自蔓延焊接安全与防护.doc

自蔓延焊接安全与防护刘念 张国栋 任正元 张建强 （武汉大学动力与机械学院，湖北，武汉，430072）摘 要：本文分析了自蔓延焊接过程中高温、飞溅、烟尘和爆炸等危害现象产生的机理和原因，及其对焊接操作人员和环境的影响和危害。结合焊接工艺和个人保护，提出了安全有效的针对性防护措施。关键词：自蔓延 焊接 危害 防护Safe and Protection for Self-Propagating High Temperature Synthesis Welding Liu Nian, Zhang Guodong, Ren Zhengyuan, Zhang Jianqiang(College of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China; )Abstract: In this paper, the formation mechanism of common harms in self-propagating high temperature synthesis welding have been studied, such as high temperature, spatter, explosion, soot, etc, and the harm for welder and environment has been analyzed. Some corresponding solutions are put forward based on welding process and personal protective equipment.Keywords: Self-Propagating High Temperature Synthesis; Welding; Harm; Protection0、引言图1 自蔓延焊接原理图自蔓延(Self-Propagating High Temperature Synthesis，SHS)焊接是指利用燃烧合成化学反应所释放的热量作为焊接热源，加热熔化焊材和母材，在特制的模具中形成一定形状、尺寸和性能的焊接接头1-4。自蔓延焊接原理如图1所示。将焊接用的石墨模具放置于焊接坡口上面，在模具底部导流孔上放入铝片作为自熔垫，将焊接熔粉装入石墨模具中，然后在其表面均匀撒上一层引火剂。采用打火枪引燃引火剂，进而诱发熔粉的自蔓延反应，得到高温金属液体，注入焊接点实现焊接。自蔓延焊接不需要外加电源，对场地、设备要求低，操作简单，工作效率甚高。自蔓延焊接速度非常快，仅几秒就可以完成焊接。多种焊接材料，包括铜/铜, 钢/钢、钢/铜、铝/铝之间等材料之间均可以通过自蔓延技术进行焊接。自蔓延焊接作为一种特种焊接技术, 在建筑、冶金、国防、石油、化工等许多领域得到了广泛的应用。 本文对自蔓延焊接过程中的危害及其防护进行了分析和讨论，针对性的提出了安全有效的生产防护措施。2、自蔓延焊接过程中的危害分析由于自蔓延焊接利用的是高温放热反应作为能量源，因此在焊接过程中往往会产生剧烈的高温无机反应，因而较之其他传统的电源、光源、离子源焊接方式造成的危害有一定的区别5。其危害性主要表现在焊接过程中，多有较大的飞溅、溢流，且熔池反应复杂，多伴随有相当的毒性气体和大量烟尘的产生，甚至在有些时候会出现剧烈的爆炸现象。2.1、自蔓延焊接过程中的飞溅、溢流传统焊接的熔池，一般情况下是由已经熔化的焊接金属组成的较为均一的金属液体，其上为保护性渣系，其四周则为逐渐凝固的焊料金属，焊接飞溅和金属溢流容易控制。而自蔓延焊接的熔池，事实上是一部分已经反应完成的产物、正在反应的化合物和还未来得及反应的原料的混合体系。整个体系具有很大的多相性，均一性极差，且由于反应是剧烈高温反应，其内部相变频繁，内压极大，加之反应迅速，持续时间短，因此会产生大得多的飞溅，如图2所示。同样的，在巨大的短时内压下，也极容易使得焊缝金属被喷出焊缝，造成金属溢流。图2 自蔓延焊接的飞溅自蔓延焊接过程中的飞溅、溢流将会对操作人员的身体造成直接性的物理伤害和慢性化学损伤。由于飞溅剧烈且量大，将对周围的操作人员的裸露皮肤造成严重的烫伤，若不甚溅入眼内，后果不堪设想。同时，焊接材料多为对人体有害的化学物质，若长期伴随烫伤接触皮肤，很容易因毒素积累而诱发身体的病变。而金属的喷射溢流，不仅会严重影响焊接质量，更糟糕的是，其喷射的压力较之飞溅更大，且喷出的量往往比飞溅要多，若接触到人体，将会造成极其严重的烫伤。并且，与飞溅不同的是，金属的喷射溢流多是从焊缝两端的底部喷出，且带有很强的突然性，因此，常常造成比飞溅更严重的后果。