（材料加工工程专业论文）gma焊接烟尘光电检测系统的研究.pdf

摘要 焊接在制造业中发挥着越来越重要的作用。然而，电弧焊烟尘对人体健康和 环境有严重的影响，不同粒度的烟尘对人体的影响是不一样的。因此，本课题从 我国应用日益广泛的气体保护焊入手，设计新的诊断系统分析了g m a 焊接工艺参 数对焊接烟尘粒度的影响。 传统的测量烟尘粒度的方法是离线测量，这种测量存在效率低、破坏烟尘的 整体形貌、测量粒度分布范围相对较窄等缺点。本实验设计了基于激光散射理论 的具有较高时空分辨率的激光光电检测系统。光电检测系统除了不干扰、不接触 流场和粒子场外，还具有测量的粒子尺寸范围宽、光电转换响应时间短、分辨能 力较高等优点。 氦氖激光器作为激光光源，其输出激光波长6 2 3 8 r i m ，具有方向性强、单色 性好、相干性强等特点。采用两根多模石英光纤形成激光光路，把光学信号最终 传输到光谱仪中，得到焊接烟尘的光电本征信号。采集时，光电信息中含有大量 的干扰成分，严重影响对本征信号的提取。可以通过制定比较严格的操作规范减 弱干扰信号。 通过光纤把激光从平行于焊枪的方向照射到焊接烟尘的层流区，激光穿过烟 尘时由于烟尘气溶胶粒子对激光的吸收、散射、衍射等作用会造成能量损耗，透 射后的激光穿过小孔滤去干涉光后被光谱仪接受。提取光谱信号，得出焊接前后 光强损失，建立数学模型分析焊接参数对烟尘的颗粒度的影响规律。 选用实芯焊丝的颗粒过渡、射流过渡和脉冲过渡三种熔滴过渡方式，采用光 纤型准光弹性散射颗粒粒度测试仪和光散射法两种测量方法测量焊接烟尘的颗 粒粒度，对其结果进行比较。 在实验条件下，颗粒过渡中粒径较大，电流为1 9 0 a 时的烟尘粒度最大，对 激光光强影响最强烈，粒径大小和烟尘浓度是影响消光度的主要因素；射流过渡 和脉冲过渡的烟尘粒径较小，粒径大小是影响消光度的主要因素。离线测量和设 计的在线测量数据吻合。 关键词：g m a w ；光电检测；焊接烟尘；粒度；散射理论 a b s t r a c t w e l d i n gi sp l a y i n ga l li n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l e i nt h em a n u f a c t u r i n gs e c t o r h o w e v e r ) a r cw e l d i n gf u m e sh a sas e r i o u s l ye f f e c to nh u m a nh e a l t ha n de n v i r o n m e n t ， s o ，t h i sr e s e a r c ha n a l y s i s e do ft h eg m aw e l d i n gp a r a m e t e r so nt h ee f f e c t so fw e l d i n g f u m ep a r t i c l es i z ew i t ht h en e wd e s i g no f t h ed i a g n o s t i cs y s t e m t h et r a d i t i o n a lm e t h o do f m e a s u r i n g d u s t p a r t i c l e s i z ei so f f - l i n e m e 删e m e m ，t h i sm e a s u r e m e mh a v es o m ew e a kp o i n t s ，f o re x a m p l e ，l o we f f i c i e n c y , t h e o v e r a l ld e s t r u c t i o no fs o o tm o r p h o l o g yi sd i s t r o i e d ，t h e r a n g eo fp a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o nm e a s u r e m e m si sn a r r o wa n ds oo n b a s e do nl a s e rs c a t t e r i n gt h e o r y , t h i s e x p e r i m e n td e s i g n e dp h o t o e l e c t r i cd e t e c t i o ns y s t e mw h i c hh a v eh i g hs p a t i a la n d t e m p o r a lr e s o l u t i o n p h o t o e l e c t r i cd e t e c t i o ns y s t e mh a v es o m es t r o n gp o i n t s ，i n c l u d i n g n o n - i n t e r f e r e n c e ，n o n - c o n t a c tp a r t i c l ef l o wf i e