■ 谷陽陽 趙杜超 王吉鵬

〔1中國汽車技術(shù)研究中心，北京100176〕〔2山東天鵝棉業(yè)機(jī)械股份有限公司，濟(jì)南250032〕

基于金相分析的車輛電氣火災(zāi)鑒定技術(shù)研究

■ 谷陽陽1趙杜超2王吉鵬2

〔1中國汽車技術(shù)研究中心，北京100176〕〔2山東天鵝棉業(yè)機(jī)械股份有限公司，濟(jì)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(shù)的進(jìn)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(yīng)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(dá)，中低端車輛的電氣化程度也在逐步增加，一般來說，經(jīng)濟(jì)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(dá)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(zāi)的危險性就越高。據(jù)統(tǒng)計，電氣系統(tǒng)故障是車輛火災(zāi)的最主要的原因，約占總數(shù)的50%～60%[1]。

二、電氣系統(tǒng)火災(zāi)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(dǎo)線的絕緣層是由PVC材質(zhì)制成，該物質(zhì)經(jīng)高溫或者長時間磨損容易破損脫落，導(dǎo)致金屬導(dǎo)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(dāng)或者線路絕緣層破損，也容易引起電氣線路短路。

（二）導(dǎo)線或電器接觸不良

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

（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(xué)腐蝕作用，引起插頭處接觸電阻過大；

（2）車輛電氣線路及設(shè)備如果安裝不到位或者質(zhì)量有問題，容易導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)電流形成電火花，該火花溫度較高，容易引燃周圍可燃物質(zhì)。

（三）電氣線路超負(fù)荷

車輛電氣線路都是按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及電氣設(shè)備的負(fù)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(shè)備，增加線路負(fù)載，使車輛線路的實(shí)際負(fù)載超過其額定負(fù)載，致使整條線路過熱引燃線路絕緣層，點(diǎn)燃周圍可燃物質(zhì)引發(fā)火災(zāi)。

（四）車輛電器設(shè)備故障火災(zāi)

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

三、車輛電氣火災(zāi)鑒定

（一）車輛火災(zāi)鑒定流程

車輛火災(zāi)鑒定是根據(jù)當(dāng)事人提供的信息基礎(chǔ)，按照車輛燒損情況從輕到重、由外及內(nèi)的順序進(jìn)行細(xì)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(diǎn)、起火原因（見圖1）。

（二）車輛電氣火災(zāi)鑒定方法

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

通常在車輛火災(zāi)現(xiàn)場會有金屬導(dǎo)線熔痕殘留物，發(fā)現(xiàn)并提取車輛電氣線路、設(shè)備上的金屬導(dǎo)線熔痕殘留物。通過分析研究相關(guān)的金屬導(dǎo)線熔痕的形成機(jī)理，研究金屬導(dǎo)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(jié)構(gòu)，確定金屬導(dǎo)線熔痕是在火場中形成的還是由導(dǎo)線短路引起的火災(zāi)，是鑒定車輛火災(zāi)原因的重要方法。[2]

1.金相分析的基本原理。

金相分析技術(shù)一開始是由我國著名的火調(diào)專家王希慶先生總結(jié)提出的，一開始在建筑物火災(zāi)上得到應(yīng)用，該技術(shù)經(jīng)過應(yīng)用以及不斷完善，形成完整的金相分析技術(shù)的科學(xué)理論。該技術(shù)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(rèn)定熔痕形成原因。[3]

金相分析鑒定技術(shù)需要鑒定技術(shù)人員對金屬所呈現(xiàn)的組織特征有基本的了解和認(rèn)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(jī)理，正確鑒定車輛火災(zāi)發(fā)生的原因。同時鑒定技術(shù)人員需要積累大量的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)才能做出最準(zhǔn)確的判斷，從而正確地鑒定車輛火災(zāi)發(fā)生的原因。

2.導(dǎo)線金相顯微組織特征。

（1）正常銅導(dǎo)線的微觀特征。

由于銅導(dǎo)線具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗磁性等特性，因此，在車輛電氣線路中大多應(yīng)用銅導(dǎo)線。銅導(dǎo)線通常由99.95%的工業(yè)純銅構(gòu)成，密度為8.9 g/cm3，熔點(diǎn)為1 083℃，銅為面心立方結(jié)構(gòu)，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(dǎo)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(dāng)溫度達(dá)到200℃～280℃時，銅導(dǎo)線內(nèi)部會發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象。經(jīng)過一定時間變化，銅導(dǎo)線的金相組織發(fā)生變化。

