（材料加工工程专业论文）gma焊接工艺参数对焊接烟尘产生影响的研究.pdf

摘要 电弧焊在制造业中发挥着重要作用 然而 电弧焊烟尘对人体健康和环境有 严重影响 因此 本课题从在我国应用日益广泛的气体保护焊入手 研究了g m a 焊接工艺参数对焊接烟尘产生的影响 本研究课题根据 j i s 和本实验的要求 设计了焊接烟尘采集装置 在焊接试 验过程中 选用实芯焊丝和药芯焊丝两种焊接材料和多种熔滴过渡方式研究焊接 烟尘的产生特点 采用光散射法和光纤型准光弹性散射颗粒粒度测试仪测量焊接 烟尘的颗粒粒度 针对不同的熔滴过渡方式 采用多种工艺参数进行烟尘粒度测 量试验 探索了g m a 焊接工艺参数对烟尘粒度分布的影响规律 在深入分析焊 接烟尘的产生机理后 根据颗粒过渡 短路过渡和射流过渡等多种熔滴过渡方式 的特点 在不同的焊接工艺参数下进行烟尘发尘量测量试验 分析了g m a 焊接 工艺参数对烟尘发尘量的影响 总结其影响规律 并研究降低烟尘发尘量的措施 另外 本文还对焊接烟尘的成分进行了分析 通过研究表明 常用药芯焊丝发尘量相对较高 烟尘粒度处于易让人体吸收 的范围 实芯焊丝的不同熔滴过渡方式下的烟尘粒度和发尘量具有不同的特点 本课题进行g m a 焊接工艺参数对烟尘产生影响的研究 对有效控制焊接烟 尘 降低烟尘的危害 具有重要意义 关键词 g 姒w 焊接烟尘 工艺参数 粒度分布 发尘量 成分 a b s t r a c t i m p o r t a n ta sa r cw e l d i n gp r o c e s si si nt h em a n u f a c t u r a l i t sf u m eh a sg r e a te f f e c t o np e o p l ea n de n v i r o n m e n t s ot h i sp a p e rp r e s e n t st h er e s e a r c ho nf o r m i n gf u m e i n f l u e n c e db yp r o c e s sp a r a m e t e r si ng m a w e l d i n g f r o mj i sa n de x p e r i m e n t a l r e q u i r e m e n t s p i c k d e v i c eo fw e l d i n gf u m ei s d e s i g n e d i no r d e rt os t u d yc h a r a c t e r i s t i c so fw e l d i n gf u m e t w ow e l d i n gm a t e r i a l i n c l u d i n gs o l i d c o r e da n df l u x c o r e dw i r e a sw e l la ss o m em e l t d r o pt r a n s f e rm o d ea r e a d o p t e di n t h i se x p e r i m e n t 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 du n d e rd i f f e r e n t m e l t d r o pt r a n s f e ra n dw e l d i n gp a r a m e t e r sb yl i g h ts c a t t e r i n gt e c h n i q u ea n df o q e l s a n dt h e nt h ei n f l u e n c eo fg m aw e l d i n gp a r a m e t e r so nw e l d i n gf u m ep a r t i c l es i z e d i s t r i b u t i o ni sp o i n t e do u t t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo f w e l d i n gf u m e i nr e s p o n s et oc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n td r o pt r a n s f e rs u c ha sp a r t i c l e t r a n s f e r s h o r tc i r c u i t i n gt r a n s f e ra n ds p r a yt r a n s f e r a n dd e t e r m i n a t e sf o r m i n gr a t eo f w e l d i n gf u m eu n d e rd i