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    焊接煙塵的影響因素及凈化措施

    時間:2015/3/15 19:48:23來源: 關鍵字:焊接排煙點擊:
    摘要:焊接煙塵已經成為21世紀一種主要的職業病,嚴重危害了焊接工人的身體健康,而且給環境帶來了巨大影響??偠灾?,解決焊接煙塵已經成為焊接技術發展關鍵。本文從焊接材料和焊接工藝兩個方面簡要介紹了焊接煙

    摘要:焊接煙塵已經成為21世紀一種主要的職業病,嚴重危害了焊接工人的身體健康,而且給環境帶來了巨大影響??偠灾?,解決焊接煙塵已經成為焊接技術發展關鍵。本文從焊接材料和焊接工藝兩個方面簡要介紹了焊接煙塵的影響因素,并介紹了現階段一些主要的焊接煙塵凈化方法。 

        焊接煙塵是在焊接過程中產生的高溫蒸氣經氧化后冷凝而產生的,焊接煙塵主要來自焊條或焊絲端部的液態金屬及溶渣。焊接材料的發塵量占焊接煙塵總量的80~90%,只有部分來自母材??茖W研究以及健康調查表明:焊接煙塵中存在著大量的可吸入物質(如氧化錳、六價鉻、以及鉀、鈉的氧化物等)一旦這些物質進入人體,會對人體產生巨大的傷害。長期在焊接煙塵環境下作業的焊接操作人員患有慢性支氣管炎等呼吸道疾病的比例明顯高于其他人員,并且可吸入物質還會沉積在人體的骨骼和血液中,導致性能力下降,甚至引發癌癥,尤其是近年來隨著大量含有Cr、Mn、Ni等化學成分的焊接材料的使用,使焊接煙塵對職業健康和環境負荷的影響日益嚴重。

        國際上對焊接衛生的研究開始于1920年,主要研究氮氧化物有害氣體的影響。從20世紀20~60年代主要對焊接煙塵的有害性進行研究。70年代主要有焊條全煙塵測定,焊接衛生標準的建議及焊條衛生標志的設立;對焊接煙塵發生機理及影響因素進行研究。

    一、焊接煙塵的影響因素

    焊接煙塵的影響因素很多,主要因素包括焊接材料和工藝兩個方面:材料指的是焊條藥皮的成分、焊絲鋼帶、藥粉的化學組成,以及保護氣體成分等;工藝是指焊接方法的選擇及工藝參數的設定。N. J. HUDSON等人指出在低合金MIG焊接過程中產生的以混合金屬氧化物和尖晶石結構為主的焊接煙塵主要是由電極材料、被焊合金材料、過程控制、保護氣體組分,以及電壓和電流值決定的。

    1. 焊接材料

    焊接材料對焊接煙塵的作用主要體現在以下兩個方面:

    (1)焊接材料是焊接煙塵產生的來源,焊接材料的成分直接影響焊接煙塵發塵量的多少和焊接煙塵的化學成分。

    (2)焊接材料影響焊接電弧物理,通過改變熔滴過渡方式,控制焊接過程中產生的金屬蒸氣進入大氣的含量。

    施雨湘等通過對單組分和少組分焊條的焊接煙塵試驗發現:大理石、氟石等物質本身產生的煙塵高,其組成焊條的煙塵也高;金紅石等物質本身產生的煙塵較低,其組成焊條的煙塵也低;菱苦土等物質本身產生的煙塵較高,但是組成焊條時不一定高。藥皮物質不僅各自影響焊接煙塵,而且相互之間存在復雜的關系,改變藥皮組分比例,有可能達到降塵的目的。

        Zimmer和Biswas在對氣體金屬氬弧焊過程中產生的氣溶膠進行研究時發現,被焊合金成分對于焊接煙塵顆粒的尺寸分布,以及焊接煙塵的形態和化學結構有顯著的影響。此外,焊接煙塵顆粒尺寸的分布是多形態且隨時間發生空氣動力學變化。

        小林實等通過試驗發現,CO2保護藥芯焊絲的發塵量同焊絲所用的鋼帶的含碳量成正比,如將鋼帶含碳量從通常的0.08%降到0.045%以下(最好0.02%),可使發塵量減少30%左右,基本上與實芯焊絲發塵率相同。對于藥芯焊絲,如果降低鋼帶和潤滑劑里的含碳量,可大幅度降低發塵率。

    J.H.Dennis等人發現在FCAW焊接過程中,所用焊接材料中添加1%的Zn能顯著降低Cr6+和臭氧的生成。

        北京工業大學的王智慧等人研究了鐵粉添加量對焊絲發塵率的影響時發現:煙塵中鐵的氧化物約占50%。當藥芯焊絲中的含鐵量為19.5%~28.7%(質量分數)時,焊絲發塵量為5.5226~8.2326g;煙塵中鐵和錳的氧化物所占的比例很大。試驗條件下Fe粉在藥芯中所占比例越小,單位質量的焊絲發塵量就越少;不同廠家、不同工藝生產的鐵粉對發塵量沒有明顯的影響。此外他們還對焊條焊芯和部分輔料作了環境負荷影響評估,通過數據采集,環境影響因子確定,以及結果分析等發現焊絲和焊帶的環境負荷較大,而礦物粉的生產過程環境負荷較小。

