電動汽車銅導(dǎo)線斷裂原因

陳 然, 楊麗卉, 張 月, 李建新, 黃文長

(東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心, 武漢 430000)

隨著電動汽車的普及，其可靠性越來越受到人們的關(guān)注。汽車電氣化程度越來越高，整車需要的線束種類和數(shù)量也越來越多。一輛普通轎車線束導(dǎo)線用量在1 000 m左右[1]，而電動汽車的導(dǎo)線用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1 000 m。汽車線束的增多對整車電器件的可靠性帶來了挑戰(zhàn)，同時汽車電氣線路失效也是汽車自燃的主要原因之一[2]。因此,提高線束可靠性對電動汽車至關(guān)重要。

某電動汽車在出廠前的道路試驗過程中出現(xiàn)控制按鈕失靈故障,拆解相關(guān)部件發(fā)現(xiàn),控制線束中的一根導(dǎo)線斷裂,此時整車試驗里程僅為5 200 km。導(dǎo)線材料為氧含量小于0.003%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的無氧銅(TU1)[3],型號為TR-0.3,絕緣線皮材料為聚氯乙烯(PVC)。

為了避免該類事故再次發(fā)生，筆者對該電動汽車銅導(dǎo)線的斷裂原因進(jìn)行了分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀形貌

由圖1可以看出，導(dǎo)線在靠近插拔端子處斷裂，外包線皮完全斷開，線皮未見高溫?zé)g痕跡，端子表面未見磨損和變形，因此判斷導(dǎo)線不存在電流過大引起的過量發(fā)熱情況。復(fù)原導(dǎo)線斷裂前的位置狀態(tài)，檢查導(dǎo)線失效點到下一個固定點之間線束的可自由活動范圍，發(fā)現(xiàn)線束可自由活動范圍過大。

圖1 斷裂導(dǎo)線的宏觀形貌及銅絲編號示意Fig.1 Macromorphology of fractured wire and diagram of copper wire number:a) wire; b) fracture of copper wire; c) copper wire number

在體視顯微鏡下觀察導(dǎo)線斷口，可見導(dǎo)線由7股直徑約300 μm的細(xì)銅絲組成，按順時針依次給每股銅絲編號為1～7，如圖1c)所示。銅絲斷口整體均呈金黃色，1，5，6，7號銅絲斷口部分區(qū)域被黑色物質(zhì)覆蓋，如圖1b)所示；2，3，4號銅絲斷口表面未見黑色區(qū)域，僅存在少部分位于凹陷區(qū)域的灰綠色物質(zhì)，如圖1b)所示；所有銅絲斷口均無明顯的頸縮現(xiàn)象，斷口整體形狀均較圓整，大致處于一個平面內(nèi)，這與張超等[4]對電線斷裂失效分析中疲勞斷裂的宏觀特征相符。

1.2 掃描電鏡分析

為了保證成像質(zhì)量，將導(dǎo)電性較差的導(dǎo)線外皮去掉。去掉外皮后，銅絲相對位置出現(xiàn)了變化，參考圖1的編號，找到對應(yīng)的銅絲，如圖2b)所示。導(dǎo)線斷口經(jīng)過超聲清洗后放入場發(fā)射掃描電鏡(SEM)下觀察斷口形貌。

圖2 銅絲編號示意及導(dǎo)線銅絲斷口SEM形貌Fig.2 Diagram of copper wire number and SEM morphology of fracture of wire copper wire:a) overall morphology of fracture; b) copper wire number; c) fracture morphology of copper wire 5;d) fatigue band of fracture of copper wire 5; e) morphology of ablation area on fracture of copper wire 5

7股銅絲斷口大部分區(qū)域已非斷口原始形貌,如圖2a)所示。選取5號銅絲的斷口進(jìn)行觀察，可見5號銅絲斷口大部分區(qū)域被黑色物質(zhì)覆蓋，斷口較平整。放大觀察該區(qū)域，可見明顯的疲勞條帶，如圖2d)所示。疲勞條帶是疲勞斷口典型的微觀特征[5-6]，因此判斷5號銅絲斷裂屬于疲勞斷裂。推測5號銅絲首先發(fā)生疲勞斷裂，然后兩端斷口在后續(xù)工作中斷續(xù)接觸時形成電弧，導(dǎo)致斷口燒蝕，燒蝕物覆蓋了斷口的大部分區(qū)域，僅少部分區(qū)域未被覆蓋，因此未被覆蓋區(qū)域仍可見疲勞條帶。燒蝕區(qū)域由于斷口間斷續(xù)接觸，導(dǎo)致燒蝕區(qū)域形貌較平整，高倍下可見較多細(xì)小顆粒狀熔珠，如圖2e)所示。