f f e r e n tw e l d i n gp a r a m e t e r s t h e np r e s e n t st h er e s e a r c ho nf u m e f o r m i n gr a t ei n f l u e n c e db yp r o c e s sp a r a m e t e r si ng m aw e l d i n ga n dt h ed e s c r i p t i o no f r e d u c i n gw e l d i n gf u m e i na d d i t i o n t h ei n g r e d i e n t so fw e l d i n gf u m e a r et e s t e d t h er e s e a r c hi n d i c a t e dt h a t f u m ef o r m i n gr a t eo ff l u x c o r e dw i r ei sr e l a t i v l yl a r g e a n di t sf u m ei se a s i l ya b s o r b e db yp e o p l e f u m ef o r m i n gr a t ea n dp a r t i c l es i z eo fs o l i d w e l d i n gw i r eh a v ed i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c su n d e rd i f f e r e n td r o pt r a n s f e r t h i sr e s e a r c ho ng m a w e l d i n gf u m em a yp l a ya ni m p o r t a n tr o l ef o re f f e c t i v l y p r e v e n t i n gw e l d i n gf u m ea n dr e d u c i n gt h eh a r mo fw e l d i n gf u l t l e k e yw o r d s g m a w e l d i n gf u m e w e l d i n gp a r a m e t e r s p a r t i c l es i z e d i s t r i b u t i o n f u m ef o r m i n gr a t e i n g r e d i e n t 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 也不包含为获得鑫鲞盘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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 前糟 签字日期 2 孵年彳月彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留 使用学位论文的规定 特授权苤鲞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 学位论文作者签名 签字日期 2 础年 导师签名 枷参罕 签字日期 2 以年多月乡日 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 1 0 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 m 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 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 焊接烟尘的形成机理及性质 1 形成机理 早期的研列5 认为焊接烟尘的发生机理是过热一蒸发一氧化一冷凝的过程 在焊接过程中 液态金属和非金属物质蒸发的高温蒸汽 被迅速氧化和冷凝生成 的烟尘粒子称为 一次粒子 一次粒子基本形态呈球状 直径在0 0 1 0 4u m 范围内 以0 1 u m 左右的居多 6 3 由于一次粒子均带有静电和磁性 在其本身引 力的作用下 随着温度的降低 迅速有几十个或几百个聚合在一起形成所谓 二 次粒子 图1 1 7 然后按一定的方式扩散出去 而且在这些粒子的形成过 程中又有着复杂的中间过程 焊接烟尘的形成是一个相当复杂的过程 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 指出在焊接 烟尘的形成过程中有着复杂的中间过程 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 