焊接烟尘影响因素及净化措施

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焊接烟尘是在焊接过程中产生的高温蒸气经氧化后冷凝而产生的，焊接烟尘主要来自焊条或焊丝端部的液态金属及溶渣。焊接材料的发尘量占焊接烟尘总量的80～90%，只有部分来自母材。科学研究以及健康调查表明：焊接烟尘中存在着大量的可吸入物质(如氧化锰、六价铬、以及钾、钠的氧化物等)一旦这些物质进入人体，会对人体产生巨大的伤害。长期在焊接烟尘环境下作业的焊接操作人员患有慢性支气管炎等呼吸道疾病的比例明显高于其他人员，并且可吸入物质还会沉积在人体的骨骼和血液中，导致性能力下降，甚至引发癌症，尤其是近年来随着大量含有Cr、Mn、Ni等化学成分的焊接材料的使用，使焊接烟尘对职业健康和环境负荷的影响日益严重。
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       国际上对焊接卫生的研究开始于1920年，主要研究氮氧化物有害气体的影响。从20世纪20~60年代主要对焊接烟尘的有害性进行研究。70年代主要有焊条全烟尘测定，焊接卫生标准的建议及焊条卫生标志的设立；对焊接烟尘发生机理及影响因素进行研究。

一、焊接烟尘的影响因素

       焊接烟尘的影响因素很多，主要因素包括焊接材料和工艺两个方面：材料指的是焊条药皮的成分、焊丝钢带、药粉的化学组成，以及保护气体成分等；工艺是指焊接方法的选择及工艺参数的设定。N.J.HUDSON等人指出在低合金MIG焊接过程中产生的以混合金属氧化物和尖晶石结构为主的焊接烟尘主要是由电极材料、被焊合金材料、过程控制、保护气体组分，以及电压和电流值决定的。
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" F% Z% n7 _4 o" h4 Y1.焊接材料

/ Y, }* i  b- y. x9 w       焊接材料对焊接烟尘的作用主要体现在以下两个方面：(1)焊接材料是焊接烟尘产生的来源，焊接材料的成分直接影响焊接烟尘发尘量的多少和焊接烟尘的化学成分。(2)焊接材料影响焊接电弧物理，通过改变熔滴过渡方式，控制焊接过程中产生的金属蒸气进入大气的含量。施雨湘等通过对单组分和少组分焊条的焊接烟尘试验发现：大理石、氟石等物质本身产生的烟尘高，其组成焊条的烟尘也高；金红石等物质本身产生的烟尘较低，其组成焊条的烟尘也低；菱苦土等物质本身产生的烟尘较高，但是组成焊条时不一定高。药皮物质不仅各自影响焊接烟尘，而且相互之间存在复杂的关系，改变药皮组分比例，有可能达到降尘的目的。

       Zimmer和Biswas在对气体金属氩弧焊过程中产生的气溶胶进行研究时发现，被焊合金成分对于焊接烟尘颗粒的尺寸分布，以及焊接烟尘的形态和化学结构有显著的影响。此外，焊接烟尘颗粒尺寸的分布是多形态且随时间发生空气动力学变化。
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       小林实等通过试验发现，CO2保护药芯焊丝的发尘量同焊丝所用的钢带的含碳量成正比，如将钢带含碳量从通常的0.08%降到0.045%以下(最好0.02%)，可使发尘量减少30%左右，基本上与实芯焊丝发尘率相同。对于药芯焊丝，如果降低钢带和润滑剂里的含碳量，可大幅度降低发尘率。J.H.Dennis等人发现在FCAW焊接过程中，所用焊接材料中添加1%的Zn能显著降低Cr6+和臭氧的生成。
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2 ^6 v' \6 n' C6 E2 [/ p3 y       北京工业大学的王智慧等人研究了铁粉添加量对焊丝发尘率的影响时发现：烟尘中铁的氧化物约占50%。当药芯焊丝中的含铁量为19.5%～28.7%(质量分数)时，焊丝发尘量为5.5226～8.2326g；烟尘中铁和锰的氧化物所占的比例很大。试验条件下Fe粉在药芯中所占比例越小，单位质量的焊丝发尘量就越少；不同厂家、不同工艺生产的铁粉对发尘量没有明显的影响。此外他们还对焊条焊芯和部分辅料作了环境负荷影响评估，通过数据采集，环境影响因子确定，以及结果分析等发现焊丝和焊带的环境负荷较大，而矿物粉的生产过程环境负荷较小。
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2.工艺因素

