徐 坤 孫 波 黃一飛 張 雷 徐 敏 王 穩(wěn)

(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司 上海 200120；2.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司工程建設(shè)咨詢(xún)分公司 上海 200120；3.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司浦東供電公司 上海 200120；4.上海江鈞信息咨詢(xún)有限公司 上海 202150)

電纜接頭的主要作用是使線路通暢，使電纜保持密封，并保證電纜接頭處的絕緣等級(jí)，使其安全可靠地運(yùn)行。若是密封不良，不僅會(huì)漏油造成油浸紙干枯，而且潮氣也會(huì)侵入電纜內(nèi)部，使之絕緣性能下降。為了保證電纜接頭的制造過(guò)程的正確性，監(jiān)測(cè)模塊會(huì)每十分鐘進(jìn)行一次數(shù)據(jù)反饋和提醒，以此來(lái)保證管理員能及時(shí)得到信息數(shù)據(jù)，來(lái)確保電纜接頭的安全。

生產(chǎn)過(guò)程中的制造質(zhì)量誤差會(huì)影響產(chǎn)品的可靠性，不合格率的增加會(huì)降低產(chǎn)品的整體可靠性。有些影響可靠性的制造誤差在生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)法檢測(cè)到，這會(huì)影響產(chǎn)品的設(shè)計(jì)可靠性。監(jiān)控不合格率可以防止不必要的可靠性變化，并有助于監(jiān)控產(chǎn)品的整體可靠性。本模塊建立了考慮制造誤差影響的競(jìng)爭(zhēng)風(fēng)險(xiǎn)模型。然后，提出了一種基于產(chǎn)品失效次數(shù)的質(zhì)量誤差率估計(jì)、匹配和監(jiān)控方法。在這個(gè)模塊中，可以得到和控制這些數(shù)據(jù)，如圖1所示。它會(huì)系統(tǒng)的、定時(shí)的把數(shù)據(jù)傳輸給出來(lái)。

圖1 數(shù)據(jù)反饋系統(tǒng)

1 實(shí)驗(yàn)步驟

1.1 材料和試樣

如圖2所示，電纜內(nèi)部采用超聲波壓接技術(shù)壓接兩根電纜。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集目的，將其分為 9組（10個(gè)重復(fù)組），具有不同的壓接參數(shù)集（見(jiàn)表1），用于此后對(duì)接頭進(jìn)行壓接和T形剝離試驗(yàn)。在室溫下，壓接過(guò)程使用20 kHz集成聲電極，所有壓接樣品的壓接能量設(shè)置為120 W。然后，超聲波壓接機(jī)根據(jù)調(diào)整后的振幅和壓力值自動(dòng)確定壓接持續(xù)時(shí)間（壓接時(shí)間）。當(dāng)能量達(dá)到120 W時(shí)，壓接過(guò)程結(jié)束。換句話說(shuō)，控制系統(tǒng)設(shè)置壓接時(shí)間，以滿(mǎn)足輸入系統(tǒng)的指定能量水平。根據(jù)供應(yīng)商數(shù)據(jù)表，溫度和濕度為不同試驗(yàn)組的壓接參數(shù)設(shè)置，由機(jī)器制造商進(jìn)行測(cè)量和驗(yàn)證。

圖2 電纜（左）壓接接頭（右）

表1 供應(yīng)商數(shù)據(jù)表

機(jī)器控制單元在選定的工藝參數(shù)下，隨著時(shí)間的推移，使超聲波電極的振幅保持恒定。超聲波電極振動(dòng)的最大振幅必須與電纜的尺寸和材料相匹配，以防止過(guò)度壓接，過(guò)度壓接使接頭界面處產(chǎn)生高摩擦能量的結(jié)果。因此，濕度降低到最大值的 80%、70%和60%，分別對(duì)應(yīng)于0.0222、0.0203和0.0184mm。對(duì)于不同的壓接組，壓接溫度設(shè)置為26℃、27℃和28℃。選擇壓接振幅和壓力的下限，以便在鋁絞線之間實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)膲航?。進(jìn)一步降低工藝參數(shù)可能導(dǎo)致未壓接接頭[1]。