l da n do f f - s i t e ，a l s oh a st h ew i d e rr a n g e o fp a r t i c l es i z em e a s u r e m e n t p h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o nt i m ei ss h o r t e r , r e s o l v i n g p o w e r i sh i g h e r w i t ht h eo p t i c a lf i b e rt h el a s e ri se x p o s u r et ot h el a m i n a rf l o wa r e a ，t h ed i r e c t i o n o fl a s e rp a r a l l e lt ot h ew e l d i n gt o r c h w h e nl a s e rt h r o u g ht h ef u m et h el u m e no u t p u t w i l lb ew e a k e da sar e s u l to fd u s tp a r t i c l e so nt h el a s e ra b s o r p t i o n , s c a t t e r i n g ， d i f f r a c t i o n 。t h el a s e ra f t e rt r a n s m i s s i o nt h r o u g ht h el e a s ts q u a r e se l i m i n a t et h ee f f e c t s o fl i g h ti n t e r f e r e n c e t h e ne x t r a c ts p e c t r a ls i g n a l so b t a i n e dt oc a l c u l a t et h el i g h t i n t e n s i t yl o s so fw e l d i n gb a c ka n df o r t h e s t a b l i s h i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lt oa n a l y z e t h el a wo f w e l d i n gp a r a m e t e r st op a r t i c l es i z e p a r t i c l et r a n s i t i o n , s p r a yt r a n s f e ra n dp u l s et r a n s i t i o no fs o l i d - c o r e da r eu s e d w e l d i n gf u m ep a r t i c l es i z ei sm e a s u r e db yb o ml a s e rs c a t t e r i n gm e t h o d a n da n d f o q e l s ，a n dt h e nt h et w or e s u l t si sc o m p a r e d i na c c o r d a n c et ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h r e et l a n s i t i o nm o d e si n v o l v ep a r t i c l e t r a n s i t i o n a l , s p r a yt r a n s i t i o na n dp u l s et r a n s i t i o n , t h e nw ec a nf o u n dt h a tt h ep a r t i c l e s i z ei sm a x i m u mw h e nt h ec u r r e n ti s1 9 0 ai np a r t i c l et r a n s i t i o n , t h ei m p a c to ft h e l a s e rf i g h ti n t e n s i t yi st h es t r o n g e s t t h ep a r t i c l es i z ei ss m a l l e ri ns p r a y 臼r a n s i t i o n a n dp u l s et r a n s i t i o n 。 