汽車12V正極線束端子腐蝕分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

周畔宇 楊康俊 項(xiàng)婧孌 王思軍 俞雅茹 王潔

【摘? 要】線束作為汽車的電路網(wǎng)絡(luò)主體，在連接電子電器部件和傳送電信號(hào)中起到重要作用，其線束端子就是連接線束與各模塊的紐帶。本文針對(duì)某車型項(xiàng)目階段出現(xiàn)的端子腐蝕斷裂問題，從整車布置、端子鍍層等方面入手，分析失效的原因，并提供研究?jī)?yōu)化方案。

【關(guān)鍵詞】端子腐蝕；失效分析；設(shè)計(jì)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U463.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）04-0061-03

【Abstract】As the main body of the automobile circuit network，the harness plays an important role in connecting electrical and electronic components and transmitting electrical signals. The harness terminal is the link between the harness and each module. Aiming at the terminal corrosion and fracture problem occurred in the project stage of a vehicle model，this paper analyzes the failure causes from the vehicle layout，terminal coating and other aspects，and studies the optimization scheme.

【Key words】terminal corrosion；failure analysis；design optimization

線束是汽車的“神經(jīng)系統(tǒng)”，是傳送電信號(hào)的媒介[1]。端子是線束的重要組成部分，它連接了線束和各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)整車電器功能[2]，對(duì)整車信號(hào)傳輸有著重要意義。本文針對(duì)某車型項(xiàng)目階段出現(xiàn)的端子腐蝕斷裂問題進(jìn)行原因分析，并研究?jī)?yōu)化方案，最終驗(yàn)證有效性。

1? 失效現(xiàn)象

12V正極線束連接DCDC模塊處八角孔金屬端子在含5年及10年腐蝕試驗(yàn)的耐久性驗(yàn)證中發(fā)生斷裂。按照GMW 15531+試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，端子處銹泥迅速堆積，腐蝕加速，直至斷裂。

2? 端子設(shè)計(jì)關(guān)鍵項(xiàng)

基材、結(jié)構(gòu)、鍍層和匹配線徑是設(shè)計(jì)端子首要考慮的因素，這些關(guān)鍵項(xiàng)關(guān)乎著端子的承受溫度、載流能力以及耐腐蝕性，同時(shí)也需要考慮環(huán)境情況、空氣對(duì)流和整車布置的影響。比如端子連接的導(dǎo)線存在多股大電流布置的情況，那么此時(shí)該端子的溫升情況和過電流情況就要重點(diǎn)關(guān)注，可以引入溫升-過電流曲線來評(píng)估該端子應(yīng)用是否OK。如果端子曲線超出導(dǎo)線之上太多，說明端子選型過大要適當(dāng)減小端子尺寸；如果端子曲線落在導(dǎo)線之下，就需要更換端子或者提升線徑。又比如端子布置在整車的濺射區(qū)域，那此時(shí)端子的防水和耐腐蝕情況就是重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)，可以通過加橡膠套或擋水板進(jìn)行物理防護(hù)，也可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、加厚涂層來進(jìn)行化學(xué)防護(hù)。

不同位置的端子，關(guān)注的側(cè)重點(diǎn)也不同。所有的蓄電池線端子都應(yīng)采用M8的端子（圖1）和緊固件固定，厚度需要達(dá)到2mm以上，需要有防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)等，同時(shí)考慮耐雜散電流能力。蓄電池線端子通?？梢允褂脦z熱縮管進(jìn)行密封，不過要關(guān)注結(jié)合處的耐腐蝕性，而且端子和其上的緊固件要保持相同的基材。

3? 失效分析

12V正極線束連接DCDC模塊處八角孔金屬端子在滿足設(shè)計(jì)關(guān)鍵項(xiàng)要求的情況下發(fā)生了失效，表現(xiàn)出了不符合預(yù)期的加速腐蝕，因此需要從整車布置、端子鍍層及端子熱縮管位置等方面進(jìn)行分析，找出失效原因。

3.1? 整車布置

失效端子位于整車前艙位置（圖2），離地高度650mm，下方有護(hù)板及其他零件，常規(guī)認(rèn)定為非濺射區(qū)，無需額外保護(hù)，但通過反復(fù)涉水試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，水路工況中，地面積水在前輪的帶動(dòng)下，有一定概率能從底護(hù)板和其他零件的夾縫中飛濺到DCDC模塊處，從而導(dǎo)致有部分水滴會(huì)落到端子表面，加快端子腐蝕。

同時(shí)，由于前艙各模塊的布置情況，蓄電池線需橫穿整個(gè)前艙，從DCDC模塊下方通過端子與模塊連接（圖3），此處端子就需設(shè)計(jì)成L型才能完成線束與DCDC模塊的連接，因此無適配形狀的橡膠套或塑料殼體對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)輪胎水通過縫隙濺射到DCDC模塊上時(shí)，該端子就相當(dāng)于暴露在有水的環(huán)境中，腐蝕速率會(huì)加快。

因此，考慮是否可以模擬出輪胎水濺射的路徑，在該區(qū)域加擋水板以避免水滴飛濺至端子表面。

3.2? 端子鍍層

失效端子鍍層為亞光錫，厚度7μm。當(dāng)車輛進(jìn)入鹽濺槽中段時(shí)，輪胎飛濺的鹽堿液會(huì)滴落在端子表面，端子本身參與導(dǎo)電無法完全絕緣，鹽堿液在端子和模塊殼體表面形成水膜，產(chǎn)生雜散電流，加速電化學(xué)腐蝕，最終鍍層破壞，端子金屬溶解減薄，更易斷裂。耐久腐蝕端子試驗(yàn)結(jié)果見表1。圖4為腐蝕端子試驗(yàn)中選取的記錄點(diǎn)。