圖2 銅導(dǎo)線低倍組織

（2）銅導(dǎo)線火燒熔痕的特征。

在車輛火災(zāi)中，受到火焰高溫?zé)竞?，工作狀態(tài)正常的銅質(zhì)導(dǎo)線會被高于其熔點(diǎn)的火焰溫度熔化形成熔痕，這就是火燒熔痕。火燒熔痕的金相顯微組織呈現(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(guān)，火燒熔痕是在車輛火災(zāi)高溫?zé)经h(huán)境中形成的，導(dǎo)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(dǎo)線的冷卻速度也較慢，致使其凝固時間較長，這就導(dǎo)致火燒熔痕在凝固的過程中，銅導(dǎo)線可以與周圍的氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)，充分吸收氧氣形成氧化銅，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氮?dú)獾葰怏w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(dǎo)線一次短路熔痕的特征。

銅導(dǎo)線的一次短路熔痕是因?qū)Ь€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(zāi)前，是引起車輛電氣火災(zāi)的主要原因。一次短路熔痕的金相顯微組織呈現(xiàn)細(xì)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(dǎo)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(zāi)前，其熔痕形成速度較快，導(dǎo)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(xì)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(xué)反應(yīng)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(dǎo)線二次短路熔痕的特征。

銅導(dǎo)線的二次短路熔痕是導(dǎo)線處在電路導(dǎo)通的條件下，導(dǎo)線的絕緣層被外界火焰或高溫?zé)救刍Ш?，?dǎo)致導(dǎo)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(dǎo)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(zāi)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(zāi)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(zhì)，因此，這些雜質(zhì)也將同時進(jìn)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?yàn)橹車鷾囟雀摺⒒馃秶?、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(jié)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(jié)構(gòu)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(zāi)環(huán)境中的灰塵、雜質(zhì)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(yīng)時間短，空氣中的氧氣來不及與銅反應(yīng)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(xué)反應(yīng)，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(zāi)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(zāi)前，其熔痕形成速度較快，導(dǎo)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(xì)小緊密排列的胞狀晶或柱狀晶。在導(dǎo)線短路熔痕以外，其他區(qū)域?qū)Ь€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(dǎo)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(yīng)用

通過對車輛火災(zāi)現(xiàn)場的綜合勘查，結(jié)合提取的導(dǎo)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(jié)果進(jìn)行相互印證是目前常用的方法?，F(xiàn)僅對以下實(shí)際案例進(jìn)行金相分析。

某采棉機(jī)駛?cè)朊尢镒鳂I(yè)期間，突然發(fā)動機(jī)艙與棉倉連接處開始冒煙起火。該采棉機(jī)車身中后部較前部燒毀（損）嚴(yán)重（詳見圖6），呈明顯后重前輕趨勢。對該車發(fā)動機(jī)艙內(nèi)進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)艙底部較頂部燒損嚴(yán)重，蓄電池側(cè)較余側(cè)燒損嚴(yán)重。

圖6 采棉機(jī)燒損情況

鑒于該采棉機(jī)燒損（毀）狀態(tài)，初步分析認(rèn)定起火點(diǎn)位于發(fā)動機(jī)艙底部，同時在蓄電池負(fù)極銅導(dǎo)線處有熔斷痕跡，需要進(jìn)一步鑒定此熔痕是發(fā)生在火災(zāi)前還是火災(zāi)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(jìn)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(dǎo)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(jī)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(xué)的指導(dǎo)。

根據(jù)導(dǎo)線熔痕一般可以快速認(rèn)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(jié)構(gòu)不是呈現(xiàn)典型的特征，這對鑒定技術(shù)人員的技術(shù)水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有較高的要求。

四、總結(jié)

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

[1]班孝東.車輛火災(zāi)原因鑒定技術(shù)的研究[D].青島理工大學(xué).2011，06.

[2]國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 16840.4-1997電氣火災(zāi)原因技術(shù)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(shù)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.