摘 要：带有接触薄片（即所谓的Multilams）的插入式连接器，以其多方面的应用可能性和各种尺寸而闻名。本文研究的Multilams用于大电流应用，由时效硬化的铜铍合金（CuBe₂）制成，具有很高的机械强度、良好的弹性和导电性。通过长期试验研究和有限元计算，我们探讨了Multilams电连接器的老化与应力松弛的关系。实验装置由两个平面和螺栓连接的压力板组成，每块压力板上镶嵌着Multilams弹性薄片。其弹簧挠度通过陶瓷垫片来调节，并可假定为常数。这些样品在高达115°C的几种温度下通过电流加热或管道供热方式进行老化试验。测量接触电阻和剩余接触力与时间的关系，以评估应力松弛对配备铍铜接触片的插入式连接器长期性能的影响。

关键词：老化；铍铜；电连接器；接触力；Multilam；应力松弛

1 引言

在许多应用中，电接触件的长期性能就是在电源传输过程中将功率损耗保持最小，同时避免能源或工业领域设备出现意外故障。电接触件受到多种老化机制的影响。所有这些都会导致接触电阻升高，具体升幅取决于施加的电流负载和环境条件^{[1]、[2]、[3]、[4]、[9]}。

其中一个老化机制是在中等温度条件下应力松弛引起的接触力降低，以及在较高温度下的蠕变^[6]。本文主要研究Multilams电接触件在应力松弛影响下的长期性能。配备Multilams接触件的插入式连接器适用于许多不同温度范围的应用场合。

本文所研究的Mulitlams接触件并不是一种单片接触件，而是多片平行的弹性金属条（“表带”状）组成的并联接触系统。它是由铜铍合金（CuBe₂，C17200）制成，通常用于大电流连接器（图1）。CuBe₂具有优良的弹性和良好的导电性。这对于插入式连接器中的电接触件来说是一个非常重要特性。所研究的Mulitlams接触件基于扭簧原理，因此接触力是由与带状金属条相关的金属薄片的扭转产生的^[1]。接触力的大小可以通过两个接触件（即圆形插入式连接器公端和母端）之间的间隙来调节。

图1 所研究的Multilam的典型应用（a）和CAD设计图（b）

2 应力松弛理论简介

在电接触件应力松弛的实验研究中，首先将接触件试样变形到预定值，以产生一种初始机械应力σ₀。这种变形包括弹性应变ε_el和塑性应变ε_pl。测量与弹性应变ε_el成正比（公式1）随时间变化的应力ε_ıR减小，假定总应变ε_ges为常数。在应力松弛过程中，弹性应变转化为塑性应变ε_cr（蠕变）。这会导致电连接器接触力减小，故在电接触件工艺技术应用中必须加以考虑。

（1）

与时间和温度有依存关系的应力松弛可以用下面的幂律蠕变公式（2）来进行描述^{[1]、[5]、[10]}。

（2）

蠕变参数中的活化能Q_C、电接触件应力指数n必须在蠕变试验中加以确定，常数C是计算和测量值之间比较的结果。在这些电接触件材料的研究中，机械应力水平必须接近实际应用中的载荷。因此，我们进行了有限元计算，以确定CuBe₂-Multilams接触件的应力水平。

3 CuBe₂微观结构和材料参数

Multilams接触件由铜铍带料（C17200，表1）冲制和弯曲而成，然后在预定的温度和时间条件下进行时效硬化。通过这一工艺过程，可以产生细小的分散的析出物，从而提高电接触件材料的机械强度和抗应力松弛性能。这些析出物限制了CuBe₂微观结构的位错运动，从而延缓了接触件材料恢复等过程^[5]，[10]。

表1 铜铍合金（CuBe₂，C17200）化学成分（重量%）

在室温条件下，铍溶于铜基体的比例不到0.25%。加热到700°C以上之后，铍会溶解在α相中，快速淬火到室温下，使铍保持固溶状态。在这一阶段，合金变得很柔软，很容易进行机械加工。用于Multilams接触件的铍铜合金还经过冷轧，其厚度减少了21%。这就提高了它的强度和硬度，但也增加了析出点的数量，从而加速了时效硬化。退火和冷加工之间采用明确界定的循环次数可以使其微观结构得到很好的控制，并降低其方向属性。在300°C以上的温度下，加热过饱和固溶体数小时，会析出强化γ相（10.3…12.4重量%的铍）^[11]。