k e yw o r d s ：g m a , p h o t o e l e c t r i cd e t e c t i o ns y s t e m ，w e l d i n gf u m e ，p a r t i c l e s i z e ，s c a t t e r i n gt h e o r y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤叠苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 一张研彦鸸一期：吖年日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者躲解季 擀嗍：吖“ 新虢卢彦严 签字目期：渺7 年歹与f 日签字目期：渺年汐月f日 1 第一章绪论 1 1 课题提出的背景 第一章绪论 焊接作为一种重要的材料加工和制造技术，广泛地应用于石油化工、工程 机械、电力、航空航天和海洋工程等的结构件制造以及微电子、传感器等工业领 域。随着国民经济的迅速发展，焊接产品在国民经济各个部门中的应用日益广泛。 据统计，2 0 世纪9 0 年代初我国焊接结构产量已达到钢产量的3 0 ，2 0 0 0 年， 全世界4 5 的金属结构经焊接加工成型。随着科学技术特别是新材料的不断发 展，主要针对金属材料加工的焊接技术也已发展成为面向所有材料进行连接加工 的科学与技术。2 1 世纪我国乃至全世界焊接结构的产量将达到钢产量的5 0 i l 3 1 o 电弧焊是现代工业生产中广泛采用的焊接方法，但是在金属材料电弧焊焊 接工艺过程中会产生焊接烟尘，烟尘中的颗粒直径一般小于l u m ，( 大多数情况 下小于0 1 u r e ) ，极易被人体吸收。当焊接烟尘超过允许浓度时，就会严重危害操 作者及其周围人群的身体健康。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，导致人体机能下降，甚至引发癌症，尤其是近年来随着大 量含有c r 、m _ n 、n i 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。 目前全世界焊接工作的从业人员超过一百万，而且还在继续增加【4 j ，人们对 焊接过程产生的焊接烟尘对焊工身体健康的影响越来越关注。“焊接与环境”、 “焊接与可持续发展”已成为当前国内外研究的热点之一。人们已认识到必须采 取有效的措施和方法，最大限度地降低并消除对焊工的身体健康及安全可能带来 的不良影响。因此，对焊接烟尘进行系统研究，以采取有效措施，控制焊接烟尘， 将是非常必要的。 1 2 焊接烟尘研究现状 焊接对人和环境可能造成的危害，已经成为焊接技术能否实现可持续发展的 第一章绪论 重大课题。焊接的物理危害和化学危害，特别是对焊接烟尘的产生机理、影响因 素、控制措施及其毒理学研究取得了许多进展，并制定了相应的法规、标准来保 护劳动者的身体健康，促进焊接技术的进步。 1 2 1 焊接烟尘的产生机理 焊接过程中的焊接电弧是气体放电的一种形式，由于电弧的高温使气体分 离。焊条( 焊丝) 的熔化、过渡、与母材焊缝的熔融和沸腾，以致电弧区散发出 很多高温蒸气，高温蒸气从电弧吹出后迅速氧化与冷凝变为细小的固态粒子，成 为气溶胶状态弥散在电弧周围，并逐渐向外扩散，形成焊接烟尘。焊接烟尘是有 害气体烟雾和金属氧化物粉尘的混合物。有害气体烟雾的成分有二氧化硅，一氧 化碳，氮氧化物、臭氧、氧化氢等。 一般认为焊接烟尘是焊接区蒸发出来的金属及其冶金反应物蒸汽远离焊接 区后凝结而成，以气溶胶的形态存在。它是过热一蒸发一氧化一冷凝的过程。在 焊接过程中，焊条端部的液态金属和药皮等非金属物质在电弧高温下蒸发而产生 高温蒸汽，并被迅速氧化和冷凝生成的固相粒子称为“一次粒子”，一次粒子基 本形态呈球状，直径在0 。0 1 - 0 4 u m 范围内，以0 1 u m 左右的居多【5 j 。由于一次粒 子均带有静电和磁性，在电弧周围烟尘浓度较高的情况下很不稳定，相互碰撞聚 集在起。随着粒子距离电弧的增大，粒子浓度降低，其碰撞也随之减弱。这种 一次粒子悬浮在空气中并发生聚集而组成的各种形态的离子团称为“二次粒子”， 一次粒子所带的静电荷磁性也随粒子的聚集凝并形成二次粒子而逐渐减弱或消 失。但由于布朗运动粒子的碰撞聚集总是存在的，使得粒子的粒度分布随时间变 化。 我国武汉交通科技大学施雨湘教授通过对焊接烟尘机理的进一步研究，提出 了焊接烟尘的气溶胶机理，阐明了焊点附近焊接气溶胶粒子均质形核机制和非均 质形核机制理论【6 j 。 a 、均质形核机制 焊接气溶胶的0 0 1a m 尺度粒子主要是f e 3 0 4 晶体，这一粒子转变过程是物理 过程，而不是随后的化学氧化过程，其控制反应是f e ( g ) - - f e ( l ) ，这意味着电弧 气氛的氧化性强弱并不决定粒子转变的多少。凝聚相形核是蒸气自身转变而来， 即所谓均质形核。同时提出了焊接电弧的粒子形核区模型( 如图i - i ) ，即在电 弧中心区周围，似存在一个特征区，该区由于环境冷空气的混入与中心区传热平 衡，可保持相对稳定的温度，从而保持相对稳定的过冷度和稀释率。同时，由于 电弧径向温度梯度较大f e 蒸气分子受到“热”的一边的高能分子的轰击，正是在 这种热漂移力的作用下不断进入该区，以补偿蒸气凝结的损失，从而保证该区具 第一章绪论 有相对稳定的过饱和度s 值，实现稳定形核。焊接电弧的粒子形核区模型对描述 焊接气溶胶粒子的形成过程有重要意义。 