铜包铝复合导线高可靠压接技术研究

裴雨滋，田知静，叶 宇，曹 瑞，陈雅容

(1.贵州航天电器股份有限公司； 2.航天五院物资部； 3.北京卫星制造厂)

1 引言

随着航天事业的蓬勃发展，航天器的功能需求日益复杂，其传输功率、传输信息量以及使用的连接器的规格和种类不断增加，使得航天器的电缆网体积和重量大大增加，占用了航天器大部分的重量。然而航天器的重量越大，其发射难度和发射成本越高。相同航天器重量的前提下，若电缆网的重量越大，可以携带上天的其他仪器设备势必会受到影响，进而给航天器的型号研制带来困难，故而对航天器电缆网的轻量化、小型化要求越来越迫切。电缆网轻量化最有效途径之一是选用轻质的金属导线材料，铜包铝复合导线因其不亚于铜芯导线的电性能和机械性能、且具有重量轻的特点，因而被用来替代铜芯导线以达到电缆网减重的目的。本文根据铜包铝复合导线的性能特点，开展了铜包铝复合导线电子装联技术可靠性研究，经过分析选用压接方式进行装联，通过铜包铝复合导线与压接端子的密封压接，以达到铜包铝复合导线压接的高可靠性。

2 铜包铝复合导线性能特点

铜包铝复合导线是一种层状金属复合材料，铜铝复合金属经过拉拔和退火形成的外层是铜，内层为纯铝芯，铜铝相达到了冶金程度的结合，同时具有双层绕包绝缘结构，其结构如图1所示[1]。以AWG 24铜包铝复合导线为例，其由7根芯线组成，分为内外两层，内层由1根镀镍的铜合金线芯构成，外层由6根镀镍的铝合金线芯构成，且此铝合金线芯分为两层，内层为纯铝芯，外层为纯铜；在7根芯线的外面绕包聚酰亚胺和聚四氟乙烯双层绝缘层，如图2所示。

图1 铜包铝复合导线结构示意图

图2 铜包铝复合导线横截面图(左)及示意图(右)

铜包铝复合导线的铜层体积比一般在5%～15%，使用铝材料代替铜材料，在相同体积的情况下，铜包铝复合导线的重量要比铜芯导线轻的多，相同线规的铜包铝复合导线重量不到铜合金导线的60%。在航天航空方面，重量的减轻能够极大的降低成本。由于在质量和直径相同的条件下，铜包铝复合导线的长度要比铜芯线长得多，因而其散热效果好。在电缆中使用铜包铝复合导线作为导体，其温升低，安全性佳[2]。

铜包铝复合导线界面大都由铝组成，铝及其氧化物的可焊性较差，且焊接时的高温易使铜包铝复合导线界面产生金属间化合物，从而降低其机械性能及电性能。故而为实现铜包铝复合导线高可靠电子装联一般采用压接的方式进行。铜包铝复合导线线芯分为纯铝芯和纯铜两部分，由于铜铝双金属之间存在较大的电位差，约为2.04 V，导致该导线接触外界潮气等电解质时极易发生电化学腐蚀现象，所以使用铜包铝复合导线时需采取密封措施防止潮气进入导体表面。

根据铜包铝复合导线的性能特点，为实现高可靠电子装联，可采用密封压接的方式，将导线线芯和绝缘皮同时进行压接，前者与压接端子形成良好的电接触，后者形成密封作用，防止铜包铝复合导线在使用过程中造成氧化和电化学腐蚀，而且能够增加压接端的机械强度，增强连接的可靠性。

3 铜包铝复合导线密封压接端子设计

为实现铜包铝复合导线与压接端子的密封压接，设计密封型压接端子，其具有三个显著特点：

①在接触件压接筒内增加一个圆柱体薄壁盲孔结构的压接环，材料为纯银。一方面可以满足与导线压接后形成一个U型的密闭空间，防止外部湿气的进入；另一方面可以降低压接端子与导线线芯之间的电位差，增加压接的可靠性；而且压接环作为中间层可以起到缓冲压接端子与复合导线压接应力的作用；

