（材料加工工程专业论文）环保型低烟尘焊条的研究.pdf

机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 环保型低烟尘焊条的研究 摘要 本文概述了焊接烟尘对人体健康的危害、焊接烟尘的基本特性和形成机理、 焊条发尘量的测量方法和影响因素以及国内外研制低烟尘焊条的进展情况。焊条 的药皮成分萤石等物质对焊条的药皮发尘量和工艺性能等有重大影响。采用试验 了解了部分组分对于焊条发尘量影响的规律。通过合理调整药皮组分的方法成功 地研制了低烟尘焊条。低烟尘焊条的焊接工艺性能和熔敷金属的力学性能与市场 上大型企业生产的产品基本相当，发尘量大大降低。 低烟尘焊条通过调整焊条药皮矿物粉和合金系统的组分，经过大量的试验， 确定了焊条的配方。研制的焊条不仅发尘量达到了课题要求，其他化学成分，力 学性能及射线探伤均满足国家标准的要求。酸性j 4 2 2 d f 低烟尘焊条在焊接工艺 性能上有很大突破。酸性焊条发尘量的调整主要在于组分中的t i o z 、c a o 与s i o z 含量的选择。碱性焊条中c a f 2 的添加量直接关系到碱性焊条的工艺性能与发尘 量。 关键词：低烟尘焊条发尘量酸性焊条碱性焊条 i n 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 r e s e a r c ho ft h el o wf u m ee l e c t r o d e s a b s t r c t i tw a ss u m m a r i z e di nt h i sl 毙p e rt h a tt h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c sa n d m o c h a n i s mo ff u m e s 。t h em e a s u r e m e n ta n di n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h ea m o u n t o ff u m e s ，t h ed i s b e n n i f i to fw e l d i n gf u m e sa n dt h ed e v e l o p m e n to fr e s e a r c h o fl o wf u m ee l e c t r o d ea th o m ea n da b r o a d t h ec o m p o n e n t so fe l e c t r o d eh a d a ni m p o r t a n ta f f e c tt ot h ea m o u n to ff u m e s b ya d j u s t i n gt h ec o n s t i t u t e s o fc o a t i n g s 。t h el o wf u m ee l e c t r o d e sw e r es u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d t h e p e r f o r m n c ea n dm e c h a n i c sp a r a m e t e r so ft h el o wt i m ee l e c t r o d ea r en ol e s s t h a nt h ep r o d u c t i o no fm a n u f a c t u r e s t h er e d u c t i o no ft h ea m o u n to ff 岫e s w a si ne v i d e n c e b ya d j u s t i n gt h ec o n s t i t u t e so fc o a t i n g sa n da l l o ys y s t e m , t h el o w f u m ee l e c t r o d e sw e r em a d e t h ea m o u n to ff u m e sg e tf o rt h ed e m a n d so ft h e p r o j e c ta n dt h ec h e m i s t r yc o m p o n e n t s ，m e c h a n i c sa n dr a d i o g r a p h i c i n s p e c t i o nr e a c ht h es t a n d a r d so fn a t i o n n 塘p r o g r e s sw a sb a d ei nt h e w e l d i n gu s a b i l i t yo fa c i de l e c t r o d ej 4 2 2 d f t h em o s tf a c t o ro ft h ew e l d i n g f u m ea m o u n ti st h ec o n t e n to ft i 0 2 、c a o 与s i 0 2 n i ep e r c e n t so fc a f 2i n b a s i