等温线 a 形核区 i 染一 一 弋 j j 1 ) nl j a i 图1 - 1 焊接气溶胶粒子形核区示意图 a ) 电弧形核区；b ) 电弧径向温度分布；c ) 蒸气压一温度曲线： t n 形核临界温度；t 温度；p 。平衡蒸气压；p 蒸气压； r 。形核区临界半径；r 距电弧中心距离；s 过饱和度 b 、非均质形核机制 在大气气溶胶中，0 1 u m 量级粒子代表一种很不容易直接产生粒子，既不可 能将凝聚物粉碎到这样细小，而气体一粒子转变的均质形核有往往得到更细小更 多的粒子。通过对j 4 2 2 焊条焊接烟尘的分析发现f e 及其他元素不具有足够的蒸汽 压而不具备过饱和的条件。在相同过冷度和稀释率条件下，也必然是f e 蒸汽最先 均质形核，成为新凝聚相。一旦大量凝聚核形成，此时仍处于蒸汽状态的元素虽 不具备需要很高能量才能实现的均质形核，但如果在现有核表面凝结，其临界形 核自由能g 将变化生墅掣倍，若秒很小，g 将大大降低，因而能够在现 有核表面凝结却不生成新核，即发生所谓的异质性凝结。m n 蒸汽最先具备上述 异质凝结条件。 试验证实0 1 u r e 量级粒子均以蒸汽一粒子转变的异质凝结机制所形成；l u m 及更大一些的粒子主要以气泡一粒子转变机制所形成【j 7 1 。 1 2 2 焊接烟尘的扩散 焊后烟尘粒子的长大以凝并为主，凝并主要有两种方式：聚集型和融合型。 焊接烟尘由电弧区产生以后，在分散于空气的过程中发生了不同程度的凝并和聚 集。对焊接烟尘粒子的直接采样电镜观察，烟尘粒子主要有两种形式的长大过程： 第一章绪论 一种是熔合过程，它是由几个焊接烟尘的一次粒子( 原生粒子) 熔合成单个大粒子 的过程，一次粒子之间无明显边界，这种熔合的主要特征是熔合后的单个大粒子 的总表面积小于一次粒子的表面积之和；另一种是聚集过程，它是由几十个甚至 几百个一次粒子聚集在一起的过程，就像是一串葡萄，一次粒子靠表面粘连在一 起，并有明显边别引。当小粒子熔合时，较小的粒子消失，留下的只是新的更大 粒子；而小粒子聚集在一起时小粒子保持其个体身份，但失去动力性质上的独立 性，亦即它们作为一个整体以单独的单位而运动。无论是发生粒子熔合还是聚集， 都会引起烟尘中粒子大小、形状以及数量浓度的变化【9 1 。 焊接过程中烟尘的扩散过程是一个复杂的运动过程。由于电弧高温作用， 在弧柱中存在大量高温金属蒸汽，这种蒸汽被电弧吹出，从弧柱进入大气，高温 使电弧周围的气体膨胀载着烟尘粒子而上升，在上升过程中由于周围气体的不断 卷入以及电弧的冲击作用形成各种涡旋运动。实际观察可以看到，焊接烟尘产生 后在上升过程中逐渐向周边散开，形成喇叭口形【10 1 ，如图1 - 2 。烟尘由连续孤立 的烟团所组成，扩散速度较快。把焊接电弧作为一个连续发尘点源，建立了焊态 下焊接烟尘扩散的数学模型： c=羔exp(丢一旁2zr c2 ：一 一i = r j = f ) u 矿 二u 厶u 1 、其湍流扩散系数与焊条药皮种类及电弧特性有关，药皮中的气体物质以 及采用交流焊接都会使湍流扩散系数增加。 2 、焊态下焊接烟尘的扩散浓度分布是一双正态分布函数，其分布特征数随 湍流扩散系数以及电弧发尘点源正上方的距离的增大而增大，随烟尘气流上升的 平均速度的增大而减小。 3 、在任何气溶胶系统中都存在热扩散( 分子扩散) 现象。气溶胶粒子的热扩 散是由于气体分子随机运动，碰撞粒子并使其内系统的一部分输送到另一部分的 过程。在这一过程中粒子没有特定的运动方向，随机运动的结果使得粒子总是由 高浓度区域向低浓度区域扩散。焊接烟尘的湍流扩散系数比烟尘粒子的热扩散系 数大好几个数量级，由此可见焊接过程中电弧产生烟尘的扩散可以认为是湍流扩 散，而热扩散( 分子扩散) 可以忽略。 第一章绪论 1 2 3 焊接烟尘的性质 i oo () o o f 凇矧 o 暑 图1 - 2 烟尘的扩散模型 对焊接烟尘如何产生以及如何减小其产生的研究也开始进行：我国科研人员 发现焊接烟尘粒子尺寸大部分在微米级和亚微米级。国外有关学者也对焊接烟尘 的形成的影响因素进行了深入研究，也指出了焊接烟尘的气溶胶特征和粒子分布 特征f 6 7 】，焊接烟尘主要是铁、锰等元素的氧化物以及碱金属氟化物( 使用焊剂时) 。 国内对焊条电弧焊的焊接烟尘粒子谱进行了分析，发现了单峰分布和多峰分 布的分布模型。形成后的烟尘粒子分布还遵循一定的分布规律【1 ，即单峰分布按 对称程度可区分为正态型和非正态型；多峰分布按连续与否可区分为断续型和连 续型。同时认为不同的分布类型主要与焊接气溶胶发生源焊接材料的组分、 化学性质密切相关1 6 j 。 直流m i g 焊短路过渡的烟尘成分由f e 、m n 、s i 、o 四种元素组成。其中铁 元素占烟尘总量的5 0 以上，为多量元素。而当熔滴过渡为颗粒过渡时，烟尘的 化学元素为f e 、m n 、o ，表明不同的熔滴过渡形态，形成的烟尘成分不同。 实芯焊丝c 0 2 气体保护焊的烟尘其化学成分由f e 、m n 、s i 、o 四种元素组成， 铁元素占烟尘总量的5 0 以上，为多量元素。而药芯焊丝c 0 2 气体保护焊的烟尘 所产生的烟尘微粒比较复杂，其成分除f e 、m n 、s i 、o 之外，还含有其他金属元 素。如n a 、m g 、a 1 、k 、t i 等。各种焊接方法中，氧原子比重很大，说明焊接烟 尘以氧化物为主。 