電動汽車銅導線斷裂原因

陳 然, 楊麗卉, 張 月, 李建新, 黃文長

(東風汽車集團有限公司技術中心, 武漢 430000)

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1 000 m左右[1]，而電動汽車的導線用量遠遠超過1 000 m。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5 200 km。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。

圖1 斷裂導線的宏觀形貌及銅絲編號示意Fig.1 Macromorphology of fractured wire and diagram of copper wire number:a) wire; b) fracture of copper wire; c) copper wire number

在體視顯微鏡下觀察導線斷口，可見導線由7股直徑約300 μm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。

圖2 銅絲編號示意及導線銅絲斷口SEM形貌Fig.2 Diagram of copper wire number and SEM morphology of fracture of wire copper wire:a) overall morphology of fracture; b) copper wire number; c) fracture morphology of copper wire 5;d) fatigue band of fracture of copper wire 5; e) morphology of ablation area on fracture of copper wire 5

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。

圖3 4號銅絲斷口SEM形貌Fig.3 SEM morphology of fracture of copper wire 4:a) overall morphology; b) morphology of ablation area; c) fatigue band

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。

圖4 5號銅絲斷口宏觀形貌與SEM形貌Fig.4 a) Macromorphology and b) SEM morphology of fracture of copper wire 5

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7 226.85 ℃。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。

圖5 5號銅絲斷口能譜面掃結果Fig.5 Energy spectrum mapping results of fracture of copper wire 5

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5 mm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/T 6394-2017《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。

圖6 5號銅絲不同方向試樣的顯微組織Fig.6 Microstructure of samples of copper wire 5 in different directions:a) cross section; b) longitudinal section

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/T 3953-2009《電工圓銅線》和GB/T 2040-2017《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。

表1 銅絲硬度檢測結果Tab.1 Test results of copper wire hardness

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。