由表1可知，經(jīng)濺射后的端子由于電化學(xué)腐蝕，鍍層被破壞，基材腐蝕加快，預(yù)測(cè)壽命要小于10年，而且可以看出位置2處剩余厚度最小，腐蝕速度最快，是端子最易斷裂處，因此考慮加厚端子鍍層厚度，延緩基材腐蝕速率。

3.3? 端子熱縮管位置

蓄電池線端子通常使用熱縮管進(jìn)行密封以便減緩腐蝕，該端子設(shè)計(jì)之初考慮下方涉水風(fēng)險(xiǎn)以及工藝問題，在端子上進(jìn)行了熱縮管保護(hù)，熱縮位置截至圖5中的A-B的交界處。經(jīng)腐蝕端子試驗(yàn)驗(yàn)證可知，A處的腐蝕速率還要大于B處，也需要熱縮保護(hù)，因此考慮向A處延長(zhǎng)熱縮管的包裹區(qū)域。

4? 設(shè)計(jì)優(yōu)化

通過對(duì)失效件的分析，失效模式鎖定在：涉水工況下，輪胎水濺射至端子未經(jīng)熱縮管保護(hù)的區(qū)域，引發(fā)電化學(xué)腐蝕，破壞端子鍍層，端子基材加速溶解，從而引發(fā)斷裂。因此，首要考慮模擬出輪胎水濺射的路徑，在該區(qū)域加擋水板，以避免水滴飛濺至端子表面。

如圖6所示，在右側(cè)輪罩蓋上選取2個(gè)點(diǎn)進(jìn)行模擬水路可能出現(xiàn)區(qū)域的包絡(luò)，包絡(luò)所覆蓋區(qū)域的水路分為兩部分，一部分是車寬方向的大量水路，會(huì)被原有的輪罩蓋擋住；另一部分是從下往上的少量水路，會(huì)從圖6中紅圈處的孔擴(kuò)散到DCDC模塊處。模擬得出擋水板位置，由輪胎水路徑來看，新增擋水板可起到有效遮擋的作用，但從整車布置來看，擋水板會(huì)在極限工況下與輪胎發(fā)生干涉，因此，該方案并不是最優(yōu)措施。

由此考慮從端子本身入手，失效件鍍層為7μm，在電化學(xué)腐蝕的情況下，會(huì)加速鍍層破壞，增加端子鍍層厚度，由原先的7μm增厚至15μm，以此來緩解鍍層的破壞程度，延緩基材的腐蝕速率。對(duì)鍍層增厚至15μm的端子進(jìn)行循環(huán)腐蝕試驗(yàn)，根據(jù)GMW 14872的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)流程如圖7所示。經(jīng)試驗(yàn)可知，增厚鍍層的端子未發(fā)生斷裂，腐蝕片品質(zhì)損失也在合格范圍內(nèi)。進(jìn)一步對(duì)增厚鍍層端子進(jìn)行耐久腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2中可見，增厚鍍層端子的預(yù)測(cè)壽命要大于10年，表2中各項(xiàng)數(shù)據(jù)與表1對(duì)比，也有了明顯改善。由此可知，將端子鍍層從7μm增厚至15μm，能有效減緩端子基材腐蝕。同時(shí)，因?yàn)榫o固端子的螺栓在使用中也會(huì)被長(zhǎng)時(shí)間存在的雜散電流影響[3]，在潮濕環(huán)境下螺栓頭會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕問題，與端子相互作用會(huì)加速腐蝕，所以也要考慮在螺栓頭部做局部粉末噴涂保護(hù)層，在螺栓外六角驅(qū)動(dòng)頭及法蘭外側(cè)按照GMW 14664的粉末材料要求和GMW 14671的性能要求進(jìn)行噴涂，以起到頭部絕緣和提高耐腐蝕性能的功能，這樣能減少它與端子的相互作用，同樣起到減緩腐蝕的作用。

由失效分析可知，端子彎折部分腐蝕最為嚴(yán)重，在增厚鍍層的優(yōu)化下考慮用熱縮管進(jìn)一步保護(hù)，延長(zhǎng)熱縮管對(duì)端子彎折區(qū)域進(jìn)行絕緣保護(hù)，抑制雜散電流，能有效改善端子彎折區(qū)域的腐蝕情況。

通過上述分析驗(yàn)證，針對(duì)12V蓄電池線接DCDC模塊端子腐蝕斷裂情況，設(shè)計(jì)優(yōu)化如下。

1）端子鍍層厚度從7μm增加至15μm，延緩基材腐蝕速率。

2）緊固件頭部增加防腐涂層，提高抗腐蝕能力。

3）端子彎折區(qū)域增加熱縮管進(jìn)行絕緣保護(hù)，抑制雜散電流。

設(shè)計(jì)優(yōu)化后的端子經(jīng)過GMW 15531+試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行耐久性驗(yàn)證，端子腐蝕程度顯著降低，無斷裂情況發(fā)生。優(yōu)化后的所有車輛均未發(fā)生該端子斷裂失效情況。

5? 總結(jié)

作為車輛信號(hào)傳輸?shù)募~帶，端子起到關(guān)鍵作用。針對(duì)某車型項(xiàng)目階段端子腐蝕斷裂問題，通過端子關(guān)鍵項(xiàng)自查，從整車布置、端子鍍層等方面入手，模擬失效工況，復(fù)現(xiàn)失效模式，分析出失效原因，并通過加嚴(yán)端子參數(shù)來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終通過循環(huán)腐蝕試驗(yàn)和耐久腐蝕試驗(yàn)，驗(yàn)證了方案的有效性，為后續(xù)解決類似端子腐蝕問題，提供了分析思路及參考。

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（編輯? 凌? 波）