1 2 4 焊接烟尘的影晌因素 焊接烟尘的影响因素在国内外的研究中都很活跃，主要集中在两个方面： 一个是焊接材料，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；一个是焊接工艺，工艺是指焊接方法的选择及工艺参数的设 定如焊接参数和不同的焊接方法等。 1 焊接工艺因素 第一章绪论 ( 1 ) 不同的工艺方法产生的烟尘量不同。采用熔化极电弧焊时，产生大量 的烟尘，而同样条件下采用非熔化极电弧焊时，如t i g 焊，则产生的烟尘较少。 采用埋弧焊不易产生烟尘，而碳弧气刨与热切割则产生大量的烟尘，且碳弧气刨 通常比热切割产生的烟尘量要多。 ( 2 ) 工艺参数 1 ) 焊接电流与电弧电压对m m a 与f c a w 焊来说，大电流与高电弧电压将增 大烟尘排放量。对m i g 与m a g 焊来说，由于电流、电压的改变将引起过渡方式 的改变，故影响不一样，射流过渡产生的烟尘量相对较少，但随着电流的增加而 增加；熔滴过渡产生的姻尘量相对较高。 2 ) 焊接速度随着焊接速度的增加，焊条电弧焊的焊接烟尘量会相应降低【2 9 1 。 3 ) 电流类型交流焊接比直流焊接的烟尘多。 4 ) 焊条直径焊条直径增加，烟尘量增加。 6 ) 焊条倾斜角度施焊时较小的焊条倾角产生的烟尘量较低。 ( 3 ) 保护气体【1 2 】。在气体保护焊中，烟尘排放量随着保护气体中氧气与二氧 化碳气体量的增加而增加。以氦气代替氩气时，产生的烟尘要相对多些，这是电 弧电压增加的结果。 ( 4 ) 其他影响因素 1 ) 施焊位置施焊位置直接影响烟尘区与焊工呼吸区间的距离。 2 ) 焊接空间焊接时，在没有通风设施或密闭空间中作业时，烟尘会集中， 增加了工作现场烟尘浓度值。工作区域较大时，可自然通风，降低工作现场的烟 尘浓度值。 3 ) 工作循环( 空闲比) 较低的工作循环可产生较少的烟尘，不致产生超过允 许浓度的烟尘含量。 2 焊接材料因素 焊条的发尘量主要取决于药皮成分，药皮由多种物质组成，各成分含量及相 互匹配对发尘量都有影响，因此影响因素较为复杂。 小林实等通过试验认为二氧化碳保护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 0 8 降到0 0 4 5 以下( 最好0 0 2 ) 可 以使发尘量减少3 0 左右，基本上与实心焊丝发尘量相同。相同材料的发尘率还 受工艺的影响，随着焊接电流和电压的升高，发尘率增加，反之，则焊丝伸出长 度增加，发尘率下降。对于实心焊丝降低含碳量，可以降低发尘率，如果降低m n ， s i 或者a j 的含量会使发尘率增加。对于药芯焊丝如果降低钢皮和润滑剂里的含碳 量可以大幅度的降低发尘率。 第一章绪论 1 2 5 焊接烟尘的危害与治理 在电弧焊过程中，会产生焊接烟尘。在焊接烟尘中9 5 的微粒漂浮在空气中， 而且在一定的光线照射下人眼可以观察到。主要的有害化合物有氧化铁、氧化铝、 氧化锰、氧化钛及氧化铬等，低氢焊条还含有氟化物。另外的5 以气体方式散 发在空气中，我们的肉眼看不到，这些气体中含有臭氧、氮氧化物、一氧化碳、 光气、氟化氢等有害成分。通常认为可吸入微粒大小小于l o u m ，而烟尘中的颗 粒直径一般小于1 1 t m ( 大多数情况下小于0 1 9 m ) ，极易被人体吸收，烟尘颗粒小 于0 1 u m 的是可以直接渗入肺里，当焊接烟尘超过允许浓度时，焊工吸入后会使 大量的微粒会附着在呼吸道上严重危害操作者及其周围人群的身体健康，引发尘 肺、锰中毒、金属烟热等疾病，因此必须对工作环境中焊接烟尘进行控制，保护 焊工身体健康。 目前国内常用以下几种方法捕集和治理焊接烟尘： a 配备呼吸保护设备。 b 局部排风。局部烟尘抽吸设备倍动式焊烟净化器、集中烟尘净化系统、 净化工作台) ，在特定的场合效果较好。 c 传统通风除尘方法。自然通风、混合通风、稀释焊烟浓度。 除了上述的三种方法外，通过我们早期的实验证明，适当的改变焊接参数也 可以起到降低烟尘的效果。 在国外通常所用的治理烟尘的措施有： a 、全面通风净化系统。它包括自然通风和机械通风两种方式。在国外对于 户外焊接作业或敞开的空间焊接一般采用自然通风方式，对于室内作业通常采用 机械通风方式。 b 、局部通风净化系统。它包括固定式上部排气装置、移动式吸烟净化装置、 小型机组净化装置、便携式袖珍烟抽油烟机等。 c 、个体防护面具。主要用于无法实施通风治理方案情况下的焊接，它只能 作为各种治理方法的最后手段。 国外焊接烟尘的控制方法包括分离、排出和个体防护等，系统的选择原则是 轻便性、较重设备的可移动性及实用性。因此可移动的局部排风装置被国外焊工 大量使用 1 3 本课题的主要研究内容和意义 1 本课题的研究内容 第一章绪论 本项目以“焊接过程中金属蒸汽的产生与焊接烟尘的关系”为研究重点，在 不同的电弧组分条件下，即保护气体成分与阴阳极材料等反映焊接特点的两个方 面来观测和认识上述条件下焊接电弧中金属蒸汽与焊接烟尘产生的规律： ( 1 ) 设计合适的激光测量系统，实现对焊接烟尘的实时在线精确观测和分析， 并能有序控制焊接过程。 ( 2 ) 选择实芯焊丝的纯a r 气体保护焊实验，观测焊接过程中激光穿过烟尘后 的光谱变化，研究电流电压的变化与焊接烟尘产生的关系。 ( 3 ) 建立电弧金属蒸汽的实时光谱检测系统，对光谱信号进行分析。 2 。本课题的研究意义 目前我国焊接结构用钢量日益增加，巨大的工作量对焊接工作提出了“高 效”、“低成本”的要求，同时也应满足环保要求。熔化极气体保护焊( g m a w ) 由于其易于实现自动化焊接，生产效率高，成本低以及可进行全位置焊接等优点 而得到迅速发展，但是气体保护焊无论采用实芯焊丝还是药芯焊丝都会产生较大 的发尘量。而目前，国内主要是针对焊条电弧焊烟尘进行研究，而对g m a w 焊 接烟尘的发尘机理、影响因素的研究很薄弱。本课题从熔化极气体保护焊入手， 采用激光和光谱技术探索焊接烟尘颗粒度的影响因素，以有效控制焊接烟尘的产 生，对环境保护和改善劳动条件具有重要意义。 项目的研究目标是：实现对电弧物理特征与焊接烟尘产生的内在联系的认 识；建立电弧宏观参数( 如电弧电压、电弧电流等) 、电弧微观参数( 如金属蒸 汽浓度) 与焊接烟尘之间的联系，为有效控制焊接烟尘的产生提供解决问题的理 论依据。 第二章焊接烟尘的激光测量系统 第二章焊接烟尘的激光测量系统 近年来，基于先进测试仪器分析方法的出现以及用新的诊断技术获得的研究 成果 1 3 - 1 6 】，使得在新的层次上深入认识焊接电弧成为可能。将多方面的研究成果 融合起来，引入信息融合的思想，既可以利用光的信息，也可以利用电信息及其 他信息，从多个侧面研究焊接电弧的性质，这种新的分析研究方法正成为一个重 要的发展方向。对于本试验是根据激光散射理论和光的谱线发射理论实时检测电 弧中的金属蒸汽及其他可能有用的信息。通过系统性的工艺试验，比较焊接前后 光谱强度的变化来计算焊接烟尘的粒度，同时选择特定的电弧光谱谱线分析烟尘 的成分。研究焊接方法和焊接工艺参数对烟尘粒度分布、成分的影响，总结其影 响规律，以降低焊接烟尘的危害，保护劳动者的身体健康，促进焊接技术的进步。 2 1 试验总体设计 根据本实验的目的和要求，设计实验方案。实验系统示意图2 - 1 如下： 光 学 由砸 光学 激光器l 剐砂嘏光-系统 系 统 一蔷射检测。1 儿“ 计 采 粤压传感器l 电流传感器 算 集 机 卡 ： 信号处理b 一 图2 1 实验设计方案 首先重点要解决的关键问题主要有以下三点： ( 1 ) 利用激光和光谱仪建立具有较高时间和空间分辨率的测试手段实现对焊 接烟尘的精确观测和分析。 ( 2 ) 光电信息的处理。信号中总含有各种干扰成分，尤其象焊接过程这样复 杂多变的条件，本身的信号就比较复杂，内在和外在的干扰因素都有，如实验室 中气流的变化对烟尘层流的影响、激光器的稳定程度对结果造成的偏差等，都会 使信号畸变，不规律。因此，如何消除干扰，进行信号处理，提取出准确的本征 信号，是很关键的。 第_ 二章焊接烟尘的激光测量系统 ( 3 ) 提取光谱信号，建立数据模型计算焊接烟尘的颗粒度。 2 2 焊接试验系统 焊接试验系统按所起主要功能的不同，可分为两大功能模块。分别是基本焊 接设备和脉冲控制器。 在本节中将对实验系统的两大功能模块分别进行介绍。 2 2 1 基本焊接设备 基本焊接设备主要包括逆变式v 3 0 0 型林肯电焊机、s 8 6 a 型半自动送丝机、 s w h t 1 a - 2 c 直线焊接工作台等。 林肯v 一3 0 0 焊机，具备极佳的焊接性能，有适用于手工焊， r i g ，m i g 和f c a w 的五种达到最佳电弧焊特性的输出模式转换，嵌入式电压补偿确保输出稳定。其 电流输出范围在5 0 a 3 0 0 a 之间，电压输出在1 3 v 4 2 v 之间。 s 8 6 a 型半自动送丝机应用p i d 调节器作为中心环节，能够实现无级、等速 送丝调节。焊丝输送采用四主动轮推进，焊丝受力均匀，送丝力大。送丝速度调 节范围为1 7 2 1 m m i n 。适用焊丝直径：实芯0 8 2 m m ，药芯最大3 2 m m 。网路电 压在+ 5 一1 0 范围内变化时送丝速度变化率不大于5 ；提前送气时间和延时 断气时间可调。 s w h t 1 a - 2 c 直线焊接工作台由高精度重载直线工作台、二维焊枪夹持机 构、机座三部分组成。该工作台采用简易单轴数控装置，可对移动速度、距离进 行分段控制，其传动部分采用步进电机驱动，高精度滚珠丝杠传递动力，可保证 工作台运行平稳，无间隙。 2 2 2 直流电焊机脉冲控制器 本课题所用直流电焊机脉冲控制器可以按照熔化极脉冲气体保护焊的控制 要求，生成基值、峰值、频率、脉宽比可调的脉冲控制信号。直流电焊机脉冲电 流控制器针对本课题试验的要求，以及在生产中灵活应用的需要，设计并实现了 如下的主要功能： ( 1 ) 恒定峰值焊接电流的控制输出 该控制器可以始终向电焊机送出峰值电流控制信号。这样便于生产、试验中 对峰值电流的调节、给定进行校准，以及在其它焊接参数不变的情况下方便地单 独比较峰值电流的焊接效果。 ( 2 ) 恒定基值焊接电流的控制输出 第二章焊接烟尘的激光测量系统 该控制器可以始终向电焊机送出基值电流控制信号。与m o d el 的作用类 似，这便于生产、试验中对基值电流的调节、给定进行校准，以及在其它焊接参 数不变的情况下方便地单独比较基值电流的焊接效果。 ( 3 ) 峰值一基值脉冲焊接电流的控制输出 控制器根据已设定的脉冲参数，向电焊机交替送出峰值电流控制信号和基值 电流控制信号。以使直流自动埋弧焊机在焊接电流输出端形成符合相应频率要求 的脉冲焊接电流。 ( 4 ) 直流埋弧焊中脉冲参数解耦合调节 直流埋弧焊中脉冲参数解耦合调节是指，当调节某个脉冲参数的时候，调节 行为不会对其它参数产生影响。这样，使参数的调节简洁方便，同时，避免了在 以模拟器件为主时为实现脉冲参数耦合所造成的电路设计复杂的情况。 2 3 激光测试系统 在现代测量学中，激光测量越来越受到人们的重视。在测量烟尘粒子时，光 学测量法除了不干扰、不接触流场和粒子场外，还具有测量的粒子尺寸范围宽， 光电转换响应时间短，分辨能力较高的优点。 2 3 1 测量烟尘粒度的方法 在测量焊接烟尘颗粒度时，要精确测量其粒径是困难的。颗粒状物质的最基 本几何性能是粒度，它表示了颗粒的大小。对于单一的球状颗粒，它的直径大小 能被精确测定，而焊接烟尘往往是非球形颗粒，为表征该类颗粒的大小，通常采 用当量粒度。所谓颗粒的当量粒度是指颗粒在某方面与同质的球体有相同特性的 球体直径。事实上，对粒径的测量方向是测量方法的函数。相同颗粒在不同条件 下用不同方法测量的结果是不同的。所以需要选择颗粒在过程中最有代表性的粒 度的测量方法。常用的测量方法主要见表2 - 1 ： 1 筛分【1 7 】 筛分是应用最广泛的粒度分析方法。它有干筛和湿筛2 种操作。在实际应用 中，2 0 0 目以下的物料采用湿筛，2 0 0 目以上的物料采用干筛( “目表示筛孔的 大小。即每英寸长度内具有编织丝的数量) 。由于细物料的表面能与颗粒间的静 电力容易使物料团聚，因此湿筛时液体能打散团聚颗粒，也能疏通被堵塞的筛孔。 筛分是一个随机过程，影响颗粒通过筛孔的主要因素有：颗粒的特性、加 到筛上颗粒的数量、筛子振动的方式、筛表面的几何形状与编织方法、颗粒进入 筛孔的角度、颗粒在筛上振动的时间。 第二章焊接烟尘的激光测量系统 筛分法测量烟尘的缺点是其孔径过大，远远大于烟尘的粒径：容易破坏烟 尘的形貌，对烟尘结构造成破坏；其筛分时产生的静电是烟尘团聚不利于对单个 粒子的测量。 2 显微镜和图像分析 显微镜是唯一可以直接观测单个颗粒形状和粒度的方法。光学显微镜的测量 范围为0 8 1 5 0 u r n ，电子显微镜的测量范围为0 0 0 1 - - - 5 u m 。 显微镜测量的颗粒粒度为f e r e t 粒径、m a r t i n 粒径、周边粒径和面积粒径。f e r e t 粒径指与颗粒投影面两边相切的两平行线之间的距离：m a r t i n 粒径指将颗粒投影 面分成两相等面积的弦长：f e r e t 粒径与m a r t i n 粒径随测量方向变化而变化，所以 在测定过程中通常保持测量方向不变：周边粒径是指与颗粒投影面有相同周边长 度的圆的直径；面积粒径是指与颗粒投影面有相同面积的圆的直径。 显微镜测量法精确度高，但是样品的制备过程繁琐，另外在制样过程中同样 对烟尘的颗粒形貌造成破坏。 3 沉降法 用沉降方法测量颗粒的粒度为斯托克斯( s t o k e s ) 粒度。 斯托克斯粒度是指颗粒与同质的球体有相同沉降速度的球体直径。其粒度用 d s 表示。斯托克斯假设要求颗粒沉降时的雷诺数r e9 2 。为此，一般要求重力沉 降测量仪测量的最大粒度不大于7 5 u r n 。另一方面，细微粒在重力作用下沉降时， 由于存在布朗运动和热对流等，所以仪器测量细颗粒的粒度一般应大于2 u r n 。应 用颗粒在离心力场沉降的仪器，因为颗粒受到离心力的作用，仪器测量的最小 推荐粒度为0 0 5 u r n 。 第二章焊接烟尘的激光测量系统 沉降法测量较小粒径烟尘时，烟尘在溶液中发成团聚现象，离心后会使得原 有烟尘颗粒形貌发生变化。 4 电阻变化法 电阻变化法用于迅速测定电解液里颗粒或液滴的粒度。测量时，悬浮液里的 颗粒随液体流经两边具有电极的小孔。当颗粒通过小孔时，它取代了小孔中液体 的位置，使两电极之间的电阻产生变化，从而引起一个电压脉冲，脉冲振幅的大 小正比于颗粒的体积。从一系列的脉冲可计算出颗粒的数目和粒度分布。 沉降法测量速度相对于以上几种测量发现，测量速度有所提高，但是仍然 会对烟尘的整体形貌造成破坏。 5 光的散射与衍射 一方面，当光束照射到气体或液体里的较小颗粒时，光将向各个方向散射， 在不同方向上，散射的光强是不一样的。另一方面，当光束照射到较大颗粒时会 产生衍射，衍射后在光屏上产生圆形光斑。光的散射和衍射与颗粒的粒度有一定 关系。衍射原理是用一个特殊制作的大规模集成电路探测器，从颗粒衍射环中取 出衍射光能讯息，散射原理是用安装在一定角度的光电倍增管或光电二极管取出 散射光能讯息。最后计算出颗粒的粒度。 用光的散射和衍射法测量颗粒粒度不干扰粒子场和流场，操作方便，测量的 粒子尺寸范围宽，光电转换响应时间短，分辨能力较高等特点。 6 表面积法【1 8 】 设颗粒的外表面积为s ，体积为v ，则表面积一一体积平均粒度d s v 为 d s v = 6 v s s 如果颗粒密度p 。