圖 1端子異常線狀痕跡區域表面宏觀形貌
鐵路行業機車的運行環境復雜，故其安全性尤為重要。銅管接線端子在機車上廣泛使用，尤其是機車主電路均采用銅管接線端子壓接的方式與設備連接[1]。在電氣連接工藝技術中，焊接時需要助焊劑、焊料等輔料，且電烙鐵的溫度達到350 ℃以上，被焊件容易發生氧化。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，通過設備提供的壓力擠壓端子與導線，金屬間會發生塑性變形，即可形成穩定的機械、電氣連接[2]。軟連線起導流的作用，兩端壓接有用于固定軟連線的端子，端子由規格為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，成型后端子表面進行了鍍錫防護處理。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境中，受風雨、振動、引線重力等因素的影響，其對導電性能、力學性能和抗腐蝕性能的要求均較高[3]。
呂中賓等[4]研究發現安裝施工時，引線的偏移量越大，接線端子所受的應力越大。鄭準備等[5]研究發現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]研究發現隨著剛度的增大，接線端子的地震響應逐漸降低。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量的影響。葉中飛等[8]研究了壓接對稱度對壓接點應力的影響。聶顯鵬等[9]研究發現輪軌振動帶來的沖擊越大，接線端子受到的應力越大，對接地端子的疲勞壽命影響越大。受運行環境、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接觸面氧化臟污、通流能力不足、連接結構失效等問題[10]。李舜堯[11]研究了銅端子與鋁導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行修復，研究修復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°是最優選的，可以防止軟連線隨鋁托架活動時對端子產生拉拽現象，確保設備工作時軟連線不與其他設備相互干涉。隨著城市軌道交通領域技術的不斷發展，地鐵列車的服役里程逐漸延長，而其外部運行環境及線路條件也隨之發生變化，轉向架承載部件斷裂故障不斷發生，且呈日趨增多的趨勢[14-17]。
筆者采用一系列理化檢驗方法分析了端子異常磨損的原因，提出了優化改進措施，解決了端子疲勞壽命過短的問題，為鐵路行業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
1.1 宏觀觀察
將端子拆卸后，端子異常線狀痕跡區域表面宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：異常線狀痕跡區域存在寬度約為5 mm的劃痕，劃痕位于端子折彎處。
將端子異常線狀痕跡區域縱向剖切，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，結果如圖2所示。由圖2可知：端子異常線狀痕跡區域存在長度約為8 mm、最大深度約為1 mm的斷口區，斷口顏色較暗，可見疲勞特征；非異常線狀痕跡區域人工斷口呈金屬光澤的銅黃色。
圖 2端子線狀痕跡區域橫向斷口宏觀形貌
1.2 化學成分分析
采用電感耦合等離子體發射光譜儀對端子的化學成分進行分析，結果如表1所示。由表1可知：端子的化學成分符合GB/T 5231—2012《加工銅及銅合金牌號和化學成分》的要求。
Table 1.端子的化學成分分析結果
1.3 金相檢驗
在端子裂紋源處截取并制備金相試樣，將試樣置于光學顯微鏡下觀察，結果如圖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行觀察，結果如圖4所示。由圖4可知：線狀痕跡區域斷口長度約為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，裂紋源位于與導體接觸的端子表面，裂紋源斷口及其附近區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端子線狀痕跡區域橫向斷口SEM形貌
對線狀痕跡區域不同位置進行能譜分析，結果如表2所示。由表2可知：線狀痕跡區域除了含有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。
Table 2.線狀痕跡區域不同位置的能譜分析結果
1.5 力學性能測試
在異常端子遠離線狀痕跡區域的部位，沿縱向截取標準拉伸試樣，按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》在電液伺服試驗機上進行室溫拉伸試驗，結果如表3所示。由表3可知：該異常端子的拉伸性能符合標準GB/T 1527—2017《銅及銅合金拉制管》的要求。
Table 3.異常端子的拉伸試驗結果
按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》,采用維氏硬度計在端子線狀痕跡區域縱剖面上進行硬度測試，結果如表4所示。由表4可知：端子的心部與表面硬度相差不大。
Table 4.端子線狀痕跡區域縱剖面不同位置的硬度測試結果
2. 綜合分析
由上述理化檢驗結果可知，異常端子的化學成分、力學性能、硬度等均符合標準要求。端子異常磨損區域表面存在明顯微動磨損線狀痕跡；斷口邊緣磨損嚴重，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系。
端子是軟連線的安裝端，隨著軟連線發生相對運動，自重振動載荷傳導到端子。軟連線質量為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。
Table 5.不同工況模式軟連線端子垂向加速度
建立異常端子有限元模型及疲勞評估點（見圖5）。端子的載荷工況為無載荷和垂向載荷，即疲勞強度對比僅考慮垂向載荷工況下的最大應力即可。異常端子最大主應力云圖如圖6所示。由圖6（a）可知，軟連線工況2的最大主應力平均值可達到壓接導線區域的181倍；由圖6（b）可知，軟連線工況3的最大主應力平均值可達到壓接導線區域的203倍。端子安裝面區域的應力高于壓接導線區域，其中安裝面過渡圓角處的應力集中嚴重，易出現微動磨損，表明該處容易發生異常磨損。
圖 5異常端子有限元模型及疲勞評估點
圖 6異常端子最大主應力云圖
在設備工作過程中，由軟連線規則運動產生的應力集中于端子圓角部位，由應力集中產生的微動磨損使端子表面萌生微小裂紋。生產過程中端子表面存在機械劃痕，劃痕處產生疲勞源，最終端子表面形成線狀痕跡，痕跡處形成疲勞源，在軟連線相對運動振動載荷的影響下，加劇形成疲勞磨損。通過分析可以發現，共振是裂紋產生的主要原因，故從改變系統模態的方向考慮，設計了兩種短懸臂線纜支架[18]。
端子的工作環境具有溫差大、腐蝕性強、長期受力等特點，接線端子在經受振動和熱應力之后，其力學性能明顯下降，并且更容易受到環境腐蝕的作用[19]。在壓接緊固的安裝方式下，端子不可避免地會出現微動磨損，因此提高端子表面壓型質量、減小折彎部位應力成為延長端子使用壽命的關鍵。
采用二次壓型模具技術對端子進行表面處理，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于設計要求。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
為研究優化改進后端子工作時的靜態應力分布，采用solid187單元模擬建立端子有限元模型及疲勞評估點（見圖8）。改進后端子最大主應力云圖如圖9所示。由圖9可知：改進后端子折彎圓角區域的最大主應力大幅減小。端子改進前后應力平均值如表6所示。另外，端子改進前后的疲勞強度大幅提高。
圖 8改進后端子有限元模型及疲勞評估點
圖 9改進后端子最大主應力云圖
Table 6.端子改進前后應力平均值
縮短冷壓模具的維護保養周期，將累計沖壓次數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. 結論
（1）端子表面存在垂向載荷，以及端子折彎圓角處應力過度集中是端子發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，設備長期在高強度運轉作用下，裂紋轉化為微動疲勞，加上端子表面存在機械劃痕，劃痕處產生疲勞源，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對端子進行表面處理后，端子表面粗糙度和工藝精度得到提高。減小折彎部位的應力集中程度后，改進端子折彎圓角區域的疲勞強度大幅提高。縮短冷壓模具的維護保養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