ce l c t r o d eh a v ed i r e c te f f e c to nt h ew e l d i n gu s 曲i l i t ya n dt h ea m o u n t o ff u m e k e y w o r d s ：t h el o wf u m ee l e c t r o d e t h eu to ff u s e s a c i de l e c t r o d eb a s i ce l e c t r o d e 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 插图清单 图1 - 1 药皮焊条手工电弧焊发尘机理示意图1 2 图1 - 2 传统方法收集焊接烟尘的粒子形貌1 4 图卜3 二次粒子的絮状形貌1 4 图1 4 二次粒子的团粒状形貌1 5 图1 - 5 各种氟化物对发尘量的影响1 9 图2 - 1 测尘装置示意图2 7 图3 1 t i 0 2 、c a o 、s i 0 2 含量对焊条发尘量的影响3 2 图3 - 2 焊条脱渣3 5 图3 - 3 焊缝成型3 5 图2 - 4 金相组织3 7 图3 - s j 4 2 2 d f 焊缝成型对比3 8 图3 - 6 j 4 2 2 d f 焊缝脱渣对比3 9 图4 - 1 t i 0 2 含量对焊接烟尘的影响4 5 图4 - 2 铁粉含量对焊接烟尘的影响4 5 图4 - 3 焊条脱渣4 9 图4 - 4 焊缝成型5 0 图4 - 5 金相组织：5 2 图4 - 6 j s o t d f 焊缝成型对比5 3 图4 - 7 j s 0 7 d f 焊缝脱渣对比5 3 机辘科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 表格清单 表1 1 焊接烟尘对人体的影响 表1 2 钛铁矿型和低氢型焊条烟尘的分散度1 2 l 表1 3 常用结构钢焊条烟尘中含有的元裂1 s l 。 表1 4 常用结构钢焊条烟尘中含有的化合物【1 以 表1 - 5 部分金属、无机物的熔点与沸点口1 】 6 1 6 1 6 表l - 6 单组元药皮焊条发尘量瞄l 2 0 表3 1e 4 3 0 3 型焊条国标中化学成分、力学性能及射线探伤规定3 0 表3 - 2 焊条药皮组分( ) 表3 _ 3 焊条烟尘光谱分析 表3 - 4 定型j 4 2 2 d f ( 4 o _ ) 焊条发尘量测定结果。 表3 - 5j 4 2 2 d f ( “0 m ) 焊条工艺参数测定结果 表3 - 6 熔敷金属化学成分分析结果( ) 。 表3 - 7 熔敷金属力学性能试验结果。 表3 8j 4 2 2 d f 焊条发尘量对比 表3 - 9j 4 2 2 d f 焊条工艺参数对比 3 2 3 4 3 5 3 6 表3 - 1 0j 4 2 2 d f 伸长率a 和冲击韧性a “( 0 ) 对比 表3 - 11 焊条的经济成本对比 3 9 4 0 表4 - le 5 0 1 5 型焊条国标中化学成分、力学性能、射线探伤4 3 表4 - 2j 5 0 7 d f 焊条药皮组分( ) 表4 - 3 焊条烟尘光谱分析 表4 4 碱性低氢焊条j 5 0 7 d f 的合金系统组分 表4 - 5 定型j 5 0 7 d f 焊条发尘量测定结果 表4 - 6j s 0 7 d f 焊条焊接工艺参数测定结果 表4 - 7 熔敷金属化学成分分析结果( ) 。 表4 - 8 熔敷金属力学性能试验结果 表4 - 9j 5 0 7 d f 焊条发尘量对比 表4 - 1 0j 5 0 7 d f 焊条工艺参数对比 表4 - l lj 5 0 7 d f 伸长率a 和冲击韧性a i 【v ( 一3 0 ) 对比 表4 - 1 2 熔敷金属中扩散氢含量对比 表4 - 1 3 焊条的经济成本对比。 v 4 8 4 9 5 0 5 0 5 0 5 3 5 4 5 5 机械科学研究院啥尔滨焊接研究所硕士学位论文 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及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得扭撼抖堂砑究院或其他 教育机构的学位或证书使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献已在论文中作了明确的说明并表示感谢。 学位论文作者签名t 刍j 健 签字日期：朋7 年? 月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解扭撼抖堂盟宜院有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权扭越抖堂硒究院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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 学位论文作者签名：立j 辔 导师签名： 签字日期：2 町年宕月3e l签字日期：年月e l 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕圭学位论文 第一章引言 随着科学技术的飞速发展，焊接技术的应用日益广泛。