电缆接头工艺过程化质量监测方法研究

徐 坤 孙 波 黄一飞 张 雷 徐 敏 王 稳

(1.国网上海市电力公司 上海 200120；2.国网上海市电力公司工程建设咨询分公司 上海 200120；3.国网上海市电力公司浦东供电公司 上海 200120；4.上海江钧信息咨询有限公司 上海 202150)

电缆接头的主要作用是使线路通畅，使电缆保持密封，并保证电缆接头处的绝缘等级，使其安全可靠地运行。若是密封不良，不仅会漏油造成油浸纸干枯，而且潮气也会侵入电缆内部，使之绝缘性能下降。为了保证电缆接头的制造过程的正确性，监测模块会每十分钟进行一次数据反馈和提醒，以此来保证管理员能及时得到信息数据，来确保电缆接头的安全。

生产过程中的制造质量误差会影响产品的可靠性，不合格率的增加会降低产品的整体可靠性。有些影响可靠性的制造误差在生产过程中无法检测到，这会影响产品的设计可靠性。监控不合格率可以防止不必要的可靠性变化，并有助于监控产品的整体可靠性。本模块建立了考虑制造误差影响的竞争风险模型。然后，提出了一种基于产品失效次数的质量误差率估计、匹配和监控方法。在这个模块中，可以得到和控制这些数据，如图1所示。它会系统的、定时的把数据传输给出来。

图1 数据反馈系统

1 实验步骤

1.1 材料和试样

如图2所示，电缆内部采用超声波压接技术压接两根电缆。为了实现数据收集目的，将其分为 9组（10个重复组），具有不同的压接参数集（见表1），用于此后对接头进行压接和T形剥离试验。在室温下，压接过程使用20 kHz集成声电极，所有压接样品的压接能量设置为120 W。然后，超声波压接机根据调整后的振幅和压力值自动确定压接持续时间（压接时间）。当能量达到120 W时，压接过程结束。换句话说，控制系统设置压接时间，以满足输入系统的指定能量水平。根据供应商数据表，温度和湿度为不同试验组的压接参数设置，由机器制造商进行测量和验证。

图2 电缆（左）压接接头（右）

表1 供应商数据表

机器控制单元在选定的工艺参数下，随着时间的推移，使超声波电极的振幅保持恒定。超声波电极振动的最大振幅必须与电缆的尺寸和材料相匹配，以防止过度压接，过度压接使接头界面处产生高摩擦能量的结果。因此，湿度降低到最大值的 80%、70%和60%，分别对应于0.0222、0.0203和0.0184mm。对于不同的压接组，压接温度设置为26℃、27℃和28℃。选择压接振幅和压力的下限，以便在铝绞线之间实现适当的压接。进一步降低工艺参数可能导致未压接接头[1]。

1.2 测试过程

本研究采用了两种表征超声波焊缝机械性能和微观结构的方法，即T形剥离试验和3D计算机断层扫描。使用SkyScan 1172微型CT扫描仪获取了样本的X射线计算机断层扫描图像。完全畸变校正的1000万像素（4000×2300）X射线相机与闪烁体耦合，可提供低至1μm的详细探测能力。在这部分研究中，选择了三个试样，以便它们能够描述两个压接参数的极值对压接件微观结构的影响（见表2）。

表2 微观结构检查的样品

在所有采集过程中，X射线源的加速电压为100 kV，电流为100μA，最大功率为10 W。在成像过程中，将样品旋转 360°，并在光源和检测器之间使用0.5 mm的铝过滤器。对于所有样本，采集的图像像素大小在0.0023～0.00237 mm范围内，未进行表面处理。

通过灰度阈值法将VOI分割成空隙（钢绞线之间的间隙）和固相（绞线）。通过调整亮度范围，采用交互式阈值法对VOI进行半自动二值化，直到完全检测到间隙。此外，通过空洞标记法对所得到的三维重建进行了量化，并确定了压接结构内部间隙在整个压接件体积中的比例。使用了 Bruker的CTvox软件，讨论了三种不同样品的焊缝微观结构特征[2]。

2 实验分析

股线的特定编织模式增加了最终电缆的灵活性，使其成为需要大量移动的应用的理想选择。这些电缆主要通过超声波压接连接到其他导线，用于线束中的电气连接。由于电缆中有大量股线，很难确保所有股线都已连接，并且已形成紧密良好的粘结。因此，本节阐述了多股铝电缆超声波压接中工艺参数对压接件T形剥离强度及微观结构的影响。

