焊接车间电焊烟尘净化技术研究
摘要：本文首先介绍了电焊烟尘的产生及污染特性、焊接车间现场焊接烟尘的污染检测 数据，以及焊接烟尘的卫生控制标准；然后介绍了焊接烟尘的三级过滤净化技术和国内同类技术的研究成果；提出了应不断完善现有焊接烟尘净化技术的想法，以此 希望我国的焊接烟尘净化工作能够广泛实施。
1.概述
焊接工艺在机械、建筑、铁路、汽车、造船、航空等生产中占有极其重要的地位，目前世界上焊接 构件的重量几乎占钢材总产量的一半。电弧焊是目前应用最普通的一种焊接方法。在施焊时，焊条、焊件和药皮在电弧高温下，发生蒸发、凝结和气化，产生大量的 烟尘和气体，污染车间的作业环境，危及人们的身体健康。如手工电焊工人易患神经衰弱、头痛、头晕、疲倦无力、失眠、关节痛等疾病，咽喉痛的发病率也相当 高，少数电焊工人还患有肝脏肿大和尘肺病。在国际上，各国的劳动安全卫生部门和环境保护部门都把焊接烟尘的污染问题，作为焊接作业的劳动安全和环境保护的 重要内容考虑，并且制定了严格的规定。还制造出多种规格的焊接烟尘净化设备，从净化机理来看，有过滤式、静电式和吸附式等，其净化总效率达到 99.97∽99.999%.我国对于焊接烟尘的治理,以前大都采用全面换气的方式,设置排烟罩进行排烟;这种方式能将一部分烟尘排至室外,但排烟效果并 不明显,在大部分工人操作地带的烟尘浓度都远远超过允许值,特别是在一些封闭的和半开放的设备中进行作业时情况更为严重.另外,由于车间的排风量大,在北 方地区,采暖季节必然会使大量的热量排至室外,造成大量热损失.还有所排出的烟尘没有进行净化处理,造成车间及厂区周围的大气污染.在进入21世纪的今 天,关心焊接烟尘的污染,越来越引起人们的重视.
2.焊接烟尘特性
2.1 焊接烟尘产生
焊接烟尘的产生过程，是在高温电弧情况下，焊条端部及其母材相应被熔化,熔液表面剧烈喷射由药皮及焊芯产生的高温高压蒸汽（蒸汽压达 0.5-100mmHg）并向四周扩散,当蒸汽进入周围的空气中时,被冷却并氧化,部分凝聚成固体微粒,这种由气体和固体微粒组成的混合物,就是所谓的焊 件烟尘.药皮和焊芯的尘化比例相等,约为0.2-3%,母材的尘化率在1%以下.
2.2焊接烟尘颗粒的形状和粒度分布
焊接烟尘由0.1μm左右的球状颗粒集聚而成,而且这些球状颗粒物在空气中浮游,常会集聚成 互相连锁的树枝壮微粒,一般非低氢型焊条较多, 氢型焊条好些,CO2气体保护焊有比非氢型焊条更加明显的锁链状.钛铁矿型焊条的烟尘粒度很细，一般小于1微米的尘粒占50%以上（重量百分比）。表1、 表2列出的是钛铁矿型焊条和低氢型焊条产生的粉尘粒度分布情况。
钛铁矿型焊条的焊接烟尘粒度分布 表1
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低氢型焊条的焊接烟尘粒度分布 表2
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2.3 焊接烟尘的物理化学成分
焊接烟尘是一种十分复杂的物质,已在烟尘中发现的元素多达20种以上,曾对几种焊条烟尘进行 化学分析,其结果见表3所示. 焊接烟尘不仅化学元素种类繁多,就含量而言，氧化铁一般占烟尘总量的35~56%，其次是氧化硅，其含量占10~20%，氧化锰占5~20%左右;对几种 焊条烟尘的化学成分进行分析的结果见表4所示。
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国产几种焊条烟尘化学元素分析表 表3
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几种焊接烟尘的化学成分（%） 表4
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3.焊接作业环境卫生标准及环境现状
3.1焊接烟尘容许浓度
世界各国对控制焊接烟尘都十分重视,规定了焊接工作区烟尘的容许浓度及其检测方法,如日本的《JISZ3930》,就是日本焊接协会焊条分会制订的《电弧 焊焊条的总粉尘测试方法》.很多国家采用的烟尘允许浓度标准是TLV或MAK公布的数值,(TLV是美国ACGIH发布的,MAK是德国发布的).早在 1974年国际焊接学会第八分会就按焊条的种类提出了焊接烟尘的允许浓度,表5所示为几个组织公布的焊件烟尘允许浓度.
