1、第 2 期2023 年 4 月机电元件ELECTOMECHANICAL COMPONENTSVol.43 No.2Apr.2023收稿日期:2022 06 12工 艺 与 材 料矩形连接器屏蔽簧片电阻点焊强度工艺改进廖朝顺(贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳，550009)摘要:本文阐述了某系列矩形屏蔽电连接器中内置铍青铜镀镍镀金屏蔽簧片与不锈钢外壳进行电阻点焊后，电连接器在使用过程中焊点频繁出现脱落，即焊点强度不满足电连接器使用要求的情况。通过理论、仿真、金相、应力分析方法分析了簧片点焊不良的原因是屏蔽簧片原设计选择材料因熔点与外壳材料的熔点相差较大，点焊后，铍青铜簧片与不锈钢外壳焊点熔核较
2、小或未形成熔核，两种材料相互渗透量较少或未渗透，焊点最小拉脱许用应力 min=13.2N/0.502 mm2=26.3MPa 其理论最大剪应力 15.7 MPa，安全系数=26.3/15.7=1.67 2，不满足脆性材料工作安全系数不小于 2 的要求，采取了改进措施 将电连接器屏蔽簧片材料由铍青铜改为 304 不锈钢，使屏蔽簧片材料的熔点与外壳材料的熔点相近，通过正交点焊参数摸底，确定了相应的电阻点焊参数。通过验证，簧片采用不锈钢材料和相应点焊参数后，屏蔽簧片与不锈钢外壳焊点强度得到较大提高，不锈钢簧片与不锈钢外壳焊点最小拉脱许用应力 min=40.5N/0.502 mm2=80.7MPa 其
3、理论最大剪应力 16.7MPa，安全系数=80.7/16.7=4.8 2，满足脆性材料工作安全系数不小于 2 的要求，杜绝了连接器簧片脱落的问题，同时产品的屏蔽效能也符合规范要求，最终满足了电连接器的使用要求。关键词:连接器;簧片;电阻点焊Doi:10 3969/j issn 1000 6133 2023 02 009中图分类号:TP391.9文献标识码:A文章编号:1000 6133(2023)02 0039 081引言电磁屏蔽是利用屏蔽体阻止或衰减电磁骚扰能量的传输，是电磁场领域抑制电磁干扰的重要方法。其屏蔽有两个目的:一是防止内部辐射的电磁能量及电磁波泄漏;二是阻止外来电磁辐射及电磁波干
4、扰进入1。电磁屏蔽效能表示屏蔽体对电磁干扰的阻止能力及防御效果。某系列带屏蔽簧片的矩形屏蔽电连接器，是我公司为满足某总体设计单位的电磁屏蔽特定需求而研制，电连接器插头与插座对接后，可有效地屏蔽外部干扰，实现内部通讯信号高效传输。该系列屏蔽电连接器具备品种规格齐全、结构紧凑、体积小、可靠性高、抗干扰能力强等特点，是当今国内先进的矩形连接器之一。该系列连接器起屏蔽功能的核心部件即屏蔽体是屏蔽簧片。2014 年，设计采用铍青铜材料的屏蔽簧片与不锈钢外壳电阻点焊方式，实现簧片在外壳中的固定。设计过程中更多考虑了电连接器继承性和屏蔽效能的达成与提升，由于设计认识不全面、工艺验证不充分，对铍青铜屏蔽簧片与
5、不锈钢外壳电阻点焊的强度未进行充分的理论分析和实践验证，导致焊点强度不满足电连接器使用要求，强度不足会出现簧片脱落，簧片脱落会连接器的对接性和屏蔽性能，严重时簧片脱落后会被插头顶坏，卷缩到连接器内腔，导致连接器无法对接使用，从而造成用户武器系统无法使用的风险。经统计，采用铍青铜屏蔽簧片与不锈钢外壳电阻点焊方式生产的该系列电连接器，2014 年至 2017 年改进前，外部反馈屏蔽簧片焊点脱落现象的质量问题高达 15 次，给公司声誉带来了较大影响。因此，屏蔽簧片焊点脱落点焊强度不足的问题亟待解决，下面需要对簧片焊点脱落点焊强度不足的原因从理论、仿真、金相、应力等方面进行分析，找出根本原因，制订相应
