鋁導線熔珠內部孔洞特征規律

郭少斐，王 蕓，段 冶，張瀟丹

（中國人民武裝警察部隊學院，河北廊坊065000）

鋁導線熔珠內部孔洞特征規律

郭少斐，王 蕓，段 冶，張瀟丹

（中國人民武裝警察部隊學院，河北廊坊065000）

隨著電氣化的普及，因電氣線路短路、過負荷以及電氣裝置工作異常等因素導致的火災逐年增多。利用電焊機模擬火災前電氣設備出現短路制備一次短路熔珠；通過酒精噴燈提供熱量，模擬二次短路熔珠的形成環境。利用掃描電子顯微鏡，觀察和分析鋁導線熔珠內部孔洞的微觀形貌，發現鋁導線一、二次短路熔珠內部空洞的微觀形貌具有顯著區別，前者孔洞所占面積較小，形狀比較規則，內部孔洞內壁呈胞狀晶、柱狀晶，較為光滑；后者孔洞面積較大，孔洞數量明顯增多，孔洞內壁雜質多且粗糙，有較多裂紋分布。利用內部孔洞微觀形貌的區別可以鑒別鋁導線熔珠形成的原因。

鋁導線；熔珠；微觀形貌；掃描電鏡

0 前言

隨著電氣化的普及，因電氣線路短路、過負荷以及電氣裝置工作異常等因素導致的火災逐年增多[1]，約占火災總數的30%（2010年數據統計），一直位于全國火災事故原因的首位[2]。分析電氣火災的物證鑒別措施，對執法部門正確判斷火災起因、合理處置火災事故具有顯著價值。

國際上很多發達國家已經在電氣火災鑒別措施方面進行了大量研究。在我國，較為常用的火災物證鑒定方式有金相分析法和微觀形貌法兩種。金相分析法形成較早，技術成熟，應用經驗相對豐富，但是對于細小痕跡的鑒別效果很難令人滿意，這直接促使了微觀形貌法的產生。現階段，沈陽消防科研所編纂的《SEM微觀形貌分析法》已于2013年10月1日起實施[3]。該方法是通過掃描電子顯微鏡，對事故現場中保存的電氣火災物證的微小痕跡進行檢測、處理和分析，結合其微觀形貌特點，分析得到火災物證的微觀特點，并進一步推測火災發生時的環境情況[4]。在此主要研究鋁導線在發生一、二次短路的情況下，熔珠內部空洞的微觀形貌特點。

1 試樣制備

試驗采用截面積為4 mm2的單股聚氯乙烯鋁導線。利用武警學院綜合物證試驗臺電焊機模擬火災前電氣設備出現短路（I=100 A）制備一次短路熔珠；通過酒精噴燈提供熱量，模擬二次短路（I=100 A）熔珠的形成環境。

試樣制備完畢后用超聲波清洗儀清洗熔珠表面，然后利用金屬切割機將熔珠從1/2處截斷，將熔珠斷面朝上用導電膠粘在樣品托盤上，把托盤放入SEM載物臺上，選擇放大相應倍數后，一邊觀察一邊調整掃描電鏡進行對焦，直至看到清晰的物象。拍照和觀察掃描電鏡下的熔珠斷面的微觀形貌。

2 熔痕的微觀形貌特征[5]

2.1 一次短路熔痕

把截面積為4 mm2的單股鋁導線在短路條件下形成的熔珠斷面進行放大，可以看到，放大倍數為30時斷面的微觀形貌相對整齊，呈暗灰色，缺乏光澤，孔洞數量不是很多，每個孔洞接近于圓形或橢圓型，如圖1、圖2所示；放大到600倍時，孔洞內壁較為平滑，有少量雜質附著，可以清晰地觀察到胞狀晶、柱狀晶的存在，很少有粗糙的紋跡，如圖3、圖4所示。

圖1 一次短路熔珠斷面微觀形貌（放大30倍）

2.2 二次短路熔痕

圖2 一次短路熔珠斷面微觀形貌（放大30倍）

圖3 熔珠內部孔洞的微觀形貌（放大600倍）

圖4 熔珠內部孔洞的微觀形貌（放大600倍）

放大導線二次短路熔珠斷面可以看到，擴大50倍時，截面相對較為整齊，呈暗灰色，幾乎沒有光澤，與一次短路熔珠較為接近（見圖5）；孔洞面積較大，孔洞數量明顯增多，大空洞內包含小孔洞，且形狀相當不規則，重疊、粘連情況嚴重，如圖6所示；調高放大倍數，可以看到孔洞內部比較粗糙并且有裂紋分布其中，如圖7所示；孔洞內壁雜質較一次短路熔珠明顯增多，基本覆蓋孔洞內壁，如圖8所示。