u t 8 9 1 1 形核机制 焊接烟尘的形核机制主要有两种 均质 形核与非均质形核 通过对焊接烟尘分级粒 子的形貌 成分以及结构进行了系统的分 析 探讨了焊接气溶胶粒子的均质形核机 制 试验证实焊接气溶胶的0 0 1u l n 尺度粒 子主要是f e 3 0 4 晶体 它由蒸气一粒子转变 的均质成核方式产生 认为其控制反应是 f e g 一f e l 所提出的焊接电弧的粒子形 核区模型 对分析焊接气溶胶粒子的形成过 程有重要意义嗍 通过对市售常用焊条焊态 下烟尘的较大粒子的分布 形貌 成分及结 构等进行实验研究 发现了焊接烟尘存在非 均质形核机制 试验证实0 1 u m 量级粒子主 要分为尖晶石型和氟化物型两类 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 图1 1 烟尘形成过程 第一章绪论 制所形成p j 2 粒子的长大与扩散 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 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 并有明显边界 l o 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 1 1 焊接过程中烟尘的扩散是一个复杂的运动过程 焊接烟尘在电弧高温下产生 的同时 使电弧周围的气体膨胀而载着烟尘粒子上升 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即湍流运动 烟尘由连续孤 立的烟团所组成 扩散速度较快 施雨湘等人用建立数学模型的方法得出了以下 结沦 焊态下焊接烟尘的扩散是湍流扩散 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 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 烟尘在上升过程中逐渐成发散状态的喇叭口形 1 2 j 2 焊接烟尘的性质 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 1 3 1 4 形成后的烟尘粒子分布还遵循一定的分布规律 l5 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 化学性质密切相关瞄j 早期的研究表明 l l 1 9 焊接烟尘主要是粒径0 1 u n l 左右的球状粒子凝集成 的二次粒子 低氢型焊条烟尘形貌呈碎片状 粒径1 l h l l 左右 酸性焊条和二氧化 碳自保护焊的烟尘形貌呈絮状 粒径比低氢型稍大一些 酸性焊条烟尘中 无论 其涂料组成如何 氧化铁含量几乎占烟尘总量的5 0 j 4 2 2 焊条烟尘中的主要成 分为氧化铁 占5 0 左右 我们在对结构钢药芯焊丝的烟尘进行分析时也得出了 几乎同样的结果 即其烟尘的主要成分也是铁的氧化物 而且占烟尘总量的5 0 第一章绪论 左右 施雨湘等人对烟尘结构与形貌关系进行研究指出 酸性焊条焊接烟尘中 随着烟尘粒子粒径的增大 粒子中的m n 含量逐渐增多 0 0 1 u r n 左右的烟尘粒子 的晶体结构为f e 3 0 4 而0 0 3 0 2 u m 和0 3 0 5 u m 的烟尘粒子的晶体结构为混 合相 较大粒径的粒子中含m n 的量要多一些 对于碱性焊条 j 5 0 7 焊条的主要 物相是n a f c a f 2 等氟化物以及f e 3 0 4 等尖晶石相和含s i 0 2 的非晶态物质 尖晶石 型粒子一般呈链 网状 非f e 元素含量随粒径增大而增多 氟化物型粒子较大 可以孤立存在 非晶物质多包裹在晶态粒子表面上或以层片状出现 施雨湘等人 在进行单组分焊条的气溶胶非晶态物质的研究中 证实单组分焊条气溶胶粒子中 存在非晶态物质 并获得了它们的非晶型漫射环 晶态物质主要由s i 0 2 及它与其 它氧化物 氟化物的熔体在焊接急冷条件下形成 主要呈蜻蜓翅膀状或呈壳层状 包裹在晶态粒子周围 最近还有资料表明e b w g t a w 和s m a w 发出的不同粒 子呈壳状结构 1 2 2 焊接烟尘的影响因素 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 焊接材料因素 1 焊条药皮的成分 焊丝钢带 药粉的化学成分 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 低氢焊条 j 5 0 7 药皮中起发尘作用的主要成分是萤石和水玻璃 其反应产物 产生的烟尘占总烟尘量的5 0 以上 正好相当于低氢焊条比非低氢焊条多出来的 单位重量焊接材料的发尘量 一切含k 和n a 成分的物质 如云母长石和苏打等均 增大发尘量 硅钙合金和镁粉有降尘作用 以菱苦土为药皮主要成分的j 5 0 7 焊条 