分享：电动汽车铜导线断裂原因
摘 要:某电动汽车在整车试验时出现导线断裂故障,通过宏观观察、微观观察、金相检验和能 谱分析等方法对导线的断裂原因进行了分析。结果表明:电动汽车铜导线的断裂属于疲劳断裂;导 线固定点设置不合理,线束可自由活动范围过大,使得整车振动试验时导线固定端受到过大的交变 应力,导致运行一段时间后导线在固定点的插拔端子附近发生疲劳断裂;车辆继续运行中,导线断 续接触,导致导线断口受到高温烧蚀,表面产生黑色覆盖物质,主要成分为铜的氧化物。
关键词:铜导线;疲劳断裂;高温氧化;装配工艺;断口烧蚀
中图分类号:TG146.1+1 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2021)11-0050-05
随着电动汽车的普及,其可靠性越来越受到人 们的关注。汽车电气化程度越来越高,整车需要的 线束种类和数量也越来越多。一辆普通轿车线束导 线用量在1000m 左右[1],而电动汽车的导线用量 远远超过1000m。汽车线束的增多对整车电器件 的可靠性带来了挑战,同时汽车电气线路失效也是 汽车自燃的主要原因之一[2]。因此,提高线束可靠 性对电动汽车至关重要。
某电动汽车在出厂前的道路试验过程中出现控 制按钮失灵故障,拆解相关部件发现,控制线束中的 一根导线断裂,此时整车试验里程仅为5200km。 导线材料为氧含量小于0.003%(质量分数)的无氧 铜(TU1)[3],型号为 TR-0.3,绝缘线皮材料为聚氯 乙烯(PVC)。
为了避免该类事故再次发生,笔者对该电动汽 车铜导线的断裂原因进行了分析。
1 理化检验
1.1 宏观形貌
由图1可以看出,导线在靠近插拔端子处断裂, 外包线皮完全断开,线皮未见高温烧蚀痕迹,端子表 面未见磨损和变形,因此判断导线不存在电流过大 引起的过量发热情况。复原导线断裂前的位置状 态,检查导线失效点到下一个固定点之间线束的可 自由活动范围,发现线束可自由活动范围过大。
在体视显微镜下观察导线断口,可见导线由7 股直径约300μm 的细铜丝组成,按顺时针依次给每股铜丝编号为1~7,如图1c)所示。铜丝断口整 体均呈金黄色,1,5,6,7号铜丝断口部分区域被黑 色物质覆盖,如图1b)所示;2,3,4号铜丝断口表面 未见黑色区域,仅存在少部分位于凹陷区域的灰绿 色物质,如图1b)所示;所有铜丝断口均无明显的颈 缩现象,断口整体形状均较圆整,大致处于一个平面 内,这与张超等[4]对电线断裂失效分析中疲劳断裂 的宏观特征相符。
1.2 扫描电镜分析
为了保证成像质量,将导电性较差的导线外皮 去掉。去掉外皮后,铜丝相对位置出现了变化,参考 图1的编号,找到对应的铜丝,如图2b)所示。导线 断口经过超声清洗后放入场发射扫描电镜(SEM) 下观察断口形貌。
7股铜丝断口大部分区域已非断口原始形貌, 如图2a)所示。选取5号铜丝的断口进行观察,可 见5号铜丝断口大部分区域被黑色物质覆盖,断口 较平整。放大观察该区域,可见明显的疲劳条带,如 图2d)所示。疲劳条带是疲劳断口典型的微观特 征[5-6],因此判断5号铜丝断裂属于疲劳断裂。推测 5号铜丝首先发生疲劳断裂,然后两端断口在后续 工作中断续接触时形成电弧,导致断口烧蚀,烧蚀物 覆盖了断口的大部分区域,仅少部分区域未被覆盖, 因此未被覆盖区域仍可见疲劳条带。烧蚀区域由于 断口间断续接触,导致烧蚀区域形貌较平整,高倍下 可见较多细小颗粒状熔珠,如图2e)所示。
进一步观察4号铜丝的断口,可见4号铜丝断口 整体较粗糙,大致可分为两部分,如图3a)所示;断口 左半部分高倍下呈金属熔化形貌,具有烧蚀特征,如 图3b)所示;右半部分呈台阶状,放大观察依稀可见 疲劳条带,但疲劳条带间距已模糊,如图3c)所示。4 号铜丝断裂也属于疲劳断裂,推测4号铜丝疲劳断裂 后形成的电弧对断口的破坏小于5号铜丝的。其余 铜丝断裂后断口同样受到电弧破坏,断口形貌相似。
1.3 能谱分析
为了探究铜丝断口上黑色物质的成分,对断口 进行能谱分析。由图1可知,1,6,7号铜丝断口表 面黑色物质较分散,而5号铜丝断口黑色物质较集 中。故选取黑色物质较集中的5号铜丝作为分析 对象。