6、改进措施并经充分验证，提升屏蔽簧片与外壳连接的可靠性，同时还要满足连接器的电磁屏蔽效能要求。2电连接器结构2 1电连接器组成连接器由插头和插座组成，其中带有屏蔽簧片的是插座，插座电连接器结构如图 2 1 所示，主要由不锈钢外壳、铍青铜屏蔽簧片、插孔、基座和胶粘剂组成。屏蔽簧片置于在外壳对接端内腔，通过电阻点焊与外壳固定。图 2 1插座电连接器结构图2 2簧片固定方式电连接器屏蔽簧片的固定方式为:下端靠基座与外壳缝隙压靠，上端采用电阻点焊将屏蔽簧片与外壳点焊在一起，周圈均布(如图 22)。图 2 2簧片嵌装的三维示意图2 3屏蔽簧片工作原理无屏蔽簧片的电连接器，插头与插座对接后，外壳之间存在间隙
7、，不能保证需要的电连续性。电连接器对接互连时通过屏蔽簧片保证插头与插座外壳之间形成低阻抗通路，实现了需要的屏蔽效能指标要求。插头对接进入插座后，插头外壳对接端挤压屏蔽簧片凸起部分，屏蔽簧片产生压缩，屏蔽簧片受压后向下伸展。通过计算，屏蔽簧片底端与外壳台阶的距离最小为 0 3mm，受到压缩后的最大伸展长度为 0 21mm，压缩变形后有足够的伸展空间不会顶住外壳底部台阶，电连接器设计结构不会影响电连接器正常对接使用(如图 2 3)。使电连接器形成可靠的多点电接触，保证了电连接器壳体间的良好的电连续性，进而达成屏蔽效能目标。图 2 3电连接器对接结构示意图3簧片脱落分析3 1簧片与外壳焊点脱落的过程
8、由于电连接器屏蔽簧片与外壳贴合的形状靠模具成型，由于材料为铍青铜，弹性较好，受原材料弹性和模具技术的限制，簧片制作成型后，与外壳内腔形状存在一定的差异，在自然状态下，簧片与外壳不能完全贴合，因此，屏蔽簧片与外壳进行点焊前，采用定位夹具将簧片定位在外壳中(如图 3 1)，使之簧片与外壳基本贴合，带着定位夹具进行点焊(如图 32，将簧片固定在外壳上，点焊完成后，取下定位夹具，簧片受弹力或定位差异的影响，可能会出现轻微的翘曲、变形等缺陷(如图33)。因此，在电连接器对接时，插头外壳可能会偏斜顶到翘曲、变形的簧片或挤压簧片，在对接力的作用下，由于焊点强度较低，焊点被拉脱(如图34)。图 3 1簧片定位
9、示意图04机 电 元 件2023 年图 3 2簧片点焊示意图图 3 3簧片与外壳内壁未贴平示意图图 3 4电连接器对接后被拉脱示意图3 2焊点脱落原因分析32 1点焊质量不良电阻点焊是将焊件装配成搭接接头，并压紧在两柱状电极之间，利用电阻热熔化母材金属，形成焊点的电阻焊方法。点焊时产生的热量由下式决定:Q=I2t式中，Q 产生的热量(J);I2 焊接电流(A)的平方;电极间电阻()(=1+2+3);t 焊接时间(S)。该电连接器中铍青铜屏蔽簧片与不锈钢外壳采用电阻点焊，点焊时通过的电流、电阻、时间基本相同，即在簧片与外壳上点焊产生热量相同，而外壳材料采用316L 不锈钢其熔点为 1370 13
10、98，铍青铜屏蔽簧片的熔点为 870 950，电阻点焊时，在电极压力作用下，瞬间极大的电流通过簧片和外壳(点焊原理如图 3 5)，熔点低的铍青铜先熔化，在点焊压力的作用下，熔化的铍青铜与不锈钢形成较小的熔核或未形成熔核，只是熔化的铜粘连在不锈钢外壳上。图 3 5簧片与外壳点焊原理示意图按照不同材料和不同厚度的点焊原则2，在通常条件下，点焊时熔核不以贴合面为对称，而向厚板或导电、导热性差的焊件中偏移，其结果使其在贴合面上的尺寸小于该熔核直径。同时，也使其在薄件或导电、导热性较好的焊件中焊透率小于规定数值，这均使焊点承载能力下降。采用常规的电阻点焊方式将铍青铜簧片与不锈钢外壳点焊在一起，按照金相标
11、准3 对焊点切片的金相分析如图 3 6、图 37 所示。观察点焊金相图片，屏蔽簧片和外壳在点焊处固定在一起，两种基体的渗透量少，即熔核较小，导致簧片与外壳点焊后的焊点强度较小，在电连接器对接使用时，插头作用在簧片上的力大于其焊点强度承受的力，焊点被拉脱落。图 3 6铍青铜簧片、不锈钢外壳点焊后 1#焊点金相示意图 3 7铍青铜簧片、不锈钢外壳点焊后 2#焊点金相示意3 2 2铍青铜簧片焊点最小拉脱许用应力的安全系数不满足要求14第 2 期廖朝顺:矩形连接器屏蔽簧片电阻点焊强度工艺改进32 2 1单个簧片受力仿真分析针对电连接器对接时，插头正常插合状态下，作用到单个簧片丝上的力，利用仿真分析模拟