氟硅酸钠和冰晶石发尘量较大 氟化镁和萤石发尘量较小 大理石药皮的j 5 0 7 氟硅酸钠发尘量最小 在焊条中各种氟化物对发尘量的影响顺序是 l i f n a f r e f 3 m g f 2 c a f 2 n a 2 s i f 3 无氟 r e f 3 是金属间络合物 7 1 日本小林实等研究了结构钢焊条药皮中各成分含量同烟尘中各相应含量的 对应关系 得出药皮中相应各成分含量的对应关系 2 0 1 造渣物质的发尘倾向为 1 s i 0 2 烟尘中的二氧化硅与药皮中的数量统计对应关系基本是1 1 的比 例 即如果药皮中含有1 0 的s i 0 2 则烟尘中也含有1 0 的s i 0 2 烟尘中硅元素 是以复杂化合物形态存在 不存在结晶游离态的二氧化硅 第一章绪论 2 t i 0 2 烟尘与药皮大致的对应关系是1 1 0 说明其发尘倾向较小 3 c a o 烟尘中与药皮中的c a o 的对应关系大致是3 1 0 4 m g o 烟尘中与药皮中的m g o 对应关系大致是4 1 0 5 m n o 主要是药皮中锰铁在冶金反应中产生 由于各类焊条熔渣的氧化 性不同 所加入的铁合金种类与数量不同 所对应的比例关系较复杂 一般酸性 焊条烟尘中m n o 6 1 2 碱性焊条烟尘中m n o 6 8 而焊条中m n o 含量可高达2 0 以上 烟尘中m n o 含量也可超过2 0 国内外还研究了焊丝钢带 药粉对烟尘发尘率的影响 北京工业大学的王智 慧等人研究铁粉添加量对焊丝发尘率的影响时发现 2 1 烟尘中铁的氧化物约占5 0 当药芯焊丝中的含铁量为1 9 5 2 8 7 质量分数 时 焊丝发尘量为 5 5 2 2 6 9 k g 一 8 2 3 2 6 9 k g 烟尘中铁和锰的氧化物所占的比例很大 试验条件下 f e 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 日本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n o 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 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 l 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 国际上j h d e n n i s m j f r e n c h p j h e w i t t 等人在对含有1 0 铬的金属芯药芯焊丝加入活泼金属的研究中 发现加入1 的 锌比对比组中加入l 的镁和加入1 铝 六价铬含量要低 尤其是在加入l 的 锌时 电压为1 8v 可以大幅度的减少六价铬和烟尘总量 2 2 1 2 焊接工艺因素 1 焊接方法 不同的焊接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 2 引 2 焊接参数 1 焊接电流与电压随着焊接电压和焊接电流的增加 焊条发尘量增大 2 4 2 电流类型交流焊接比直流焊接的烟尘多 z 引 3 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 4 o 4 焊件位置焊件位置状态对焊接烟尘也有影响 平焊时发尘量最大 立 焊时次之 焊条倾斜且焊条干燥时发尘量较小 反之则发尘量较大 2 5 1 5 焊条直径焊条直径增加 烟尘量增加 2 3 1 第一章绪论 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 2 3 1 1 2 3 焊接烟尘的危害性 在焊接过程中 会产生大量的烟尘 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 可吸入微粒大小通常认为小于1 0 u r n 大量的微粒会 附着在呼吸道上 一些研究人员认为 微粒大小在0 1 1 o 砌会被吸入肺中 但 大多数会被呼出 小于0 1 u m 的微粒可以渗入肺里 严重影响焊工的身心健康 1 颗粒状有害化合物对入体的危害 1 氧化铁f e o f e 2 0 3 f e 3 0 4 等被认为是无毒 无致癌作用的物质 但长 期高浓度的吸入会导致烟尘在肺中的沉积 这种沉积己知为铁质沉积性肺尘病或 铁质沉积病 当停止接触时 肺内的铁质沉积会渐渐消散 2 氧化铝a 1 2 0 3 会导致烟尘在肺中沉积 而且不会慢慢消散 对呼吸道 有一定刺激 3 氧化锰m n 0 2 m n 2 0 3 m n 3 0 4 m n o 等有毒物质 对呼吸道有刺激并 导致肺炎 长期接触损害神经系统并导致麻痹症 4 氧化钛t i 0 2 导致烟尘在肺中的沉积 对肺产生压迫 5 氧化铬c r 2 0 3 六价铬化物等对人体有致癌作用 特别是对呼吸器官 六价铬化物对粘膜也有刺激和腐蚀作用 6 