Непаяною методи з'єднань досить поширені, щоб не обійти їх увагою. Усі, хто знайомий з автомобільною електронікою, з прокладкою мереж, з обчислювальною технікою і засобами комунікацій, добре знають і використовують у своїй практиці методи обтиску контактів, в експериментальних лабораторіях активно використовують бистросменяемие умовно нероз'ємні з'єднання для створення макетів.
Ринок пропонує широкий інструментарій для реалізації з'єднань, умовно званих непаяного.
Тема непаяною з'єднань настільки об'ємна, що охопити її в одній статті неможливо. Ця тема буде продовжена в наступних випусках журналу.
В якості анонсу позначимо наступні теми: з'єднання скручуванням і намотуванням, під затиск, з'єднання обтисненням (найпоширеніше), з'єднання контактних штирів з металізованим отвором (Press-Fit), з'єднання проводять пастами, зіставлення методів межсоединений.
До групи непаяною з'єднань відносять все нероз'ємні з'єднання, що утворюються за рахунок холодної деформації стиків елементів, що з'єднуються. Зусилля вдавлення цих елементів один в одного з утворенням герметичної зони металевого контактування - обов'язкова умова освіти міцного і надійного з'єднання.
У силовій електроніці і в електротехнічних мережах непаяною з'єднання широко поширені: практично всі сільноточние з'єднання виконуються або скрутками, або затискачем під гвинт. Алюмінієві дроти, які мають міцну окисну плівку, скручують тільки в високовольтних потужнострумових лініях. У цих умовах в лінії достатньо напруги і потужності, щоб окісна плівка пробилася, а зона контакту оплавилася з утворенням зварного з'єднання.
Для слаботочной апаратури, де малі струми і напруги не здатні поліпшити «поганий» контакт, електричні з'єднання з самого початку не повинні мати розділових шарів з оксидів і забруднень. Це досягається холодною пластичною деформацією стиків з'єднань, так що при цій деформації плівки окислів розсуваються, оголюючи чистий метал. Такий стан стиснення має утримуватися, щоб забезпечити герметичність (газонепроникність) стиків для запобігання окислення і порушення металевої провідності.
Надалі ми будемо розглядати конструкції і технології непаяною з'єднань з позицій забезпечення пластичної деформації і утримання їх з герметичністю контактної зони.
Обумовленість застосування непаяною з'єднань буде визначатися конкретною конструкцією контактів. Але загальні переваги всіх непаяною з'єднань полягають у наступному:
- відсутність необхідності нагріву для утворення з'єднання, що є в ряді випадків вирішальним перевагою;
- корозійна стійкість за рахунок герметичності контакту;
- економічність;
- простота ремонту - не потрібен нагрів;
- гігієнічність у виробництві (немає ні флюсів, ні припоев);
- висока надійність.
Порівняльні λ-характеристики деяких типів з'єднань для рівних умов експлуатації, ч -1:
Найбільш характерним для непаяною з'єднань з точки зору вирішення проблем надійності є з'єднання методом накрутки.
Монтаж з'єднань накруткою
Монтаж накруткою призначений для отримання електричних з'єднань за допомогою одножильних проводів і штирьових висновків. Він був розроблений на початку 50-х років в США і досить широко застосовується для електричного монтажу блоків, панелей і рам. Перерахуємо його гідності:
- виключає застосування припоїв і флюсів;
- підвищує надійність з'єднань в порівнянні з паяними при механічних і кліматичних впливах;
- прискорює процес електричного монтажу апаратури;
- створює умови для його автоматизації.
