■ 谷陽陽 趙杜超 王吉鵬

〔1中國汽車技術研究中心，北京100176〕〔2山東天鵝棉業(yè)機械股份有限公司，濟南250032〕

基于金相分析的車輛電氣火災鑒定技術研究

■ 谷陽陽1趙杜超2王吉鵬2

〔1中國汽車技術研究中心，北京100176〕〔2山東天鵝棉業(yè)機械股份有限公司，濟南250032〕

一、前言

隨著車輛產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展以及車身電子技術的進步，電器部件所占比例越來越大，尤其是中高檔車輛的電器部件應用越來越多。為滿足更高的舒適性和智能性的要求，高端車輛的電控模塊將會越來越發(fā)達，中低端車輛的電氣化程度也在逐步增加，一般來說，經(jīng)濟型車輛中需要10個～12個電控單元（ECU），高端大型豪華車輛中對ECU的需求量則高達70個～120個。為此，車輛電氣化程度越高，發(fā)生電氣系統(tǒng)火災的危險性就越高。據(jù)統(tǒng)計，電氣系統(tǒng)故障是車輛火災的最主要的原因，約占總數(shù)的50%～60%[1]。

二、電氣系統(tǒng)火災的主要類型

車輛的電氣線路較多，工作環(huán)境溫度高、易燃物多，電氣線路時刻處在高溫或低溫、高濕、震動、顛簸、沖擊、油氣等惡劣環(huán)境中，電氣系統(tǒng)故障中絕大多數(shù)是由電氣線路引起的。

（一）電氣線路短路

通常，車輛導線的絕緣層是由PVC材質制成，該物質經(jīng)高溫或者長時間磨損容易破損脫落，導致金屬導線外露引起短路故障。此外，車主或者維修人員私自改裝電路，亂接電器，改裝后的線路固定安裝不當或者線路絕緣層破損，也容易引起電氣線路短路。

（二）導線或電器接觸不良

車輛導線接觸不良引起火災是指導線接觸點不穩(wěn)定，電阻值增大，此處高溫過熱引燃導線絕緣皮或者周圍易燃物，造成火災。導線接觸不良的主要原因有下列幾點：

（1）車輛電氣系統(tǒng)中線路插頭經(jīng)過長時間使用產(chǎn)生電化學腐蝕作用，引起插頭處接觸電阻過大；

（2）車輛電氣線路及設備如果安裝不到位或者質量有問題，容易導致插接頭松動，此處電阻值增大；

（3）車輛在行駛過程中受震動、顛簸的影響，容易導致插接頭或線路松動斷開，插接頭或線路瞬間通斷會產(chǎn)生感應電流形成電火花，該火花溫度較高，容易引燃周圍可燃物質。

（三）電氣線路超負荷

車輛電氣線路都是按照相關標準以及電氣設備的負載選擇合適的截面配置，如果用戶或者銷售人員私自接裝電氣設備，增加線路負載，使車輛線路的實際負載超過其額定負載，致使整條線路過熱引燃線路絕緣層，點燃周圍可燃物質引發(fā)火災。

（四）車輛電器設備故障火災

現(xiàn)代車輛上的電器設備越來越多，涉及到車輛行駛的安全性、舒適性。如果電器設備在工作過程中發(fā)生故障引起高溫發(fā)熱，點燃周圍塑料等可燃物，容易造成車輛火災。

三、車輛電氣火災鑒定

（一）車輛火災鑒定流程

車輛火災鑒定是根據(jù)當事人提供的信息基礎，按照車輛燒損情況從輕到重、由外及內(nèi)的順序進行細致的勘查，分析車輛燒損部位特征、火焰蔓延情況，確定車輛起火點、起火原因（見圖1）。

（二）車輛電氣火災鑒定方法

車輛電氣火災原因技術鑒定方法主要有：宏觀法、剩磁法、成分分析法、金相法。目前，應用最廣泛的是宏觀法和金相法。通過分析金屬導線熔痕的外觀形態(tài)、金相顯微組織特征來反映金屬導線熔痕的形成機理是金相法的核心。