進(jìn)一步觀察4號銅絲的斷口,可見4號銅絲斷口整體較粗糙，大致可分為兩部分，如圖3a)所示；斷口左半部分高倍下呈金屬熔化形貌,具有燒蝕特征，如圖3b)所示；右半部分呈臺階狀，放大觀察依稀可見疲勞條帶，但疲勞條帶間距已模糊，如圖3c)所示。4號銅絲斷裂也屬于疲勞斷裂,推測4號銅絲疲勞斷裂后形成的電弧對斷口的破壞小于5號銅絲的。其余銅絲斷裂后斷口同樣受到電弧破壞，斷口形貌相似。

圖3 4號銅絲斷口SEM形貌Fig.3 SEM morphology of fracture of copper wire 4:a) overall morphology; b) morphology of ablation area; c) fatigue band

1.3 能譜分析

為了探究銅絲斷口上黑色物質(zhì)的成分，對斷口進(jìn)行能譜分析。由圖1可知，1，6，7號銅絲斷口表面黑色物質(zhì)較分散，而5號銅絲斷口黑色物質(zhì)較集中。故選取黑色物質(zhì)較集中的5號銅絲作為分析對象。

5號銅絲放入掃描電鏡樣品倉前的宏觀形貌如圖4a)所示，對應(yīng)的SEM形貌見圖4b)。由圖4可見，宏觀形貌中可見明顯的扇形黑色區(qū)域，而掃描電鏡形貌則無法顯示該種顏色區(qū)別。

圖4 5號銅絲斷口宏觀形貌與SEM形貌Fig.4 a) Macromorphology and b) SEM morphology of fracture of copper wire 5

使用能譜儀對圖4中方框區(qū)域進(jìn)行面掃描分析，方框區(qū)域元素面掃描結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，氧元素的分布形狀與圖4a)中黑色區(qū)域形狀一致。同時斷口均勻分布著氯、錫元素。氯元素的存在與導(dǎo)線絕緣皮材料為聚氯乙烯(PVC)有關(guān)，導(dǎo)線斷裂后由于兩斷口距離較近，在電壓持續(xù)存在的情況下，兩斷口間將產(chǎn)生直流電弧。研究[7-8]表明，一定條件下直流電弧瞬時溫度最高可達(dá)7 226.85 ℃。由于PVC熱穩(wěn)定性較差，當(dāng)溫度超過150 ℃時，PVC便會迅速分解[9-10]。電弧產(chǎn)生的高溫將使PVC分解，析出氯元素。錫元素的存在與銅絲表面的鍍錫處理有關(guān)。對氧元素富集區(qū)和非富集區(qū)進(jìn)行能譜半定量分析，富集區(qū)氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.04%，而非富集區(qū)氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.89%，富集區(qū)氧含量明顯高于非富集區(qū)的。判斷黑色物質(zhì)為銅的氧化物。

圖5 5號銅絲斷口能譜面掃結(jié)果Fig.5 Energy spectrum mapping results of fracture of copper wire 5

1.4 金相檢驗

為判斷導(dǎo)線在斷裂前是否存在過熱情況，在5號銅絲斷口以下5 mm處截取橫、縱截面試樣，經(jīng)鑲嵌、粗磨、精磨、拋光，再用氯化鐵鹽酸溶液浸蝕，在倒置金相顯微鏡下觀察顯微組織。由圖6可以看出：銅絲表面顯微組織與心部的基本相同，未見高溫氧化組織；基體晶粒細(xì)小，根據(jù)GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測定方法》的技術(shù)要求，測得其平均晶粒度級別為9.5級，未見明顯異常。表明導(dǎo)線斷裂前未出現(xiàn)嚴(yán)重發(fā)熱情況。

