铝导线熔珠内部孔洞特征规律

郭少斐，王 芸，段 冶，张潇丹

（中国人民武装警察部队学院，河北廊坊065000）

铝导线熔珠内部孔洞特征规律

郭少斐，王 芸，段 冶，张潇丹

（中国人民武装警察部队学院，河北廊坊065000）

随着电气化的普及，因电气线路短路、过负荷以及电气装置工作异常等因素导致的火灾逐年增多。利用电焊机模拟火灾前电气设备出现短路制备一次短路熔珠；通过酒精喷灯提供热量，模拟二次短路熔珠的形成环境。利用扫描电子显微镜，观察和分析铝导线熔珠内部孔洞的微观形貌，发现铝导线一、二次短路熔珠内部空洞的微观形貌具有显著区别，前者孔洞所占面积较小，形状比较规则，内部孔洞内壁呈胞状晶、柱状晶，较为光滑；后者孔洞面积较大，孔洞数量明显增多，孔洞内壁杂质多且粗糙，有较多裂纹分布。利用内部孔洞微观形貌的区别可以鉴别铝导线熔珠形成的原因。

铝导线；熔珠；微观形貌；扫描电镜

0 前言

随着电气化的普及，因电气线路短路、过负荷以及电气装置工作异常等因素导致的火灾逐年增多[1]，约占火灾总数的30%（2010年数据统计），一直位于全国火灾事故原因的首位[2]。分析电气火灾的物证鉴别措施，对执法部门正确判断火灾起因、合理处置火灾事故具有显著价值。

国际上很多发达国家已经在电气火灾鉴别措施方面进行了大量研究。在我国，较为常用的火灾物证鉴定方式有金相分析法和微观形貌法两种。金相分析法形成较早，技术成熟，应用经验相对丰富，但是对于细小痕迹的鉴别效果很难令人满意，这直接促使了微观形貌法的产生。现阶段，沈阳消防科研所编纂的《SEM微观形貌分析法》已于2013年10月1日起实施[3]。该方法是通过扫描电子显微镜，对事故现场中保存的电气火灾物证的微小痕迹进行检测、处理和分析，结合其微观形貌特点，分析得到火灾物证的微观特点，并进一步推测火灾发生时的环境情况[4]。在此主要研究铝导线在发生一、二次短路的情况下，熔珠内部空洞的微观形貌特点。

1 试样制备

试验采用截面积为4 mm2的单股聚氯乙烯铝导线。利用武警学院综合物证试验台电焊机模拟火灾前电气设备出现短路（I=100 A）制备一次短路熔珠；通过酒精喷灯提供热量，模拟二次短路（I=100 A）熔珠的形成环境。

试样制备完毕后用超声波清洗仪清洗熔珠表面，然后利用金属切割机将熔珠从1/2处截断，将熔珠断面朝上用导电胶粘在样品托盘上，把托盘放入SEM载物台上，选择放大相应倍数后，一边观察一边调整扫描电镜进行对焦，直至看到清晰的物象。拍照和观察扫描电镜下的熔珠断面的微观形貌。

2 熔痕的微观形貌特征[5]

2.1 一次短路熔痕

把截面积为4 mm2的单股铝导线在短路条件下形成的熔珠断面进行放大，可以看到，放大倍数为30时断面的微观形貌相对整齐，呈暗灰色，缺乏光泽，孔洞数量不是很多，每个孔洞接近于圆形或椭圆型，如图1、图2所示；放大到600倍时，孔洞内壁较为平滑，有少量杂质附着，可以清晰地观察到胞状晶、柱状晶的存在，很少有粗糙的纹迹，如图3、图4所示。

图1 一次短路熔珠断面微观形貌（放大30倍）

2.2 二次短路熔痕

图2 一次短路熔珠断面微观形貌（放大30倍）

图3 熔珠内部孔洞的微观形貌（放大600倍）

图4 熔珠内部孔洞的微观形貌（放大600倍）

放大导线二次短路熔珠断面可以看到，扩大50倍时，截面相对较为整齐，呈暗灰色，几乎没有光泽，与一次短路熔珠较为接近（见图5）；孔洞面积较大，孔洞数量明显增多，大空洞内包含小孔洞，且形状相当不规则，重叠、粘连情况严重，如图6所示；调高放大倍数，可以看到孔洞内部比较粗糙并且有裂纹分布其中，如图7所示；孔洞内壁杂质较一次短路熔珠明显增多，基本覆盖孔洞内壁，如图8所示。