1.2 測(cè)試過(guò)程

本研究采用了兩種表征超聲波焊縫機(jī)械性能和微觀結(jié)構(gòu)的方法，即T形剝離試驗(yàn)和3D計(jì)算機(jī)斷層掃描。使用SkyScan 1172微型CT掃描儀獲取了樣本的X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描圖像。完全畸變校正的1000萬(wàn)像素（4000×2300）X射線相機(jī)與閃爍體耦合，可提供低至1μm的詳細(xì)探測(cè)能力。在這部分研究中，選擇了三個(gè)試樣，以便它們能夠描述兩個(gè)壓接參數(shù)的極值對(duì)壓接件微觀結(jié)構(gòu)的影響（見(jiàn)表2）。

表2 微觀結(jié)構(gòu)檢查的樣品

在所有采集過(guò)程中，X射線源的加速電壓為100 kV，電流為100μA，最大功率為10 W。在成像過(guò)程中，將樣品旋轉(zhuǎn) 360°，并在光源和檢測(cè)器之間使用0.5 mm的鋁過(guò)濾器。對(duì)于所有樣本，采集的圖像像素大小在0.0023～0.00237 mm范圍內(nèi)，未進(jìn)行表面處理。

通過(guò)灰度閾值法將VOI分割成空隙（鋼絞線之間的間隙）和固相（絞線）。通過(guò)調(diào)整亮度范圍，采用交互式閾值法對(duì)VOI進(jìn)行半自動(dòng)二值化，直到完全檢測(cè)到間隙。此外，通過(guò)空洞標(biāo)記法對(duì)所得到的三維重建進(jìn)行了量化，并確定了壓接結(jié)構(gòu)內(nèi)部間隙在整個(gè)壓接件體積中的比例。使用了 Bruker的CTvox軟件，討論了三種不同樣品的焊縫微觀結(jié)構(gòu)特征[2]。

2 實(shí)驗(yàn)分析

股線的特定編織模式增加了最終電纜的靈活性，使其成為需要大量移動(dòng)的應(yīng)用的理想選擇。這些電纜主要通過(guò)超聲波壓接連接到其他導(dǎo)線，用于線束中的電氣連接。由于電纜中有大量股線，很難確保所有股線都已連接，并且已形成緊密良好的粘結(jié)。因此，本節(jié)闡述了多股鋁電纜超聲波壓接中工藝參數(shù)對(duì)壓接件T形剝離強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)的影響。

2.1 壓接強(qiáng)度表征

圖3比較了具有不同壓接參數(shù)對(duì)3個(gè)樣品的力-位移曲線。從圖中獲得接頭完全失效的最大T形剝離力。在28℃的壓接溫度和60%的濕度下，與26℃和相同濕度的樣品相比，接頭強(qiáng)度增加了 103.6%。26℃和60%作為參考，在所有三個(gè)樣品中，溫度較高（28℃）的樣品A具有最大的全局最大值和最窄的進(jìn)度。這表明隨著壓接溫度的增加，壓接件的承載能力增強(qiáng)。

值得一提的是，在三個(gè)樣品中，樣品A的壓接時(shí)間最短。具有26℃和80%濕度的樣品C與參考樣品幾乎有相同的最大T剝離力，并沿位移軸廣泛分布。此外，所有力-位移曲線均顯示T形剝離試驗(yàn)期間的不同力降點(diǎn)。由于在微觀尺度上大量絞線之間的粘合條件不易預(yù)測(cè)，并且在線束內(nèi)部的不同接口處可能會(huì)有所不同，因此形成了不同強(qiáng)度的粘合區(qū)域[3]。在Tpeel試驗(yàn)時(shí)，較弱的粘合區(qū)域被分離，局部斷裂已經(jīng)開(kāi)始。這會(huì)導(dǎo)致壓接力略有下降。隨著壓接力的增加，強(qiáng)度較高的粘合區(qū)域?qū)⒆兯?。最后，?dāng)力達(dá)到最大值時(shí)，斷裂在整個(gè)焊縫中傳播，整個(gè)接頭分離。這與Shah和Liu工作中描述的觀察結(jié)果非常一致。他們將這一現(xiàn)象與超聲波電阻點(diǎn)焊中鋁和鋼之間結(jié)合區(qū)域的局部不穩(wěn)定性有關(guān)。