圖6 5號銅絲不同方向試樣的顯微組織Fig.6 Microstructure of samples of copper wire 5 in different directions:a) cross section; b) longitudinal section

為探究斷口電弧燒蝕情況，垂直于5號銅絲斷口截取縱截面金相試樣，在金相顯微鏡下觀察顯微組織?？梢钥闯?，5號銅絲斷口處顯微組織中沒有出現(xiàn)文獻(xiàn)[11]中描述的短路熔化再結(jié)晶組織,如圖6b)所示。斷口以下部分導(dǎo)線的顯微組織未見明顯異常，表明5號銅絲先發(fā)生了疲勞斷裂，然后斷口間形成電弧，燒蝕斷口，由于燒蝕深度較淺，通過金相顯微鏡較難觀察到。

1.5 硬度檢測

使用顯微維氏硬度計對銅絲進(jìn)行維氏硬度檢測。對7股銅絲各檢測5個點，硬度測試結(jié)果見表1。GB/T 3953-2009《電工圓銅線》和GB/T 2040-2017《銅及銅合金板材》對銅絲的硬度未作要求，綜合考慮加工硬化的影響，各銅絲的硬度測試結(jié)果基本正常。

表1 銅絲硬度檢測結(jié)果Tab.1 Test results of copper wire hardness

2 分析與討論

以上檢驗結(jié)果表明,銅絲的顯微組織和硬度符合技術(shù)要求，同時銅絲不存在嚴(yán)重發(fā)熱情況，因此可以排除電流過大導(dǎo)致銅絲斷裂的可能性。

根據(jù)銅絲斷口宏觀形貌、微觀形貌及能譜分析結(jié)果可知，銅絲斷口經(jīng)歷過高溫?zé)g，表面黑色物質(zhì)為銅的氧化物，未被燒蝕破壞的原始斷口可見清晰的疲勞條帶。疲勞條帶為疲勞斷裂的典型特征形貌，因此判斷銅絲首先發(fā)生疲勞斷裂，然后兩端斷口在斷續(xù)接觸時形成電弧,燒蝕斷口表面。

汽車線束在汽車正常工作時其所受的應(yīng)力一般可以忽略不計。整車道路試驗時，車輛會經(jīng)過各種復(fù)雜路況，以驗證各零部件的可靠性[12-13]。當(dāng)經(jīng)過顛簸路面時，如果線束線夾固定點設(shè)置不合理，線束會出現(xiàn)異常振動。研究表明，異常振動是導(dǎo)致線束導(dǎo)線疲勞斷裂的重要原因之一[14]。根據(jù)宏觀形貌可知，此導(dǎo)線斷裂位于固定點插拔端子附近。通過檢查導(dǎo)線失效點到下一個固定點之間線束的可自由活動范圍發(fā)現(xiàn)，線束可自由活動范圍過大，該距離遠(yuǎn)大于設(shè)計要求。當(dāng)固定點之后的線束整體振動時，將在斷裂位置產(chǎn)生不可忽略的交變應(yīng)力，運行一段時間后導(dǎo)線最終發(fā)生疲勞斷裂。

3 結(jié)論及建議

(1) 電動汽車銅導(dǎo)線斷裂屬于疲勞斷裂。

(2) 銅導(dǎo)線斷裂的主要原因是導(dǎo)線固定點設(shè)置不合理，線束可自由活動范圍過大，造成整車振動試驗時導(dǎo)線固定端受到過大的交變應(yīng)力，運行一段時間后導(dǎo)線最終在固定點的插拔端子附近發(fā)生疲勞斷裂。隨后車輛繼續(xù)運行中，導(dǎo)線斷續(xù)接觸，導(dǎo)致導(dǎo)線銅絲斷口受到高溫?zé)g，表面產(chǎn)生黑色覆蓋物質(zhì)，其主要成分為銅的氧化物。

(3) 建議在整車設(shè)計階段充分考慮線束振動情況，設(shè)置線束固定點的位置和數(shù)量時應(yīng)保證整車振動時線束相對車身固定點的振幅不超出設(shè)計范圍的要求；在線束裝配時應(yīng)檢查扎帶或線夾是否安裝到位，端子和連接器的裝配公差是否滿足要求。