特别是近 些年人民生活水平的提高，对机电产品的需求日趋多样化精美化，焊 接工艺技术就更显现出其他工艺所无法比拟的优越性。根据工业发达 国家统计，目前焊接结构钢用钢量已占全世界钢产量的4 5 - - - 5 0 ， 而且还在快速增长。然而由焊接过程产生的环境污染物也在影响我们 生存的环境。 美、日、俄、德、瑞典等焊接技术发达的国家对焊接安全卫生方 面研究较早并且也建立相关的学术机构、标准和法规等来保护焊接工 作者身体健康的安全。我国早在建国初期就开展了焊接安全与卫生工 作，焊接学会于1 9 7 9 年筹建了第委员会即焊接安全与卫生委员会。 中国机械工程学会焊接学会秘书处在。七届一次理事长办公会议”上 提出要恢复焊接安全与卫生专业委员会，中国机械工程学会于2 0 0 5 年6 月3 0 日批准“环境健康与安全专业委员会”成立。目前，国内 外众多企业、公司、研究机构都很注重净化焊接工作环境问题。国际 焊接学会( 玎阿) 在原有委健康与安全委员会的基础上，又增 设了环境委员会，其目的在于加强焊接工作环境的保护。 近年来我国政府加大了治理环境的力度，人们的环保观念逐渐增 强。具体如我们焊接行业来说，由于焊接为高温作业，焊接过程产生 各种有害气体、烟尘、有毒物质、噪声、电磁辐射和电离辐射等，直 接影响环境的保护和人们的身体健康。所以作为焊接工作者应该大力 开展低烟尘焊接材料的研究和应用，建立“绿色焊接”的理念，保护 我们生存的环境，造福千秋万代。 1 1 焊接烟尘对人体的危害 焊接烟尘的研究最早开始于上世纪三十年代，有人发现了镀锌钢 板焊接时金属热症状。1 9 3 5 年用f e o 进行了动物实验，得出了没有 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硬士学位论文 影响的结论。1 9 3 6 年对焊工进行了胸部x 射线透视，发现了尘肺。 同年d i o g 对长期焊接工作者肺部检查后指出焊接烟尘可能导致尘 肺。1 9 4 1 年有人发现药皮中c a f 2 含量大的焊条的毒性较大。第一次 提出了低氢型焊条的危害，提出对工作环境进行通风换气以改善工作 条件。1 9 4 2 年w e l d i n gj o u r n a l 第一篇有关焊接烟尘的论文，认为焊 接工人的健康与其他金属加工工人没有区别，而在含有特殊成分药 皮、母材涂层及合金元素的情况下有可能影响健康i l l 。 关于焊接烟尘的研究，在4 0 年代后半期开始活跃起来。美国于 1 9 4 6 年成立了“s a f e t yi nw e l d i n g a n dc u r i n g 委员会。1 9 4 8 年瑞典国 家公共卫生研究所( n a t i o n a li n s t i t u t eo f p u b l i ch e a l t h ) 对低碳钢、合 金钢、有色金属焊条烟尘和气体的分析发现低氢型焊条烟尘由于含有 大量的氟而比一般电焊条更为有害。1 9 5 2 年美国通过研究，也证明 低氢型焊条烟尘中含有大量的氟。当时由于科学技术的发展，低氢焊 条的使用量与日俱增，而焊工屡屡发生头痛等症状，于是对焊接烟尘 问题的研究给予了重视。5 0 年代日本开始对低氢型焊条烟尘进行研 究，并对动物进行了焊接烟尘吸入实验，认为低氢型焊条烟尘产生的 症状与金属热类似，发现产生这种危险的来源是焊接烟尘而不是气体 【l l 。 对于低氢型焊条烟尘的分析及其对健康影响的研究是上世纪六 十年代焊接劳动卫生的一项主要工作。1 9 6 4 年日本人河田指出，手 工焊接烟尘的主要危害因素在于尘而不是有害气体，并指出低氢焊条 的有害性大于一般焊条烟尘是由于其中的可溶性氟化物特别是氟化 钾。1 9 6 5 年日本佐野发现焊接及碳弧气刨烟尘可导致焊工肺部组织 的纤维增生，造成不可逆病变1 2 。 我国焊接烟尘的研究工作开始于6 0 年代后期，当时从研究电焊 工临床症状开始。由于造船业、锅炉制造和重型车辆业对于碱性焊条 的大量使用，而焊工的工作条件相对封闭、通风条件差，导致我国各 机械科学研究院哈尔傧焊接研究所硕士学位论文 地出现多例尘肺病例。国家对于电焊工的劳动卫生问题也十分重视。 上海沪东造船厂的徐天福等人对此问题进行了研究 3 1 。他们经过研究 认为，电焊工最普遍的慢性症状是喉痛、关节酸痛、腰背酸痛、睡眠 障碍、记忆力减退和呼吸不畅等，在通风条件不好的结构中使用低氢 型焊条时，往往出现一些急性症状如头痛、头重、咽喉痛、午夜前发 烧，并随之有怕冷、盗汗、关节不舒、甚至全身发抖等症状出现，而 至下半夜体温即恢复正常，但第二天四肢无力，劳动效率大大下降。 电焊作业的危害主要是烟尘，而气体在病理学上的作用不是主要的， 低氢型焊条的危害性大于钛钙型焊条。焊接烟尘中主要有害物质是氟 化物，在一般的低氢型焊条烟尘中其含量可达到1 8 左右，而氟化物 中特别有害的是可溶性氟化物。由于氧化铁在焊接烟尘中占有很高的 比例，虽然它是一种无毒性的烟尘，但也必须控制其发尘总量，因为 它是构成电焊工尘肺的主要物质之一。对于烟尘中c r 、v 、c u 、p b 、 z n 等金属的氧化物，也必须引起一定的重视，因为它们往往是造成 金属热的直接原因。 