圖4顯示了每10次重復(fù)的不同壓接參數(shù)組的超聲波接頭完全失效所需能量的平均值。當(dāng)濕度為60%和70%時(shí)，溫度增加會(huì)導(dǎo)致斷裂能增加。在濕度分別為 60%和 70%的情況下，當(dāng)溫度從 26℃增加到28℃時(shí)，會(huì)出現(xiàn)幾乎55 Nmm和50 Nmm的跳躍。當(dāng)溫度從 27℃增加到28℃，濕度為 80%時(shí)，可以觀察到斷裂能突然下降116.5 Nmm。在較高壓接力和高振幅振動(dòng)下，斷裂能明顯降低，這表明兩個(gè)壓接參數(shù)在較大幅度上存在負(fù)相互影響，這顯著影響了壓接強(qiáng)度。

圖4 不同壓接參數(shù)對(duì)的斷裂能

圖5顯示了每10個(gè)重復(fù)的不同壓接參數(shù)組的超聲波接頭完全失效的最大T形剝離力的平均值。當(dāng)振幅保持恒定且僅壓力增加時(shí)，需要更大的力才能完全分離接頭。當(dāng)溫度從26℃增加到28℃時(shí)，最大T形剝離力在濕度為60%、70%和80%時(shí)分別增加了近50%、34%和22%。在濕度為80%時(shí)，可以觀察到T形剝離力的相對(duì)緩慢增加，特別是當(dāng)溫度從27℃增加到28℃時(shí)。這表明，對(duì)于較大的超聲波值，超聲波粘結(jié)可能會(huì)減弱。

圖5 不同壓接參數(shù)對(duì)的最大T形剝離力

2.2 焊縫密度

焊縫結(jié)構(gòu)未經(jīng)處理或化學(xué)處理，采用 X射線CT掃描。利用這種方法，可以對(duì)壓接件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行完全無(wú)損的觀察和分析。

圖6比較了具有不同壓接參數(shù)對(duì)的樣品A、B和C接頭的3D重建（見(jiàn)表2）。鋼絞線束上的高壓力使鋼絞線彼此更靠近，并增加潛在的粘結(jié)界面，這對(duì)最終接頭的粘結(jié)程度以及接頭強(qiáng)度至關(guān)重要。在施加28℃的樣品A中A=60%的濕度下，鋼絞線之間的間距較小，導(dǎo)致具有較小氣隙的緊密接頭微觀結(jié)構(gòu)。樣品B的微觀結(jié)構(gòu)是在26℃的較低溫度和a=60%的相同濕度下獲得的，并且顯示壓接件的孔隙率顯著增加。在較低的溫度下，鋼絞線將以較少的約束移動(dòng)，并以隨機(jī)模式排列，而不是堆積結(jié)構(gòu)。

圖6 樣本A、B和C中關(guān)節(jié)的三維重建

圖6中（左）顯示了樣品B接頭微觀結(jié)構(gòu)中絞線的編織圖案。樣品B接頭的橫截面顯示單絞線之間的空隙比樣品A中的多。在樣品C中A=80%的相對(duì)高濕度和 26℃的低壓接溫度下獲得的超聲波接頭顯示了類(lèi)似的壓接圖案壓接件。超聲波振動(dòng)的高振幅使鋼絞線迅速重新排列，來(lái)自頂部的低壓不會(huì)限制鋼絞線的移動(dòng)。

2.3 焊件的間隙分?jǐn)?shù)

