摘 要:某電動汽車在整車試驗時出現導線斷裂故障,通過宏觀觀察、微觀觀察、金相檢驗和能 譜分析等方法對導線的斷裂原因進行了分析。結果表明:電動汽車銅導線的斷裂屬于疲勞斷裂;導 線固定點設置不合理,線束可自由活動范圍過大,使得整車振動試驗時導線固定端受到過大的交變 應力,導致運行一段時間后導線在固定點的插拔端子附近發生疲勞斷裂;車輛繼續運行中,導線斷 續接觸,導致導線斷口受到高溫燒蝕,表面產生黑色覆蓋物質,主要成分為銅的氧化物。
關鍵詞:銅導線;疲勞斷裂;高溫氧化;裝配工藝;斷口燒蝕
中圖分類號:TG146.1+1 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2021)11-0050-05
隨著電動汽車的普及,其可靠性越來越受到人 們的關注。汽車電氣化程度越來越高,整車需要的 線束種類和數量也越來越多。一輛普通轎車線束導 線用量在1000m 左右[1],而電動汽車的導線用量 遠遠超過1000m。汽車線束的增多對整車電器件 的可靠性帶來了挑戰,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 性對電動汽車至關重要。
某電動汽車在出廠前的道路試驗過程中出現控 制按鈕失靈故障,拆解相關部件發現,控制線束中的 一根導線斷裂,此時整車試驗里程僅為5200km。 導線材料為氧含量小于0.003%(質量分數)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生,筆者對該電動汽 車銅導線的斷裂原因進行了分析。
1 理化檢驗
1.1 宏觀形貌
由圖1可以看出,導線在靠近插拔端子處斷裂, 外包線皮完全斷開,線皮未見高溫燒蝕痕跡,端子表 面未見磨損和變形,因此判斷導線不存在電流過大 引起的過量發熱情況。復原導線斷裂前的位置狀 態,檢查導線失效點到下一個固定點之間線束的可 自由活動范圍,發現線束可自由活動范圍過大。
在體視顯微鏡下觀察導線斷口,可見導線由7 股直徑約300μm 的細銅絲組成,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號銅絲斷口部分區域被黑 色物質覆蓋,如圖1b)所示;2,3,4號銅絲斷口表面 未見黑色區域,僅存在少部分位于凹陷區域的灰綠 色物質,如圖1b)所示;所有銅絲斷口均無明顯的頸 縮現象,斷口整體形狀均較圓整,大致處于一個平面 內,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
為了保證成像質量,將導電性較差的導線外皮 去掉。去掉外皮后,銅絲相對位置出現了變化,參考 圖1的編號,找到對應的銅絲,如圖2b)所示。導線 斷口經過超聲清洗后放入場發射掃描電鏡(SEM) 下觀察斷口形貌。
7股銅絲斷口大部分區域已非斷口原始形貌, 如圖2a)所示。選取5號銅絲的斷口進行觀察,可 見5號銅絲斷口大部分區域被黑色物質覆蓋,斷口 較平整。放大觀察該區域,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號銅絲首先發生疲勞斷裂,然后兩端斷口在后續 工作中斷續接觸時形成電弧,導致斷口燒蝕,燒蝕物 覆蓋了斷口的大部分區域,僅少部分區域未被覆蓋, 因此未被覆蓋區域仍可見疲勞條帶。燒蝕區域由于 斷口間斷續接觸,導致燒蝕區域形貌較平整,高倍下 可見較多細小顆粒狀熔珠,如圖2e)所示。
進一步觀察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。
1.3 能譜分析
為了探究銅絲斷口上黑色物質的成分,對斷口 進行能譜分析。由圖1可知,1,6,7號銅絲斷口表 面黑色物質較分散,而5號銅絲斷口黑色物質較集 中。故選取黑色物質較集中的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域,而掃描電 鏡形貌則無法顯示該種顏色區別。
使用能譜儀對圖4中方框區域進行面掃描分 析,方框區域元素面掃描結果如圖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 存在與導線絕緣皮材料為聚氯乙烯(PVC)有關,導 線斷裂后由于兩斷口距離較近,在電壓持續存在的 情況下,兩斷口間將產生直流電弧。研究[7-8]表明, 一 定 條 件 下 直 流 電 弧 瞬 時 溫 度 最 高 可 達 7226.85℃。由于PVC熱穩定性較差,當溫度超過 150℃時,PVC便會迅速分解[9-10]。電弧產生的高 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。對氧元素富集區和非富集 區進行能譜半定量分析,富集區氧元素質量分數為 14.04%,而非富集區氧元素質量分數為1.89%,富 集區氧含量明顯高于非富集區的。判斷黑色物質為 銅的氧化物。
1.4 金相檢驗
為判斷導線在斷裂前是否存在過熱情況,在 5號銅絲斷口以下5mm處截取橫、縱截面試樣,經 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;基體晶粒細小,根據 GB/T6394-2017 《金屬平均晶粒度測定方法》的技術要求,測得其平 均晶粒度級別為9.5級,未見明顯異常。表明導線 斷裂前未出現嚴重發熱情況。
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。可以看出,5號銅絲斷口處顯微組織中沒有 出現文獻[11]中描述的短路熔化再結晶組織,如圖 6b)所示。斷口以下部分導線的顯微組織未見明顯 異常,表明5號銅絲先發生了疲勞斷裂,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行維氏硬度檢 測。對7股銅絲各檢測5個點,硬度測試結果見表 1。GB/T3953-2009《電工圓銅線》和 GB/T2040 -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果 基本正常。
2 分析與討論
以上檢驗結果表明,銅絲的顯微組織和硬度符 合技術要求,同時銅絲不存在嚴重發熱情況,因此可以排除電流過大導致銅絲斷裂的可能性。
根據銅絲斷口宏觀形貌、微觀形貌及能譜分析 結果可知,銅絲斷口經歷過高溫燒蝕,表面黑色物質 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生疲勞斷裂,然后兩端斷口 在斷續接觸時形成電弧,燒蝕斷口表面。
汽車線束在汽車正常工作時其所受的應力一般 可以忽略不計。整車道路試驗時,車輛會經過各種 復雜路況,以驗證各零部件的可靠性[12-13]。當經過 顛簸路面時,如果線束線夾固定點設置不合理,線束 會出現異常振動。研究表明,異常振動是導致線束 導線疲勞斷裂的重要原因之一[14]。根據宏觀形貌 可知,此導線斷裂位于固定點插拔端子附近。通過 檢查導線失效點到下一個固定點之間線束的可自由 活動范圍發現,線束可自由活動范圍過大,該距離遠 大于設計要求。當固定點之后的線束整體振動時, 將在斷裂位置產生不可忽略的交變應力,運行一段 時間后導線最終發生疲勞斷裂。
3 結論及建議
(1)電動汽車銅導線斷裂屬于疲勞斷裂。
(2)銅導線斷裂的主要原因是導線固定點設置 不合理,線束可自由活動范圍過大,造成整車振動試 驗時導線固定端受到過大的交變應力,運行一段時 間后導線最終在固定點的插拔端子附近發生疲勞斷 裂。隨后車輛繼續運行中,導線斷續接觸,導致導線 銅絲斷口受到高溫燒蝕,表面產生黑色覆蓋物質,其 主要成分為銅的氧化物。
(3)建議在整車設計階段充分考慮線束振動情 況,設置線束固定點的位置和數量時應保證整車振 動時線束相對車身固定點的振幅不超出設計范圍的要求;在線束裝配時應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。
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