通常在車輛火災現(xiàn)場會有金屬導線熔痕殘留物，發(fā)現(xiàn)并提取車輛電氣線路、設備上的金屬導線熔痕殘留物。通過分析研究相關的金屬導線熔痕的形成機理，研究金屬導線在不同環(huán)境中形成短路熔痕的表面形態(tài)和其內(nèi)部的組織結構，確定金屬導線熔痕是在火場中形成的還是由導線短路引起的火災，是鑒定車輛火災原因的重要方法。[2]

1.金相分析的基本原理。

金相分析技術一開始是由我國著名的火調專家王希慶先生總結提出的，一開始在建筑物火災上得到應用，該技術經(jīng)過應用以及不斷完善，形成完整的金相分析技術的科學理論。該技術是依據(jù)同一種金屬在經(jīng)過不同的加熱、保溫、冷卻等一系列熱處理后呈現(xiàn)不同組織特征，按照金屬組織特征的不同來分析認定熔痕形成原因。[3]

金相分析鑒定技術需要鑒定技術人員對金屬所呈現(xiàn)的組織特征有基本的了解和認識，通過分析對比各種不同環(huán)境、不同條件下形成的金屬組織特征，判斷分析金屬組織特征的形成機理，正確鑒定車輛火災發(fā)生的原因。同時鑒定技術人員需要積累大量的實際經(jīng)驗才能做出最準確的判斷，從而正確地鑒定車輛火災發(fā)生的原因。

2.導線金相顯微組織特征。

（1）正常銅導線的微觀特征。

由于銅導線具有優(yōu)良的導電性、導熱性和抗磁性等特性，因此，在車輛電氣線路中大多應用銅導線。銅導線通常由99.95%的工業(yè)純銅構成，密度為8.9 g/cm3，熔點為1 083℃，銅為面心立方結構，所以在其退火后易成為a等軸晶粒，銅的顯微組織為a等軸晶粒（見圖2）。在拉制的過程中，銅導線等軸晶是沿著變形方向被拉長，具有一定的方向性，在通電狀態(tài)下仍具有規(guī)則的方向性。當溫度達到200℃～280℃時，銅導線內(nèi)部會發(fā)生再結晶現(xiàn)象。經(jīng)過一定時間變化，銅導線的金相組織發(fā)生變化。

圖2 銅導線低倍組織

（2）銅導線火燒熔痕的特征。

在車輛火災中，受到火焰高溫燒烤后，工作狀態(tài)正常的銅質導線會被高于其熔點的火焰溫度熔化形成熔痕，這就是火燒熔痕?；馃酆鄣慕鹣囡@微組織呈現(xiàn)粗大的等軸晶體，切片表面光滑，孔洞較少（見圖3）。這與該熔痕形成的環(huán)境有關，火燒熔痕是在車輛火災高溫燒烤環(huán)境中形成的，導線升溫速度相對較慢，有利于晶核的形成，從而觀察到的金相顯微組織為粗大的等軸晶；同時，導線的冷卻速度也較慢，致使其凝固時間較長，這就導致火燒熔痕在凝固的過程中，銅導線可以與周圍的氧氣發(fā)生氧化還原反應，充分吸收氧氣形成氧化銅，不發(fā)生化學反應的氮氣等氣體有充分的時間逸出，從而形成表面光滑、孔洞較少的金相試樣磨面。