為了定量比較樣品A、B和C中超聲波接頭的緊密度，表2顯示了這些樣品的壓接參數(shù)。圖7顯示了每個(gè)試樣的空隙標(biāo)記結(jié)果。為了便于鋁絞線之間間隙的可視化，采用了不同的顏色。3個(gè)樣品中各個(gè)樣品的VOI為7.536×10-9mm3，沿x、y和z方向的尺寸分別為1.57 mm、1 mm、4.8 mm。最后，計(jì)算孔隙的累積體積，然后除以VOI的整個(gè)體積，以獲得接頭的總間隙分?jǐn)?shù)。這對(duì)應(yīng)于樣品A、B和C的體積分?jǐn)?shù)分別為1.36%、4.17%和4.14%，這些結(jié)果與圖7中的觀察結(jié)果一致。

圖7 三個(gè)不同壓接參數(shù)的試樣

根據(jù)重建的接頭三維微觀結(jié)構(gòu)計(jì)算的孔隙尺寸表明，存在不同體積的孔隙。根據(jù)壓接過(guò)程中的工藝參數(shù)，在壓接件內(nèi)部形成這些空隙。幾乎所有樣品的空隙體積在2×10-8mm3和3×10-9mm3之間。為了找出孔隙尺寸與工藝參數(shù)之間的相關(guān)性，確定了 7個(gè)等分的孔隙體積尺寸范圍：10-7mm3< V≤10-1mm3。計(jì)算每個(gè)樣本A、B和C的分布直方圖，將不同孔隙體積大小的數(shù)據(jù)分組到7個(gè)具有相同寬度的箱中，如上所述。直方圖中每個(gè)矩形的高度表示接頭微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)相應(yīng)體積范圍的出現(xiàn)頻率。圖8表示對(duì)數(shù)標(biāo)度上三個(gè)樣本對(duì)應(yīng)直方圖的質(zhì)心。通過(guò)等式計(jì)算每個(gè)直方圖的質(zhì)心位置。式（1）、式（2）分別表示倉(cāng)中的空隙體積大小和其外觀的頻率。最后，質(zhì)心的位置表示為xc和nc，如圖8中的正方形所示。此外，在每個(gè)參數(shù)集的數(shù)據(jù)點(diǎn)中擬合一個(gè)二次多項(xiàng)式，作為數(shù)據(jù)可視化的輔助工具。

圖8 樣本A、B和C的直方圖質(zhì)心位置（空隙大小、頻率）

體積在以下范圍內(nèi)的最大空隙：10-2mm3。在試樣B和C的微觀結(jié)構(gòu)中檢測(cè)到V<10-1mm3。這些大空隙是焊件中非粘合零件的特征，在某些不利的載荷條件下，可能導(dǎo)致導(dǎo)線完全失去接觸。對(duì)于28℃且A=60%的試樣A，在該體積范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)任何空隙，這導(dǎo)致焊縫最緊密[4]。然而，樣品A在以下范圍內(nèi)具有最大數(shù)量的小空隙10-9mm3與其他兩個(gè)樣品（樣品B和C）相比，V<10-7mm3樣品A微觀結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的小空隙說(shuō)明了股線之間存在小氣隙。在一個(gè)大的聲納電極壓力下，鋼絞線排列緊密，金屬鍵形成的可能性可能增加。相同范圍內(nèi)的濕度最大值A(chǔ)=80%的樣品，即樣品C。在10-7mm3的體積范圍內(nèi)檢測(cè)到相同的趨勢(shì) V<10-6mm3。

超聲波電極的超聲波摩擦振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致鋼絞線相互快速滑動(dòng)并重新排列線束，但顯然鋼絞線的側(cè)面不夠緊密，無(wú)法形成粘結(jié)。樣品C中濕度最大的壓接件的孔隙率與樣品B的孔隙率沒(méi)有差異，表明與溫度相比，濕度在形成致密焊縫中的作用不太顯著。然而，超聲波振動(dòng)的振幅有效地分散了股線界面處的雜質(zhì)和氧化鋁，從而為潛在的結(jié)合留下干凈的配合部件。樣品C具有兩種類(lèi)型的孔隙體積，即體積范圍的最大孔隙V <10-1mm3，體積范圍內(nèi)的最小空隙為V< 10-7mm3。

