铜合金特性对汽车连接器端子品质的影响

2018-06-07毛建伟王文玲王振中王明亮

汽车电器 2018年5期

毛建伟，王文玲，陈磊，陈玮，王振中，王明亮

（河南天海电器有限公司，河南鹤壁 458030）

近年来，随着中国汽车工业的快速发展，很大程度上推动了包括汽车连接器在内的汽车零部件的发展。汽车连接器是在电子系统中担负着电能传输、信号控制和传递任务的重要基础元件之一［1］，它主要由插接件（端子）、绝缘体、外壳及附件组成，端子是实现连接器内部电接触功能的核心部件［2］。连接器端子所用原材料主要是铜合金，铜合金种类繁多，其品质及性能指标也参差不齐。连接器端子的材料好坏关系到连接器的品质和可靠性稳定与否，连接器端子的材料不但要从其力学性能、热力学性能、电性能和电化学腐蚀等性能考虑，而且还要从材料的可加工性和成本方面考虑。

连接器端子的品质检验项目主要包括外观和尺寸、机械性能、电气性能和环境性能等［3］。本文从原材料（铜合金）特性的角度出发，探讨原材料特性对连接器端子品质的影响及改善对策。为连接器端子材料的选择以及提升汽车连接器端子产品品质提供理论依据。

1 铜合金特性对端子外观和尺寸的影响

合格的外观和尺寸是保障连接器端子性能的基本条件。绝大部分的端子在冲压成型过程中都是以弯曲为主的变形方式。在弯曲成型过程中，端子主要存在材料弯曲回弹造成的尺寸超差问题、折弯开裂的外观问题等。

1.1 铜合金弯曲特性对端子折弯开裂的影响

折弯开裂对于连接器端子来说是致命的品质问题，给企业和客户造成不同程度的损失。铜合金在冲压折弯过程中，受到一个弯曲力矩的作用，相当于中性轴的弯曲凹面受到压缩变形，而中性轴的弯曲凸面受到拉伸变形。当凸面受到拉伸变形超过材料所能承受的变形极限时导致开裂。

铜合金材料具有优良的弯曲特性，一定程度上避免了端子产品的开裂问题。影响铜合金弯曲特性的因素主要有以下几方面：①铜合金的机械性能：针对同一种材料，其机械强度越高，塑性越差，弯曲特性就越差。②铜合金板带材弯曲方向：平行于轧制方向的弯曲特性优于垂直于轧制方向。这是因为在轧制过程中，晶粒是沿着轧制方向被拉长而形成纤维组织，而垂直于轧制方向上存在很多晶界，从而导致了材料的各向异性。③端子弯曲角、弯曲半径和材料厚度：端子的弯曲角度越小，弯曲半径越小，铜合金板带材厚度越大，板带材中性轴的弯曲凸面受到拉伸变形越大，越易开裂［4］。④在端子冲压生产过程中，为了使折弯成型更容易，在铜合金板带材的相应位置冲压一道预压痕，使材料纤维组织发生织构变化而导致形变硬化，材料的弯曲特性变差。

1.2 铜合金弯曲回弹对端子尺寸的影响

铜合金在弯曲成型过程中，由于板带材的内外层由拉应力过渡到压应力的弹性变形区的存在，弯曲卸载之后板带材必然会造成回弹。铜合金的回弹特性造成了端子外形尺寸超差的品质缺陷，严重时将会影响到后续的连接器装配精度。

影响铜合金弯曲回弹特性的因素主要有以下几方面：①铜合金的机械性能：铜合金弯曲回弹量与材料的屈服强度成正比，与弹性模量成反比［5］。这是因为铜合金屈服强度越大，在一定的弯曲变形程度下，材料变形区应力越大，弹性变形区越大，回弹值越大。而铜合金弹性模量越大，在一定的弯曲变形程度下，材料的弹性变形区越小，回弹值越小。②相对弯曲半径（R/t）和弯曲角：铜合金在弯曲成型时，相对弯曲半径和弯曲角越小时，卸载后回弹值越小，因为在一定的弯曲变形程度下，塑性变形区大，弹性变形占总变形的比例小，回弹值越小。

2 铜合金特性对端子插拔力的影响

端子插拔力是公端与母端相互配合时插入和拔出所需要的摩擦力，其是连接器机械性能中重要的一部分，端子插拔力过小，则端子易于松脱，导致电接触不稳定或失效；插拔力过大，造成装配困难。根据公端与母端相互配合时的受力情况以及现有端子弹性结构，将端子弹性结构简化为悬臂梁模型，如图1所示。

