Сравнение способов заделки проводов в контакты электрических соединителей

Холодное обжатие — соединение, образующееся за счет холодной пластической деформации соединяемых элементов.
  

Прочность и надежность при вибрациях и температурных расширениях обжимного соединения зависит от следующих факторов:

• конструкции провода — должна быть многопроволочной, проволоки должны быть скручены между собой, это обеспечивает равномерную деформацию всех проволок и распределение материала провода в процессе пластической деформации, вызванной обжатием контакта. Моножильные провода обжатию не подлежат;
• конструкции контакта — материал и толщина стенки контакта должны обеспечивать сохранение состояния деформации без изменений в процессе эксплуатации. Твердость жилы провода не должна превышать твердость материала контакта — например, при обжатии жилы хромель/алюмель в контакт из медного сплава из-за большой разности твердости материалов происходит чрезмерное утонение стенок контакта, что приводит к его разрушению;
• формы и усилия деформации — схождения пуансонов обжимного инструмента должны быть достаточными для обеспечения необходимого усилия обжатия.
  

Повторяемость и качество соединения обеспечиваются характеристиками инструмента, но для этого должны быть определены его настройки: выбран верный позиционер/позиционная головка и селектор. 

При отработке технологии соединение должно быть подвергнуто следующим испытаниям и исследованиям на соответствие государственным и отраслевым стандартам:

• определению переходного сопротивления;
• определению усилия вырыва;
• микрографическому исследованию.

Для контроля качества монтажа обжатого в контакт провода рекомендуется выполнять рентгенографический контроль соединителя.

Последовательность выполнения операции обжатия состоит из следующих операций:

• снять изоляцию с жилы провода;
• выполнить настройку обжимного инструмента в соответствии с диаметром контакта (позиционер/позиционная головка, селектор, подходящий под конкретную комбинацию провода и контакта);
• проверить настройку инструмента эталонными калибрами (в начале и в конце работы);
• поместить жилу провода с установленным контактом в инструмент и выполнить обжатие;
• выполнить визуальный контроль места обжатия.

На рис. 1 представлены изображения продольного и поперечного сечения образца по месту обжатия провода в контакт.
 

Рис. 1. Микрошлиф сечения места обжатия и рентгеновский снимок обжимного соединения

Получившееся в результате холодного обжатия соединение обладает следующими преимуществами:

• отсутствие изменения характеристик материала жилы провода и контакт-детали, связанного с термическим воздействием;
• коррозионная стойкость места соединения за счет герметичности получившегося контакта;
• высокая технологичность (скорость заделки провода выше, повторяемость операции гарантируется аттестованным инструментом, а не квалификацией рабочего);
• не требуется вспомогательных материалов (флюса и припоя);
• надежность соединения выше паяного.

Пайка — физико-химический процесс получения неразборного соединения путем нагрева в результате взаимодействия твердого и жидкого металла (припоя).

Пайка является специальным технологическим процессом, подтверждение результатов которого невозможно или затруднено, а дефекты становятся очевидными только после начала эксплуатации изделия. Поэтому качество и надежность соединения зависят от инструмента, режима пайки, материалов и квалификации рабочего. Одним из преимуществ пайки является возможность соединения в единое целое множества элементов за одну операцию, в частности нескольких жил различного сечения. Пример объединения нескольких жил провода показан на рис. 2.

Рис. 2. Микрошлиф паяного соединения

Нарушения технологии пайки приводят к следующим дефектам паяного соединения:

• «Холодная пайка» — наиболее распространённый и трудно распознаваемый дефект, который возникает в следующих случаях: недостаточный прогрев соединяемых частей (деталей);
• • случайный сдвиг спаиваемых элементов во время охлаждения места пайки;
  • ослабление активности флюса из-за перегрева или сильного загрязнения спаиваемых поверхностей;
  • недостаточная активность флюса, из-за чего не обеспечивается активация и смачиваемость поверхностей припоем;
  • неустойчивые свойства финишных покрытий;
  • загрязнения припоя, которые ухудшают поверхностное натяжение, смачивание, стойкость к окислению и внешний вид паяных соединений.
• Образование интерметаллидов (эффект Киркендалла) в результате миграции атомов золота и олова, протекающей в твёрдом состоянии, в связи с чем повышается сопротивление и снижается прочность соединения.
• Деформация твердеющего припоя — при остывании вызывает скольжение уже образовавшихся зерен по границе раздела кристаллов, образование крупнокристаллической структуры галтели припоя с характерной матовой поверхностью, имеющей низкую прочность и быстро коррозирующей по межкристаллитным прослойкам.
• Коррозия провода из-за некачественной отмывки флюсов (активных) и пайки без теплоотвода. 

Примеры дефектов пайки приведены на рис. 3–5.

