电动汽车铜导线断裂原因

陈 然, 杨丽卉, 张 月, 李建新, 黄文长

(东风汽车集团有限公司技术中心, 武汉 430000)

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1 000 m左右[1]，而电动汽车的导线用量远远超过1 000 m。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5 200 km。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。

图1 断裂导线的宏观形貌及铜丝编号示意Fig.1 Macromorphology of fractured wire and diagram of copper wire number:a) wire; b) fracture of copper wire; c) copper wire number

在体视显微镜下观察导线断口，可见导线由7股直径约300 μm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。

图2 铜丝编号示意及导线铜丝断口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。

图3 4号铜丝断口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。

图4 5号铜丝断口宏观形貌与SEM形貌Fig.4 a) Macromorphology and b) SEM morphology of fracture of copper wire 5

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7 226.85 ℃。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。

图5 5号铜丝断口能谱面扫结果Fig.5 Energy spectrum mapping results of fracture of copper wire 5

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5 mm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/T 6394-2017《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。

图6 5号铜丝不同方向试样的显微组织Fig.6 Microstructure of samples of copper wire 5 in different directions:a) cross section; b) longitudinal section

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/T 3953-2009《电工圆铜线》和GB/T 2040-2017《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。

表1 铜丝硬度检测结果Tab.1 Test results of copper wire hardness

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。