5号铜丝放入扫描电镜样品仓前的宏观形貌如 图4a)所示,对应的SEM 形貌见图4b)。由图4可 见,宏观形貌中可见明显的扇形黑色区域,而扫描电 镜形貌则无法显示该种颜色区别。
使用能谱仪对图4中方框区域进行面扫描分 析,方框区域元素面扫描结果如图5所示。由图5 可见,氧元素的分布形状与图4a)中黑色区域形状 一致。同时断口均匀分布着氯、锡元素。氯元素的 存在与导线绝缘皮材料为聚氯乙烯(PVC)有关,导 线断裂后由于两断口距离较近,在电压持续存在的 情况下,两断口间将产生直流电弧。研究[7-8]表明, 一 定 条 件 下 直 流 电 弧 瞬 时 温 度 最 高 可 达 7226.85℃。由于PVC热稳定性较差,当温度超过 150℃时,PVC便会迅速分解[9-10]。电弧产生的高 温将使PVC分解,析出氯元素。锡元素的存在与铜 丝表面的镀锡处理有关。对氧元素富集区和非富集 区进行能谱半定量分析,富集区氧元素质量分数为 14.04%,而非富集区氧元素质量分数为1.89%,富 集区氧含量明显高于非富集区的。判断黑色物质为 铜的氧化物。
1.4 金相检验
为判断导线在断裂前是否存在过热情况,在 5号铜丝断口以下5mm处截取横、纵截面试样,经 镶嵌、粗磨、精磨、抛光,再用氯化铁盐酸溶液浸蚀, 在倒置金相显微镜下观察显微组织。由图6可以看 出:铜丝表面显微组织与心部的基本相同,未见高温 氧化组织;基体晶粒细小,根据 GB/T6394-2017 《金属平均晶粒度测定方法》的技术要求,测得其平 均晶粒度级别为9.5级,未见明显异常。表明导线 断裂前未出现严重发热情况。
为探究断口电弧烧蚀情况,垂直于5号铜丝断 口截取纵截面金相试样,在金相显微镜下观察显微 组织。可以看出,5号铜丝断口处显微组织中没有 出现文献[11]中描述的短路熔化再结晶组织,如图 6b)所示。断口以下部分导线的显微组织未见明显 异常,表明5号铜丝先发生了疲劳断裂,然后断口间 形成电弧,烧蚀断口,由于烧蚀深度较浅,通过金相 显微镜较难观察到。
1.5 硬度检测
使用显微维氏硬度计对铜丝进行维氏硬度检 测。对7股铜丝各检测5个点,硬度测试结果见表 1。GB/T3953-2009《电工圆铜线》和 GB/T2040 -2017《铜及铜合金板材》对铜丝的硬度未作要求, 综合考虑加工硬化的影响,各铜丝的硬度测试结果 基本正常。
2 分析与讨论
以上检验结果表明,铜丝的显微组织和硬度符 合技术要求,同时铜丝不存在严重发热情况,因此可以排除电流过大导致铜丝断裂的可能性。
根据铜丝断口宏观形貌、微观形貌及能谱分析 结果可知,铜丝断口经历过高温烧蚀,表面黑色物质 为铜的氧化物,未被烧蚀破坏的原始断口可见清晰 的疲劳条带。疲劳条带为疲劳断裂的典型特征形 貌,因此判断铜丝首先发生疲劳断裂,然后两端断口 在断续接触时形成电弧,烧蚀断口表面。
汽车线束在汽车正常工作时其所受的应力一般 可以忽略不计。整车道路试验时,车辆会经过各种 复杂路况,以验证各零部件的可靠性[12-13]。当经过 颠簸路面时,如果线束线夹固定点设置不合理,线束 会出现异常振动。研究表明,异常振动是导致线束 导线疲劳断裂的重要原因之一[14]。根据宏观形貌 可知,此导线断裂位于固定点插拔端子附近。通过 检查导线失效点到下一个固定点之间线束的可自由 活动范围发现,线束可自由活动范围过大,该距离远 大于设计要求。当固定点之后的线束整体振动时, 将在断裂位置产生不可忽略的交变应力,运行一段 时间后导线最终发生疲劳断裂。
3 结论及建议
(1)电动汽车铜导线断裂属于疲劳断裂。
(2)铜导线断裂的主要原因是导线固定点设置 不合理,线束可自由活动范围过大,造成整车振动试 验时导线固定端受到过大的交变应力,运行一段时 间后导线最终在固定点的插拔端子附近发生疲劳断 裂。随后车辆继续运行中,导线断续接触,导致导线 铜丝断口受到高温烧蚀,表面产生黑色覆盖物质,其 主要成分为铜的氧化物。
(3)建议在整车设计阶段充分考虑线束振动情 况,设置线束固定点的位置和数量时应保证整车振 动时线束相对车身固定点的振幅不超出设计范围的要求;在线束装配时应检查扎带或线夹是否安装到 位,端子和连接器的装配公差是否满足要求。
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