分享：驱动电机控制器直流铜排断裂原因

近年来，新能源汽车发展迅猛，电控系统作为电动汽车的核心，主要负责采集和处理各种信息，如油门、制动踏板、方向盘和转向等部件的信息，并发出相应的指令，控制驱动电机的转速和转动方向，同时管理能量回收等任务，在电动汽车中起到了非常重要的作用[1]。直流铜排作为电机控制器的子零件，在驱动电机控制器中用来连接直流高压接插件、电机控制器内部母排、薄膜电容，实现其连接作用和导电作用。 

某汽车参照GB/T 28046.3—2011《道路车辆 电气及电子设备的环境条件和试验 第3部分：机械负荷》，依次在x、y、z方向上对驱动电机进行随机振动试验。完成x方向振动试验后，对驱动电机低转速进行空载检查，未发现异常；进行y方向振动试验时，电机发生故障，拆机检查发现电机控制器内的直流铜排发生断裂。该直流铜排的基体材料为纯铜T2，表面处理工艺为镀镍，主要加工流程为：下料→清洗→折弯→冲孔→打磨→镀镍→检验→成品。笔者采用一系列理化检验方法对直流铜排断裂的原因进行分析，以避免该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

驱动电机控制器直流铜排装配图如图1所示，直流铜排通过螺栓固定在驱动电机控制器内，在y方向随机振动试验中，红色正极直流铜排发生断裂。 

图  1  直流铜排装配图

断裂直流铜排的宏观形貌如图2所示。由图2可知：冲孔1、2、3外表面均存在不均匀的磨损痕迹，冲孔1和冲孔3的内表面均存在明显的不均匀挤压痕迹，且冲孔外表面的磨损痕迹和冲孔内表面的挤压痕迹均与电机在y方向振动时的受力方向一致。 

图  2  断裂直流铜排的宏观形貌

直流铜排断口的宏观形貌如图3所示。由图3可知：直流铜排在折弯R角处发生断裂，断口较为平坦，断口表面的部分区域呈黑色；断口附近存在明显的凹槽缺陷，该U型凹槽缺陷为加工缺陷，与设计图不符，该缺陷长度大约占直流铜排宽度的90%，凹槽缺陷表面的曲率半径为25 mm，凹槽深度为14 mm；断口附近的直流铜排表面未见塑性变形痕迹，说明断口附近的应力没有超过屈服强度；断口侧面存在明显的熔融-二次凝固痕迹，与断口烧蚀现象对应[2]。 

图  3  直流铜排断口的宏观形貌

1.2   扫描电镜（SEM）及能谱分析

用超声波清洗直流铜排断口，然后用扫描电子显微镜对其进行观察，结果如图4所示。由图4可知：断口表面已经严重烧蚀，没有明显的断口特征；凹槽缺陷表面较为光滑，凹槽缺陷中存在平行于断口的裂纹。 

图  4  直流铜排断口的SEM形貌

采用能谱仪对直流铜排的断口、断口附近的凹槽缺陷及直流铜排光滑表面处进行分析，结果如表1所示。由表1可知：断口处主要含有Cu、C、O、Cl等元素；凹槽缺陷处主要含有Ni、Cu、C等元素；直流铜排光滑表面处主要含有Ni、Cu、C等元素。 

直流铜排表面通过包裹聚乙烯绝缘套，以达到电流绝缘的效果。聚乙烯是一种通过聚合反应得到的高分子化合物，在聚合反应中常使用催化剂来促进聚合反应的进行，这些催化剂中通常都含有Cl元素，因此在聚合反应中，会将部分氯原子传递给聚乙烯分子，导致聚乙烯中含有Cl元素。 

直流铜排断口处检测出Cl元素，凹槽缺陷和直流铜排光滑表面处未检测出Cl元素，表明断口处的Cl元素是其他物质引入的。断口表面部分区域呈黑色，且断口存在烧蚀现象，说明包裹在直流铜排表面的聚乙烯绝缘套在凹槽位置局部温度过高，造成材料发生烧蚀，最终导致断口表面存在Cl元素，断口表面的黑色区域为绝缘套烧蚀后在断口表面形成的产物。凹槽缺陷内远离断口的镀镍层较完整且覆盖率较高。 

1.3   金相检验

在垂直于直流铜排断口处截取金相试样，将试样打磨、抛光、腐蚀后，采用光学显微镜对直流铜排断口纵截面进行观察，结果如图5所示。由图5可知：断口附近存在明显的凹槽缺陷，凹槽内存在明显的裂纹，该裂纹内没有镀层填充，说明该裂纹不是原始裂纹；铜排表面镀层厚度平均值为2.22 μm，符合镀镍层深度的技术要求（2~5 μm）；断口处可见深度约为24 μm的裂纹，该裂纹缝隙中可见镀层填充，说明该裂纹是原始裂纹；直流铜排断口附近的表面存在多处微裂纹，这些微裂纹内部没有镀层填充，说明这些裂纹不是原始裂纹，远离断口的直流铜排表面则没有类似的非原始微裂纹，说明断口附近存在较大的应力集中；断口表面的深色层是金相腐蚀过程中，镀镍层与铜发生电化学反应，导致铜基体发生腐蚀所致。 