为了包含Multilams电接触件微结构的初始条件，我们在带料和弹性金属薄片之间的过渡区制作了横截面，见图2所示。在这个区域，如果Multilam接触件偏转到标称间隙，则会出现最大机械应力，因此它对于消除应力松弛至关重要。

图2 机械应力最高区域的横截面

我们用离子束腐蚀金相试样，然后用扫描电子显微镜（SEM）对其进行分析。其显微组织显示晶界中的析出物和冷加工引起的其他缺陷，见图3所示。这些析出物与γ相有关（扫描电子显微镜无法检测到铍）。颗粒中还可检测到少量分散的析出物，这些析出物可能与钴和镍铍化物有关，但这种铍化物并不能明显提高CuBe₂的强度。

图3 松弛前机械应力最高区域横截面的SEM图像（图2中的左样品）

Siempelkamp^1）在具有预定尺寸的带材上研究了CuBe₂-Multilams（多片触指接触件）材料和蠕变参数（图4）。这些CuBe₂带材的处理方式与Multilams相同，因此所确认的电接触件参数类型相似。

图4 材料研究的板材尺寸B=17.5mm；b=6mm；a=0.2mm

在单轴拉伸试验中，根据所研究的Multilams接触件和进一步开发的标称温度范围，我们在高达180°C的温度条件下分析了有限元（FEM）计算所需要的常见材料参数，见表2所示。这是必要的，因为机械性能在很大程度上取决于加热过程，因此参考文献[8]或[11]中的一般信息对于计算来说不够准确。

表2 CuBe₂（时效硬化后）的材料参数

E…弹性模量；ET…切线模量

Rp_0,2…屈服强度；R_m…抗拉强度

在温度和机械载荷变化试验[5]、[7]、[10]中，我们还需要确定电接触件应力松弛有限元计算所需的蠕变参数。根据表2，我们采用有限元方法和材料参数计算了Multilams接触件中估出的机械应力范围。根据温度的不同，蠕变试验是在测得的屈服强度R_p0.250%至90%的应力条件下进行的。按照公式（2），我们用认定的蠕变参数应力指数n=2.6、活化能Q_C=33kJ/mol和C=5⋅10^-14（n/mm²）ⁿs^-1计算出Multilams接触件的应力松弛。

4 长期试验

实验研究还包括使用Multilams接触件进行的长期测试，以根据电接触件应力松弛的长期性能验证有限元（FEM）计算结果。这是完全必要的，因为配备Multilams接触件的插入式连接器的预期使用寿命是几十年。因此，在几年内不测量就进行计算很难保证其安全性和可靠性。为了考虑电流对电接触件应力松弛引起的接触力减小可能存在的影响，我们将相同数量的电接触件试样用电流加热或置于高温箱进行加热（图7）^[1]。

图5 Multilams接触件模型配置

对于每个电接触件测试温度（90°C和115°C）和加热方法，我们采用了六种模型配置。这些模型配置（图5）由两个平面、由螺栓连接的压力板组成，压力板上镶嵌着Multilams多片触指（每条带料有35个弹性金属薄片）。带料的厚度分别为0.15mm（ML/0.15）和0.2mm（ML/0.2），而ML/0.2在标称间隙处具有更高的接触力，因此，其接触电阻更低。根据最常用的应用领域，所有接触区域其表面均镀银。弹簧挠度用由MACOR^2）制成的陶瓷垫片调节到标称间隙h_gn=0.82mm，并可以假设为常数^[1]。

图6 接触力测量试验布置

我们采用一种特殊的电接触件试验装置测量接触力，见图6所示。该装置包括力和行程传感器以及一个滚珠轴承，以尽量减少摩擦所造成的影响。随着时间的推移，测量接触电阻和接触力（上压板支撑点），以验证应力松弛对装有Multilams接触件的插入式连接器长期性能的影响。

图7 电流加热模型配置

电接触件每个弹性薄片所测的接触力（图8和图9）显示接触力随温度的变化情况，在90°C时剩余的接触力最高。我们还可以确定，接触力下降幅度会因高温箱和电流加热方法的不同而有所不同。在高温箱中，加热一段时间之后，其剩余接触力较低。这是因为在电流加热的模型配置下测得的温度符合电流路径。但对于接触力来说，带料和弹性薄片之间的过渡区——这一通常没有明显载流的区域——就显得很重要。因此，机械应力较高的区域不能与电接触区域处于相同的温度，否则会导致与温度有关的应力松弛速率降低。

