鋁導(dǎo)線熔珠內(nèi)部孔洞特征規(guī)律

郭少斐，王 蕓，段 冶，張瀟丹

（中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院，河北廊坊065000）

鋁導(dǎo)線熔珠內(nèi)部孔洞特征規(guī)律

郭少斐，王 蕓，段 冶，張瀟丹

（中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院，河北廊坊065000）

隨著電氣化的普及，因電氣線路短路、過(guò)負(fù)荷以及電氣裝置工作異常等因素導(dǎo)致的火災(zāi)逐年增多。利用電焊機(jī)模擬火災(zāi)前電氣設(shè)備出現(xiàn)短路制備一次短路熔珠；通過(guò)酒精噴燈提供熱量，模擬二次短路熔珠的形成環(huán)境。利用掃描電子顯微鏡，觀察和分析鋁導(dǎo)線熔珠內(nèi)部孔洞的微觀形貌，發(fā)現(xiàn)鋁導(dǎo)線一、二次短路熔珠內(nèi)部空洞的微觀形貌具有顯著區(qū)別，前者孔洞所占面積較小，形狀比較規(guī)則，內(nèi)部孔洞內(nèi)壁呈胞狀晶、柱狀晶，較為光滑；后者孔洞面積較大，孔洞數(shù)量明顯增多，孔洞內(nèi)壁雜質(zhì)多且粗糙，有較多裂紋分布。利用內(nèi)部孔洞微觀形貌的區(qū)別可以鑒別鋁導(dǎo)線熔珠形成的原因。

鋁導(dǎo)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(guò)負(fù)荷以及電氣裝置工作異常等因素導(dǎo)致的火災(zāi)逐年增多[1]，約占火災(zāi)總數(shù)的30%（2010年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)），一直位于全國(guó)火災(zāi)事故原因的首位[2]。分析電氣火災(zāi)的物證鑒別措施，對(duì)執(zhí)法部門正確判斷火災(zāi)起因、合理處置火災(zāi)事故具有顯著價(jià)值。

國(guó)際上很多發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)在電氣火災(zāi)鑒別措施方面進(jìn)行了大量研究。在我國(guó)，較為常用的火災(zāi)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(shù)成熟，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)相對(duì)豐富，但是對(duì)于細(xì)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(chǎn)生。現(xiàn)階段，沈陽(yáng)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(shí)施[3]。該方法是通過(guò)掃描電子顯微鏡，對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)中保存的電氣火災(zāi)物證的微小痕跡進(jìn)行檢測(cè)、處理和分析，結(jié)合其微觀形貌特點(diǎn)，分析得到火災(zāi)物證的微觀特點(diǎn)，并進(jìn)一步推測(cè)火災(zāi)發(fā)生時(shí)的環(huán)境情況[4]。在此主要研究鋁導(dǎo)線在發(fā)生一、二次短路的情況下，熔珠內(nèi)部空洞的微觀形貌特點(diǎn)。

1 試樣制備

試驗(yàn)采用截面積為4 mm2的單股聚氯乙烯鋁導(dǎo)線。利用武警學(xué)院綜合物證試驗(yàn)臺(tái)電焊機(jī)模擬火災(zāi)前電氣設(shè)備出現(xiàn)短路（I=100 A）制備一次短路熔珠；通過(guò)酒精噴燈提供熱量，模擬二次短路（I=100 A）熔珠的形成環(huán)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(jī)將熔珠從1/2處截?cái)?，將熔珠斷面朝上用?dǎo)電膠粘在樣品托盤上，把托盤放入SEM載物臺(tái)上，選擇放大相應(yīng)倍數(shù)后，一邊觀察一邊調(diào)整掃描電鏡進(jìn)行對(duì)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(dǎo)線在短路條件下形成的熔珠斷面進(jìn)行放大，可以看到，放大倍數(shù)為30時(shí)斷面的微觀形貌相對(duì)整齊，呈暗灰色，缺乏光澤，孔洞數(shù)量不是很多，每個(gè)孔洞接近于圓形或橢圓型，如圖1、圖2所示；放大到600倍時(shí)，孔洞內(nèi)壁較為平滑，有少量雜質(zhì)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(nèi)部孔洞的微觀形貌（放大600倍）

圖4 熔珠內(nèi)部孔洞的微觀形貌（放大600倍）

放大導(dǎo)線二次短路熔珠斷面可以看到，擴(kuò)大50倍時(shí)，截面相對(duì)較為整齊，呈暗灰色，幾乎沒(méi)有光澤，與一次短路熔珠較為接近（見(jiàn)圖5）；孔洞面積較大，孔洞數(shù)量明顯增多，大空洞內(nèi)包含小孔洞，且形狀相當(dāng)不規(guī)則，重疊、粘連情況嚴(yán)重，如圖6所示；調(diào)高放大倍數(shù)，可以看到孔洞內(nèi)部比較粗糙并且有裂紋分布其中，如圖7所示；孔洞內(nèi)壁雜質(zhì)較一次短路熔珠明顯增多，基本覆蓋孔洞內(nèi)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(nèi)部孔洞的微觀形貌（放大600倍）