: V8 N/ y( F' b+ `  e2 P& U       焊接参数会影响焊接烟尘的发尘率。不同焊接方法的选择，极性的改变，电流电压的变化，以及送丝速度等都会对发尘量和焊接烟尘的化学成分产生影响。
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8 N* H- w5 S& y( |' J       在研究Al-Mg合金直流和交流脉冲惰性气体保护焊过程中产生的焊接烟尘时发现，使用交流脉冲惰性气体保护焊能从本质上抑制烟尘的产生。在研究电弧电压及送丝速度对GMAW中实芯焊丝和金属芯焊材的焊接烟尘的发尘量的影响时发现：对于f1.4mm的实芯焊丝在直流正接的情况下，热输入超过临界值9.5kW时烟尘发生率得到一个最小值；直流正接的情况下，实芯焊丝和金属芯焊丝具有相同的焊接烟尘发生率，但是金属芯焊丝获得最低烟尘发生率和最适宜的电弧稳定性调节范围较大。直流反接时，对于金属芯焊丝来说，采用一个较高的送丝速度可以得到一个满意的焊接烟尘发尘量。
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, z0 Z3 Y( `5 Y! ]1 A       Hewitt等人通过一系列的试验发现在FCAW焊接过程中，采用直流反接且电压为40V时，发尘量最大；电压为29V时采用直流正接并使用8%的助焊剂，烟尘发尘量降为原来的1/3。
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6 L7 y5 h7 c) Y$ U: o1 o       对不锈钢药芯焊丝CO2气体保护焊时的烟尘发尘率，以及Cr总量和Cr6+的浓度进行研究时发现：烟尘总量和输入的能量有明显的联系。在低、最佳、高三种热输入条件下对应的发尘量分别是189～344mg/min、389～698mg/min和682～1157mg/min，Cr生成率分别为3.83～8.27mg/min、12.75～37.25mg/min、38.79～76.46mg/min；Cr6+生成率分别为0.46～2.89mg/min、0.76～6.28mg/min和1.70～11.21mg/min。烟尘发生率随着热输入的增加呈1.19的指数增长，随着电流的变化以1.75的指数增长；随着热输入的增加，烟尘中Cr的浓度从1.57%~2.65%增加到5.45%~8.13%，Cr6+的浓度从0.15%增加到1.08%，通过FCAW产生的Cr6+的溶解部分相当于全部Cr6+的80%~90%。
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二、焊接烟尘净化与通风
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       通风系统主要包括吸吹式通风系统、局部式通风系统、全局式通风系统和个体防护面罩。通风系统的选择原则是轻便性、可移动性及实用性。在国外，焊工大量使用可移动的局部通风装置。国外大力倡导全面通风为辅，局部通风为主的通风系统选择原则。各种焊接烟尘收集、净化装置都向成套性、组合性、可移动性、小型化及节省资源方向发展，并且取得了较好的成绩，特别是可移动的各种焊接烟尘净化装置为各国广泛采用。
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1.吸气式通风装置

      吹吸式通风装置是一种能有效控制污染源扩散的通风装置。在棚板焊接上单纯采用吸气罩来排除大面积焊接烟尘，存在着效果不理想及方式不够合理等问题，因而提出了将吹吸式通风装置用于棚板焊接烟尘控制。
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0 w- T' I6 x. d# B      试验发现，在棚板焊接上采取吹吸式通风装置，使作业时散发的电焊烟尘得到了有效控制，治理后棚板附近作业带的烟尘平均质量浓度均符合国家卫生标准(低于6mg/m3)，而且由于必要风量小，故能降低动力消耗，节省设备的初投资和运行费。因此较之于吸气罩，不仅更为合理有效实用，而且具有一定先进性，同时为治理大件焊接烟尘污染，提供了一种可借鉴的方法。
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- ~: j" k  m! y/ @9 o& f# t2.压力引射式局部通风装置
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      在密闭容器内焊接，电焊烟尘不断凝聚，浓度不断升高，有时可达800mg/m3，严重危害电焊工人的身体健康。密闭容器焊接作业的局部通风是改善作业环境的必要措施。密闭容器一般只有1～2个孔口，且孔口面积较小。一些密闭容器内部结构复杂，空间狭小；同时为了控制焊接烟尘，要求通风设施设置在施焊点附近，并且能够随时移动。这就要求局部通风设施不但要有良好的通风效果，而且要轻便、简单。

: v  V& W1 M( `      压力引射式局部通风装置主要由引射器、胶布风筒和磁性固定支座三部分组成。作为密闭容器焊接烟尘净化的有效装置，与烟尘除尘机组相比，压力引射式局部通风装置的优势体现在以下几个方面：(1)安全可靠。(2)体积小，重量轻，便于携带。(3)控制焊接烟尘扩散的有效范围大，不必频繁的移动通风口。(4)含尘空气排放到密闭容器外，再利用车间通风设施进一步处理。但也有一些不足，会产生噪声，需要压缩空气源。

  k- w. v/ j/ @$ E' Q2 j3.风幕集烟尘风机
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       风幕集烟尘风机利用其独特的结构，造成合理的流场，即短路流场，有效控制、捕集焊接烟尘，增加了吸烟尘的有效吸程，去掉了传统使用的固体吸尘罩。
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2 o, f+ K" p9 N' I  |4 e: s      该项技术经对各种型式样机的研制和多次烟尘试验及大量测试分析，从理论上建立了“短路流场”数学模型，实际烟尘试验验证了其良好的集烟尘效果。实测与理论计算都表明，采用短流场控制烟尘扩散效果良好，吸风口有效吸程比传统方法的有效吸程提高2～3倍，收尘率达到95%以上。

' _2 \+ j8 l% k, ]三、结语
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  h6 y; }3 K6 b0 z       焊接烟尘使职业建康的危害和生态环境的恶化日益加深，针对解决焊接烟尘问题提出以下几点建议：(1)加强对各种药芯焊丝焊接烟尘机理及影响因素的研究，弥补现有研究的不足。(2)继续低尘、低毒焊接材料的研发，控制焊接烟尘的产生来源，达到危害最小化的目的。(3)规范焊接造作规范，消除影响焊接烟尘的人为因素。(4)提高焊接的机械化自动化水平，加快新型焊接方法的研究，推广焊接机械人的使用。
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