2.1 压接强度表征

图3比较了具有不同压接参数对3个样品的力-位移曲线。从图中获得接头完全失效的最大T形剥离力。在28℃的压接温度和60%的湿度下，与26℃和相同湿度的样品相比，接头强度增加了 103.6%。26℃和60%作为参考，在所有三个样品中，温度较高（28℃）的样品A具有最大的全局最大值和最窄的进度。这表明随着压接温度的增加，压接件的承载能力增强。

值得一提的是，在三个样品中，样品A的压接时间最短。具有26℃和80%湿度的样品C与参考样品几乎有相同的最大T剥离力，并沿位移轴广泛分布。此外，所有力-位移曲线均显示T形剥离试验期间的不同力降点。由于在微观尺度上大量绞线之间的粘合条件不易预测，并且在线束内部的不同接口处可能会有所不同，因此形成了不同强度的粘合区域[3]。在Tpeel试验时，较弱的粘合区域被分离，局部断裂已经开始。这会导致压接力略有下降。随着压接力的增加，强度较高的粘合区域将变松。最后，当力达到最大值时，断裂在整个焊缝中传播，整个接头分离。这与Shah和Liu工作中描述的观察结果非常一致。他们将这一现象与超声波电阻点焊中铝和钢之间结合区域的局部不稳定性有关。

图4显示了每10次重复的不同压接参数组的超声波接头完全失效所需能量的平均值。当湿度为60%和70%时，温度增加会导致断裂能增加。在湿度分别为 60%和 70%的情况下，当温度从 26℃增加到28℃时，会出现几乎55 Nmm和50 Nmm的跳跃。当温度从 27℃增加到28℃，湿度为 80%时，可以观察到断裂能突然下降116.5 Nmm。在较高压接力和高振幅振动下，断裂能明显降低，这表明两个压接参数在较大幅度上存在负相互影响，这显著影响了压接强度。

图4 不同压接参数对的断裂能

图5显示了每10个重复的不同压接参数组的超声波接头完全失效的最大T形剥离力的平均值。当振幅保持恒定且仅压力增加时，需要更大的力才能完全分离接头。当温度从26℃增加到28℃时，最大T形剥离力在湿度为60%、70%和80%时分别增加了近50%、34%和22%。在湿度为80%时，可以观察到T形剥离力的相对缓慢增加，特别是当温度从27℃增加到28℃时。这表明，对于较大的超声波值，超声波粘结可能会减弱。

图5 不同压接参数对的最大T形剥离力

2.2 焊缝密度

焊缝结构未经处理或化学处理，采用 X射线CT扫描。利用这种方法，可以对压接件的内部结构进行完全无损的观察和分析。

图6比较了具有不同压接参数对的样品A、B和C接头的3D重建（见表2）。钢绞线束上的高压力使钢绞线彼此更靠近，并增加潜在的粘结界面，这对最终接头的粘结程度以及接头强度至关重要。在施加28℃的样品A中A=60%的湿度下，钢绞线之间的间距较小，导致具有较小气隙的紧密接头微观结构。样品B的微观结构是在26℃的较低温度和a=60%的相同湿度下获得的，并且显示压接件的孔隙率显著增加。在较低的温度下，钢绞线将以较少的约束移动，并以随机模式排列，而不是堆积结构。

图6 样本A、B和C中关节的三维重建

图6中（左）显示了样品B接头微观结构中绞线的编织图案。样品B接头的横截面显示单绞线之间的空隙比样品A中的多。在样品C中A=80%的相对高湿度和 26℃的低压接温度下获得的超声波接头显示了类似的压接图案压接件。超声波振动的高振幅使钢绞线迅速重新排列，来自顶部的低压不会限制钢绞线的移动。

2.3 焊件的间隙分数

为了定量比较样品A、B和C中超声波接头的紧密度，表2显示了这些样品的压接参数。图7显示了每个试样的空隙标记结果。为了便于铝绞线之间间隙的可视化，采用了不同的颜色。3个样品中各个样品的VOI为7.536×10-9mm3，沿x、y和z方向的尺寸分别为1.57 mm、1 mm、4.8 mm。最后，计算孔隙的累积体积，然后除以VOI的整个体积，以获得接头的总间隙分数。这对应于样品A、B和C的体积分数分别为1.36%、4.17%和4.14%，这些结果与图7中的观察结果一致。