图  5  直流铜排断口的微观形貌

原始裂纹没有向基体内部扩展的迹象，而断口附近表面却产生了非原始裂纹，说明断口附近存在较大的应力集中，导致非原始裂纹的萌生和扩展；而断口附近没有塑性变形痕迹，说明该应力集中导致局部应力变大，但没有达到材料的屈服强度。说明直流铜排表面凹槽缺陷处应力集中，导致其发生了疲劳断裂。 

1.4   化学成分分析

在断裂直流铜排基体上取样，对试样进行化学成分分析，结果如表2所示。由表2可知：直流铜排基体的化学成分符合GB/T 5231—2001 《加工铜及铜合金化学成分和产品形状》对纯铜T2材料的要求。 

1.5   硬度测试

使用维氏硬度仪对直流铜排金相试样进行维氏硬度测试，直流铜排基体的硬度测试结果为95，95，95，96，97 HV，平均值为96 HV，符合GB/T 2040—2008《铜及铜合金板材》对纯铜T2材料的要求（90~120 HV）。 

2.   综合分析

断裂直流铜排基体的硬度、化学成分以及镀层厚度均符合技术要求。断裂直流铜排在R角内的凹槽缺陷处发生断裂，直流铜排冲孔外表面的磨损痕迹以及冲孔内表面的挤压痕迹均与驱动电机在y方向上的振动方向保持一致，说明了驱动电机在进行y方向振动试验时，直流铜排的受力方向也是y方向。直流铜排在受力时，其冲孔、R角和表面凹槽缺陷处容易产生应力集中，导致局部应力变大。 

直流铜排断口已经发生严重烧蚀，没有明显的断口特征。断口较为平坦，断口附近的直流铜排表面没有塑性变形痕迹，说明直流铜排在完全断裂前断口处的真实应力小于直流铜排材料的屈服强度。直流铜排断口处的原始裂纹没有扩展迹象，而断口附近表面却萌生了非原始裂纹，说明直流铜排是在进行y方向上的随机振动试验时，在y方向的载荷作用下，直流铜排在凹槽缺陷处发生疲劳断裂。 

直流铜排在传导电流的过程中会产生一定的热量，一般通过物理降温的方式将直流铜排温度控制在合理范围内，以保证直流铜排的导电性能和力学性能。直流铜排断口附近存在明显的凹槽缺陷，该缺陷长度约为直流铜排宽度的90%，直流铜排在凹槽缺陷处的横截面积变小，因此在进行电流传递时，凹槽缺陷处的电阻变大，导致直流铜排在导电时该位置的温度急剧升高，凹槽缺陷处的力学性能下降[3-5]。结合直流铜排断口表面存在绝缘套的烧蚀产物，以及断口附近未见晶粒长大等现象，判断直流铜排在完全断裂前断口附近存在较高的温度，但该温度高于聚乙烯绝缘套的燃点（350 ℃），低于T2铜的熔点（1 083.4 ℃），导致直流铜排在凹槽缺陷处的力学性能下降。但在进行y方向的随机振动试验前，驱动电机已经完成了x方向的随机振动试验，说明直流铜排导电时，凹槽缺陷处的温度急剧升高并不是导致直流铜排断裂的主要原因，只对断口初始裂纹的萌生和扩展起到一定的促进作用。 

直流铜排在进行y方向上的随机振动试验时，折弯R角内的凹槽表面缺陷处产生了较大的应力集中，在应力作用下直流铜排发生了疲劳断裂，直流铜排导电时，凹槽缺陷处的温度升高，导致其力学性能下降，进一步促进了裂纹的萌生和扩展。 

3.   结论及建议

直流铜排的断裂形式为疲劳断裂，断裂起源于折弯R角内的凹槽缺陷处，驱动电机在进行y方向上的随机振动试验时，直流铜排凹槽缺陷处产生了较大的应力集中，在y方向载荷的作用下，萌生了微裂纹，裂纹不断扩展，最终导致直流铜排发生疲劳断裂。直流铜排导电时，凹槽缺陷处截面积减小，电阻增大，引起凹槽缺陷处局部温度过高，最终导致凹槽缺陷处的力学性能下降，促进了裂纹的萌生和扩展。 

建议加强对直流铜加工工艺和成型工艺的把控，改善直流铜排的表面质量，减少表面质量缺陷及应力集中，避免产生裂纹。

文章来源——材料与测试网