分享：銅管折彎軟連線端子異常磨損原因

鐵路行業(yè)機(jī)車的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，故其安全性尤為重要。銅管接線端子在機(jī)車上廣泛使用，尤其是機(jī)車主電路均采用銅管接線端子壓接的方式與設(shè)備連接[1]。在電氣連接工藝技術(shù)中，焊接時需要助焊劑、焊料等輔料，且電烙鐵的溫度達(dá)到350 ℃以上，被焊件容易發(fā)生氧化。繞接僅適用于小線連接，適用范圍較窄，而壓接解決了以上問題，通過設(shè)備提供的壓力擠壓端子與導(dǎo)線，金屬間會發(fā)生塑性變形，即可形成穩(wěn)定的機(jī)械、電氣連接[2]。軟連線起導(dǎo)流的作用，兩端壓接有用于固定軟連線的端子，端子由規(guī)格為14.5 mm×2.2 mm（外徑×壁厚）的銅管（牌號為T2）壓折彎曲而成，軟連線兩端分別壓接有0°和45°端子，成型后端子表面進(jìn)行了鍍錫防護(hù)處理。0°端子與接線板連接（固定端），45°端子與鋁托架平面連接（活動端）。接線端子長期裸露在室外自然環(huán)境中，受風(fēng)雨、振動、引線重力等因素的影響，其對導(dǎo)電性能、力學(xué)性能和抗腐蝕性能的要求均較高[3]。 

呂中賓等[4]研究發(fā)現(xiàn)安裝施工時，引線的偏移量越大，接線端子所受的應(yīng)力越大。鄭準(zhǔn)備等[5]研究發(fā)現(xiàn)接線端子的抗腐蝕性能因鍍層的材料和厚度不同有較大差異。HE等[6]研究發(fā)現(xiàn)隨著剛度的增大，接線端子的地震響應(yīng)逐漸降低。然而，在服役過程中，接線端子外抱箍表面開裂的問題仍沒有完全解決。何喜梅等[7]研究了壓接高度對端子壓接質(zhì)量的影響。葉中飛等[8]研究了壓接對稱度對壓接點(diǎn)應(yīng)力的影響。聶顯鵬等[9]研究發(fā)現(xiàn)輪軌振動帶來的沖擊越大，接線端子受到的應(yīng)力越大，對接地端子的疲勞壽命影響越大。受運(yùn)行環(huán)境、加工和裝配工藝等因素的影響，接線端子在服役過程中易出現(xiàn)接觸面氧化臟污、通流能力不足、連接結(jié)構(gòu)失效等問題[10]。李舜堯[11]研究了銅端子與鋁導(dǎo)線之間的超聲波焊接連接。王延濤[12]研究了線束連接器端子和多芯導(dǎo)線的冷壓接與焊接連接的連接方式不同的影響。張善霞等[13]利用電刷鍍工藝對接線端子表面缺陷進(jìn)行修復(fù)，研究修復(fù)后接線端子的電氣性能和耐腐蝕性。軟連線端子異常磨損發(fā)生于鋁托架連接的45°端子圓角部位（活動端）。端子角度為45°是最優(yōu)選的，可以防止軟連線隨鋁托架活動時對端子產(chǎn)生拉拽現(xiàn)象，確保設(shè)備工作時軟連線不與其他設(shè)備相互干涉。隨著城市軌道交通領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，地鐵列車的服役里程逐漸延長，而其外部運(yùn)行環(huán)境及線路條件也隨之發(fā)生變化，轉(zhuǎn)向架承載部件斷裂故障不斷發(fā)生，且呈日趨增多的趨勢[14-17]。 

筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法分析了端子異常磨損的原因，提出了優(yōu)化改進(jìn)措施，解決了端子疲勞壽命過短的問題，為鐵路行業(yè)城軌車輛用銅管冷壓接線端子的制造加工檢查提供了參考，對銅管冷壓接線端子的制造具有重大意義。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