Контактна з'єднання накруткою
Контактна з'єднання накруткою - з'єднання неізольованого проводу (ділянки проводу) з висновком, що має гострі кромки, при якому провід навивается на висновок з певним зусиллям (рис. 1). Електричне з'єднання виникає в зонах контакту дроту з гострими крайками виведення (рис. 2). Натяг проводу при накрутці дозволяє зруйнувати плівку оксидів на контактуючих металах, сприяє вдавленню дроти в гострі кромківивода і утворення газонепроникного з'єднання (рис. 3). Можливе об'єднання накруткою із застосуванням дроту з тонкою ізоляцією. Тоді ізоляція прорізається гострими крайками виведення. Концентрація напруги в зонах контакту і середній тиск близько 700 МПа обумовлюють взаємну дифузію металів.
З'єднання накруткою повинна відповідати таким вимогам:
- мінімальні номінальне і перехідний опору;
- газонепроникність для виключення корозії;
- сума площ зон контакту повинна бути більше поперечного перерізу проводу;
- електрична стабільність в часі при механічних і кліматичних впливах.
Матеріал виведення повинен володіти достатньою пластичністю для утворення поверхонь контакту в результаті деформування гострих кромок.
Мал. 1. З'єднання накруткою дроти на хвостовик роз'єму: а) регулярна накрутка; 6) модифікована накрутка
Мал. 2. Деформації в накрутці
Мал. 3. Напруження і деформації в зоні стиснення дроти в накрутці. Тиск дроти розсовує оксиди, утворюється газонепроникний металевий контакт
Необхідна певна пружність і міцність виведення для опору скручуванню його в процесі навивки дроту. Від стану поверхневого шару матеріалу залежать електричні параметри з'єднання. Для виготовлення висновків застосовують мідь, латунь, плакованих сталь, никелево-срібні сплави, бе-рілліевую і фосфористу бронзи. Останні мають найкращі фізико-механічні властивості:
- високий модуль пружності;
- низький залишковий напруга;
- коефіцієнт лінійного розширення, близький до коефіцієнта лінійного розширення мідного дроту.
На висновки наносять покриття з срібла, золота, олова або сплаву олово-свинець, які:
- оберігають поверхні від окислення;
- сприяють процесу дифузії металів;
- визначають значення перехідного опору.
Висновки з латуні і бронзи, призначені для спеціальної електронної апаратури, покривають гальванічним золотом (3-6 мкм) з попереднім срібленням (9-12 мкм). Застосовують сріблення (6-9 мкм) по нікелевому покриттю (1-3 мкм). Для звичайної апаратури висновки отримують з міді з покриттям оловом або сплавом олово-свинець товщиною не більше 35-40 мкм.
Як дроти для накрутки використовують мідний одножильний провід, який має відносне подовження не менше 20%. Робоча ділянка дроти звільняється від ізоляції і облужівают. Крім міді, використовують латунь, никелевое залізо і нікелеву дріт.
Для рівної міцності елементів з'єднань необхідно забезпечити рівність суми площ контакту дроту зі штирем і площі поперечного перерізу проводу. Це, як правило, забезпечується 16-20 точками контактування в залежності від діаметра дроту. Отже, з'єднання повинно бути багатовитковим.
Слід зазначити, що з'єднання, що складається з 5-6 витків лудженого мідного дроту, намотаного на висновок з фосфористої бронзи з золотим або срібним покриттям, має номінальний опір 0,001-0,003 Ом. Після електричних, механічних і кліматичних випробувань воно збільшується не більше ніж на 0,001 Ом. Перехідний опір контакту в накрутці становить 0,0004-0,0008 Ом і після випробувань змінюється за законом, близькому до закону нормального розподілу.
Велике значення в забезпеченні електричної і механічної стабільності з'єднання має процес дифузії контактуючих металів.
Напруга в навитих дроті знижується в процесі експлуатації на 20-50% в залежності від температурного впливу. Дифузія металів покриття збільшує механічну міцність і забезпечує збереження електричних параметрів з'єднання в часі. Термін служби з'єднання накруткою при нормальних кліматичних впливах становить 15-20 років.
Конструкції з'єднань накруткою
Для накрутки застосовують одножильний провід діаметром 0,17-1,2 мм. Провід більшого діаметра вимагає збільшення зусилля натягу і використання більш міцних висновків.
