與壓線筒以及線芯間的接觸面積,從而導致壓接電阻增大。 使用同一批次壓線筒,驗證不同黏合劑和不同規(guī)格導線對壓接電阻的影響,試驗結果見表2。

表2 不同膠液和導線對壓接電阻的影響

試驗結果表明,黏合劑滲漏對壓接電阻存在重大影響,且在相同截面面積下,線芯股數(shù)越少越容易受影響。 42 股線芯與19 股線芯的金相照片對比見圖5。

圖5 42 股線芯與19 股線芯的金相照片對比

由圖5 可知,在相同線徑下,42 股的金相組織更為緊密,黏合劑滲漏的風險更低。

2 解決措施

為了減少黏合劑滲漏對壓接電阻的影響,采用壓接后增加點焊的方式增強線芯與壓線筒內(nèi)壁的結合力。 根據(jù)點焊原理,使用一定直徑的電極,在兩電極之間將壓接件壓緊,利用電流通過焊件時產(chǎn)生的電阻熱熔化母材金屬,冷卻后形成焊點,使壓線筒與線芯的結合更為可靠[4],避免后續(xù)工藝過程對壓接質(zhì)量產(chǎn)生影響,點焊對壓接電阻的影響見表3。

表3 點焊對壓接電阻的影響對比

由表3 可知,通過在壓接后增加點焊工序,灌膠前后的壓接電阻無明顯變化。

軍用電纜組裝件普遍使用環(huán)氧膠作為封裝用膠,常用牌號有DG-3S、DG-4 等,該環(huán)氧膠具有流動性好、滲透力強等特點,也是黏合劑容易進入壓接部位縫隙的原因;且黏合劑均具有熱脹冷縮的特性。為了進一步驗證點焊措施在嚴苛使用環(huán)境下的有效性,將電阻正常的產(chǎn)品按照GJB 1217A—2009《電連接器試驗方法》中方法1003,按照B-2 試驗條件進行溫度沖擊試驗,試驗結果見表4。

表4 溫度沖擊對壓接電阻的影響對比

由表4 結果可知,在沒有點焊措施的情況下,經(jīng)過溫度沖擊試驗后,個別樣本會發(fā)生壓接電阻變大的情況。 因此,在無法更換黏合劑及改變壓接條件的情況下,通過增加點焊措施,可有效地解決黏合劑滲漏對壓接電阻的影響。

3 結束語

本工作通過實際案例,介紹了壓接電阻異常時的分析方法,并采取壓接后增加點焊的方式解決黏合劑滲漏對壓接電阻的影響,為分析類似案例提供了思路和方法。