图5 二次短路熔珠断面微观形貌（放大50倍）

图6 二次短路熔珠断面微观形貌（放大50倍）

图7 熔珠内部孔洞的微观形貌（放大600倍）

图8 熔珠内部孔洞的微观形貌（放大600倍）

3 分析

3.1 气孔形成机理

两根电线之间发生短路时，相互之间会形成温度超过2 000℃的电弧，远远高于导线本身的熔点，导致短路点附近的导线从固态变为液态，出现熔珠。对铝导线而言，当其保持为固态时，气体的溶解度非常低，但是在高温情况下，溶解度开始增大，超过熔点后甚至会急速提高。气体在金属中的溶解是一个可逆过程，铝导线熔化时，液体金属中会溶解大量的气体，当铝液凝固时，气体溶解度下降，从铝液中析出，其中一部分气体经扩散聚集逸散到空气中，还有一部分气体的逸散速度相对较慢，最终留在导线内部变成气孔。气孔产生的原因有两种：一是气体的溶解度随温度的改变而发生变化；二是金融结晶的过程中存在过冷现象。

气体在金属中的溶解通常分为吸附、离解、扩散三个过程，其溶解速度主要取决于气体的扩散速度[4]。溶解度的高低还与蒸汽的压强有关，二者呈正相关，即压强越高，溶解越容易。在压强一定的情况下，温度越高，气体的溶解度越大；在气体的溶解没有超过限值时，时间越长，溶解于金属中的气体越多。

结晶是指金属从一种原子排列状态过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变。理论上，金属的熔化与结晶应该在一个温度下进行，这个温度称为平衡结晶温度；实际上，只有金属温度下降至平衡温度以下时才能进行结晶。实际结晶温度与理想结晶温度之间的差，叫做过冷度。过冷度受冷却速度影响，冷却速度越快，过冷度越大；反之，冷却速度越慢，过冷度越小。如果熔化后的金属以相对较慢的速度冷却，过冷度接近于0，金属凝固速度慢，这时气体有足够的时间扩散聚集，并从铝液中逸散出去，因此不存在气孔或气孔很少。反之，如果熔化后的金属很快得到冷却，则过冷度较高，凝固时间很短，更多的气体没有足够的时间从金属中扩散出去，留在其内部变成气孔。

3.2 气孔特征存在区别的原因分析

一、二次短路熔珠在气孔方面差别显著，这是因为两种气孔的产生环境区别很大。前者是在自然环境下产生的，形成环境比较纯净。由于空气中N2既不溶于铝也不发生反应，它直接从铝液中析出，因此溶解于铝液中的气体主要为H2，O2，H2O。氧进入铝液中极易与铝发生反应生成Al2O3，冷凝时以共晶的形式析出。氢不与铝发生反应，它与氧存在平衡关系：H2+O2⇆H2O。金属溶液开始凝固时，H2的溶解度迅速减小，气体快速逸散，化学反应整体上表现为从左到右。由于处在自然条件下，金属溶液的凝固速度较高，过冷度相应较大，大量的H2以及反应得到的H2O没有足够的时间从金属中分离，变成气孔。一次短路熔珠的气孔大部分是由H2和H2O形成的，其余元素的杂质很少，没有可燃物燃烧产生的颗粒物，孔洞基本均为气体，所以其内壁较为光滑，直径相对较小，但是总量较大，均匀地分布其中。

二次短路熔珠是在火场条件下产生的，金属溶液中溶解的气体除了上文所说的H2、O2和H2O外，还存在较多的可燃物化学反应产生的气体（例如CO等）和燃烧残留物，此外火场中细小烟尘和颗粒物也可能进入铝液内。因为火场条件下整体温度相对偏高，金属溶液的凝固速度相对缓慢，过冷度也较低，气体可以在较长一段时间内逸散，由于形成环境中杂质的存在，在孔洞形成时，杂质会随气体进入熔珠，凝固时留在熔珠中，附着在孔洞内壁。因此一般情况下，二次短路熔珠气孔内表面较为粗糙，气孔直径和气孔面积分数大于一次短路熔珠的。

4 结论

（1）铝导线一、二次短路熔珠内部空洞的微观形貌具有显著区别，前者孔洞所占面积较小，形状较规则；二次短路熔珠孔洞面积较大，孔洞数量明显增多，大空洞内包含小孔洞，且形状相当不规则，重叠、粘连情况严重。

（2）在高倍率下能够清晰地观察到一次短路熔珠内部孔洞内壁胞状晶、柱状晶的存在，有少量杂质附着，很少有粗糙的纹迹；二次短路情况下杂质显著增多，并且非常粗糙，有较多的裂纹分布。

（3）实际工作中可以结合短路熔珠断面以及内部孔洞在高倍显微镜下的形貌特征来判别一、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.

献

郭吉昌，朱志明，闫国瑞，等.基于UG的弧焊机器人离线编程系统开发[J].电焊机，2017，47（01）：1-6.

2016-11-13；

：2017-02-27

郭少斐（1993—），男，山西平遥人，在读硕士，主要从事火灾调查的研究。