氟化物c a f k f n a f 等对胃粘膜和呼吸道粘膜产生刺激 长期吸入氟 化物 对骨有慢性损害 其他有害化合物 如钡化物 氧化被 氧化铜 氧化铅 氧化锡等来源于其 相关焊接材料的焊接过程中 对身体的危害也相当大 2 气体有害成分对人体的危害 焊接作业产生的有害气体我们看不到 但是也危害焊工的身心健康 表1 1 列举了主要有害气体的产生及危害 第一章绪论 表1 1 焊接作业产生的有害气体及危害f 2 6 1 2 4 防止焊接烟尘的措施 为净化焊接工作环境 保护操作人员的身体健康 必须采取切实有效的防护 措施 以保证焊接时产生的有害物质浓度在容许浓度范围内 1 工艺措施 1 采用无烟尘或少烟尘的焊接方法电阻焊 摩擦焊 埋弧焊及电渣焊均 是高效 少 无烟尘的焊接方法 其中 2 0 世纪9 0 年代发明的搅拌摩擦焊 f s w 作为用于低熔点合金材料的新型固态连接技术 非常有利于工作环境的改善 2 开发和使用低尘低毒焊接材料如采用结构钢低尘低毒焊条 可降低焊 接烟尘的散发率和毒性 采用目前新开发的气体保护药芯焊丝及金属粉型药芯焊 丝 能使烟尘量及飞溅减少2 0 7 5 某些金属粉型药芯焊丝 专利焊丝 的烟 尘发射量甚至接近了实心焊丝g m a w 水平 而且电弧稳定 f g i 嘬低的工艺参 数可选择范围比实心焊丝g m a w 时更大 2 7 2 8 3 选用合适的焊接参数综合考虑焊接电压 电流 焊接速度 气体流量 等工艺参数对焊接烟尘的影响 2 设备措施 积极研究开发先进焊接设备 以降低发尘量 目前林肯公司生产的焊接设备 具有很高的精度和灵敏度 设备可以精确检测熔滴过渡行为 在极短时间内作出 反应 控制焊接电流和电压产生周期性变化 实现s t t 短路过渡 试验表明 采 用表面张力过渡 可以减少飞溅 降低电弧辐射 减少焊接烟尘发尘量f 2 9 1 第一章绪论 3 通风措施 通风技术措施是消除焊接烟尘危害的有力措施 根据i s 0 1 0 8 8 2 1 2 0 0 1 与 i s 0 1 0 8 8 2 2 2 0 0 0 焊接及相关工艺健康与安全 操作者呼吸区内微粒物与气体 的取样 确定采用何种除尘与通风设施来控制烟尘排放量 不论是局部通风排烟 还是整体通风排烟 其共同点都是尽量在产生烟尘的源头就将其排走 如德国生 产的强力吸气风机 高真空可移动焊接烟尘净化器 墙装机械式烟尘净化器 可 移动机械式烟尘净化器 墙装筒式过滤烟尘净化器 可移动筒式过渡烟尘净化器 可移动静电式烟尘净化器 其清洁有效率可达9 9 9 美国唐纳森t o r i td c e 推出的t r u n k l i n e 系列焊烟除尘产品 j t l f l e x w t r u n k m 除尘器 t r u n k2 0 0 0 尘源式除尘系统 a m b i e n tc o l l e c t i o ns y s t e m a t m 3 0 0 0 环境除尘系统 d f i 沉流式除尘器 由于采用了效果优良的u l t r a w e bf r 阻燃滤 筒 这种焊烟除尘产品对于亚微米级的焊烟粉尘过滤效率可高达9 9 9 9 9 可 有效解决不同场合的污染问题 4 个人防护措施 如果使用通风设施达不到防护目的 就必须使用呼吸保护设备 如国产自吸 过滤式防尘口罩 通风除尘面罩 通风头盔 分子筛除臭氧口罩等 但呼吸保护 设备不能代替抽吸设施 因为它保护的只是操作者 对他人仍有危害 5 隔离措施 因生产条件所限而无法使焊接烟尘降至标准规定值时 可以采取隔离操作措 施 如把生产设备和操作地点放在隔离室内 用排风扇使隔离室内保持负压状态 采用自控仪表系统实施焊接 使焊接烟尘远离焊位 不直接受到焊接烟尘的危害 1 3 本课题的主要研究内容和意义 1 本课题的主要研究内容 1 设计合适的焊接烟尘采集设备 使其能够实现气体保护自动焊 并能有 序控制焊接过程 以达到高效采集焊接烟尘的目的 2 按照国家相关测量标准 运用烟尘采集系统 测定实芯焊丝和药芯焊丝 气体保护焊的烟尘发尘量 分析焊接方法 焊接电压和电流等焊接参数对发尘量 的影响 总结其影响规律 并研究降低烟尘发尘量的措施 3 进行实芯焊丝和药芯焊丝气体保护焊试验 运用光纤准光弹性散射粒度 测试仪 精确测量焊接烟尘的粒度分布 研究焊接方法 焊接电压和电流等工艺参 数对烟尘粒度分布的影响规律 4 采用p h i l i p sx 3 0 型环境扫描电子显微镜分析焊接烟尘的成分 第一章绪论 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 而对于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 探索焊接烟尘发尘量的影响因素 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 焊接烟尘的本质为焊接气溶胶 其粒子的大小及其分布是最基本的气溶胶特 性 是探讨烟尘粒子形核 