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几个国际组织公布的焊件烟尘允许浓度值 表5
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我国的[车间空气中电焊烟尘卫生标准](GB16194-1996) 中规定：车间空气中电焊烟尘最高容许浓度为6 mg/m3;另外在[工业企业设计卫生标准](TJ36-79) 中规定:氧化锰为0.2 mg/m3.一般粉尘为10 mg/m3.氟化物为1 mg/m3.
3.2焊接作业环境现状
我国以前不少企业的焊接工艺，机械化程度不高，仍是手工电弧焊和半自动焊，工位移动工件不 动，使得烟尘产生点不断变化，给车间设置排烟净化装置造成一定困难，加上过去重视程度不够，所以许多焊接工艺操作没有排烟净化装置，产生的烟尘全部散在室 内，造成车间烟雾弥漫，可见度低，有些工厂的吊车工人都无法操作。从某些工厂测定的资料来看，其电焊作业环境中有害物质远远超过了国家的卫生标准，少者几 倍，多者几十倍、几百倍。表6所示为几组车间现场焊件烟尘测定的最高浓度。
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几组车间现场焊件烟尘的最高浓度值表6
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从此可知,我国焊接作业区的有害气体污染是比较严重的,焊接工人的健康受到很大的威胁,必须引起高度的重视,采取有力措施,使焊件烟尘得以净化,同时满足劳动保护和环境保护的要求.
但是，近年来，随着焊接工艺和设备的改善，尤其是一些自动化程度很高的焊接机器人的采用，与此相配套的焊接烟尘的净化设备也得到了长足的发展。
4.焊接烟尘的净化技术研究与开发
4.1焊接烟尘的收集
为了达到改善焊接作业环境和防止大气污染,就要把施焊过程中产生的烟尘收集起来,不让其扩散到车间室内.目前收集焊接烟尘的方式有以下两种:
(1)局部抽风:在固定焊接作业点的侧面或顶部设排烟罩,利用风机的力量,就地把烟尘抽走,达到改善室内环境的目的,这种办法风量省,效果好,节约能量.
(2)全面换气:大多数的情况是工位移动,工件不动,烟尘产生点不断变化,无法用局部排烟罩收集烟气,这时为了使车间室内保持一定的清洁度,就需采用全面换气的 办法,车间换气次数按有关规定进行.一般在车间一定的高度上,被认为是烟气最密聚的区域内,设置全面换气罩;也有的采用一边吹一边吸的方式,使车间上部一 定高度上形成一道气幕,把上升的烟气锁住,并推赶至排烟罩,达到排除烟气的目的.全面换气与局部排风法相比,风量大,排烟效果差,能耗大,特别是在冬季采 暖的地区,为了补充排风热损失,需要消耗大量的能量,因此全面换气应该按具体情况进行分析后合理采用.
4.2焊接烟尘净化技术的开发
4.2.1焊接烟尘净化技术原理
焊接烟尘的粒度很细,烟尘的粒径为0.01-5μm;因此,用一般除尘方法来处理焊接烟尘效果很差.
4.2.2 焊接烟尘净化设备情况介绍
近年来，由于国家对环境保护和劳动保护的重视，通过消化引进国外技术，促进了我国焊接烟尘治理技术的开发和发展，并取得了较好的成效。现就有关情况介绍如下：
（1）某单位研制了三级过滤式焊接烟尘净化机组，滤材采用美国戈尔公司的绝对过滤材料，对焊件烟尘的净化效果可以达到98%以上。
（2）某研究所曾对北汽引进的美国Berhala公司生产的真空式焊件烟尘净化机组进行了测绘，该机组抽气、过滤、手把三部分组成，真空泵进口840mmH2O。
（3）机械部设计总院同北京工程机械厂，引进瑞典、丹麦技术，研制出TWFF—210，SWFF—1000型两种焊件烟尘净化机组。
TWFF—210机组技术性能:风量为210m3/h，风压为500 mmH2O;风机最大真空度:大于1650 mmH2O。软管：φ50mm的4m，φ25mm的2m。粉尘净化效率： 96.7%.一级过滤器:铜丝网.二级过滤器:中效滤料,面积为0.8m2, H=9.7mmH2O.三级过滤器:高中效滤料,面积为0.8 m2, H=9.7mmH2O. 四级气体净化器：活性吸附剂。噪声：小于67dB（A声级）。电机：12000rpm，0.9kw,220v.外形尺寸:440x440x870mm.重 量:46kg(包括过滤器).
SWFF-1000型机组技术性能:风量为1000m3/h.风压:143 mmH2O.自衡管: d=150mm,最大回转半径3000mm.净化效率: 98.7%.一级过滤器:铜丝网.二级过滤器:中效滤料,面积为2.5 m2, H=2.0mmH2O.三级过滤器:高中效滤料,面积为2.5 m2, H=9.3mmH2O.噪声：小于65dB（A声级）。电机：2300rpm，1.1kw,380v.外形尺寸:630x630x1500mm.重 量:170kg(包括过滤器).