近几年研究者对焊接烟尘的危害也进行了大量的研究。美国哈佛 大学的j a m e sm a t o n i n i 发现焊接后3 0 分内烟尘对白鼠危害要比l 小时后的烟尘大很多 4 1 。随着焊丝的使用量越来越大，焊丝产生烟尘 的危害也引起人们的注意。英国研究者通过对焊丝中添加还原性相对 较弱的金属以减少烟尘中铬产生的危害 5 1 。英国的j o h ni - ld e n n i s 和 p e t e rj h e w i t t 等人提出了可以对直流反接和射流或短路过渡模式下 的金属气体保护焊的发尘量进行预测的模型旧。 1 1 1 焊接烟尘的分类 通常情况下，焊接烟尘含有臭氧、一氧化碳、二氧化碳、一氧化 氮、氟化氢、光气、氯乙烯等各种气体和含有铁、锰、硅、钛、镁、 钙、钾、钠等元素的各种化合物。焊接烟尘的成分及其有害物质的浓 度可因母材性质、焊条种类、工艺规范和作业环境的不同而有所变化。 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 吸进过多的焊接烟尘，将引起头痛、恶心、发烧、气管炎、肺病和癌 症等，而且烟尘微粒可以通过人体表皮接触感染引发皮肤病。不同的 焊接烟尘含有不同种类和不同数量的有害物质，它们引发的病症也不 相同。根据这一情况，国际上通常把焊接烟尘分为6 级川： ( i ) 1 级焊接烟尘包含有害物质主要是铜、铬、锰、镍、钒、 锌、镉、钴、氟化物、乙醛和氯乙烯等。这种焊接烟尘会引起气管炎、 哮喘病、肺气肿。特别是镍元素颗粒和氯乙烯被吸进后，可能引起肺 癌和鼻癌，其平均潜伏期为2 0 _ - 2 5 年。 ( ) 2 级焊接烟尘包含的有害物质主要是镍、铬、石棉、石英、 鳞石英、方晶石、光气和臭氧等。这种烟尘会引起慢性气管炎、贫血 症，特别是臭氧会刺激呼吸道粘膜，引起喉痛、咳嗽、胸痛和肺水肿。 ( h i ) 3 级焊接烟尘包含的有害物质主要是铜、铅、锰、镍和锌 元素等。这种烟尘会引起急性气管炎、突变性视力下降、发烧和恶心， 特别是铅化合物，可能引起中毒性脊髓损害和中毒性周围神经炎。 ( ) 4 级焊接烟尘包含的有害物质主要是锰、铬、铅和氯化氢 等。这种焊接烟尘会引起一些慢性病，如慢性气管炎、慢性中毒精神 病、呼吸道粘膜和间质的慢性炎症等。 ( v ) 5 级焊接烟尘包含的有害物质主要是铬、镍、钒和氟化物 等。这种焊接烟尘会引起皮炎和眼病，如皮肤干燥和色变、毛囊炎、 药物性皮炎、视觉障碍和复视、结膜炎、眼睑和视网膜病变等。 ( ) 6 级焊接烟尘包含的有害物质主要是少量的铁、铝和锡元 素等。这些物质一般不会引起疾病，但焊接烟尘中伴有氮氧化物，吸 进后仍会引起头痛、恶心等症状。 焊接烟尘中氧化锰和氟化物等毒物多以粉尘的状态存在，粉尘是 焊接烟尘的主要有害因素，其分散度高，悬浮性大，易于侵入呼吸道 深部。如表1 1 所示，是焊接烟尘中各种有害物质所引发的主要病症。 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 表1 1 焊接烟尘对人体的影响 对人体所致病症 有害物质 急性慢性 电焊混合烟尘电焊尘肺 以含铝化物为主烟尘铝尘肺 含可溶性氟化物烟尘 头疼、金属烟热、支气 氟中毒 含锰烟尘锰中毒 镉铅锌铬铜钼等烟尘金属烟热、支气管炎金属中毒 关于焊接烟尘对人体健康的危害，国内外焊接工作者及医疗保健 部门进行了大量的研究工作，其研究结果也很不一致。关于焊接烟尘 对健康危害的机理尚缺乏认识。 根据大多数研究者的意见，焊烟对人体有害物质有氟、碱金属、 锰、二氧化硅、铁等。由于烟尘中无游离态二氧化硅，所以焊烟不会 造成矽肺。铁虽能在肺泡中沉着，但不会造成肺部病变，没有发现纤 维状组织，对健康不会造成危害。在空气中浮游的焊接烟尘粒子的大 小不同在人体中造成的危害也不相同。粒径达到数微米的焊接烟尘微 粒被阻于鼻孔或气管，不能进入肺泡。小于0 5 微米的焊烟微粒，虽 然能进入肺泡，但不能在肺泡沉着，而是很快随呼气吐出体外，所以 它们都不能在人体内沉着而影响身体健康。但是颗粒在0 5 , - - , 5 微米 的焊烟微粒能够在肺部沉着，对健康造成危害。表l - 2 分别是钛铁矿 型焊条和低氢型焊条烟尘的分散度对比，从两种焊条焊接烟尘微粒粒 径分布来看，可以对焊接工作者健康造成危害的o 5 5 微米的微粒 占绝大部分，证明大部分的焊接烟尘危害性是比较大的 2 1 。而沉着后 的行为与溶解度有关，溶解度大的能引起急性症状，而溶解度低的则 呈慢性症状。 机械科学研究院畸尔演焊接研究所硕士学位论文 表1 2 钛铁矿型和低氢型焊条烟尘的分散度脚 钛铁矿型焊条烟尘微粒 低氢型焊条烟尘微粒 粒径范围重量百分比粒径范围重量百分比 测定时间 测定时间 ( 1 i m )( )( i t m )( ) 7 2 3 6 71 6 0 旖焊后4 7 7 02 8 3 施焊后 4 7 7 o1 7 3 立即0 6 5 4 7 7 1 6 5立即0 6 5 4 77 6 0 4 测定0 4 3 o 6 52 0 9 3测定o 4 3 o 6 51 7 4 7 o 4 3 2 2 3 0 4 33 1 6 1 1 2 焊接烟尘的主要危害 其中焊接烟尘对焊接工作者的危害中，危害最大并且比较典型的 主要是：。金属烟热”、尘肺、锰中毒和氟中毒等。 