长大 扩散 凝并 沉降 捕集诸行为的基础 焊接 气溶胶粒子的大小及分布不同 它的物理 化学性质也不同 对人和环境的影响 也不同 因此 从焊接烟尘的粒子谱分布等微观结构方面入手 研究焊接烟尘的 粒度分布规律 以降低烟尘中的有害物质对人体的危害 具有十分重要的意义 第二章焊接烟尘采集及分析试验系统 第二章焊接烟尘采集及分析试验系统 本次试验的目的是通过系统性的工艺试验 借助焊接烟尘采集测试分析系 统 对焊接烟尘进行测试分析 研究焊接方法和焊接工艺参数对烟尘粒度分布 发尘量和成分的影响 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 根据本次试验的目的和要求 设计了总体试验方案 其试验流程图见图2 1 所示 实验准备 设计制作烟尘采集装置 设计焊接工艺试验方案 进行焊接试验 采集烟尘 数据采集 烟尘发尘量分析 烟尘粒度分析 烟尘成分分析 实验总结 图2 1 试验流程图 第二章焊接烟尘采集及分析试验系统 2 2 试验系统构成 焊接烟尘采集及分析试验系统按所起主要功能的不同 可分为三大功能模 块 分别是烟尘采集系统 焊接试验系统 烟尘分析系统 在本节中将对实验系统的3 大功能模块分别进行介绍 2 2 1 烟尘采集系统 2 2 1 1 烟尘收集箱 根据j i s 标准和本实验的要求 设计了焊接烟尘收集箱 设计图见图2 2 所示 实物图见图2 3 所示 该箱体所用材料为不锈钢3 0 4 箱体板厚为l m m 图2 2 中所 示部件及功能分别叙述如下 l 是通风孔 直径为4 m m 在箱体的左 右两侧各有2 个通风孔 后侧有3 个通 风孔 主要用于箱体内的空气流通 2 是门 面积为7 0 0 m m x7 0 0 m m 为了便于 操作 在箱体的前侧设计了一扇f j 门与箱体通过密封条连接 具有良好的密封 性 3 是一个外伸的小箱体 用于放联轴器和电机 这样可以减小整个箱体的体 积 4 是两个手孔 可通过此手孔操作手工电弧焊 使箱体既能适用于自动焊又 能用于手工焊 5 是一个小孔 焊枪通过此孔插入箱体内 6 是观察窗 所用材料 为有机玻璃 通过此观察窗 可以清楚地观察整个焊接过程 控制焊接过程的有 序进行 7 是不锈钢管道 所用材料为不锈钢3 0 4 管内径为1 5 5 m m 管厚3 m m 此管道通过法兰与风机连接 本实验根据箱体的体积和所需的流量 选用了上海 群凯机电有限公司生产的c f l1 型 a 多翼式低噪声离心通风机 该风机具有 噪声低 风量大 重量轻 结构紧凑牢固 安装维修方便 性能稳定运转平稳等 优点 8 是烟尘过滤膜 该膜为上海大宫新材料有限公司生产的聚四氟乙烯 p t f e 微孔膜 开孔率达8 5 以上 孔径范围可以从 1m i l l 对于单一的球状颗粒 它 的直径就是颗粒的粒度 其大小能被精确测定 对于非球形颗粒 则可按照某种 规定的尺度来表示其粒度 在颗粒测量技术中 颗粒的粒度通常根据测量原理来 定义 如阻力直径 筛分直径 c o u l t e r 直径等 是由所采用测量原理相当的 球的直径来表示的 本实验中 焊接烟尘往往是非球形颗粒 精确测定其粒径则 是困难的 所用激光粒度仪采用光子自相关 p c s 方法 该方法获得的颗粒直 径称为水动力直径 水动力直径指的是颗粒直径加上其外层附着地双电层的厚 第三章焊接烟尘粒度分析 度 其意义是如果一个直径已知的球形物体与被测颗粒有相同的扩散速率 则此 直径被测就可等效为水动力直径 故直径也被称为等效直径 e s d 2 粒度分布 在颗粒群中 如果颗粒的粒度都相等或近似相等 则颗粒群称为单分散体颗 粒系统 在实践中 通常遇到的不会是单分散颗粒系统 而是由不同粒度颗粒组 成的多分散颗粒系统 在本实验中 用参数p o l yd i s p e r s i t y 来表征 它是无单位量 计算公式为p o l yd i s p e r s i t y 9 2 r 2 是正比于强度加权扩散系数的变化量 r 是 与散射光的涨落驰豫有关的常数 对于单分散颗粒或近似单分散颗粒 其数值在 0 附近 介于0 0 0 0 一0 0 2 0 之间 对于窄分布 其数值较小 在0 0 7 0 0 0 8 0 之间 对于宽分布 则较大 按不同的粒径区间 统计其间的颗粒个数或质量百分数 以此表示颗粒系统的分散程度 称为该系统的 粒度分布 粒度分布在表示上又可分为积分分布和微分分布 积分分布又称累积分布 用于表征大于 小于 该粒径的颗粒占总数的百分数 微分分布又称频率分布 用于表征粒径介于两种尺寸间的颗粒占总数的百分数 在本实验中 为光强加权粒度分布 其中g d 为以最大散射光强归一化的相 对散射光强 c d 为累积值 3 单模分布和多模分布 对于d l s 来说 当分析结果只有一个峰的时候 颗粒尺寸分布定义为单模 分布 当分析结果是两个或者两个以上峰时 为多模分布 3 3 2 焊接烟尘粒度测试结果分析 焊接烟尘对环境和人体健康的影响 一直是国内外关注的问题 