將端子拆卸后，端子異常線狀痕跡區(qū)域表面宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：異常線狀痕跡區(qū)域存在寬度約為5 mm的劃痕，劃痕位于端子折彎處。 

圖  1  端子異常線狀痕跡區(qū)域表面宏觀形貌

將端子異常線狀痕跡區(qū)域縱向剖切，再橫向打開，用乙醇溶液超聲清洗斷口，觀察橫向斷口的宏觀形貌，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：端子異常線狀痕跡區(qū)域存在長度約為8 mm、最大深度約為1 mm的斷口區(qū)，斷口顏色較暗，可見疲勞特征；非異常線狀痕跡區(qū)域人工斷口呈金屬光澤的銅黃色。 

圖  2  端子線狀痕跡區(qū)域橫向斷口宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀對端子的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：端子的化學(xué)成分符合GB/T 5231—2012《加工銅及銅合金牌號和化學(xué)成分》的要求。 

1.3   金相檢驗(yàn)

在端子裂紋源處截取并制備金相試樣，將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：線狀缺陷斷口裂紋源處顯微組織為α-Cu組織，晶粒度為6級，裂紋源處端子表面不平滑，存在一處深度約為10 μm的圓鈍小凹坑，存在壓痕。 

圖  3  端子異常線狀痕跡區(qū)域的顯微組織形貌

1.4   掃描電鏡（SEM）和能譜分析

采用掃描電鏡對線狀缺陷橫向斷口的微觀形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：線狀痕跡區(qū)域斷口長度約為802 μm，深度約為675 μm，由斷口放射狀和臺階條紋聚斂方向判斷，裂紋源位于與導(dǎo)體接觸的端子表面，裂紋源斷口及其附近區(qū)域以少量沿晶和疲勞輝紋形貌為主，可見疲勞特征；心部斷口表面平坦，以撕裂韌窩形貌為主。 

圖  4  端子線狀痕跡區(qū)域橫向斷口SEM形貌

對線狀痕跡區(qū)域不同位置進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表2所示。由表2可知：線狀痕跡區(qū)域除了含有Cu元素外，還含有極少量的Al、O等元素，這些元素來源于與端子對接的鋁托架。 

1.5   力學(xué)性能測試

在異常端子遠(yuǎn)離線狀痕跡區(qū)域的部位，沿縱向截取標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》在電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。由表3可知：該異常端子的拉伸性能符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1527—2017《銅及銅合金拉制管》的要求。 

按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》,采用維氏硬度計(jì)在端子線狀痕跡區(qū)域縱剖面上進(jìn)行硬度測試，結(jié)果如表4所示。由表4可知：端子的心部與表面硬度相差不大。 

2.   綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，異常端子的化學(xué)成分、力學(xué)性能、硬度等均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。端子異常磨損區(qū)域表面存在明顯微動磨損線狀痕跡；斷口邊緣磨損嚴(yán)重，裂紋源末端可見疲勞特征，表明端子異常疲勞磨損與表面微動磨損有直接關(guān)系。 

端子是軟連線的安裝端，隨著軟連線發(fā)生相對運(yùn)動，自重振動載荷傳導(dǎo)到端子。軟連線質(zhì)量為0.5 kg，軟連線與端子可以看作一個整體，軟連線受到自重載荷的作用，完全作用于端子上，在不同工況下，軟連線端子垂向加速度如表5所示，加速度方向豎直于端子安裝平面。 

建立異常端子有限元模型及疲勞評估點(diǎn)（見圖5）。端子的載荷工況為無載荷和垂向載荷，即疲勞強(qiáng)度對比僅考慮垂向載荷工況下的最大應(yīng)力即可。異常端子最大主應(yīng)力云圖如圖6所示。由圖6（a）可知，軟連線工況2的最大主應(yīng)力平均值可達(dá)到壓接導(dǎo)線區(qū)域的181倍；由圖6（b）可知，軟連線工況3的最大主應(yīng)力平均值可達(dá)到壓接導(dǎo)線區(qū)域的203倍。端子安裝面區(qū)域的應(yīng)力高于壓接導(dǎo)線區(qū)域，其中安裝面過渡圓角處的應(yīng)力集中嚴(yán)重，易出現(xiàn)微動磨損，表明該處容易發(fā)生異常磨損。 