圖8 熔珠內(nèi)部孔洞的微觀形貌（放大600倍）

3 分析

3.1 氣孔形成機(jī)理

兩根電線之間發(fā)生短路時(shí)，相互之間會(huì)形成溫度超過(guò)2 000℃的電弧，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于導(dǎo)線本身的熔點(diǎn)，導(dǎo)致短路點(diǎn)附近的導(dǎo)線從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，出現(xiàn)熔珠。對(duì)鋁導(dǎo)線而言，當(dāng)其保持為固態(tài)時(shí)，氣體的溶解度非常低，但是在高溫情況下，溶解度開(kāi)始增大，超過(guò)熔點(diǎn)后甚至?xí)彼偬岣摺怏w在金屬中的溶解是一個(gè)可逆過(guò)程，鋁導(dǎo)線熔化時(shí)，液體金屬中會(huì)溶解大量的氣體，當(dāng)鋁液凝固時(shí)，氣體溶解度下降，從鋁液中析出，其中一部分氣體經(jīng)擴(kuò)散聚集逸散到空氣中，還有一部分氣體的逸散速度相對(duì)較慢，最終留在導(dǎo)線內(nèi)部變成氣孔。氣孔產(chǎn)生的原因有兩種：一是氣體的溶解度隨溫度的改變而發(fā)生變化；二是金融結(jié)晶的過(guò)程中存在過(guò)冷現(xiàn)象。

氣體在金屬中的溶解通常分為吸附、離解、擴(kuò)散三個(gè)過(guò)程，其溶解速度主要取決于氣體的擴(kuò)散速度[4]。溶解度的高低還與蒸汽的壓強(qiáng)有關(guān)，二者呈正相關(guān)，即壓強(qiáng)越高，溶解越容易。在壓強(qiáng)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(méi)有超過(guò)限值時(shí)，時(shí)間越長(zhǎng)，溶解于金屬中的氣體越多。

結(jié)晶是指金屬?gòu)囊环N原子排列狀態(tài)過(guò)渡為另一種原子規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的轉(zhuǎn)變。理論上，金屬的熔化與結(jié)晶應(yīng)該在一個(gè)溫度下進(jìn)行，這個(gè)溫度稱為平衡結(jié)晶溫度；實(shí)際上，只有金屬溫度下降至平衡溫度以下時(shí)才能進(jìn)行結(jié)晶。實(shí)際結(jié)晶溫度與理想結(jié)晶溫度之間的差，叫做過(guò)冷度。過(guò)冷度受冷卻速度影響，冷卻速度越快，過(guò)冷度越大；反之，冷卻速度越慢，過(guò)冷度越小。如果熔化后的金屬以相對(duì)較慢的速度冷卻，過(guò)冷度接近于0，金屬凝固速度慢，這時(shí)氣體有足夠的時(shí)間擴(kuò)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(guò)冷度較高，凝固時(shí)間很短，更多的氣體沒(méi)有足夠的時(shí)間從金屬中擴(kuò)散出去，留在其內(nèi)部變成氣孔。

3.2 氣孔特征存在區(qū)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?yàn)閮煞N氣孔的產(chǎn)生環(huán)境區(qū)別很大。前者是在自然環(huán)境下產(chǎn)生的，形成環(huán)境比較純凈。由于空氣中N2既不溶于鋁也不發(fā)生反應(yīng)，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(jìn)入鋁液中極易與鋁發(fā)生反應(yīng)生成Al2O3，冷凝時(shí)以共晶的形式析出。氫不與鋁發(fā)生反應(yīng)，它與氧存在平衡關(guān)系：H2+O2?H2O。金屬溶液開(kāi)始凝固時(shí)，H2的溶解度迅速減小，氣體快速逸散，化學(xué)反應(yīng)整體上表現(xiàn)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(guò)冷度相應(yīng)較大，大量的H2以及反應(yīng)得到的H2O沒(méi)有足夠的時(shí)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(zhì)很少，沒(méi)有可燃物燃燒產(chǎn)生的顆粒物，孔洞基本均為氣體，所以其內(nèi)壁較為光滑，直徑相對(duì)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(chǎng)條件下產(chǎn)生的，金屬溶液中溶解的氣體除了上文所說(shuō)的H2、O2和H2O外，還存在較多的可燃物化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體（例如CO等）和燃燒殘留物，此外火場(chǎng)中細(xì)小煙塵和顆粒物也可能進(jìn)入鋁液內(nèi)。因?yàn)榛饒?chǎng)條件下整體溫度相對(duì)偏高，金屬溶液的凝固速度相對(duì)緩慢，過(guò)冷度也較低，氣體可以在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)逸散，由于形成環(huán)境中雜質(zhì)的存在，在孔洞形成時(shí)，雜質(zhì)會(huì)隨氣體進(jìn)入熔珠，凝固時(shí)留在熔珠中，附著在孔洞內(nèi)壁。因此一般情況下，二次短路熔珠氣孔內(nèi)表面較為粗糙，氣孔直徑和氣孔面積分?jǐn)?shù)大于一次短路熔珠的。

4 結(jié)論

（1）鋁導(dǎo)線一、二次短路熔珠內(nèi)部空洞的微觀形貌具有顯著區(qū)別，前者孔洞所占面積較小，形狀較規(guī)則；二次短路熔珠孔洞面積較大，孔洞數(shù)量明顯增多，大空洞內(nèi)包含小孔洞，且形狀相當(dāng)不規(guī)則，重疊、粘連情況嚴(yán)重。

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

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

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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(xiàn)

郭吉昌，朱志明，閆國(guó)瑞，等.基于UG的弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].電焊機(jī)，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(zāi)調(diào)查的研究。