Висновок повинен мати мінімум дві гострі кромки. Відповідно до цієї умови застосовують висновки з квадратної, прямокутної, ромбовидної, подвійний трикутної, U-подібної і V-подібною формою поперечного перерізу. Найбільшого поширення набули квадратні і прямокутні висновки, причому квадратні надають ряд переваг при автоматизації монтажу накруткою.
U-образні і V-подібні висновки мають більшу пружністю в порівнянні з прямокутними при однаковій площі поперечного перерізу. Їх застосовують в лампових панелях і реле, а також для монтажу апаратури, що працює при температурі 120-180 ° С. При такій температурі напруга в проводі протягом 3 ч знижується вдвічі, а пружність виведення дозволяє зберегти електричні і механічні параметри з'єднання.
Для забезпечення опору скручуванню при навивці площа поперечного перерізу виведення повинна бути не менше площі перетину дроту. Зазвичай ставлення діаметра жили проводу до сторони квадратного виведення становить 0,5-0,6, а до сторони прямокутного виведення 0,3-0,5. Відношення сторін штиря прямокутного перетину повинно бути не більше 1: 3. Радіуси гострих кромок висновків по покриттю - 0,05-0,08 мм, паралельність сторін - 0,05-0,06 мм на довжині 10 мм, відхилення від площинності - не більше 0,25 мм.
Довжина виведення становить 12-38 мм і визначається:
- діаметром проводу;
- числом витків в з'єднанні;
- кількістю з'єднань на виведенні.
Щоб забезпечити оптимальне число контактних поверхонь з площею газонепроникних ділянок, що перевищує площу поперечного перерізу проводу, з'єднання накруткою повинно мати від чотирьох до восьми витків для проводів діаметром 0,2-1,2 мм. При розрахунку числа витків слід враховувати, що висновок квадратної, прямокутної і ромбоподібної форм перетину має чотири точки контактування на виток, V-подібною і трикутної - три, U-подібної - 2,5. Дві перші і дві останні точки контакту на першому і на останньому витках не дають надійного з'єднання. Тому число ефективних зон контакту з висновком визначають як суму всіх точок дотику извитого дроти за вирахуванням чотирьох.
З'єднання накруткою має бути замикаються, щоб провід не міг зійти з штиря. Симетричні поперечні перерізи або мають в поперечному перерізі еліпс не підходять з цієї точки зору. Через наявність сторін, симетричних по відношенню до центральної осі штиря з квадратним перетином, самоблокировки дроти, навитого на такий штир, не настільки велика, як у штирів з прямоугольно-довгастим перетином. З цієї точки зору ідеальна форма перетину - паралелепіпед, асиметрично розташовані краю якого охороняють витки від ослаблення. Після припинення дії накрутки у одного з кутів провід згинається і тут вже не контактує з ребром. Однак коли він спробує також відійти від іншого кута, то потягне перший кут до центральної точки штиря, там зупиниться, і, таким чином, провід після другого краю вже не відділяється. І провід внаслідок асиметричності перетину штиря самоблокується.
При монтажі накруткою застосовують три види з'єднань: звичайне (немодифіковані), модифіковане і бандажное (рис. 1).
Немодифіковані з'єднання отримують шляхом намотування на висновок неізольованого ділянки одножильного проводу.
Модифіковане з'єднання відрізняється від немодифікованого наявністю 1-2 витків ізольованого проводу. Ізоляція знижує ймовірність поломки першого витка проводу при механічних впливах (вібрації, зміщенні виведення) за рахунок зменшення концентрації напруги в точках контакту. Але габарити такого з'єднання збільшуються в порівнянні зі звичайними. Тому, коли крок висновків для накрутки стає менше 2,5 мм, застосування модифікованого з'єднання стає скрутним.