图1 端子弹性结构简化图

根据悬臂梁理论和摩擦力理论，可得公端与母端第1次配合时的插拔力公式［6］

式中：μ——摩擦系数；F——端子的正压力；d——端子弹性结构位移量；W——端子弹性结构的宽度；L——端子弹性结构的长度；E——材料的弹性模量；t——材料的厚度。

由上述公式可知，连接器端子插拔力的大小与端子材料的厚度、弹性模量、摩擦系数、弹性结构的宽度和位移量成正比，与弹性结构的悬臂长度成反比。当产品结构设计完成后，可以通过改变端子材料的参数（弹性模量、表面粗糙度、镀层材料及厚度）来调整插拔力的大小。

在汽车行业标准QC/T 1067.1—2017中，不仅对端子第1次插入力和拔出力有规定，而且对端子经过多次插拔循环后的插拔力也有相应的要求［7］。在端子检验时会出现端子经过多次插拔循环后的插拔力骤然下降的现象，这是因为公端与母端配合时，母端的弹性结构发生一定的应变而产生了内应力，当端子弹性结构所受应力超过铜合金材料的屈服强度，端子弹性结构进入塑性变形阶段，所以经过多次插拔循环后，弹性结构回弹量小，此时弹性结构的位移量变小，导致端子经过多次插拔循环后插拔力小。当产品结构设计完成后，可以通过提升端子材料的屈服强度，使端子弹性结构所受应力低于材料的屈服强度，避免端子弹性结构发生塑性变形，保证端子经过多次插拔循环后的插拔力。

3 铜合金特性对端子电气性能的影响

接触电阻是汽车连接器端子的主要电气性能，接触电阻主要由导体电阻Rp、膜层电阻Rf和集中电阻Rc组成，它直接影响汽车各电器设备的信号传输和电气连接的稳定性和可靠性［8-9］。

导体电阻主要取决于端子使用的铜合金材料本身的导电性能。不同的端子铜合金材料，其导电性不同，目前端子产品常用的铜合金材料导电性由小到大顺序为：锡磷青铜（QSn6.5-0.1等）、黄铜（H70、H65等）、高导电铜合金（Cu-Ni-Si系列合金等）。

膜层电阻是由于接触表面膜层及其他污染物所引起的电阻，膜层电阻受镀层的材料及厚度、材料表面的清洁度和材料氧化情况等因素影响。

集中电阻是电流通过端子实际接触面时，由于电流线收缩或集中而显示出来的电阻。公端和母端相互配合接触后，接触表面的粗糙度使得实际的接触面积是多个微观接触点面积之和，接触面积越大，集中电阻越小。端子正压力和接触面的粗糙度直接影响接触面积。在保证产品结构不变和端子插拔力合格的情况下，可以通过增大端子材料的弹性模量、降低材料的表面粗糙度来增大端子接触面积，从而减小集中电阻。

4 铜合金特性对端子环境性能的影响

汽车连接器端子的环境性能主要包括耐温性能和耐腐蚀性能等。

连接器端子遍布汽车的各个部位，每个部位的工作环境温度不尽相同，端子长时间在高温条件下工作，不可避免地会出现应力松弛现象。应力松弛是指材料在一定的温度环境中维持恒定的变形，随着时间的延长，初始弹性变形转变为塑性变形，而使其应力减小。由于端子材料的应力松弛而使端子接触正压力逐渐减小，接触电阻增大，温度升高，而温度升高加剧材料的应力松弛，从而造成恶性循环，最终导致端子接触失效。因此，在连接器选材时，需要根据端子的实际工作环境温度来选择抗应力松弛特性优异的铜合金材料。

端子产品为了适应严苛的工作环境，防止基体铜合金氧化或腐蚀，绝大部分端子需要经过表面处理，最常用的端子表面处理是镀锡。端子的耐腐蚀性能是由镀层厚度、打底层材料等因素决定。镀锡层越厚，抗腐蚀性能越强。端子材料在镀锡之前需要在基体材料上先电镀打底层（铜或镍），镍打底层有效地阻止了铜元素向镀层表面的扩散，提升了抗腐蚀性能，但是镍打底的镀层成本较高。