分享：驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器直流銅排斷裂原因

近年來，新能源汽車發(fā)展迅猛，電控系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的核心，主要負(fù)責(zé)采集和處理各種信息，如油門、制動(dòng)踏板、方向盤和轉(zhuǎn)向等部件的信息，并發(fā)出相應(yīng)的指令，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，同時(shí)管理能量回收等任務(wù)，在電動(dòng)汽車中起到了非常重要的作用[1]。直流銅排作為電機(jī)控制器的子零件，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器中用來連接直流高壓接插件、電機(jī)控制器內(nèi)部母排、薄膜電容，實(shí)現(xiàn)其連接作用和導(dǎo)電作用。 

某汽車參照GB/T 28046.3—2011《道路車輛 電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn) 第3部分：機(jī)械負(fù)荷》，依次在x、y、z方向上對驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。完成x方向振動(dòng)試驗(yàn)后，對驅(qū)動(dòng)電機(jī)低轉(zhuǎn)速進(jìn)行空載檢查，未發(fā)現(xiàn)異常；進(jìn)行y方向振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，電機(jī)發(fā)生故障，拆機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)電機(jī)控制器內(nèi)的直流銅排發(fā)生斷裂。該直流銅排的基體材料為純銅T2，表面處理工藝為鍍鎳，主要加工流程為：下料→清洗→折彎→沖孔→打磨→鍍鎳→檢驗(yàn)→成品。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對直流銅排斷裂的原因進(jìn)行分析，以避免該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器直流銅排裝配圖如圖1所示，直流銅排通過螺栓固定在驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器內(nèi)，在y方向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中，紅色正極直流銅排發(fā)生斷裂。 

圖  1  直流銅排裝配圖

斷裂直流銅排的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：沖孔1、2、3外表面均存在不均勻的磨損痕跡，沖孔1和沖孔3的內(nèi)表面均存在明顯的不均勻擠壓痕跡，且沖孔外表面的磨損痕跡和沖孔內(nèi)表面的擠壓痕跡均與電機(jī)在y方向振動(dòng)時(shí)的受力方向一致。 

圖  2  斷裂直流銅排的宏觀形貌

直流銅排斷口的宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：直流銅排在折彎R角處發(fā)生斷裂，斷口較為平坦，斷口表面的部分區(qū)域呈黑色；斷口附近存在明顯的凹槽缺陷，該U型凹槽缺陷為加工缺陷，與設(shè)計(jì)圖不符，該缺陷長度大約占直流銅排寬度的90%，凹槽缺陷表面的曲率半徑為25 mm，凹槽深度為14 mm；斷口附近的直流銅排表面未見塑性變形痕跡，說明斷口附近的應(yīng)力沒有超過屈服強(qiáng)度；斷口側(cè)面存在明顯的熔融-二次凝固痕跡，與斷口燒蝕現(xiàn)象對應(yīng)[2]。 

圖  3  直流銅排斷口的宏觀形貌

1.2   掃描電鏡（SEM）及能譜分析

用超聲波清洗直流銅排斷口，然后用掃描電子顯微鏡對其進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：斷口表面已經(jīng)嚴(yán)重?zé)g，沒有明顯的斷口特征；凹槽缺陷表面較為光滑，凹槽缺陷中存在平行于斷口的裂紋。 

圖  4  直流銅排斷口的SEM形貌

采用能譜儀對直流銅排的斷口、斷口附近的凹槽缺陷及直流銅排光滑表面處進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷口處主要含有Cu、C、O、Cl等元素；凹槽缺陷處主要含有Ni、Cu、C等元素；直流銅排光滑表面處主要含有Ni、Cu、C等元素。 

直流銅排表面通過包裹聚乙烯絕緣套，以達(dá)到電流絕緣的效果。聚乙烯是一種通過聚合反應(yīng)得到的高分子化合物，在聚合反應(yīng)中常使用催化劑來促進(jìn)聚合反應(yīng)的進(jìn)行，這些催化劑中通常都含有Cl元素，因此在聚合反應(yīng)中，會(huì)將部分氯原子傳遞給聚乙烯分子，導(dǎo)致聚乙烯中含有Cl元素。 

直流銅排斷口處檢測出Cl元素，凹槽缺陷和直流銅排光滑表面處未檢測出Cl元素，表明斷口處的Cl元素是其他物質(zhì)引入的。斷口表面部分區(qū)域呈黑色，且斷口存在燒蝕現(xiàn)象，說明包裹在直流銅排表面的聚乙烯絕緣套在凹槽位置局部溫度過高，造成材料發(fā)生燒蝕，最終導(dǎo)致斷口表面存在Cl元素，斷口表面的黑色區(qū)域?yàn)榻^緣套燒蝕后在斷口表面形成的產(chǎn)物。凹槽缺陷內(nèi)遠(yuǎn)離斷口的鍍鎳層較完整且覆蓋率較高。 

1.3   金相檢驗(yàn)

在垂直于直流銅排斷口處截取金相試樣，將試樣打磨、拋光、腐蝕后，采用光學(xué)顯微鏡對直流銅排斷口縱截面進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：斷口附近存在明顯的凹槽缺陷，凹槽內(nèi)存在明顯的裂紋，該裂紋內(nèi)沒有鍍層填充，說明該裂紋不是原始裂紋；銅排表面鍍層厚度平均值為2.22 μm，符合鍍鎳層深度的技術(shù)要求（2~5 μm）；斷口處可見深度約為24 μm的裂紋，該裂紋縫隙中可見鍍層填充，說明該裂紋是原始裂紋；直流銅排斷口附近的表面存在多處微裂紋，這些微裂紋內(nèi)部沒有鍍層填充，說明這些裂紋不是原始裂紋，遠(yuǎn)離斷口的直流銅排表面則沒有類似的非原始微裂紋，說明斷口附近存在較大的應(yīng)力集中；斷口表面的深色層是金相腐蝕過程中，鍍鎳層與銅發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致銅基體發(fā)生腐蝕所致。 