②在接触件尾端设计外锥形和内沉槽结构。当接触件尾端压接后，其外径与临近前端接触件外径保持一致，在接触件内部与绝缘层配合形成了倒锥形结构，从而实现了良好的密封，如图3所示。但若是尾端内孔保持不变，必然导致锥形体根部壁厚尺寸较厚，压接后锥形体根部对导线绝缘皮形成过压接，从而使绝缘层遭受损坏。因此，在此处设计内沉槽，减小锥形体根部壁厚尺寸，避免对绝缘层的过压；

图3 铜包铝复合导线用密封压接端子结构示意图(左)和压接后示意图(右)

③在接触件根部附近开制工艺孔。为了同时满足与铜包铝复合导线线芯和绝缘皮的双层压接，接触件尾端压接筒较长，在进行接触件镀金过程中为保证接触件孔底镀金的均匀性，需在根部附近开制工艺孔，使其内孔处镀液具有良好的流动性，从而保证接触件深孔孔底的镀金层厚度，确保电接触可靠性。

4 压接工艺验证

为实现密封压接，压接端子尾端外锥形进行环压，将铜包铝复合导线绝缘层压接包封；压接端子前端通过坑压将导线线芯、压接环及接触件压接筒压接起来。本文采用专用压接工具对AWG 24铜包铝复合导线与密封型压接端子进行压接，压接导线长度为(200±10)mm，工具的前端能够实现导线线芯、压接环及压接筒的四坑八点压接，工具的后端能够实现导线绝缘皮与压接端子尾端的绝缘密封六方形压接，如图4所示。对压接样品进行金相分析、压接电阻、抗拉力试验，金相分析如图5所示，试验数据如表1和表2所示。

图4 铜包铝复合导线压接后实物图

图5 压接样品横截面金相分析图

表1 第一组样品试验数据表

表2 第二组样品试验数据表

试验样品编号压接电阻(mΩ)温度冲击后压接电阻(mΩ)潮湿后压接电阻(mΩ)盐雾后压接电阻(mΩ)测试电流3A测试电流5A测试电流3A测试电流5A测试电流3A测试电流5A测试电流3A测试电流5A2-7#31.8032.8130.5831.5829.1931.0334.0732.012-8#32.5632.6631.3532.7034.0435.2236.3637.422-9#30.7932.4430.5631.8529.5730.9328.3529.502-10#30.6532.3130.3332.0630.0131.7028.6930.37

从图5可以看出，导线绝缘皮与压接端子尾端的压接为六方压接，其横截面为六边形，绝缘皮与压接端子之间压接紧密，没有缝隙，能够有效防止外部湿气的进入。

从表1可以看出，压接端子的压接电阻和抗拉力均有良好的一致性，测试电流为5A时的压接电阻要大于测试电流为3A时的压接电阻。从表2可以看出，温度冲击前后压接电阻变化不大；潮湿后的压接电阻比初始值略有降低；盐雾后的压接电阻比初始值有所下降。由此可见，在经过一系列试验项目后，接触件的压接电阻比较稳定，一致性良好。对试验样品的导线段电阻进行测量，测试电流3A时为29.79 mΩ，测试电流5A时为30.90 mΩ，则接触件不包含导线的压接电阻为1.30 mΩ(测试电流为3A时)和1.87 mΩ(测试电流为5A时)，满足使用要求。

5 结论

电缆网的轻量化是未来3～5年发展的趋势，在航天航空方面对于电缆网的轻量化要求，铜包铝复合导线具有明显优势和应用前景。本文设计了铜包铝复合导线压接用密封型压接端子，通过复合导线与压接端子前端的四坑八点压接、与压接端子后端的密封六方形压接，能够实现铜包铝复合导线的高可靠压接装联，为后续轻量化元器件的研制提供了技术基础。