摘 要:某電動(dòng)汽車在整車試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)導(dǎo)線斷裂故障,通過宏觀觀察、微觀觀察、金相檢驗(yàn)和能 譜分析等方法對導(dǎo)線的斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:電動(dòng)汽車銅導(dǎo)線的斷裂屬于疲勞斷裂;導(dǎo) 線固定點(diǎn)設(shè)置不合理,線束可自由活動(dòng)范圍過大,使得整車振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)導(dǎo)線固定端受到過大的交變 應(yīng)力,導(dǎo)致運(yùn)行一段時(shí)間后導(dǎo)線在固定點(diǎn)的插拔端子附近發(fā)生疲勞斷裂;車輛繼續(xù)運(yùn)行中,導(dǎo)線斷 續(xù)接觸,導(dǎo)致導(dǎo)線斷口受到高溫?zé)g,表面產(chǎn)生黑色覆蓋物質(zhì),主要成分為銅的氧化物。
關(guān)鍵詞:銅導(dǎo)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(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2021)11-0050-05
隨著電動(dòng)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1000m 左右[1],而電動(dòng)汽車的導(dǎo)線用量 遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhàn),同時(shí)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(dòng)汽車至關(guān)重要。
某電動(dòng)汽車在出廠前的道路試驗(yàn)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(shí)整車試驗(yàn)里程僅為5200km。 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(dòng)汽 車銅導(dǎo)線的斷裂原因進(jìn)行了分析。
1 理化檢驗(yàn)
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(diǎn)到下一個(gè)固定點(diǎn)之間線束的可 自由活動(dòng)范圍,發(fā)現(xiàn)線束可自由活動(dòng)范圍過大。
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300μm 的細(xì)銅絲組成,按順時(shí)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(gè)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。
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(shí)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(tái)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(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。
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(shí)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(shí) 溫 度 最 高 可 達(dá) 7226.85℃。由于PVC熱穩(wěn)定性較差,當(dāng)溫度超過 150℃時(shí),PVC便會(huì)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。
1.4 金相檢驗(yàn)
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5mm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/T6394-2017 《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。
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(jì)對銅絲進(jìn)行維氏硬度檢 測。對7股銅絲各檢測5個(gè)點(diǎn),硬度測試結(jié)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(jié)果 基本正常。
2 分析與討論
以上檢驗(yàn)結(jié)果表明,銅絲的顯微組織和硬度符 合技術(shù)要求,同時(shí)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(shí)形成電弧,燒蝕斷口表面。
汽車線束在汽車正常工作時(shí)其所受的應(yīng)力一般 可以忽略不計(jì)。整車道路試驗(yàn)時(shí),車輛會(huì)經(jīng)過各種 復(fù)雜路況,以驗(yàn)證各零部件的可靠性[12-13]。當(dāng)經(jīng)過 顛簸路面時(shí),如果線束線夾固定點(diǎn)設(shè)置不合理,線束 會(huì)出現(xiàn)異常振動(dòng)。研究表明,異常振動(dòng)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(diǎn)插拔端子附近。通過 檢查導(dǎo)線失效點(diǎn)到下一個(gè)固定點(diǎn)之間線束的可自由 活動(dòng)范圍發(fā)現(xiàn),線束可自由活動(dòng)范圍過大,該距離遠(yuǎn) 大于設(shè)計(jì)要求。當(dāng)固定點(diǎn)之后的線束整體振動(dòng)時(shí), 將在斷裂位置產(chǎn)生不可忽略的交變應(yīng)力,運(yùn)行一段 時(shí)間后導(dǎo)線最終發(fā)生疲勞斷裂。
3 結(jié)論及建議
(1)電動(dòng)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(diǎn)設(shè)置 不合理,線束可自由活動(dòng)范圍過大,造成整車振動(dòng)試 驗(yàn)時(shí)導(dǎo)線固定端受到過大的交變應(yīng)力,運(yùn)行一段時(shí) 間后導(dǎo)線最終在固定點(diǎn)的插拔端子附近發(fā)生疲勞斷 裂。隨后車輛繼續(xù)運(yùn)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(jì)階段充分考慮線束振動(dòng)情 況,設(shè)置線束固定點(diǎn)的位置和數(shù)量時(shí)應(yīng)保證整車振 動(dòng)時(shí)線束相對車身固定點(diǎn)的振幅不超出設(shè)計(jì)范圍的要求;在線束裝配時(shí)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。
參考文獻(xiàn):
[1] 王宇,姚旭東,歐文軍,等.汽車用導(dǎo)線現(xiàn)狀及發(fā)展前 景[J].汽車電器,2020(4):35-38.
[2] 顧麗華,祝軍華.電動(dòng)汽車火災(zāi)危險(xiǎn)性分析及對策研 究[C]∥2016中國消防協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)年會(huì)論文集.南 京:中國消防協(xié)會(huì),2016:368-371.
[3] 李湘海,蔣長樂.電真空無氧銅棒表面起泡原因分析 [J].理化檢驗(yàn)(物理分冊),2017,53(2):144-146.
[4] 張超,李瑋,祝偉明.電線斷裂失效的原因及特點(diǎn)[J]. 失效分析與預(yù)防,2012,7(2):122-125.
[5] 孫智.失效分析—基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出 版社,2005.
[6] 鐘群鵬,趙子華.斷口學(xué)[M].北京:高等教育出版社, 2006.
[7] 朱冠南,楊曉藝,高宇航,等.小電流直流電弧的動(dòng)態(tài) 模擬及其穩(wěn)態(tài)特性研究[J].電測與儀表,2020,57 (1):42-48.
[8] 張志強(qiáng),張國鋼,郄爽,等.發(fā)射光譜法測量空氣直流 電弧溫度分布與電子密度[J].電器與能效管理技術(shù), 2016(22):57-60.
[9] 高中峰.PVC改性和加工應(yīng)用工藝研究進(jìn)展[J].工 程塑料應(yīng)用,2020,48(6):150-153.
[10] 周錄堯,于萌.汽車低壓電線的電流容量[J].汽車電 器,2019(8):32-35.
[11] 劉筱薇,金應(yīng)榮.銅導(dǎo)線的短路熔痕與過熱熔斷熔痕 分析[J].熱加工工藝,2011,40(14):194-196.
[12] 李帥,李毅,馬立元.電動(dòng)汽車整車道路模擬試驗(yàn)的研 究[J].汽車技術(shù),2017(2):16-19.
[13] 郭利偉.探討汽車開發(fā)中的整車可靠性試驗(yàn)[J].時(shí)代 汽車,2019(14):34-35.
[14] 孫智君,劉榮,劉國良.壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片掉塊斷裂分析 [J].理化檢驗(yàn)(物理分冊),2016,52(12):878-883.