(4)船舶工业总公司第九设计院研制了一种狭小舱室用焊接烟尘净化器,由36v离心风机,208涤纶绒布滤袋,D40mm烟气软管和带永久磁铁的排气罩等组成, 其主要技术规格如下:风量为340 m3/h.风压为120 mmH2O.净化效率:90~97%.滤袋过滤面积为0.8m2.电机功率为170w.电机转速为7000rpm.噪声小于83dB（A声级）.外形尺 寸:240x230x240mm.重量:4.7kg(包括过滤器).
(5)机械部四院等研制了一种LH—600型焊接烟尘净化机组其主要技术性能如下：风量:300~900 m3/h.风压:100~60 mmH2O.净化效率:99.9%.电机功率: 0.8kw.噪声小于80dB（A声级）.外形尺寸: LH1—600型为550x450x880mm;LH2—600型为550x450x1180mm. 重量:LH1—600型 85kg,LH2—600型81kg.
(6) 机械部四院还消化德国某公司的技术,研制了一种ELF型静电净化机组,可以除油雾、烟雾，对粒径为0.01~100μm的微粒的净化效率可达96%.其主 要技术性能如下:处理风量: 400~1200 m3/h.机组耗电量:0.55kw,其中电除尘120w.除尘器阻力:8~12 mmH2O.电离电压: 13kv.集尘电压: 6.5kv.外型尺寸: 750x500x510mm.重量: 78kg.
(7)国外焊件烟尘净化设备情况简介:
①用于狭窄的焊接场地，象船舶、化工机械、建筑机械等，能有效地排除填角焊缝产生的粉尘，自 动走行吸尘装置。分面壁四周走行型和壁面悬架走行型两种。国外有的装置把罩子和走行装置连接再一起，并固定在走行台上，在走行台上装有光点管，光电管接收 到焊弧的光时，产生电流和微小电压，再有增压器升压，该电压输给走行台车电机和吸风扇电机，一边抽吸粉尘一边自动移动台车。
②另外一种小型焊接烟尘净化装置的结构是：可伸缩、旋转
起倒的罩子、捕集粉尘的袋子，连接罩子和集尘袋的软管，过滤粉尘、飞溅火花的过滤器等。罩子的吸口是月牙形，可充分地吸入粉尘，由可很好地观察焊缝。罩子轻而小，在吸气口的中央，装有隔板，气流得到均匀分布。
③半自动焊接用吸尘器，它是和半自动电弧接接机组组合使用的小型吸尘器。在焊抢上装有一个吸 尘咀，靠焊抢前端吸引粉尘，由高性能的过滤器过滤。吸尘效率达85%，除尘效率达95%以上；过滤器是盒式的，容易维修，吸尘咀小而轻，操作时不感疲劳。 吸尘的动力是自冷式电机，可连续运转，最大真空度1700mmH2O，功率1kw。
④适合用于半自动、自动焊机的吸尘器，在焊枪的前端有吸入咀，整体小型轻量，便于移动，有一次、二次过滤分离结构，能捕集0.1~10μm的粉尘,功率3.7kw.
⑤捕集焊接油尘专用集尘装置,如果焊接母材上沾有冲压油,防锈油等,焊接时产生粉尘以外,还 产生油雾,其发生量根据焊条的粗细和母材上沾有油量的多少而不同,平均是100mg/m3.用一般的除尘器会产生网眼堵塞、吸尘风量降低，难于清洗，并易 造成火灾。该装置是把油尘和粉尘分开捕集，第一级用长纤维过滤捕油器，第二级用袋式除尘器捕集粉尘，真空度350 mmH2O，风量12m3/min，功率2.2kw。
（8） 关于焊接烟尘中有害气体的净化
目前对焊接烟尘中有害气体的净化主要采用物理和化学吸附的方法,所用吸附材料有：活性炭、活性炭纤维、以及其他固体吸附剂，
也有用液体吸收剂的，但是，吸附材料和过滤材料在焊接烟尘净化机组中的组合方式，需按具体情况进行工程设计和净化设备设计，使其处于最佳的结合状态。
5.结语
近年来，国内都外重视改善焊接作业环境，尤其重视焊接烟尘的问题，焊接烟尘成分复杂，除了以 上所述之外，有些还需进一步研究。今后需进一步就焊接烟尘净化设备的具体参数，进行试验，同时结合目前焊接技术的发展,新工艺、新材料、如传感器、机械 手、气动、控制元件的采用，使所开发的焊接烟尘净化装置能够较好的用在生产实际当中。由于焊接技术本身的发展,如惰性气体保护焊的普遍推广,含有各种合金 元素的高强度焊件材料和被焊材料的使用,在焊接过程中产生的烟尘成分更加复杂,有害元素、有害气体的产生机会更多，这对焊件烟尘的净化技术提出了更高的要求。
参考文献：略
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