圖3 火燒熔痕金相顯微組織100X

（3）銅導線一次短路熔痕的特征。

銅導線的一次短路熔痕是因導線自身發(fā)生短路造成金屬熔化所形成的熔痕，該熔痕發(fā)生在火災前，是引起車輛電氣火災的主要原因。一次短路熔痕的金相顯微組織呈現(xiàn)細小的柱狀晶或胞狀晶，孔洞周圍的（Cu+Cu2O）共晶體較少，組織內(nèi)部孔洞小而少，孔洞形狀比較規(guī)則，多呈圓形或橢圓形，熔痕與導線有比較明顯的過渡區(qū)（見圖4）。由于一次短路發(fā)生在火災前，其熔痕形成速度較快，導線與熔痕的環(huán)境溫差較大，在晶粒還沒長大時已經(jīng)凝固，呈現(xiàn)細小緊密排列的胞狀晶或柱狀晶；熔痕內(nèi)部的氣體來不及發(fā)生化學反應和溢出，就被截留在組織內(nèi)部，但該熔痕形成過程中燃燒產(chǎn)物較少，所形成的氣體較少，為此它的孔洞小而少。

圖4 一次短路熔痕金相顯微組織100X

（4）銅導線二次短路熔痕的特征。

銅導線的二次短路熔痕是導線處在電路導通的條件下，導線的絕緣層被外界火焰或高溫燒烤熔化失效后，導致導線與其他線路接觸短路形成的熔痕。二次短路熔痕的金相顯微組織是由粗大的柱狀晶或一些大晶界組成，內(nèi)部孔洞大且較多，孔洞周圍的（Cu+Cu2O）共晶體較明顯，熔痕與導線之間過渡區(qū)不明顯。由于二次短路熔痕是在火場中形成，此時火災現(xiàn)場的溫度高，熔痕冷卻速度較慢，熔痕以及過渡區(qū)域無法有效地形成，如果火災現(xiàn)場的溫度持續(xù)高溫，過渡區(qū)界限則會變得更加模糊不清和紊亂；二次熔痕的冷卻速度較慢，較多的氣體無法溢出，再加上火場內(nèi)空氣中夾雜較多灰塵、各種燃燒物、水蒸氣等雜質，因此，這些雜質也將同時進入熔痕附近的銅溶液中，在觀察該融合組織的過程中能夠看到較大孔洞（見圖5）。

圖5 二次短路熔痕金相顯微組織100X

3.一次短路與二次短路的鑒別。

一次短路熔痕和二次短路熔痕都是由短路產(chǎn)生電弧瞬間高溫熔化，冷卻速度相對較快，熔化范圍較小。二者發(fā)生的環(huán)境與條件不同，金相顯微組織又各有不同。一次短路發(fā)生在正常環(huán)境氣氛中，發(fā)生時間短、環(huán)境溫度低、冷卻速度較快，晶核其金相顯微組織主要呈現(xiàn)低溫快速冷卻的柱狀晶。二次短路熔痕發(fā)生在火場中，因為周圍溫度高、火燒范圍大、冷卻速度較慢，所以二次短路熔痕的晶核有充分的時間生長，并再結晶融合長大，其顯微組織呈現(xiàn)粗大的等軸晶。一次短路熔痕與二次短路熔痕的顯微組織結構主要有以下幾個不同的方面。[4]

（1）氣孔。

一次短路熔痕內(nèi)部的氣孔是小而少，孔洞形狀比較規(guī)則，多呈圓形或橢圓形。二次短路熔痕內(nèi)部氣孔大而多，孔洞形狀不規(guī)則，而且火災環(huán)境中的灰塵、雜質和水蒸氣等各種燃燒產(chǎn)物都會不同程度地析入到銅的熔液中。

（2）共晶體。

一次短路熔痕是在正常環(huán)境下形成的，冷卻速度快、反應時間短，空氣中的氧氣來不及與銅反應生成Cu2O就已經(jīng)溢出，所以氣孔周圍生成的（Cu+ Cu2O）共晶體較少；而二次短路熔痕則是在高溫的火場中形成的，周圍環(huán)境溫度高、冷卻速度慢，氧氣與高溫的銅溶液有充分的時間發(fā)生化學反應，生成大量的（Cu+Cu2O）共晶體。

