坑压式接触件空隙率的研究

(航天科工集团十院3419厂，江苏苏州，215129)

1 引言

在军用线束领域，压接是一道重要工序。压接连接技术是指在常温下，通过压接设备或工具，对装入导线的接触件施加一定压力并保持一段时间，使其产生塑性变形而形成可靠的电气连接，具有优良的机械性能和电气性能。所谓坑压式压接，是指通过压头将连接器的接触件压成坑式窝点的压接法。军用线束上所用的坑压式一般为四面双窝点，如图1所示。

图1 坑压式压接法

在GJB5020-2001《压接连接技术要求》中对压接后接触件的空隙率，只在压接截面金相显微镜检查中有提到一点要求：所有空隙所占面积应小于导线所占空间总面积的10%。

而在我们公司大量的坑压式压接的生产过程中发现，压接的各项指标都是合格，金相解剖空隙率也小于10%，如为8.7%时，如下图2所示。此时连接器的部分接触件孔位在终检测试导通电阻会出现接触电阻超5%的轻微变大现象。为此本文将对这种接触电阻要求严格的产品进行深入研究。

图2 压接金相图

2 接触电阻

导线导体表面、接触件内部表面尽管十分光滑、且都有镀层覆盖，如导线导体表面镀银，连接器接触件表面镀金。都在显微镜下观察接触面都是凹凸不平。此时的接触，并不是整个接触面的接触，而是散布在接触面上的一些点的接触。真正导体与接触件直接接触部分，也被称为导电斑点，是由接触压力破坏界面膜后形成。此部分导电斑点的面积远小于实际接触面积。图3是实际接触的示意图。

图3 实际接触面积示意图

接触件总接触电阻R可由下列公式(1)表示：

R=Rc+Rf+Rm

(1)

式中：Rc——收缩电阻；

Rf——表面膜层电阻；

Rm——导体电阻。

在军用线束产品的实际测量连接器的接触电阻时，都是包含接触件本身电阻和引出导线的导体电阻。接触件和导线导体的电阻主要取决于金属材料本身的导电性能。为便于区分，本文将收缩电阻加上表面膜层电阻称为真实的接触电阻，即接触电阻R=Rc+Rf。

2.1 收缩电阻

当电流通过接触件表面流向导线导体时，从原来截面较大的接触面突然转到截面很小的导电斑点时，电流会发生剧烈收缩现象，也叫集中现象，此时电流路径加长，导电面积减少。此现象所呈现的附加电阻被称为收缩电阻。

图4 接触斑点示意图

收缩电阻有很多数学模型，其中Holm计算模型比较简单。Holm理论主要有四点假设，此时导电斑点为半径α圆形，且单个α斑点足够远，接触表面没有污染层，并且接触的两个金属为相同材料ρ1=ρ2=ρ。

在满足上述条件下，Holm计算公式为：

(2)

式中：RC——收缩电阻，Ω；

ρ——材料电阻率，Ω·m；

α——接触斑点半径，m。

在实际生产的情况下，接触件内表面中，导电斑点应该有n个。我们假设其斑点面积都一样大，这样在电路上是并联的关系，总的收缩电阻将为：

(1)

αi为第i个导电斑点半径；αp为n个斑点半径的平均值。

2.2 表面膜层电阻

电接触表面上，由于种种原因覆盖着一层导电性很差的物质，例如金属氧化物、硫化物、灰尘、污染物或夹在接触面间的油膜、水膜等。一般来说，电接触表面氧化膜居多，而氧化膜多半是半导体，电阻率很高，使得产品接触电阻大大增加，此电阻被称为表面膜层电阻Rf。

此时单个半径为α圆形导电斑点表面膜层电阻计算公式：

式中：U——接触面之间的电压，V；

J——流过膜层的电流密度，A/m2；

σ——膜层电阻率，Ω·m2。

对于具有 n 个导电斑点的接触件，且其平均半径为αp，则总表面膜层电阻：

则接触电阻的计算公式为：

从公式中可以看出，当接触件材料固定时，接触斑点的半径越大，此时的接触电阻越小。即要获得可靠接触，必须保证两金属的充分接触。对接触件的压接电阻而言，可得出压接后，空隙率越小，接触面积越大，接触电阻越小的关系。

3 实验验证

在 GJB5020-2001《压接连接技术要求》对压接深度和导线截面积、耐拉力定义的曲线图如下，即随着压接深度的加大，导线截面积越来越小，导线的耐拉力先逐渐升高到最大值，在压接处拉断后再逐渐减小。但该趋势图没有给出压接过程中导线截面积的具体数值，即压接空隙率的变化趋势图。

为验证空隙率对压接可靠性的影响，我们从较小的压接深度开始试做，每个档位10只产品，5只进行耐拉力试验，5只进行金相显微镜检查。然后再加大压接深度，直至导线的导体从压接处断裂，金相检查的空隙率为零。为此得出耐拉力和空隙率的17组试验结果如下表1所示。

图5 压接过程参数变化

表1 耐拉力和空隙率试验数据表

同时，我们绘制耐拉力值和空隙率的对比曲线图如下图6所示。结果，我们发现，在空隙率10%左右时，耐拉力并不是最大，还处于上升阶段，而空隙率为3%以下时，导线的耐拉力处于平稳的顶峰阶段。

图6 耐拉力和空隙率曲线图

通过我们厂先前的生产经验，空隙率在10%左右时，接触件的电阻值会出现轻微的变大现象。为此我们将空隙率为3%的接触件如图7所示，进行温度冲击试验。实验条件：-55℃～+125℃，单次循环，高、低温保持时间至少为30min，共20次循环。记录温度冲击前后的接触件的电阻值，结果显示所有试验件，在温度冲击后没有出现超过5%电阻变化值的现象。

此次试验证明了，压接空隙率为3%时，接触件的导通电阻值恒定性很好，产品质量得到保证。

图7 空隙率3%的金相图

4 结论

对接触电阻要求严格的产品，我们可以通过适当加大压接深度，使压接空隙率保持在3%左右，这样连接器的接触件将获得可靠的、永久性的接触，从而降低接触电阻变大的风险。通过对压接空隙率的监控，我们公司采用坑压式接触件的产品质量得到了提升，满足了军工客户的要求。