圖  5  直流銅排斷口的微觀形貌

原始裂紋沒有向基體內(nèi)部擴(kuò)展的跡象，而斷口附近表面卻產(chǎn)生了非原始裂紋，說明斷口附近存在較大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致非原始裂紋的萌生和擴(kuò)展；而斷口附近沒有塑性變形痕跡，說明該應(yīng)力集中導(dǎo)致局部應(yīng)力變大，但沒有達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度。說明直流銅排表面凹槽缺陷處應(yīng)力集中，導(dǎo)致其發(fā)生了疲勞斷裂。 

1.4   化學(xué)成分分析

在斷裂直流銅排基體上取樣，對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示。由表2可知：直流銅排基體的化學(xué)成分符合GB/T 5231—2001 《加工銅及銅合金化學(xué)成分和產(chǎn)品形狀》對純銅T2材料的要求。 

1.5   硬度測試

使用維氏硬度儀對直流銅排金相試樣進(jìn)行維氏硬度測試，直流銅排基體的硬度測試結(jié)果為95，95，95，96，97 HV，平均值為96 HV，符合GB/T 2040—2008《銅及銅合金板材》對純銅T2材料的要求（90~120 HV）。 

2.   綜合分析

斷裂直流銅排基體的硬度、化學(xué)成分以及鍍層厚度均符合技術(shù)要求。斷裂直流銅排在R角內(nèi)的凹槽缺陷處發(fā)生斷裂，直流銅排沖孔外表面的磨損痕跡以及沖孔內(nèi)表面的擠壓痕跡均與驅(qū)動(dòng)電機(jī)在y方向上的振動(dòng)方向保持一致，說明了驅(qū)動(dòng)電機(jī)在進(jìn)行y方向振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，直流銅排的受力方向也是y方向。直流銅排在受力時(shí)，其沖孔、R角和表面凹槽缺陷處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部應(yīng)力變大。 

直流銅排斷口已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重?zé)g，沒有明顯的斷口特征。斷口較為平坦，斷口附近的直流銅排表面沒有塑性變形痕跡，說明直流銅排在完全斷裂前斷口處的真實(shí)應(yīng)力小于直流銅排材料的屈服強(qiáng)度。直流銅排斷口處的原始裂紋沒有擴(kuò)展跡象，而斷口附近表面卻萌生了非原始裂紋，說明直流銅排是在進(jìn)行y方向上的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，在y方向的載荷作用下，直流銅排在凹槽缺陷處發(fā)生疲勞斷裂。 

直流銅排在傳導(dǎo)電流的過程中會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，一般通過物理降溫的方式將直流銅排溫度控制在合理范圍內(nèi)，以保證直流銅排的導(dǎo)電性能和力學(xué)性能。直流銅排斷口附近存在明顯的凹槽缺陷，該缺陷長度約為直流銅排寬度的90%，直流銅排在凹槽缺陷處的橫截面積變小，因此在進(jìn)行電流傳遞時(shí)，凹槽缺陷處的電阻變大，導(dǎo)致直流銅排在導(dǎo)電時(shí)該位置的溫度急劇升高，凹槽缺陷處的力學(xué)性能下降[3-5]。結(jié)合直流銅排斷口表面存在絕緣套的燒蝕產(chǎn)物，以及斷口附近未見晶粒長大等現(xiàn)象，判斷直流銅排在完全斷裂前斷口附近存在較高的溫度，但該溫度高于聚乙烯絕緣套的燃點(diǎn)（350 ℃），低于T2銅的熔點(diǎn)（1 083.4 ℃），導(dǎo)致直流銅排在凹槽缺陷處的力學(xué)性能下降。但在進(jìn)行y方向的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)前，驅(qū)動(dòng)電機(jī)已經(jīng)完成了x方向的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，說明直流銅排導(dǎo)電時(shí)，凹槽缺陷處的溫度急劇升高并不是導(dǎo)致直流銅排斷裂的主要原因，只對斷口初始裂紋的萌生和擴(kuò)展起到一定的促進(jìn)作用。 

直流銅排在進(jìn)行y方向上的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，折彎R角內(nèi)的凹槽表面缺陷處產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，在應(yīng)力作用下直流銅排發(fā)生了疲勞斷裂，直流銅排導(dǎo)電時(shí)，凹槽缺陷處的溫度升高，導(dǎo)致其力學(xué)性能下降，進(jìn)一步促進(jìn)了裂紋的萌生和擴(kuò)展。 

3.   結(jié)論及建議

直流銅排的斷裂形式為疲勞斷裂，斷裂起源于折彎R角內(nèi)的凹槽缺陷處，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在進(jìn)行y方向上的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，直流銅排凹槽缺陷處產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，在y方向載荷的作用下，萌生了微裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致直流銅排發(fā)生疲勞斷裂。直流銅排導(dǎo)電時(shí)，凹槽缺陷處截面積減小，電阻增大，引起凹槽缺陷處局部溫度過高，最終導(dǎo)致凹槽缺陷處的力學(xué)性能下降，促進(jìn)了裂紋的萌生和擴(kuò)展。 

建議加強(qiáng)對直流銅加工工藝和成型工藝的把控，改善直流銅排的表面質(zhì)量，減少表面質(zhì)量缺陷及應(yīng)力集中，避免產(chǎn)生裂紋。

文章來源——材料與測試網(wǎng)