金属烟热 “金属烟热”也称电焊烟热，是焊工常见的一种急性变态反应性 疾病，是由于焊工吸入新生的金属氧化物烟后6 1 2 小时内体温升 高、白细胞增多等类似。感冒”的症状，一般于2 4 小时没痊愈。焊 工在施焊后，也常易发生“金属热”，其典型症状为工作后发冷，继 之发烧、倦怠、口内有金属味、喉痒、呼吸困难、胸痛、食欲不振， 恶心，第二天清晨发汗后症状减轻但仍觉疲乏无力。一般认为由于焊 接在高温( 4 0 0 0 - 6 0 0 0 k ) 下进行，大量金属氧化物呈气溶胶状态逸 散并悬浮在空气中，被吸入呼吸道进入体内产生反应，从而引起发热 嗍。 焊工金属烟热常易发生在焊接镀锌金属、不锈钢、涂富锌底漆钢 材和使用低氢型焊条的情况下。使用低氢型焊条焊接时之所以更易发 生金属烟热与焊接烟尘中的氟化物的毒性有关，因可溶性氟化物可增 加毛细血管的通透性，从而增强烟尘微粒深入组织和透过毛细血管的 能力。 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 金属烟热通常无后遗症。为预防金属烟热，焊工在操作时应戴防 尘口罩或采用局部通风除尘装置。 电焊工尘肺 电焊工尘肺是由于焊接工作者处在焊接工作环境中长期吸入焊 接烟尘，并在肺内滞留而引起的肺组织弥散性纤维化为主的全身性疾 病。电焊工尘肺没有特异的临床表现，其临床表现主要与并发症相关， 主要的症状有咳嗽、咳痰、胸痛和咯血等。由于肺组织纤维化的加重， 有效呼吸面积的减少，还会出现呼吸困难和消化功能减弱等症状 9 - 埘。 焊工尘肺是长期吸入电焊烟尘引起的一种典型的职业病，影响焊工尘 肺的发病因素，主要与焊接作业年龄、焊接作业场所烟尘浓度、作业 时间长短和个人防护措施有关。 对于电焊工尘肺最早的报道是1 9 3 6 年英国的d i o g 和m c l a u g h l i n 报告了6 例电焊工人x 射线胸片异常，在胸片上可见致密的网状及 结状阴影。一直到六十年代初，国外学者多数都认为电焊尘肺是氧化 铁粉末在肺部的沉积，不会引起肺部病变，是良性的。但从六十年代 以来，由于各种厚药皮焊条特别是低氢型焊条的使用，使焊接烟尘的 成分发生了变化，尘肺的性质也发生了变化。美国和日本相继报道了 由于电焊尘肺造成肺组织纤维化变化的实例，我国大连造船厂对一名 因电焊尘肺而死亡的电焊工进行了病理解剖，也证实了这个问题。我 国卫生部已于1 9 7 9 年2 月正式批准，将造成肺组织纤维化的电焊尘 肺，列为法定职业病。 电焊尘肺的发病率，从当前我国各部门总的情况来看是不高的。 然而如长期在通风不良的船舱、容器、管道及狭窄场所内焊接，则发 病率较高。电焊尘肺是一个慢性过程，因此必须注意预防。 锰中毒 锰中毒分急性锰中毒和慢性锰中毒，急性锰中毒主要由吸入大量 的氧化锰烟雾或误服高锰酸钾引起，在焊接生产中一般不会发生。焊 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 接烟尘的锰中毒指的是慢性锰中毒，是在焊接生产过程中，长期接触 含锰的焊接烟尘所引起的以神经系统改变为主的疾病。它主要表现为 神经衰弱综合症( 主要为头痛、头昏、睡眠障碍、乏力、记忆力降低 等) 和植物神经功能紊乱( 主要为多汗、流涎、心悸、l i l t , c , , 反射异常 等) 1 1 1 。锰中毒具有体细胞的遗传性，其对焊接工作者的身体损害非 常大【羽。 建国初期由于大量使用仿苏高锰焊条，焊工发生锰中毒的情况也 比较严重，如六十年代初期发现鞍钢修建部结构车间十年以上工龄的 电焊工中，约2 0 0 , 4 左右患锰中毒。随着我国在一般结构钢焊条中逐渐 淘汰了高锰渣系、焊工工作条件的改善和劳动保护措旌的完善，现在 焊工中锰中毒的发病率已经大为降低。 氟中毒 一般的低氢型焊条的药皮中均含有2 0 左右的氟化钙，其中烟尘 中的氟化物总量为1 5 1 8 左右，其中可溶性氟化物占三分之二左 右。焊条药皮中无论加入何种氟化物( 除氟化锂外) ，在其烟尘中最 后的产物主要的仍然是氟化钠( 或氟化钾) 和氟化钙。含氟烟尘的有 害作用在于，它并不需要进入肺内才能致病，当可溶性氟化物烟尘被 溶解于呼吸道系统的任何部分，它就有可能被血液吸收而引发病症。 焊工普遍反映，使用碱性焊条时烟气呛鼻，咽痛喉痒；在容器内 施焊时则常导致“金属烟热”。在焊接环境中氟化物的浓度超过国家 容许标准多倍时，焊工中上呼吸道刺激症状和消化系统症状较为严 重，焊工尿氟含量明显升高，其骨盆x 射线底片显示有慢性氟中毒 迹象。有人对大白鼠进行注入含氟烟尘试验后，在病理观察时发现高 氟能引起呼吸道，特别是末梢呼吸细支气管的慢性炎症，肺内间质灶 性纤维化病变较明显【硼。种种现象表明焊接烟尘中氟化物的毒性十分 强烈，它和氧化锰一样，都是焊接烟尘职业危害中的重要致病因素。 可溶性氟化物是氟化物烟尘中特别有害的成分，必须给予严重注意。 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 目前，许多国家对焊接烟尘引起的环境污染问题都十分重视。为 了将焊接烟尘对焊接工作者的危害最大限度的减少，采取的主要措施 有两种：进行低尘低毒焊条的研究；采取排尘装置降低焊工工作环境 焊接烟尘的浓度。但排尘的方法最终还是将烟尘排进周围环境中，没 有解决根本问题。