近年來，新能源汽車發(fā)展迅猛，電控系統(tǒng)作為電動汽車的核心，主要負責采集和處理各種信息，如油門、制動踏板、方向盤和轉向等部件的信息，并發(fā)出相應的指令，控制驅動電機的轉速和轉動方向，同時管理能量回收等任務，在電動汽車中起到了非常重要的作用[1]。直流銅排作為電機控制器的子零件，在驅動電機控制器中用來連接直流高壓接插件、電機控制器內部母排、薄膜電容，實現(xiàn)其連接作用和導電作用。 

某汽車參照GB/T 28046.3—2011《道路車輛 電氣及電子設備的環(huán)境條件和試驗 第3部分：機械負荷》，依次在x、y、z方向上對驅動電機進行隨機振動試驗。完成x方向振動試驗后，對驅動電機低轉速進行空載檢查，未發(fā)現(xiàn)異常；進行y方向振動試驗時，電機發(fā)生故障，拆機檢查發(fā)現(xiàn)電機控制器內的直流銅排發(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→成品。筆者采用一系列理化檢驗方法對直流銅排斷裂的原因進行分析，以避免該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

驅動電機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動電機控制器內，在y方向隨機振動試驗中，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表面的擠壓痕跡均與電機在y方向振動時的受力方向一致。 

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，與設計圖不符，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，說明斷口附近的應力沒有超過屈服強度；斷口側面存在明顯的熔融-二次凝固痕跡，與斷口燒蝕現(xiàn)象對應[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行觀察，結果如圖4所示。由圖4可知：斷口表面已經嚴重燒蝕，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行分析，結果如表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，以達到電流絕緣的效果。聚乙烯是一種通過聚合反應得到的高分子化合物，在聚合反應中常使用催化劑來促進聚合反應的進行，這些催化劑中通常都含有Cl元素，因此在聚合反應中，會將部分氯原子傳遞給聚乙烯分子，導致聚乙烯中含有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，最終導致斷口表面存在Cl元素，斷口表面的黑色區(qū)域為絕緣套燒蝕后在斷口表面形成的產物。凹槽缺陷內遠離斷口的鍍鎳層較完整且覆蓋率較高。 

1.3   金相檢驗

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，采用光學顯微鏡對直流銅排斷口縱截面進行觀察，結果如圖5所示。由圖5可知：斷口附近存在明顯的凹槽缺陷，凹槽內存在明顯的裂紋，該裂紋內沒有鍍層填充，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，這些微裂紋內部沒有鍍層填充，說明這些裂紋不是原始裂紋，遠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)生電化學反應，導致銅基體發(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部擴展的跡象，而斷口附近表面卻產生了非原始裂紋，說明斷口附近存在較大的應力集中，導致非原始裂紋的萌生和擴展；而斷口附近沒有塑性變形痕跡，說明該應力集中導致局部應力變大，但沒有達到材料的屈服強度。說明直流銅排表面凹槽缺陷處應力集中，導致其發(fā)生了疲勞斷裂。 

1.4   化學成分分析

在斷裂直流銅排基體上取樣，對試樣進行化學成分分析，結果如表2所示。由表2可知：直流銅排基體的化學成分符合GB/T 5231—2001 《加工銅及銅合金化學成分和產品形狀》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行維氏硬度測試，直流銅排基體的硬度測試結果為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、化學成分以及鍍層厚度均符合技術要求。斷裂直流銅排在R角內的凹槽缺陷處發(fā)生斷裂，直流銅排沖孔外表面的磨損痕跡以及沖孔內表面的擠壓痕跡均與驅動電機在y方向上的振動方向保持一致，說明了驅動電機在進行y方向振動試驗時，直流銅排的受力方向也是y方向。直流銅排在受力時，其沖孔、R角和表面凹槽缺陷處容易產生應力集中，導致局部應力變大。 

直流銅排斷口已經發(fā)生嚴重燒蝕，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應力小于直流銅排材料的屈服強度。直流銅排斷口處的原始裂紋沒有擴展跡象，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行y方向上的隨機振動試驗時，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。 

直流銅排在傳導電流的過程中會產生一定的熱量，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，以保證直流銅排的導電性能和力學性能。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，因此在進行電流傳遞時，凹槽缺陷處的電阻變大，導致直流銅排在導電時該位置的溫度急劇升高，凹槽缺陷處的力學性能下降[3-5]。結合直流銅排斷口表面存在絕緣套的燒蝕產物，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（350 ℃），低于T2銅的熔點（1 083.4 ℃），導致直流銅排在凹槽缺陷處的力學性能下降。但在進行y方向的隨機振動試驗前，驅動電機已經完成了x方向的隨機振動試驗，說明直流銅排導電時，凹槽缺陷處的溫度急劇升高并不是導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展起到一定的促進作用。 

直流銅排在進行y方向上的隨機振動試驗時，折彎R角內的凹槽表面缺陷處產生了較大的應力集中，在應力作用下直流銅排發(fā)生了疲勞斷裂，直流銅排導電時，凹槽缺陷處的溫度升高，導致其力學性能下降，進一步促進了裂紋的萌生和擴展。 

3.   結論及建議

直流銅排的斷裂形式為疲勞斷裂，斷裂起源于折彎R角內的凹槽缺陷處，驅動電機在進行y方向上的隨機振動試驗時，直流銅排凹槽缺陷處產生了較大的應力集中，在y方向載荷的作用下，萌生了微裂紋，裂紋不斷擴展，最終導致直流銅排發(fā)生疲勞斷裂。直流銅排導電時，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，最終導致凹槽缺陷處的力學性能下降，促進了裂紋的萌生和擴展。 

建議加強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量，減少表面質量缺陷及應力集中，避免產生裂紋。

文章來源——材料與測試網