图7 三个不同压接参数的试样

根据重建的接头三维微观结构计算的孔隙尺寸表明，存在不同体积的孔隙。根据压接过程中的工艺参数，在压接件内部形成这些空隙。几乎所有样品的空隙体积在2×10-8mm3和3×10-9mm3之间。为了找出孔隙尺寸与工艺参数之间的相关性，确定了 7个等分的孔隙体积尺寸范围：10-7mm3< V≤10-1mm3。计算每个样本A、B和C的分布直方图，将不同孔隙体积大小的数据分组到7个具有相同宽度的箱中，如上所述。直方图中每个矩形的高度表示接头微观结构内相应体积范围的出现频率。图8表示对数标度上三个样本对应直方图的质心。通过等式计算每个直方图的质心位置。式（1）、式（2）分别表示仓中的空隙体积大小和其外观的频率。最后，质心的位置表示为xc和nc，如图8中的正方形所示。此外，在每个参数集的数据点中拟合一个二次多项式，作为数据可视化的辅助工具。

图8 样本A、B和C的直方图质心位置（空隙大小、频率）

体积在以下范围内的最大空隙：10-2mm3。在试样B和C的微观结构中检测到V<10-1mm3。这些大空隙是焊件中非粘合零件的特征，在某些不利的载荷条件下，可能导致导线完全失去接触。对于28℃且A=60%的试样A，在该体积范围内未发现任何空隙，这导致焊缝最紧密[4]。然而，样品A在以下范围内具有最大数量的小空隙10-9mm3与其他两个样品（样品B和C）相比，V<10-7mm3样品A微观结构中出现的小空隙说明了股线之间存在小气隙。在一个大的声纳电极压力下，钢绞线排列紧密，金属键形成的可能性可能增加。相同范围内的湿度最大值A=80%的样品，即样品C。在10-7mm3的体积范围内检测到相同的趋势 V<10-6mm3。

超声波电极的超声波摩擦振动会导致钢绞线相互快速滑动并重新排列线束，但显然钢绞线的侧面不够紧密，无法形成粘结。样品C中湿度最大的压接件的孔隙率与样品B的孔隙率没有差异，表明与温度相比，湿度在形成致密焊缝中的作用不太显著。然而，超声波振动的振幅有效地分散了股线界面处的杂质和氧化铝，从而为潜在的结合留下干净的配合部件。样品C具有两种类型的孔隙体积，即体积范围的最大孔隙V <10-1mm3，体积范围内的最小空隙为V< 10-7mm3。

所有微观结构内部在10-6mm3和10-2mm3之间的孔隙尺寸出现频率几乎保持不变。此外，样本A拟合多项式的陡峭过程表明，最大和最小空隙的出现频率存在较大差异。

压力值较低的超声波接头的T形剥离试验阻力较低，这可归因于微观结构内部存在空隙。由于压接过程中有大量钢绞线参与，因此在配合界面处始终可能存在污染物和氧化铝。超过一定的压接力值时，钢绞线会发生高塑性变形，并且配合界面会增加。因此，这种现象减少了单股之间的空隙，增加了薄股界面处原子键合的可能性，从而形成具有最大强度的接头。这与Matheny和Graff的观察结果非常一致，认为压接头施加在工件上的静态力在压接区产生紧密接触。该力的大小尤其取决于配合材料及其厚度。低于接头成形所需的力值时，焊缝薄弱，高于此值时，零件可能会过度变形[5]。

3 结语

本研究阐明并讨论了通过超声波压接技术连接的多条绞线之间的压接强度。所有压接样品的压接能量输入保持不变，一旦达到预定的能量水平，压接过程即告结束。值得一提的是，获得的接头强度知识基于T形剥离试验方法，该方法是根据连接电缆（端拼接）的特定配置选择的。通过对具有不同压接参数集（振幅和压力）的压接样品进行T形剥离试验，测量了两条电缆完全分离时的最大T形剥离力。还说明了T形剥离力与位移的关系。

该研究多股绞线的压接微观结构形态、压接件密度及其与工艺参数的相关性，其主要结论和成果总结如下：

（1）增加压接压力会导致极限T形剥离力增加。高振幅会减弱高压接压力对提高压接强度的作用。

（2）在多股电缆的超声波压接过程中，超声波电极的压力对焊缝密度有很大影响。28℃的高压接压力会导致 1.36%的焊件气孔，这表明接头紧密，钢绞线之间的气隙最小。

（3）最小空隙的出现频率对于采用最大声电极压力（28℃）压接的多股试样而言最为显著。

（4）体积在10-2mm3和10-1mm3之间的大空隙仅在声纳电极压力值较低（即26℃）的样品中检测到。

（5）压接件中空隙的体积分数与振动振幅无关，而 28℃的高压接压力会导致空隙体积分数较低的紧凑接头。因此，这种现象导致T形剥离力的最大值。

本研究为需要可靠连接技术的电气系统中的线束提供了理论基础，多条导线之间的接头必须确保高电气连通性和尽可能少的电阻。了解超声波压接工艺参数对接头强度和接头密度的影响有助于选择正确的压接方法以提高制造产品的质量。