（3）過渡區(qū)。

一次短路熔痕是在火災發(fā)生前短路瞬間電弧高溫熔化形成的，由于一次短路發(fā)生在火災前，其熔痕形成速度較快，導線與熔痕的環(huán)境溫差較大，晶粒還沒長大就已經(jīng)凝固，因此，呈現(xiàn)細小緊密排列的胞狀晶或柱狀晶。在導線短路熔痕以外，其他區(qū)域導線的溫度并不高，過渡區(qū)域的金相顯微組織呈現(xiàn)原始的等軸晶被拉長的狀態(tài)，有一定的方向性，熔痕與導線過渡區(qū)域明顯。二次短路熔痕是在火場高溫環(huán)境下形成的，受高溫加熱作用的影響，短路熔珠和過渡區(qū)晶核有充分的時間長大，形成粗大的柱狀晶或等軸晶，繼續(xù)受高溫作用，柱狀晶繼續(xù)生長變成等軸晶，使得過渡區(qū)的界限和柱狀晶的殘痕模糊不清，過渡區(qū)域不明顯。

三、案例應用

通過對車輛火災現(xiàn)場的綜合勘查，結合提取的導線熔痕的金相分析以及其他材料，綜合多方面分析，對鑒定結果進行相互印證是目前常用的方法?，F(xiàn)僅對以下實際案例進行金相分析。

某采棉機駛入棉田作業(yè)期間，突然發(fā)動機艙與棉倉連接處開始冒煙起火。該采棉機車身中后部較前部燒毀（損）嚴重（詳見圖6），呈明顯后重前輕趨勢。對該車發(fā)動機艙內(nèi)進行檢驗，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機艙底部較頂部燒損嚴重，蓄電池側較余側燒損嚴重。

圖6 采棉機燒損情況

鑒于該采棉機燒損（毀）狀態(tài)，初步分析認定起火點位于發(fā)動機艙底部，同時在蓄電池負極銅導線處有熔斷痕跡，需要進一步鑒定此熔痕是發(fā)生在火災前還是火災中，這對于查找真正的起火原因具有重要意義。提取此處熔痕（見圖7），編號1。

圖7 提取樣品

對提取樣品進行處理，制作金相切片，利用金相顯微鏡觀察其組織特征（見圖9）。

圖8 銅導線正常金相顯微組織

圖9 1號樣品金相顯微組織

根據(jù)1號樣品的金相顯微組織可以看出，1號樣品為二次短路熔痕，由此可排除該采棉機起火是由電氣線路故障引起的，從而為繼續(xù)查找真正起火原因提供了科學的指導。

根據(jù)導線熔痕一般可以快速認定是否為電熱熔痕，但是將電熱熔痕區(qū)分為一次短路熔痕還是二次短路熔痕有一定的難度，大部分一次熔斷熔痕和二次短路熔痕的微觀特征和組織結構不是呈現(xiàn)典型的特征，這對鑒定技術人員的技術水平和實踐經(jīng)驗有較高的要求。

四、總結

車輛電氣火災鑒定方法中，金相分析法是一種應用廣泛的鑒定方法，同時，也對鑒定技術人員的技術經(jīng)驗水平提出了更高的要求根據(jù)導線熔痕的金相顯微組織判斷導線短路是屬于一次短路熔痕還是二次短路熔痕，結合現(xiàn)場勘查情況、車輛起火部位等因素，可以快速準確認定車輛火災的真正原因。

[1]班孝東.車輛火災原因鑒定技術的研究[D].青島理工大學.2011，06.

[2]國家技術監(jiān)督局.GB/T 16840.4-1997電氣火災原因技術鑒定方法第4部分：金相法[S].1997，06，03.

[3]Lee E-P，Ohtani H，Matsubara Y，Seki T，Hasegawa H，Imada S.Study on Primary andSecondary Molten Marks[C].Proceedings of the 1st Conference of the Association ofKorean-Japanese Safety Engineering Society.November 22-24，1999：209-212.

[4]余振平.用金相顯微技術鑒別一次短路熔痕和二次短路熔痕[J].福建分析測試，2007，16（2）：46-48.