要研制出优质的低尘低毒焊条，就必须对焊接烟尘 的性质其发尘的机理进行深入的研究。 1 2 焊接烟尘的基本特性 1 2 1 焊接烟尘的产生机理 对电弧焊发尘机理的研究最早可以追溯到本世纪三、四十年代， 几十年来人们从不同的角度研究了发尘的过程和影响因素。由于受测 试手段的限制，过去只是一般性地认为是由于电弧高温将金属和焊药 熔化，然后蒸发成高温蒸气，发尘过程是蒸发氧化凝聚的过程； 还有一种观点认为在电弧高温下，焊接材料蒸发，升华成为单质原子 态，在升温时，根据化学热力学的原理重新结合、凝聚、结晶或形成 玻璃体物质。 有人对手工电弧焊、药芯焊丝气体保护焊、熔化极气体保护焊、 非熔化极气体保护焊的发尘过程的研究中发现，在非熔化极焊接过程 中发尘量是极小的。因而认为焊接熔池不是产生焊接烟尘的主要区 段；又发现焊接电流和电压对发尘量的影响并不是单调变化的，而是 存在一个极小值，这个最小值发尘量对应于熔滴由颗粒状过渡向射流 状过渡的转变区段。 国外有人用示踪原子法对高温蒸气供给源的问题进行了试验。示 踪原子法假设基本金属都可能是发尘的来源，将被研究金属的同位素 添加到这些发尘源中，根据进入烟尘中该元素的变化率来测定假定发 尘源发尘的可能性。 日本的m k o b a y a s h i 和s m a k i 等人用高速摄影对烟尘发生阶段 作直接观察以解决焊接烟尘形成机理的问题【1 3 l 。通过高速摄影观察得 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 知焊接烟尘主要发生在焊条端部蒸发的高温蒸气。在附着于焊条端部 的熔滴和端部的内熔化表面，这种蒸气被电弧从弧柱下部吹入大气， 并伴随着氧化迅速凝结成细微的固体粒子。所以烟尘发生有一个对应 于交流电特点的变化周期，并且焊接烟尘主要发生在电流瞬时值的最 大值。 近年来随着各种测试手段的进步，国内外从电弧物理和化学冶金 两方面对发尘机理进行了深入的研究，有了更明确的认识，主要观点 有： 1 形成焊接烟尘的高温蒸气，主要来自焊条或焊丝端部的液态 金属及熔渣。近年来用高速摄影观察药皮焊条的电弧过程，当采用 5 0 周波交流电施焊时，可以从高速摄影中清晰地看到：随着交流每 半个周波的转换，相应的从电弧柱下部向周围空气中吹出高温蒸气。 熔滴过渡要经历几个周波的时间，而吹出高温蒸气的时间和数量都 和熔滴过渡频率没有对应关系，说明在过渡过程中熔滴表面产生的蒸 气，不是形成烟尘的高温蒸气的主要部分。在高速摄影中还可以看到， 从每个飞溅的颗粒上产生一丝高温蒸气，但与电弧吹出的高温蒸气相 比只占极小部分。采用示踪原子法考察弧柱下部吹出来的高温蒸气， 考察其来自焊条药皮，还是来自焊芯或母材。结果表明高温蒸气主要 来自焊条药皮与焊芯，来自母材的小于1 0 2 0 ，并且焊芯和药皮中 同一元素转化为烟尘的几率相同。 2 电弧焊的发尘过程，实质上主要是一个过热一蒸发氧化一 冷凝的物理过程。 高温蒸气之所以主要从焊条或焊丝的端部熔滴处产生，是由于其 电弧的极性斑点。极性斑点析出的热量直接作用在端部熔滴上，使熔 滴处在过热状态而急剧蒸发。 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和焊芯产生的高温蒸气。高温 1 0 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 蒸气被电弧弧柱的底部的气流吹送而进入周围空气，这些蒸气被冷却 并氧化，部分凝结成固体微粒，这种由气体和固体微粒组成的混合物， 就是焊接烟尘。 、 熔滴表面的物质( 焊芯及药皮组成物) 由于高温而激烈蒸发，这 是焊接烟尘的主要来源。由于蒸气压高的物质其蒸发加剧，故烟尘组 成与药皮成分不一样，烟尘中蒸气压高的成分多。此外在熔滴过渡过 程中也产生一部分蒸气。这些蒸气同保护气体( 药皮分解产物) 一起 从熔池周围吹出，又带来熔池表面的一部分蒸气。这些蒸气吹离电弧 之后急冷而凝聚，同时产生氧化形成0 0 1 一0 1i tm 的细微球状液滴， 这就是烟尘的母体。这些微粒进一步冷却而结晶出尖晶石类晶体，如 f e 3 0 4 、m n f e 2 0 4 等，而后n a f 等也结晶成另一种晶体，这时随上升 气流而浮游于大气之中。由于尖晶石具有磁性，形成l u m 左右的链 状物质，在沉降过程中尘粒继续集聚，这就是非低氢型焊条烟尘的形 成机理。而低氢型焊条烟尘由于它吸湿且形成的尖晶石物质少而磁性 小，不能形成更大的颗粒，因此它是更加紧密的颗粒较小的烟尘。 药皮焊条手弧焊的发尘机理，可简略示于图1 1 。图中高温蒸气 产生的部位画有箭头，箭头大小表示蒸发量的多少。如图所示，己确 认电弧吹出的高温蒸气，主要是从含有极性斑点，处于过热状态的焊 条端部液态金属与套筒内表面液态熔渣处蒸发出来的，其次才是从飞 行的熔滴表面和熔池表面蒸发的。这种高温蒸气从电弧区吹出后形成 涡流，迅速被氧化与冷凝变为细小的固态粒子，成气溶胶状态弥散在 电弧周围，形成了焊接烟尘。 帆援科学研究院哈尔演焊接研究所硕士学位论文 图1 1 药皮焊条手工电弧焊发尘机理示意图 1 2 2 焊接烟尘的结构形态和粒度分布 由电弧高温产生的液态金属和非金属高温蒸气，从电弧区离开以 后被迅速氧化和冷凝生成细小的烟尘粒子称为“一次粒子”。