图8 每个弹性薄片接触力随时间的变化（高温箱）

图9 每个弹性薄片接触力随时间的变化（电流加热）

在115°C的温度下，每个弹性薄片的接触力分别降至初始接触力的50%（高温箱，10100小时）和70%（电流加热，8200小时）。我们还可以确定，只要电接触件不分离，这种降低对接触电阻没有任何影响，见图10和图11。

图10 每个弹性薄片接触电阻随时间的变化（高温箱）

图中显示，测得的接触电阻降到了初始值的90%左右，这是镀银接触区域的典型值。这种效应随着温度的升高而增加，使得接触电阻在115°C时最低。在此之后，我们可以假设接触电阻保持不变，但在高温箱中其接触电阻值的离散度更大。

图11 每个弹性薄片接触电阻随时间的变化（电流加热）

对于FEM计算，CuBe2的微观结构在所研究的温度范围内保持不变这一点非常重要。为了确定这种情况是否适用于Multilams接触件，我们将电接触件样品置于180°C温度以及与长期试验相同的机械应力条件下进行老化试验。因此，微观结构如果在180°C时保持不变，那么在较低的温度下也会保持不变。按照第3章所述，我们对金相试样进行了SEM分析，见图12所示。

图12 应力松弛前（a）和应力松弛后（b）（180°C，2500小时）机械应力最高区域横截面的SEM图

对比电接触件应力松弛前后的微观结构，我们未发现明显差异。这适用于所研究电接触件试样的析出物和晶粒大小。由此可见，电接触件应力的降低是由常见的恢复过程引起的，而不是由微观结构变化引起的^[5]，[10]。因此，我们可以根据公式（2）和实验确定的蠕变参数来计算应力松弛。

5 计算

为了预测配有Multilams接触件的插入式连接器的长期性能，我们进行了有限元（FEM）计算。根据第4章图13中的模型配置，所需要的模型是基于Multilam接触件的CAD设计图（图1），并辅之以两个平面压力板。弹性薄片和压力板之间的摩擦由预设摩擦系数高达0.35的接触元件进行模拟。通过力和行程传感器的测量，我们验证了计算出的力-位移特性，见图14所示。通过改变上压板的自由度，例如通过不同的横向调整和轴承，我们可以再现不同的摩擦系数。

图13 有限元计算（a）和偏转至标称间隙后的机械应力分布（b）（von Mises等效应力）

图14 测量和计算的Multilam ML/0.15弹簧特性

图15 试验结果和有限元计算值对比（高温箱：90°C和115°C，ML/0.15）

图13是标称间隙处的计算应力分布图。从图中我们可以看出带材和弹性薄片之间过渡区的高水平机械应力。在这个区域，接触力产生了。在90°C和115°C温度下，用CuBe2参数计算出的接触力减小与稳态下测得的值非常吻合，见图15所示。因此，只要接触件处于持续的工作状态，我们就可以预测接触力在很长一段时间内的下降情况。否则，配备Multilams接触件的连接器寿命将依据其工艺应用中的平均温度而延长。接触件应力松弛过程中测得的接触力和计算的接触力取决于带料和弹性薄片之间过渡区的应力大小，见图16所示。接触件初始应力分布将根据温度和时间进行均质化处理，直到其仅剩边际应力为止。

图16 应力松弛过程中的等效应力

6 结论

本文所研究的Multilams接触件用于大电流应用，由时效硬化铜铍（CuBe₂）制成，其性能已经通过材料研究认定。通过长期研究和有限元计算，我们研究了Multilams电连接器的老化与应力松弛之间的关系，测试了接触电阻和剩余弹性接触力与时间的相关性，以评估应力松弛对长期性能的影响。在这种情况下，只要接触区域不分离，接触力的减小对接触电阻没有任何影响。

通过有限元（FEM）计算，可以预测在高达180°C的温度下，所研究的Multilams接触件和类似薄片的应力松弛引起的稳态接触力的减小。因此，它也可用于本文研究的铜铍合金的结构改进或未来产品研发。

参考文献：

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