和比表面积a 已知，那么颗粒的平均粒度为 d s v - - 6 ( psa ) 颗粒的外表面积不包括孔的面积，当应用吸附法、压汞法测定比表面积时， 颗粒的孔面积将增大外表面积，使颗粒的平均粒度交小。基于这个原因，应用上 述方法测量颗粒比表面积来计算颗粒的平均粒度只适用于无孔颗粒。 表面积法测量烟尘粒度时，函为烟尘颗粒是不规则韵，所以要计算粒子群中 各粒子的表面积是很困难的。 在焊接过程中，由于要测量的粒子群特征参数多、粒子数量大且尺寸分布宽， 要想在既不破坏保护气体流场中的各组分粒子群，又不破坏焊接粒子形貌的情况 下，通过取样测量出烟尘粒子的群的全体特征，包括粒子尺寸分布，空间分布、频 域分布等，同时达到在线实时测量的目的，最好的方法就是采取光的散射和衍射 法来测量。光线在均匀介质中是按直线传播的，但当其通过不均匀介质时，会发生 散射，即光线偏离其直线传播方向的现象。任何一个单数射物体( 指它的散射可以 第一二章焊接烟尘的激光测量系统 忽略不计) 被光照射后产生的散射光形态都可以描述这个物体独特的物理特性。 2 3 2 烟尘对激光光强的衰减 研究表明19 1 ，烟幕微粒对激光传输的影响与烟幕的特性( 微粒尺寸、成分、 浓度和复折射率等) 及激光束的波长有关。其影响在微观上主要表现在两个方面： 其是烟幕微粒对入射激光的吸收作用，其二是烟幕微粒对入射激光的散射作 用。这两种因素都使得激光穿过焊接烟尘时，受烟尘气溶胶的吸收和散射引起能 量损失，激光强度发生衰减如图2 2 ，强度为i 的辐射能源透过宽度为d l 的介质是 变为i 、。 l - 一以l 图2 2 激光通过烟尘时的衰减 1 ) 烟尘对激光的吸收衰减机理【2 0 】 焊接烟尘微粒对激光传输的吸收衰减是烟幕微粒将入射激光能量转化为其 它形式能量( 如热能、化学能或电能等) 的一个过程。激光入射到烟尘微粒中，激 光与构成烟尘的分子( 或原子) 相互作用，处于低能态的分子( 或原子) 吸收了部分 激光能量，使其从低能态跃迁到高能态。从而造成激光能量的衰减。这种吸收是 具有选择性的，其光谱是不连续的，不同的分子( 或原子) 吸收的波长和吸收能力 是不同的。即不同焊接材料和不同焊接参数下产生的焊接烟尘对激光的衰减是不 一样的。吸收衰减在本质上是使分子( 或原子) 的内能状态发生了变化。因吸收而 引起的衰减服从b e e r 定律，即： f = e x p ( 一j 吒础) 式中：f 为烟尘的激光透过率，吒为烟尘的吸收消光率，c 为烟尘的质量浓 度，讲为烟尘的单元厚度。 2 ) 烟幕对激光的散射衰减机理 散射可以用电磁波理论和物质的电子理论进行分析。从微观的角度看，当激 光辐射的电磁波遇到烟尘或大气粒子时，一部分入射的能量散射到各个方向，另 一部分穿过烟幕而发生衰减作用。从理论上分析，这个过程可以用麦克斯韦电磁 波理论进行解释。烟幕微粒对激光传输的散射衰减是烟幕微粒截获入射激光能量 第二章焊接烟尘的激光测量系统 形成次生波，再向四周辐射，从而使入射激光在原传输方向上能量减少的一个过 程。 影响烟幕微粒散射的因素很多，如烟幕微粒越多，即浓度越高，散射激光的 能力越强，能直接透过的激光就越少：另外，还取决于烟尘微粒的大小，其计算 公式为： f=exp ( - f 七，nd1 ) 式中：疋为散射衰减截面，可由一下公式计算出来： k s = n e q s 。 式中：为烟尘中散射微粒( 或分子) 的数密度，讲为烟尘的单元厚度，既为 散射效应因素。 因为烟幕微粒的大小不一样，烟幕微粒对激光传输的散射衰减服从的微观规 律也会有所不同，这又分为以下三种情况： 第一，当烟幕微粒半径远大于入射激光的波长时，则属于几何光学能说明的 散射规律范围的大颗粒散射。烟幕微粒使光的散射只发生反射和折射。即入射的 激光，一部分由其烟幕微粒表面反射，另一部分被折射。由于烟幕微粒的大小和 形状不同，使反射的角度和折射的方向也各不相同。因而可以说在这种条件下， 散射强度随微粒的增大而减小。 第二，当烟幕微粒尺寸很小时，即粒子大小远远小于波长，且假设粒子是球 形的，则可以用比较简单的瑞利理论来代替麦克斯韦方程。由光的电磁场理论可 知，此时散射强度与入射激光的波的四次方成正比。 第三，如果粒子大小增大到和辐射波长同一个数量级的时候，则要用米氏散 射理论。米散射理论是将烟幕粒子看做是电介质小球，它们在光波电磁场中发生 极化而向外辐射电磁波。其特点是：散射光强不是与波长的四次方成反比，而是 与波长的较低次幂成反比，因而，散射光强与激光波长关系不如瑞利散射那么密 切。由于这种散射问题需要把麦克斯韦方程用于散射微粒之内和之外的介质中， 并使其解在微粒的界面上一致。因此，其数值解非常复杂。 焊接烟雾中存在着不同粒径的多种粒子，有电子、离子、原子、分子，还有 更大粒径的粒子，这样针对某一粒子，就需要在某一适用或者某几种在边界条件 适用的散射理论指导下加以处理。 通过f o q e l s 粒度测试仪对烟尘粒度的的分析可知。焊接烟尘粒径基本分布 在5 0 n m - 3 u m 之间，但是大多数烟尘粒子的粒径分布在0 1 l u m y _ _ 间，只有少数 粒子的粒径达至u l u m 以上。因此在用激光测量时可以更方便更有选择性地使用散 射理论进行分析。不同的激光散射法测量粒子的范围如表2 2 所