所有微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)部在10-6mm3和10-2mm3之間的孔隙尺寸出現(xiàn)頻率幾乎保持不變。此外，樣本A擬合多項(xiàng)式的陡峭過(guò)程表明，最大和最小空隙的出現(xiàn)頻率存在較大差異。

壓力值較低的超聲波接頭的T形剝離試驗(yàn)阻力較低，這可歸因于微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在空隙。由于壓接過(guò)程中有大量鋼絞線參與，因此在配合界面處始終可能存在污染物和氧化鋁。超過(guò)一定的壓接力值時(shí)，鋼絞線會(huì)發(fā)生高塑性變形，并且配合界面會(huì)增加。因此，這種現(xiàn)象減少了單股之間的空隙，增加了薄股界面處原子鍵合的可能性，從而形成具有最大強(qiáng)度的接頭。這與Matheny和Graff的觀察結(jié)果非常一致，認(rèn)為壓接頭施加在工件上的靜態(tài)力在壓接區(qū)產(chǎn)生緊密接觸。該力的大小尤其取決于配合材料及其厚度。低于接頭成形所需的力值時(shí)，焊縫薄弱，高于此值時(shí)，零件可能會(huì)過(guò)度變形[5]。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究闡明并討論了通過(guò)超聲波壓接技術(shù)連接的多條絞線之間的壓接強(qiáng)度。所有壓接樣品的壓接能量輸入保持不變，一旦達(dá)到預(yù)定的能量水平，壓接過(guò)程即告結(jié)束。值得一提的是，獲得的接頭強(qiáng)度知識(shí)基于T形剝離試驗(yàn)方法，該方法是根據(jù)連接電纜（端拼接）的特定配置選擇的。通過(guò)對(duì)具有不同壓接參數(shù)集（振幅和壓力）的壓接樣品進(jìn)行T形剝離試驗(yàn)，測(cè)量了兩條電纜完全分離時(shí)的最大T形剝離力。還說(shuō)明了T形剝離力與位移的關(guān)系。

該研究多股絞線的壓接微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)、壓接件密度及其與工藝參數(shù)的相關(guān)性，其主要結(jié)論和成果總結(jié)如下：

（1）增加壓接壓力會(huì)導(dǎo)致極限T形剝離力增加。高振幅會(huì)減弱高壓接壓力對(duì)提高壓接強(qiáng)度的作用。

（2）在多股電纜的超聲波壓接過(guò)程中，超聲波電極的壓力對(duì)焊縫密度有很大影響。28℃的高壓接壓力會(huì)導(dǎo)致 1.36%的焊件氣孔，這表明接頭緊密，鋼絞線之間的氣隙最小。

（3）最小空隙的出現(xiàn)頻率對(duì)于采用最大聲電極壓力（28℃）壓接的多股試樣而言最為顯著。

（4）體積在10-2mm3和10-1mm3之間的大空隙僅在聲納電極壓力值較低（即26℃）的樣品中檢測(cè)到。

（5）壓接件中空隙的體積分?jǐn)?shù)與振動(dòng)振幅無(wú)關(guān)，而 28℃的高壓接壓力會(huì)導(dǎo)致空隙體積分?jǐn)?shù)較低的緊湊接頭。因此，這種現(xiàn)象導(dǎo)致T形剝離力的最大值。

本研究為需要可靠連接技術(shù)的電氣系統(tǒng)中的線束提供了理論基礎(chǔ)，多條導(dǎo)線之間的接頭必須確保高電氣連通性和盡可能少的電阻。了解超聲波壓接工藝參數(shù)對(duì)接頭強(qiáng)度和接頭密度的影響有助于選擇正確的壓接方法以提高制造產(chǎn)品的質(zhì)量。