由电子 显微镜观察，一次粒子的基本形态呈球状，并带有一定的静电和磁性， 这种细小的烟尘粒子是极不稳定的，伴随着强烈的运动，相互碰撞聚 集在一起这种作用在粒子产生初期，粒径较小，在电弧周围浓度较 高的情况下将进行得很强烈，实际很难采集到单独的一次粒子就说明 了这一点，随着烟尘粒子离开电弧向周围散开，浓度降低，粒子之间 的碰撞作用也随之减弱。一次粒子所带的静电和磁性也随粒子的聚集 冷凝并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，这使得粒子的粒度分布随时间变化。焊接烟尘粒子大 小的统计分析表明，焊接气溶胶属多谱气溶胶，即多分散体系，烟尘 粒子的大小、形状各异1 1 4 】。 用电子显微镜观察从焊工呼吸带位置采集到的电焊烟尘，绝大多 数都已聚集成二次粒子，也就是说，进入人们呼吸道的焊接烟尘，主 要是二次粒子。因此从现实意义出发，应着重研究电焊烟尘的二次粒 子。 有研究人员采集自然沉降的焊接烟尘，用透射电镜拍摄照片，发 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 现碱性低氢型焊条烟尘的二次粒子，在自然沉降条件下，一般呈碎片 壮形态，粒径大都在l u m 左右：酸性焊条烟尘的二次粒子，在自然 沉降条件下，一般凝聚为絮状形态，粒径从数微米到二十多微米：实 芯焊丝二氧化碳保护焊和药芯焊丝自保护焊烟尘均凝聚为粒径较粗 的絮状形态，同酸性焊条烟尘相比，气体保护焊实芯焊丝烟尘的一次 粒子稍细，药芯焊丝自保护焊烟尘的一次粒子稍大。综上所述，焊接 烟尘主要是由粒径0 1 u m 左右的球状粒子凝集成的二次粒子。低氢型 焊条呈碎片状，粒径l u m 左右。酸性焊条和二氧化碳实芯焊丝、药 芯焊丝自保护焊接烟尘均呈絮状，粒径比低氢型焊条稍大一些。 国内外研究者通过透射电镜观察焊接烟尘从而对焊接烟尘的本 质进行探讨。武汉交通科技大学的施雨湘、肖诗祥等人在国内外首次 采用新的研究手段和测试方法，研究了焊接烟尘的气溶胶机理，获得 了气溶胶粒子形成机制、统计分布规律、对分级粒子的形貌与晶体结 构关系做了研究【1 5 1 。其中他们分别用传统方法、重力沉降法、惯性碰 撞吸附法和静电采集法对结4 2 2 焊条烟尘进行收集，然后用电镜观察 对比不同方法得到的烟尘形貌，如图1 - 2 所示。收集方法的不同，烟 尘粒子的形貌有很大的差异，这是由于中间处理过程不同造成的，有 的过程导致粒子堆积、重叠和聚合，而导致粒子的结构特征失真。最 后得出重力沉降法和静电吸附法对烟尘粒子的原貌影响较小。 帆槭科学研究院哈尔演焊接研究所硕士学位论文 图1 2 【l 习焊接烟尘的粒子形貌 时传统方法收集焊接烟尘的粒子形貌 b 1 重力沉降法收集焊接烟尘的粒子形貌 惯性碰撞吸附法收集焊接烟尘的粒子形貌 d ) 静电吸附法收集焊接烟尘的粒子形貌 他们分别采用了以菱苦土、大理石等为药皮主要成分的自制焊条 进行实验，研究各种药皮成分对二次粒子形成机制和烟尘形成的影 响，如图l - 3 是以菱苦土为主要药皮成分的自制焊条烟尘的二次粒子 形貌，图1 4 是以大理石为主要药皮成分的自制焊条烟尘的二次粒子 形貌l 。6 1 。 图1 - 3 1 q 二次粒子的絮状形貌 机械科学研究院啥尔滨焊接研究所硕士学位论文 图1 4 【l q 二次粒子的团粒状形貌 国外也有学者对焊接烟尘的粒子形态进行了研列1 7 1 ，研究发现采 用e b m 方法得到的焊接烟尘粒子外层主要是氧、氯、氟、钾，至于 中心主要是含是铁、铬、锰；而g t a w 方法得到的粒子氧化程度比 e b w 方法要强，外层绝大部分是氯、氟，它们在中心的集中程度比 e b w 方法的要高；s m a w 方法得到的粒子氧化程度最高，其外层主 要是氧、氯、氟、钾，中心主要是铁、铬、锰的金属氧化物。 1 2 3 焊接烟尘的化学成分和化学结构 焊接烟尘的化学成分 目前结构钢手工电弧焊占我国全部焊接工作量的7 0 以上。由于 结构钢所含合金元素较少，结构钢焊条大都采用h 0 8 a 低碳焊芯，因 此结构钢手工电弧焊烟尘成分的差异，主要取决于焊条药皮成分的变 化。焊接烟尘是由金属及非金属物质在过热条件下产生的蒸气经氧化 和冷凝而形成的。因此焊接烟尘的化学成分，取决于焊接材料( 焊丝、 焊条、焊剂及钎料) 和母材成分及其蒸发的难易。 结构钢焊条药皮是由多种矿石粉、铁合金粉、无机及有机化合物 等组成的，在焊接过程中起着保护作用、冶金处理作用和改善工艺性 能作用。如表1 3 和表l - 4 是典型的结构钢焊条烟尘含有的元素和化 合物堋。 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硬士学位论文 表1 3 常用结构钢焊条烟尘中含有的元素【i s l 焊条牌号多量中等量少量微量 s i 、m n 、乃，s ，7 - ，s n ，p b ，c u ， j 4 2 2f e a 1 ，k 、m g n a 、c ac r 、b i f e 、f 、m n 、a i 、z n 、p b 、c u 、c r 、s 、 j 5 0 7c a 、k m g 、s i ，t i n a a g 、b i 表1 4 常用结构钢焊条烟尘中含有的化合物【1 8 1 f e 2 0 3s i 0 2 m o币0 2c a o m g on a 2 0 k 2 0c a f 2k fn a f j 4 2 24 8 1 21 7 9 37 1 82 6 lo 9 5o 2 76 0 36 8 l j 5 0 72 4 9 3 5 6 2 6 3 0l - 2 21 0 3 46 3 91 8 9 27 9 51 3 7 焊接烟尘的化学结构 长期以来由于分析技术上的困难，习惯于将烟尘的化学成分，象 上面列举的那样，表示为简单氧化物和氟化物。