12、正常插合时焊点受力。簧片整体为对称结构，采用单个簧片丝分析即可。边界条件设定如图38，固定屏蔽簧片上端底面，如图中A 所示，给簧片下端底面加载无摩擦约束使其只能在平面内运动，给对接端底面加载轴向位移模拟插拔的压缩过程，如图中 C 所示，0S 1S 下压，1S 2S 撤离。图 3 8边界条件设定屏蔽簧片固定端受力曲线如图 3 9 所示，最大剪切力为 1 22N。图 3 9焊点受力曲线(铍青铜簧片)32 2 2簧片焊点剪切力分析以单个簧片固定端根部受力，分析簧片焊点受力，以 66 芯电连接器为例进行计算分析。其中 66 芯屏蔽簧片展长为 103 28mm，每 0 8mm 含有一个凸筋，则共有 10
13、3 28/0 8129 片;66 芯电连接器周圈焊点约 20点。则可得出:簧片每个焊点剪切力为:129 122N/20=7 9N。32 2 3簧片焊点剪切应力分析1)应力分析依据从簧片与外壳点焊部位形状及受力分析可知，点焊部位受到的力为剪切力。采用的铍青铜簧片材料为硬态，其延伸率为 10=2 5%5%，属脆性材料4。电连接器头座对接锁紧后，簧片焊点处于恒定受力状态，属于静载荷。查材料力学4，材料要安全工作，材料工作时受到的拉应力 应小于材料的许用拉应力:=0 2 n=0 280 2(脆性材料，安全系数 n取 2 3 5，一般取大值 3 5)受到剪应力 应小于许用剪应力:=0 6 0 8=0 7
14、=0 20 2(0 6 08 一般取中间值 0 7)。2)铍青铜簧片焊点剪切应力分析查材料标准，铍青铜硬态的 0 2=1100 MPa，则其许用剪应力:=0 20 2=220 MPa查技术文件，簧片焊点直径 d=0 8mm，焊点的受力面积:S=d2/4=0502mm2;焊点受到的剪切应力=F/S=7 9N/0 502 mm2=15 7 MPa ，即焊点受到剪切应力满足小于材料许用应力的要求。3 2 2 4拉脱力试验将铍青铜材料屏蔽簧片与不锈钢外壳点焊后，对焊点进行拉脱力试验，焊点拉脱力的测试数据见表31。表 3 1焊点拉脱测试数据(簧片材料为铍青铜)编号拉脱力(N)编号拉脱力(N)1#14 6
15、11#13 42#13 412#17 13#13 213#13 44#15 614#17 25#14 515#15 56#14 116#18 37#13 217#19 68#14 618#16 29#18 519#19 210#15 920#17 5从表 3 1 拉脱力数据，可以看出:簧片材料为铍青铜时，单个焊点拉脱力(即为剪切力)最小 Fmin 为 132N(编号#7)，最大 Fmax 为 196N(编号 17#)。3 2 2 5铍青铜簧片焊点最小拉脱许用应力安全系数的计算铍青铜簧片焊点最小拉脱许用应力 min=Fmin/S=13 2N/0 502 mm2=263MPa 其理论最大剪应力=1
16、5 7 MPa，安全系数 n=min/=263/157=167。3 2 2 6分析总结根据上述金相分析以及相关试验验证，可以得出以下结论:1)铍青铜簧片(材料熔点为 870 950)与不锈钢外壳(材料熔点为 1370 1398)因其二者材料熔点温度相差较大，进行电阻点焊时产生熔核较小，24机 电 元 件2023 年电连接器使用时对簧片的拉扯力大于焊点承受力，导致簧片脱落;2)铍青铜簧片焊点最小拉脱力为 13 2N 其理论最大剪切力 7 9N，理论上满足设计要求;但其焊点最小拉脱许用应力 min=26 3MPa 的安全系数 n=167，不满足脆性材料工作安全系数不小于 2 的要求。4改进方案的确定及验证分析4 1改进方案的确定41 1改进必要性铍青铜屏蔽簧片与不锈钢外壳进行电阻点焊时，由于两材料的熔点相差较大，在电极压力作用下，瞬间极电流通过簧片和外壳时，在相同的热量下，铍青铜熔化，不锈钢外壳未完全熔化，所以形成的熔核较小或未形成熔核，即簧片与外壳点焊后的焊点强度较小，在电连接器对接使用时，插头作用在簧片上的力大于其焊点强度承受的力，导致焊点被拉脱落。在保证电连接器结构和状态不变的情况，