Рис. 3 Микрошлиф дефекта «холодная пайка»	Рис. 4. Микрошлиф луженой жилы	Рис. 5. Рентгеновский снимок дефекта "холодная пайка"

Для выполнения качественного паяного соединения необходимо правильно выбрать тип припоя и флюса. Флюс предназначен для очистки поверхности основного металла и припоя от присутствующих на них окислов и защиты материалов соединения от воздействия окружающей среды (в основном кислорода) во время пайки. Флюс подбирают в зависимости от паяемых материалов и температуры плавления припоя. Температура начала активации флюса должна быть ниже температуры плавления припоя.

Флюсы подразделяют по степени своей активности и, как следствие, коррозионного воздействия, что подразумевает обязательную отмывку спиртом или спирто-нефрасовой смесью. В процессе лужения и пайки провода за счет капиллярного эффекта флюс проникает под изоляцию, что в последующем часто приводит к невозможности выполнения качественной отмывки. В связи с этим необходимо контролировать выполнение лужения и пайки с теплоотводом и время лужения и пайки жилы.

Последовательность выполнения пайки состоит из следующих операций:

• снять изоляцию жилы провода;
• выбрать жало паяльника и проверить его температуру;
• выполнить лужение жилы провода;
• отмыть флюс, оставшийся после лужения;
• обеспечить защиту монтажной стороны соединителя от попадания флюса при лужении контакта и пайке провода в контакт;
• выполнить лужение контакта соединителя (при превышении срока паяемости в соответствии с ТУ электрического соединителя);
• отмыть флюс, оставшийся после лужения;
• нанести флюс на луженые провод и контакт;
• выполнить пайку соединяемых элементов;
• отмыть флюс, оставшийся после пайки.

При отработке технологии паяное соединение должно быть подвергнуто следующим испытаниям и исследованиям на соответствие государственным и отраслевым стандартам:

• определению усилия вырыва;
• микрографическому исследованию в продольном и поперечном сечении.

Для неразрушающего контроля рекомендуется применять рентгенографический контроль аналогично контролю обжимных соединений.
Усилие вырыва жилы из контакта, независимо от рассматриваемых методов соединения, не должно превышать прочность жилы провода на разрыв, то есть при испытании обрыв жилы должен происходить раньше, чем разрушение места заделки провода в контакт. Значения разрывных усилий паяного и обжимного соединений провода сечением0,35 мм² приведены в таблице 1.

Таблица 1.Значения разрывных усилий провода сечением 0,35 мм2

№ образца	Пайка, измеренное  разрывное усилие, Н	Обжатие, измеренное  разрывное усилие, Н	Минимальное разрывное усилие  жилы провода, Н
1	92,1	82,8	77
2	101	83,5	77
3	99,7	82,3	77
4	103	81,5	77

В завершение анализа в таблице 2 приведен результат рассмотрения характеристик, свойственных двум рассматриваемым видам неразборных соединений.

Таблица 2. Сравнительная характеристика пайки и обжатия

№ п/п	Свойство, параметр, характеристика	Обжатие	Пайка
1	Необходимость применения материала для изготовления	Не требует материалов	Необходим флюс, припой, спирт
2	Электропитание для инструмента	Не требуется	Требуется
3	Трудоемкость	Меньше, чем у пайки	Больше, чему у обжатия
4	Переходное сопротивление согласно НД	Соответствует НД, незначительно выше паянного	Не контролируется, незначительно ниже обжимного
5	Разрывное усилие	Выше минимального усилия разрыва жилы провода
6	Рабочая температура соединения	Выше чем у пайки	Ограничена температурой плавления припоя
7	Термическое воздействие на жилу и изоляцию провода	Отсутствует	Нагрев проволок жилы и изоляции (оплавление)
8	Надежность соединения согласно ГОСТ 27.003, λбi, ч–1	1,2×10–10	1,3×10–9
9	Герметизация,  защита соединения	Обеспечивается  изолятором соединителя	Необходимо устанавливать защитные трубки или выполнять защиту герметиком
10	Эксплуатационная технологичность	Высокая	Низкая

Исходя из изложенного пайка — это операция, позволяющая обеспечить высокое качество соединений только при строгом соблюдении режима пайки, использовании качественных материалов и высокой квалификации исполнителей. Количественные показатели надежности подтверждают данное утверждение — ручная пайка обладает на порядок большим показателем интенсивности отказов, чем операция обжатия, выполняемая ручным способом.

Применение метода холодного обжатия вместо пайки при заделке проводов в контакты низкочастотных электрических соединителей приводит к заметному повышению качества выполняемого электрического монтажа, снижению трудоемкости и повышению производственной и эксплуатационной технологичности. 

Авторы:
Вячеслав Киселев kiselevvn@aerospace-systems.ru
Павел Маркевич markevich@aerospace-systems.ru
Даниил Савин dsavin@aerospace-systems.ru

Источник: Технологии в электронной промышленности, № 1’2023