但实际上，烟尘所含 各成分的化学结构是复杂的。物质的化学结构决定该物质在体内可能 参与和干扰的生理过程，而对该物质毒性的大小和毒作用性质有重大 影响。 近年来国内外都对焊接烟尘中所含物质的化学结构进行了研究。 其中国内还采用了大功率的x 射线衍射仪对焊接烟尘的晶体结构进 行分析。综合国内外对药皮焊条化学结构的研究结果，可以得出以下 结论1 1 9 1 ： 1 钛钙型等酸性焊条的烟尘中，结晶相是f e 3 0 4 与m n f e 2 0 4 均 呈尖晶石型结构。尖晶石型结构属于等轴晶系，f e 3 0 4 与m n f e 2 0 4 晶 体均具有较强的磁性。尖晶石型结晶约占钛钙型等酸性焊条烟尘总量 的6 0 左右，还有少量m g o 晶体。除此以外，均为非晶体，是以s i 0 2 与碱金属化合物为主体的玻璃状物质，未发现呈晶体状的s i 0 2 。 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所确士学位论文 2 低氢型碱性焊条的烟尘中，结晶相除了尖晶石型f e 3 0 4 、 m n f e 幻4 外，还检验出了n a f 、c a p 2 、k c a f 3 三种氟化物和l ( 2 c 0 3 、 n m c c b 两种碳酸盐，没有发现呈晶体状的s i 0 2 。 3 值得注意的是锰在烟尘中的存在状态，以往认为锰是以m n o 或m n 0 2 形式存在，通过近年来对烟尘化学结构的分析，表明不论是 在钛钙型焊条还是在低氢型焊条产生的烟尘中，锰均不以以m n o 或 m n 0 2 形式存在，而是以m l l f e 2 0 4 尖晶石型晶体存在，因此锰的毒性 较小。 为了更完整地了解焊接烟尘的化学结构，国内外都在探讨进一步 研究焊接烟尘的方法，例如用红外光谱法研究烟尘中元素的化学键、 结合能与分子组成，用x 衍射和电子衍射研究其晶格的类型，用电 子顺磁共振和合成散射光谱研究其化合物的种类等。 1 3 降低焊接烟尘的措施 降低焊接烟尘的危害，就必须采取合理的降低烟尘的措施。从降 低焊接烟尘的手段上来讲，首先是降低焊条、焊丝等焊接材料的发尘 量，其次就是采取通风、保护以及现在较为先进的通风排尘系统来限 制焊接烟尘对焊接工作者造成的伤害程度。另外，研究工艺方法、焊 接参数等对发尘量的影响也是很有必要的，在保证不影响焊接质量的 前提下，应该尽可能采取合适的工艺方法、焊接参数来降低发尘量。 从电弧物理因素来看，焊条或焊丝端部极性斑点析热越大，熔滴 析热越集中，发尘量越大。采用直流正接施焊时，焊条药皮成分直接 影响阴极压降和阴极斑点的析热大小。焊条发尘量随阴极压降和阴极 斑点析热增高而明显增高。因此，可通过改变焊条涂药成分调整阴极 斑点的析热，来改变熔滴过热程度，达到减少焊条烟尘的目的。熔滴 的导热条件越好，热量越分散，过热程度越小，发尘量也越小。也可 以通过减少熔滴尺寸和缩短焊条套筒长度，即减小发尘面积和熔滴过 渡时间的方法来减少熔滴的过热程度，降低发尘量。 机械科学研究院哈尔演焊接研究所硕士学位论文 1 3 1 调整药皮组分降低发尘量 根据焊接烟尘的形成机理可以了解焊接烟尘主要是由金属及熔 渣的高温蒸气形成的，因此焊接材料中含有的低熔点低沸点物质越 多，则越易过热而沸腾蒸发，产生的高温蒸气也愈多，蒸气压越高， 发尘量越大。以下为用于生产焊条的部分金属与无机物的熔点及沸点 示于表1 - 5 1 2 。但是由于焊接过程中将发生极其复杂的化学物理冶金 过程，各种物质的存在形式将发生变化此表仅供参考。 表1 5 部分金属、无机物的熔点与沸点1 2 1 1 名称熔点( )沸点( )名称熔点( )沸点( ) f e1 5 3 53 咖c 幻2 5 8 0船5 0 m n1 2 4 42 0 9 7m l , o2 8 3 鲫 瓯1 4 l o2 3 5 5s n1 7 1 32 2 3 0 k6 3 6 57 5 7豫1 8 3 0 - 1 8 5 02 5 0 0 - 3 0 n a9 7 8 l9 8 9 8c 如2 4 3 5舢 s n2 3 1 9 l2 2 7 0a i 0 l2 0 4 52 9 p b3 2 7 31 7 4 4c a f 1 4 2 32 5 z n 4 1 9 4 9 0 7 n a f9 9 3 1 6 9 5 n i1 4 5 32 7 3 2k f8 5 8l5 i 帖 c r1 8 9 02 4 8 2 从产生烟尘的物质来源上考虑，主要通过改变药皮成分配比或寻 找新的发尘量低的物质来降低焊条的发尘量。焊条的药皮发尘量主要 取决于药皮成分。药皮由多种物质组成，各成分含量及相互配比均对 发尘量产生影响，因此影响因素较为复杂。下面是国内外药皮组成对 发尘量影响的研究成果。 张炳范等针对以菱苦土 m g c 0 3 ) 为主要成分的结5 0 7 焊条，研 究