Бандажне з'єднання складається з декількох витків бандажної дроту. Провід при накручування захоплює і обжимає штир і висновок (провід, висновок, шина та ін.). Висновок повинен прилягати до широкої поверхні штиря.
Найбільше застосування знайшло модифіковане з'єднання, особливо в апаратурі, що піддається механічним впливам. При малому кроці між висновками і великих перетинах монтажного проводу застосовують звичайне з'єднання.
Бандажне з'єднання рекомендується для освіти контактних з'єднань з висновками навісних елементів, шинами харчування і при використанні для монтажу багатожильних проводів, не здатних до накрутці.
Закріплення і міцність сполучних штирів
Штирі слід вбудовувати і закріплювати в панелі впрессовиваніем, загвинчуванням або паянням так, щоб вони міцно, без пошкоджень пручалися виникає під час накрутки крутним моментом, а в подальшому - різних механічних навантажень.
Надійність з'єднань тим більше, чим більше міцність штирів на скручування.
Під час накручування проводу тиск, що виникає на контактуючих поверхнях, досягає величини 700 МПа. Внаслідок пластичної деформації це тиск безпосередньо після накрутки дроти знижується приблизно до 200 МПа і стає постійним. З'єднання може послабитися і далі за рахунок явищ релаксації (в даному випадку - холодної плинності). Випробування на довговічність демонструють, що в сполуках накруткою тиск не опускається нижче 50% від вихідного стану через роки. І такий тиск контактуючих поверхонь досить для забезпечення необхідної постійної величини високої провідності.
Якщо на штир проводиться не одна, а три накрутки, кожна з наступних накруток послаблює попередню на 10-20%. Якщо співвідношення розмірів поперечного перерізу штиря і діаметра і пластичності дроти обрані неправильно, перша (нижня) накрутка може виявитися настільки ослабленою, що зійде з штиря. Але і при правильному виборі співвідношень перша накрутка послаблюється через деформацію штиря другий накруткою на 20%, третьої накруткою - на 30%. Але залишилися напруги, які утримують на штирі першу накрутку, достатні для забезпечення міцності і надійності з'єднання.
Технологія накрутки (рис. 4)
Оскільки довжина ланцюгів різна, довжина проводів також вказується в таблиці з'єднань і вибирається з відповідного осередку каси з проводами.
Мал. 4. Послідовність операцій накрутки: а) оправлення і зачищений провід; б) провід введений в захоплююче отвір і фіксується в оправці; в) оправлення з проводом насувається на штир, включається обертання оправлення; г) накрутка виконана
Мал. 5. Інструмент для накрутки в руках оператора: 1 - курок інструменту; 2 - оправлення; 3 - шпиндель
При автоматичному монтажі на автоматичних лініях проводиться нарізка проводів, очищення від ізоляції і накрутка штирів за заданою програмою. У сучасному виробництві необхідність у великих обсягах з'єднань накруткою зникла, тому автоматичні лінії з'єднань накруткою поступово виводяться з виробництва.
Сьогодні накрутка широко використовується для реалізації змінної частини монтажу на уніфікованих платах, коли потрібно створювати модифікації виробів за рахунок додавання зв'язків до загальної для всіх модифікацій масі з'єднань. Частка з'єднань, що додаються накруткою, в цьому випадку не перевищує 10%.
Мал. 6.Разнообразіе розведення проводів при виконанні з'єднань накруткою
З'єднання накруткою можуть також успішно застосовуватися і для виготовлення паяних з'єднань, тобто пайкою накрученого дроти. На одному штирі Ви також можете і паяні з'єднання багатожильного дроту, і накручений одножильний провід (рис. 6). Пайка, зі зрозумілих міркувань, повинна передувати накрутці.
З'єднання накруткою добре поєднуються з технологією впрессовиванія штирів в отвори. Тоді монтаж взагалі обходиться без процесів пайки або зварювання. Великі комутаційні блоки і стійки апаратури зв'язку монтуються саме таким чином.
Завантажити статтю в форматі pdf