圖  5  異常端子有限元模型及疲勞評估點(diǎn)

圖  6  異常端子最大主應(yīng)力云圖

在設(shè)備工作過程中，由軟連線規(guī)則運(yùn)動產(chǎn)生的應(yīng)力集中于端子圓角部位，由應(yīng)力集中產(chǎn)生的微動磨損使端子表面萌生微小裂紋。生產(chǎn)過程中端子表面存在機(jī)械劃痕，劃痕處產(chǎn)生疲勞源，最終端子表面形成線狀痕跡，痕跡處形成疲勞源，在軟連線相對運(yùn)動振動載荷的影響下，加劇形成疲勞磨損。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，共振是裂紋產(chǎn)生的主要原因，故從改變系統(tǒng)模態(tài)的方向考慮，設(shè)計(jì)了兩種短懸臂線纜支架[18]。 

端子的工作環(huán)境具有溫差大、腐蝕性強(qiáng)、長期受力等特點(diǎn)，接線端子在經(jīng)受振動和熱應(yīng)力之后，其力學(xué)性能明顯下降，并且更容易受到環(huán)境腐蝕的作用[19]。在壓接緊固的安裝方式下，端子不可避免地會出現(xiàn)微動磨損，因此提高端子表面壓型質(zhì)量、減小折彎部位應(yīng)力成為延長端子使用壽命的關(guān)鍵。 

采用二次壓型模具技術(shù)對端子進(jìn)行表面處理，壓型模具修整前后加工的端子宏觀形貌如圖7所示。由圖7可知：修整后的壓型模具可以保證端子的表面粗糙度和工藝精度優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。端子安裝接口不變，將端子折彎圓角半徑由2 mm改為5 mm，可以減輕折彎部位的應(yīng)力集中程度。 

圖  7  壓型模具修整前后加工的端子宏觀形貌

為研究優(yōu)化改進(jìn)后端子工作時的靜態(tài)應(yīng)力分布，采用solid187單元模擬建立端子有限元模型及疲勞評估點(diǎn)（見圖8）。改進(jìn)后端子最大主應(yīng)力云圖如圖9所示。由圖9可知：改進(jìn)后端子折彎圓角區(qū)域的最大主應(yīng)力大幅減小。端子改進(jìn)前后應(yīng)力平均值如表6所示。另外，端子改進(jìn)前后的疲勞強(qiáng)度大幅提高。 

圖  8  改進(jìn)后端子有限元模型及疲勞評估點(diǎn)

圖  9  改進(jìn)后端子最大主應(yīng)力云圖

縮短冷壓模具的維護(hù)保養(yǎng)周期，將累計(jì)沖壓次數(shù)5萬次變更為2萬次，從而防止模具磨損對端子造成次生傷害。 

3.   結(jié)論

（1）端子表面存在垂向載荷，以及端子折彎圓角處應(yīng)力過度集中是端子發(fā)生微動磨損的主要原因；微動磨損使端子表面萌生微小裂紋，設(shè)備長期在高強(qiáng)度運(yùn)轉(zhuǎn)作用下，裂紋轉(zhuǎn)化為微動疲勞，加上端子表面存在機(jī)械劃痕，劃痕處產(chǎn)生疲勞源，最終端子表面形成線狀痕跡，痕跡處形成疲勞源，在軟連線振動載荷的影響下，加劇形成疲勞磨損。 

（2）采用二次壓型模具技術(shù)對端子進(jìn)行表面處理后，端子表面粗糙度和工藝精度得到提高。減小折彎部位的應(yīng)力集中程度后，改進(jìn)端子折彎圓角區(qū)域的疲勞強(qiáng)度大幅提高。縮短冷壓模具的維護(hù)保養(yǎng)周期可以避免模具磨損對端子造成次生傷害。

文章來源——材料與測試網(wǎng)