迄今的研究 大多围绕烟尘发生数量而展开 随着对焊接烟尘气溶胶本质的认识深化 己日益 重视其粒子大小及分布规律的研究 焊接烟尘粒子尺度范围可达1 0 弓 1 0 2 u n l5 个量级 但发生几率较高的还是 0 0 i u m 量级的粒子 能通过人体上呼吸道进入肺部 对人体影响最大的粒子尺度 是0 1 1 u m f 阁 因此 0 0 1 l u m 范围的焊接烟尘粒子是本实验研究的重点 1 直流m i g 焊 本研究中 直流m i g 焊短路过渡的烟尘粒度分布见图3 3 3 1 1 所示 烟 尘的有效直径和多分散系数见表3 2 所示 第三章焊接烟尘粒度分析 霹 s 帅脚i d 咖 9 邮3 2 o 仙h h o 0 1 日 s t h 0 40 0 嘶m1 2 1 84 m r dv a ro4 0 3 s k 洲03 4 3 s w e d2 0 0 8 0 4 1 州 or c o n v n e d o w r 咖i d 1 a s t 晰0 0 0 4 0 0 m 啪伽m 5n m m 0 3 4 2 圈3 5 焊接烟尘粒度分布圈3 裂 0 4 l 0 0 阁i 越 o 州打册 l0 l 一 l n m d 帅瞄d m 一 l m j b 苎三兰塑垫塑竺塾垦塑 靳h 帅i dl 衄 b 0 4 1 9 4 1 0 5 2 c m 蛔e d 垂1 订 q d 目 t e eo e l t q o h 嘲1 d 舯7 蔼 呻 l r ev w n3 7 6 h g 口wm 瑚 d 舯哪 她 q l 兰 翟 m o 山 d 上q 第三章焊接烟尘粒度分析 d 呻1q d jo d n m l0 f mc c 目 dc 1 g f d d 5 8 j0 0 l1 f i o3 0 5903 0 6 080 0 l 1 7 b703 04 6 9 11 9 i 7 00001 9 3 03 q5 3 55 4 7 7 68 oo 126o 3 0 i5 8 8 s 1 0 0 l 3f 7 2 3 330 3 0 16 4 7 6 6 9 243 31 0 s 590 3 q l7 口835 6 1 0 14 5 12 02 6 07o 3 0 w 7o 1 81 i 1 1 123 5 2 7 i 3 0 79 蚴 d1 l 1 2 20 193 0 3 3 78 o3 0 9 3 5001 l 1 3 39d 3 7 05 0 i1 0 2 5 7 01 l 1 4 680 4 6 6503 0 l1 1 2 5 i01 l 图 l o 焊接烟尘粒度分布圈8 圈3 i l 焊接烟尘粒度丹布图9 本实验条件下所铡的直淌l m i g 焊短路过渡烟尘粒子粒径分布的分教系数 p 02 8 9 03 8 4 表明直流 g 焊短路过渡时的焊接烟尘的粒径分布均为宽分布 颗粒系统为多分散颗粒系统 图3 3 至图3 1 1 所示的粒子谱分布表明所测的烟尘 粒子均呈现为多峰分布 粒子群存在2 个或者3 个不同尺度的分布峰 粒径基本分 布在5 0 删一3 岫之间 但是大多数烟尘粒子的粒径分布在0l l 咖之间 只有少 数粒子的粒径达到l u m 以上 由图可知 焊接电流相同时 焊接烟尘颗粒的粒径随着焊接电压的减小 有 减小的趋势 其中焊接电压对0l u m 以下的粒子影响较小 其减小的幅度很小 变化不明显 其次是0l l u m 的粒子 这部分粒子有减小的趋势 但是整体仍 囡 第三章焊接烟尘粒度分析 然处于o 1 一 1 u m 之间 对人体的影响非常大 而l u m 以上的粒子减小的幅度很 大 这部分烟尘颗粒很容易减小至o 1 1 啪之间 对人体的身心健康造成严重 危害 而且当电压降至一定值时 烟尘颗粒的粒径均分布在0 1 l u m 之间 如 图3 9 3 11 所示 这部分颗粒将通过人体上呼吸道直接进入人体肺部 对焊接 操作人员的身心健康造成严重危害 另外 当焊接电流相同时 随着焊接电压的减小 有效直径e f f e c t i v ed i a m e t e r 和分散系数p 也随着减小 如图3 1 2 3 1 3 所示 售 s 魁 删 较 忙 刊 璺 焊接电压 v 图3 1 2 直流m i g 焊短路过渡烟尘有效直径与焊接电压的关系 o 4 o 3 8 o 3 6 o 3 4 藿0 3 2 阳 羟0 3 泰o 2 8 0 2 6 0 2 4 0 2 2 0 2 焊接电流1 8 0 a 焊接电流1 7 0 a 焊接电流1 5 0 a l 一 1 0 1 5 2 0 2 5 焊接电压 图3 一1 3 直流m i g 焊短路过渡烟尘多分散系数与焊接电压的关系 当焊接电压相同时 随着焊接电流的减小 小粒径 0 1 u m 以下 粒子的粒 径变化不明显 也就是说焊接电流对0 1 u m 以下的粒子的粒径变化影响很小 对 o o o 0 o o 0 o 如 加 舳 们 加 第三章焊接烟尘粒度分折 o i m 以上的粒子的粒径影响是随机的 