圖5 二次短路熔珠斷面微觀形貌（放大50倍）

圖6 二次短路熔珠斷面微觀形貌（放大50倍）

圖7 熔珠內部孔洞的微觀形貌（放大600倍）

圖8 熔珠內部孔洞的微觀形貌（放大600倍）

3 分析

3.1 氣孔形成機理

兩根電線之間發生短路時，相互之間會形成溫度超過2 000℃的電弧，遠遠高于導線本身的熔點，導致短路點附近的導線從固態變為液態，出現熔珠。對鋁導線而言，當其保持為固態時，氣體的溶解度非常低，但是在高溫情況下，溶解度開始增大，超過熔點后甚至會急速提高。氣體在金屬中的溶解是一個可逆過程，鋁導線熔化時，液體金屬中會溶解大量的氣體，當鋁液凝固時，氣體溶解度下降，從鋁液中析出，其中一部分氣體經擴散聚集逸散到空氣中，還有一部分氣體的逸散速度相對較慢，最終留在導線內部變成氣孔。氣孔產生的原因有兩種：一是氣體的溶解度隨溫度的改變而發生變化；二是金融結晶的過程中存在過冷現象。

氣體在金屬中的溶解通常分為吸附、離解、擴散三個過程，其溶解速度主要取決于氣體的擴散速度[4]。溶解度的高低還與蒸汽的壓強有關，二者呈正相關，即壓強越高，溶解越容易。在壓強一定的情況下，溫度越高，氣體的溶解度越大；在氣體的溶解沒有超過限值時，時間越長，溶解于金屬中的氣體越多。

結晶是指金屬從一種原子排列狀態過渡為另一種原子規則排列狀態（晶態）的轉變。理論上，金屬的熔化與結晶應該在一個溫度下進行，這個溫度稱為平衡結晶溫度；實際上，只有金屬溫度下降至平衡溫度以下時才能進行結晶。實際結晶溫度與理想結晶溫度之間的差，叫做過冷度。過冷度受冷卻速度影響，冷卻速度越快，過冷度越大；反之，冷卻速度越慢，過冷度越小。如果熔化后的金屬以相對較慢的速度冷卻，過冷度接近于0，金屬凝固速度慢，這時氣體有足夠的時間擴散聚集，并從鋁液中逸散出去，因此不存在氣孔或氣孔很少。反之，如果熔化后的金屬很快得到冷卻，則過冷度較高，凝固時間很短，更多的氣體沒有足夠的時間從金屬中擴散出去，留在其內部變成氣孔。

3.2 氣孔特征存在區別的原因分析

一、二次短路熔珠在氣孔方面差別顯著，這是因為兩種氣孔的產生環境區別很大。前者是在自然環境下產生的，形成環境比較純凈。由于空氣中N2既不溶于鋁也不發生反應，它直接從鋁液中析出，因此溶解于鋁液中的氣體主要為H2，O2，H2O。氧進入鋁液中極易與鋁發生反應生成Al2O3，冷凝時以共晶的形式析出。氫不與鋁發生反應，它與氧存在平衡關系：H2+O2?H2O。金屬溶液開始凝固時，H2的溶解度迅速減小，氣體快速逸散，化學反應整體上表現為從左到右。由于處在自然條件下，金屬溶液的凝固速度較高，過冷度相應較大，大量的H2以及反應得到的H2O沒有足夠的時間從金屬中分離，變成氣孔。一次短路熔珠的氣孔大部分是由H2和H2O形成的，其余元素的雜質很少，沒有可燃物燃燒產生的顆粒物，孔洞基本均為氣體，所以其內壁較為光滑，直徑相對較小，但是總量較大，均勻地分布其中。

二次短路熔珠是在火場條件下產生的，金屬溶液中溶解的氣體除了上文所說的H2、O2和H2O外，還存在較多的可燃物化學反應產生的氣體（例如CO等）和燃燒殘留物，此外火場中細小煙塵和顆粒物也可能進入鋁液內。因為火場條件下整體溫度相對偏高，金屬溶液的凝固速度相對緩慢，過冷度也較低，氣體可以在較長一段時間內逸散，由于形成環境中雜質的存在，在孔洞形成時，雜質會隨氣體進入熔珠，凝固時留在熔珠中，附著在孔洞內壁。因此一般情況下，二次短路熔珠氣孔內表面較為粗糙，氣孔直徑和氣孔面積分數大于一次短路熔珠的。