    2.工藝因素

        焊接參數會影響焊接煙塵的發塵率。不同焊接方法的選擇,極性的改變,電流電壓的變化,以及送絲速度等都會對發塵量和焊接煙塵的化學成分產生影響。

        在研究Al-Mg合金直流和交流脈沖惰性氣體保護焊過程中產生的焊接煙塵時發現,使用交流脈沖惰性氣體保護焊能從本質上抑制煙塵的產生。

    在研究電弧電壓及送絲速度對GMAW中實芯焊絲和金屬芯焊材的焊接煙塵的發塵量的影響時發現:對于f 1.4mm的實芯焊絲在直流正接的情況下,熱輸入超過臨界值9.5kW時煙塵發生率得到一個最小值;直流正接的情況下,實芯焊絲和金屬芯焊絲具有相同的焊接煙塵發生率,但是金屬芯焊絲獲得最低煙塵發生率和最適宜的電弧穩定性調節范圍較大。直流反接時,對于金屬芯焊絲來說,采用一個較高的送絲速度可以得到一個滿意的焊接煙塵發塵量。

        Hewitt等人通過一系列的試驗發現在FCAW焊接過程中,采用直流反接且電壓為40V時,發塵量最大;電壓為29V時采用直流正接并使用8%的助焊劑,煙塵發塵量降為原來的1/3。

        對不銹鋼藥芯焊絲CO2氣體保護焊時的煙塵發塵率,以及Cr總量和Cr 6+的濃度進行研究時發現:煙塵總量和輸入的能量有明顯的聯系。在低、最佳、高三種熱輸入條件下對應的發塵量分別是189~344 mg/min、389~698 mg/min 和682~1157 mg/min,Cr生成率分別為3.83~8.27 mg/min、12.75~37.25 mg/min、38.79~76.46 mg/min;Cr 6+生成率分別為0.46~2.89 mg/min、0.76~6.28 mg/min 和1.70~11.21 mg/min。煙塵發生率隨著熱輸入的增加呈1.19的指數增長,隨著電流的變化以1.75的指數增長;隨著熱輸入的增加,煙塵中Cr的濃度從1.57%~2.65% 增加到 5.45%~8.13%,Cr 6+的濃度從0.15%增加到1.08%,通過FCAW產生的Cr 6+的溶解部分相當于全部Cr 6+的80%~90 %。

    二、焊接煙塵凈化與通風

       通風系統主要包括吸吹式通風系統、局部式通風系統、全局式通風系統和個體防護面罩。通風系統的選擇原則是輕便性、可移動性及實用性。在國外,焊工大量使用可移動的局部通風裝置。國外大力倡導全面通風為輔,局部通風為主的通風系統選擇原則。各種焊接煙塵收集、凈化裝置都向成套性、組合性、可移動性、小型化及節省資源方向發展,并且取得了較好的成績,特別是可移動的各種焊接煙塵凈化裝置為各國廣泛采用。

    1.吸氣式通風裝置

        吹吸式通風裝置是一種能有效控制污染源擴散的通風裝置。在棚板焊接上單純采用吸氣罩來排除大面積焊接煙塵,存在著效果不理想及方式不夠合理等問題,因而提出了將吹吸式通風裝置用于棚板焊接煙塵控制。

        試驗發現,在棚板焊接上采取吹吸式通風裝置,使作業時散發的電焊煙塵得到了有效控制,治理后棚板附近作業帶的煙塵平均質量濃度均符合國家衛生標準(低于6mg/m3),而且由于必要風量小,故能降低動力消耗,節省設備的初投資和運行費。因此較之于吸氣罩,不僅更為合理有效實用,而且具有一定先進性,同時為治理大件焊接煙塵污染,提供了一種可借鑒的方法。

    2.壓力引射式局部通風裝置

        在密閉容器內焊接,電焊煙塵不斷凝聚,濃度不斷升高,有時可達800mg/m3,嚴重危害電焊工人的身體健康。密閉容器焊接作業的局部通風是改善作業環境的必要措施。密閉容器一般只有1~2個孔口,且孔口面積較小。一些密閉容器內部結構復雜,空間狹??;同時為了控制焊接煙塵,要求通風設施設置在施焊點附近,并且能夠隨時移動。這就要求局部通風設施不但要有良好的通風效果,而且要輕便、簡單。

       壓力引射式局部通風裝置主要由引射器、膠布風筒和磁性固定支座三部分組成。作為密閉容器焊接煙塵凈化的有效裝置,與煙塵除塵機組相比,壓力引射式局部通風裝置的優勢體現在以下幾個方面:

    (1)安全可靠。

    (2)體積小,重量輕,便于攜帶。

    (3)控制焊接煙塵擴散的有效范圍大,不必頻繁的移動通風口。

    (4)含塵空氣排放到密閉容器外,再利用車間通風設施進一步處理。但也有一些不足,會產生噪聲,需要壓縮空氣源。

    3.風幕集煙塵風機

       風幕集煙塵風機利用其獨特的結構,造成合理的流場,即短路流場,有效控制、捕集焊接煙塵,增加了吸煙塵的有效吸程,去掉了傳統使用的固體吸塵罩。

       該項技術經對各種型式樣機的研制和多次煙塵試驗及大量測試分析,從理論上建立了“短路流場”數學模型,實際煙塵試驗驗證了其良好的集煙塵效果。實測與理論計算都表明,采用短流場控制煙塵擴散效果良好,吸風口有效吸程比傳統方法的有效吸程提高2~3倍,收塵率達到95%以上。

    三、結語

       焊接煙塵使職業建康的危害和生態環境的惡化日益加深,針對解決焊接煙塵問題提出以下幾點建議:

    (1)加強對各種藥芯焊絲焊接煙塵機理及影響因素的研究,彌補現有研究的不足。

    (2)繼續低塵、低毒焊接材料的研發,控制焊接煙塵的產生來源,達到危害最小化的目的。

    (3)規范焊接造作規范,消除影響焊接煙塵的人為因素。

    (4)提高焊接的機械化自動化水平,加快新型焊接方法的研究,推廣焊接機械人的使用。


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