没有单调变化的明显趋势 运用光纤型准光弹性散射颗粒粒度涓试仪 b i f o q e l s 澍量直流m g 焊 颗粒过渡的烟尘粒径分布见图3 1 4 3 1 5 所示 结果表明 烟尘中存在很多的 大粒子 粒径基本在2 i 血以上 超出了b i f o q e l s 的澍量范围 导致测量结 果的拟合度和再现性根低 然后 选取同样的焊接参数进行焊接试验 运用 i 岫i z c r2 0 0 0 激光粒度分析仪涮量烟尘粒度 该粒度仪测量范围为0 2 2 0 0 0 u r n 测量结果见圈3 一1 6 3 1 7 所示 铡量结果表明 直漉m i g 焊顿粒过渡 的烟尘粒径很大 而且难于分数 2 7 4 24 1100 o p 日h o r d o 拿 ll i 融p dt 眦0 0 4 j i l l o i n m 1 ji l r dv w 0 d l i 4 t 1 f 女e w 0 m 6i i 1 圈3 1 4 焊接烟尘粒径分布图1 0 l 地l 鲤u 纠 墅堕旦生旦目一d m l o e 一 c 叫 4 270 0 l 2 7 88 011 8 1b26 23 0 5 070 0 l 3 3 06 012 1 2 1 b 3 5 0 10 d l3 9 20 0 1 2 5 5 5 37 46 7 7 1 3口 0 l4 h9 01 彻i4 11 0 口 8 4s 口0 l 稻t3013 5 弱701 0 0 1 0 0 2316 5 3a014 2 6 4 101 i 1 1 89o17 7 s3o1l 501 1 4 1ud1l 940 15 9 9 54 o1 0 0 1 e 720 1 1 1 0 9 03 0 1 l7 1 1 0 0 1 0 1 9 8 j011 2 5 290 i 8 4 3 2 j01 0 0 2 3 5 10 1 1 1 嚣32 1 0 1 1 0 0 d o 01 0 0 面3 i 丁嫜接瘸至粒在夯 布圈 3 0 鹎 第三章焊接烟尘粒度分析 馥o 5 2 3 5 1 啦0 锄j 鞠r t 3 em e 抽b 口 o 堋3 o o 钨 0 0 b 0 4 o o o n 0 0 t o t 日 口0 o 辨 6 6 e o a 盱 6 0 l 瞰 o 口 b p 0 0 b 0 0 u 6 0 0 0 o 口t t 辩 e t 臻 o 略 0 磴 口 9 o 前 o 6 蚋 0 m n m 0 舅3 0 曩 0 州7 o 船 o 时9 o 露 0 o 砖 口 o 蟹 o 舶 o 站 n 敷 e 斜 o 藉5 l 啦b a m 0 8 4 0 聃1 o 砖 a 孵 a 譬 a 越 0 拈 m 出 t b t i 翦 口毪 t w 2 磨 5 7 搿 2 尊 2 秘 5 骷 2 嚣 鼍 地 0 3 暂 3 m 憾 0 0 3 a 3 话 j n 锄2 端 2 捌 甜 m 孑 2 井 也 2 图3 一1 6 焊接烟尘粒径分布图1 2 删也s l 1 4 翟1 5啪 2 瓣l 3 舢 2 扎 z 笈 聃 6 捂 m 0 0 z 0 璐 o 傅 o 衡 0 0 0 0 o 口 o o 0 o o 0 a h 0 蕾 o 啦 0 o 口 o o 7 0 o 柏a a o q f 3 7 7 c 佻 n 抓 0 q 口 0 0 口供 0 仇 0 o o 0 o o 街 f e 瞄 0 口 0 口 i 雕 o o 0 口 0 船 舶 o 德a 口a 斡 口 0 e 蓐 e e 口 0 m 0 为 0 j 籀 0 0 1 l 鬻 0 0 日 q 瞄 o 0 哼 t 啪 0 j d 0 2 冶 0 轴 o 矗 0 粕 o n 7 口m 0 5 辚 铆 口赫t 船 o 埘 街 盘0 棼 位 a j t 7 4 o 哦 t n t m t 静 鼯 j i 皓 强 2 瓤2 2 盈 2 哪 2 竹 奢 钟 3 t 话 t 曲6 t 鹄 4 镗 蕙 5 戤 6 r 2 7 5 1 柠 忽 t 麓 1 扛 1 l 2 癣 3 强 麓g 藩 3 氅 j 蔫 2 璐 女 2 l 奠 嫩 鼬2 嚣 l 瑚 i 舶 m i 仲 2 2 驻 知 m 2 疗 i 自e o 麓 4 3 口并 口位 o o d 日口 0 o 口 o o 自口 e 图3 一1 7 焊接烟尘粒径分布图1 3 m 口 o e o c 0 0 a 瀣 口 自 o 口日o e b 坼g 躺 o 直流m i g 焊射流过渡的焊接电压为3 3 v 焊接电流2 8 0 a 焊接速度为5 m m s 3 6 第三章焊接烟尘粒度分析 粒径分毒见图3 l b 所示 该图表明 当焊接电流 电压增加 熔滴过渡为射流 过渡时 烟尘粒子的粒径减小了 粒径分布为宽分布 粒子群存在3 个不同尺度 的分布峰 峰拉置基本在0 1 u m 0l u m l u m l u 胪2 u m 之间 其中有相当一部分 粒子在o 1 u 1 卜l u r a 之间 能够直接进入人体肺部 对人体健康造成危害 8 i i