4 結論

（1）鋁導線一、二次短路熔珠內部空洞的微觀形貌具有顯著區別，前者孔洞所占面積較小，形狀較規則；二次短路熔珠孔洞面積較大，孔洞數量明顯增多，大空洞內包含小孔洞，且形狀相當不規則，重疊、粘連情況嚴重。

（2）在高倍率下能夠清晰地觀察到一次短路熔珠內部孔洞內壁胞狀晶、柱狀晶的存在，有少量雜質附著，很少有粗糙的紋跡；二次短路情況下雜質顯著增多，并且非常粗糙，有較多的裂紋分布。

（3）實際工作中可以結合短路熔珠斷面以及內部孔洞在高倍顯微鏡下的形貌特征來判別一、二次短路。

[1]公安部消防局.中國消防年鑒[M].北京：中國人事出版社，2011：305.

[2]張學楷.低壓線路常見電氣火災原因分析認定及預防措施研究[D].重慶：重慶大學，2005．

[3]GB/T16840.6-2012，電氣火災痕跡物證技術鑒定方法[S].北京：中國標準出版社，2013.

[4]郝愫媛，高宏，劉海旭，等.掃描電鏡/能譜儀在火災原因技術鑒定中的應用[J].電子顯微學報，2003，22（6）：635.

[5]胡建國.火災物證技術鑒定[M].北京：中國人民公安大學出版社，2007.

Page 70Engineering，2016（86）：156-171.

[27]Balasubramanian T S，Balakrishnan M，Balaubramanian，et al. Influence of welding processes on microstructure，tensile and impact properties of Ti-6Al-4V alloy joints[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2011，21（6）：1253-1262.

[28]Mehdi B，Badji R，Ji V，et al. Microstructure and residual stresses in Ti-6Al-4V alloy pulsed and unpulsed TIG welds [J]. Journalof MaterialsProcessingTechnology，2016（231）：441-448.

[29]程東海，黃繼華，林海凡，等.TC4鈦合金激光拼焊接頭顯微組織及力學性能分析[J].焊接學報，2009，30（2）：103-106.

[30]徐潔潔.TC4鈦合金激光焊接接頭組織性能研究[D].北京：北京工業大學，2009.

[31]張啟良.TC4鈦合金激光焊接工藝優化及接頭組織性能研究[D].內蒙古：內蒙古工業大學，2014.

[32]吳巍，程廣福，高洪明，等.TC4合金TIG焊接頭組織轉變與力學性能分析[J].焊接學報，2009，30（7）：81-84.

[33]尹麗香.TC4鈦合金電子束焊接接頭組織形態與性能的研究[D].遼寧：大連交通大學，2006.

[34]高瑩，李德富，于順兵，等.TB2鈦合金電子束焊接接頭組織與性能的試驗研究[J].稀有金屬，2006，30（4）：542-544.

[35]卓忠玉.TB2鈦合金焊接接頭性能和顯微組織的關系[J].焊接學報，1982（2）：29－34，50－53.

[36]張翥，于洋，惠松驍，等.TB10鈦合金的焊接組織與性能[J].中國有色金屬學報，2010，20（s1）：183-187.

Characteristic law of the internal holes in aluminum wire beads

GUO Shaofei，WANG Yun，DUAN Ye，ZHANG Xiaodan
（The Chinese People's Armed Police Forces Academy，Langfang 065000，China）

With the popularity of electrification，the fires caused by the electrical short circuit，overload and an abnormal electrical devices work are also increasing year by year.In this paper，using electric welding machine to simulate the short circuit of the electric equipment before the fire to make short-circuited melting beads；through the alcohol torch providing heat，simulate the formation environment of secondary short-circuited melting beads.Using scanning electron microscope，observe and analyze the microstructure of the hole inside the aluminum wire beads，find that the microstructure of internal holes in short circuit and secondary short circuit of the aluminum wires beads are respectively with corresponding characteristic law.The area of the former holes occupied is smaller and holes have regular shape.The wall of internal hole take on a columnar crystal and it is smooth；the area of the later holes occupied is larger and the number of holes is increased obviously.The wall of internal hole has impurities and it is rough，there are more crack distribution.The difference of microstructure of internal holes can be used to identify the reasons for the formation of aluminum wire beads. Key words：aluminum wire；beads；microstructure；SEM

TG457.1

A

1001－2303（2017）04－00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

獻

郭吉昌，朱志明，閆國瑞，等.基于UG的弧焊機器人離線編程系統開發[J].電焊機，2017，47（01）：1-6.

2016-11-13；

：2017-02-27

郭少斐（1993—），男，山西平遙人，在讀碩士，主要從事火災調查的研究。