2.2、自蔓延焊接产生的粉尘和烟尘一般而言，自蔓延焊接反应都具有较高的温度，且反应剧烈，以目前常见的Cu-Al高热系自蔓延焊接为例，在这一体系的自蔓延焊料配方中主要采用CuO和Al作为高热剂成分，来配合其他成分共同完成焊接。其放热反应的方程式为：6CuO（s）+ 4Al(s)2Al2O3(s)+ 6Cu(s)+Q 式中：Q 反应的放热量，2415424J/mol。而纯Cu的沸点在标况下为2848K，因此，在放热量如此高的情况下，实际的自蔓延焊接过程中，焊粉体系内的Cu往往已经全部熔化，且开始沸腾。所以，将会生成大量的Cu蒸汽。这些气态Cu迅速涌出，并逐渐氧化成具有强烈生物毒性的CuO和Cu2O，对施工人员的健康造成严重的损害，轻者口渴、咽干、食欲不振、头晕、四肢酸痛、患上呼吸道疾病，重者鼻粘膜出血点或溃疡、患上焊工金属热。此外，自蔓延焊接反应将不可避免的有气氛粒子参与，将伴随形成一系列的非金属有毒气体。毒性气体将直接给人造成毒害性烫伤，甚至破坏呼吸系统。自蔓延焊接过程中形成的金属及其氧化物粉尘和烟尘，分别如图3、4所示。图5 烟尘TEM照片图4 自蔓延焊接烟尘图3 自蔓延焊接粉尘同时，由于自蔓延焊接的烟尘多是在极大的过冷度下形成，粒度极小，如图5所示，且具有很高的浓度、附着性和表面活性，极易被大量吸入体内并在人体滞留，且难以排除体外。最终在人体内形成物理性抗原，不断刺激滞留部位器官的吞噬细胞产生免疫防护，最终导致该器官的病变5-7。倘若在施工过程中，皮肤接触烟尘，后果将更加严重。此时，烟尘的可溶组分将通过皮肤进入人体，特别是热天多汗的时候，这部分烟尘将很容易通过汗腺进入皮下毛细血管和毛细淋巴管8-9。由于直接进入循环系统，使得其很容易扩散转移，且已经来不及通过脏器排毒，从而使得人体受到更大的伤害。此外，毒气和焊接烟尘还造成了难以治理的工业污染。特别是目前我国企业环保意识缺乏，相应有效的环保处理措施不够完善，烟气往往通过通风系统半处理或者直接排放到大气中。这些重金属氧化物或稳定非金属气体，具有很强的生物毒性和生物富集性，能够通过食物链不断传递，在自然界中只能通过某些植物的吸收而得到相应的转化，因此一旦超过周围植物的吸收能力，必定将造成长久性的环境污染。2.3、自蔓延焊接过程中的喷射和爆炸与传统焊接方法不同，自蔓延焊接涉及剧烈的高温化学放热反应，且本身具有突然性和瞬时性，因此在处理不当的情况下很容易在焊接过程中发生熔池爆炸，造成极为严重的生产事故。造成自蔓延反应爆炸的原因往往是多方面的，例如反应物粉末压制过于密实、反应物粉末受潮、 反应模具出口尺寸过小、或者反应原料本身含有一定量的低沸点物质等，都会引发自蔓延反应爆炸。这种爆炸的本质是由于瞬间产生高压而不能释放所致，反应物粉末压制过于密实形成内部密闭空腔；反应物粉末受潮使得反应过程中产生水蒸气体积急剧膨胀；因疏忽封闭了反应体系的出口压力不断累积；或者反应原料本身含有一定量的低沸点物质，气化后造成瞬间高压，都说明要避免反应过程中形成瞬间高压，且保证整个反应过程的压力流通。自蔓延焊接爆炸将会造成极其恶劣的后果。强大的爆炸冲击，以及液态碎屑的飞射，对于周围的施工人员会造成极大的物理伤害，是皮肤划伤、烫伤。同时，由于反应原料的多样性，在爆炸中可能会冲击出各种化合物，引起施工人员中毒，且严重污染生产环境。更甚者，施工场所如有易燃易爆物品，或者与爆炸产物能发生剧烈反应的物质，将引起一系列的连锁恶性事故。3、自蔓延焊接过程的防护任何生产安全措施的实施，都必须结合生产工艺和要求来实施，自蔓延焊接也不例外。在焊接原料的配方设计过程中，除了考虑可焊性、焊后强度、焊后韧性等工艺指标、性能指标外，在满足生产要求的前提下，进行配方优化，降低发尘量，控制低沸点物质的含量，在一定程度上减弱飞溅和烟气的释放，有效避免爆炸事故。对于焊接时的夹具、模具设计要科学合理，有效的密封住焊缝底部的端口，合理的母材、模具约束，避免金属液喷射溢流。在必要的时候，可以采用采用高温密封胶，来防止液态金属流出。自蔓延焊接过程中的爆炸，多是由于焊料压制过于密实或者焊料不够干燥而引发的。因此，在自蔓延焊粉的装配过程中，必须保证合适的松装密度，不可过于疏松，造成热量耗散过多，更不可过于密实，使得反应过快，且内部易形成局部密闭空腔，而造成爆炸事故。同时，应该保证焊料的粉末的干燥，严格杜绝结块试样的使用，做好焊前对母材和模具的预热。施工人员要求着全身防护服，避免皮肤裸露在外，特别面部和眼部的防飞溅、防烟气保护必不可少。同时，在场人员应该佩戴合格的专业防毒面罩，且保持在焊接完成后相当一段时间内一直佩戴，避免空气中的悬浮有毒颗粒在焊后被吸入人体。有条件的企业，在点火操作上，建议采用电子点火或者遥控点火等安全引火方式，可以有效避免员工在引火过程中收到伤害。4、结论本文对自蔓延焊接过程出现的飞溅、粉尘和爆炸等典型性危害的产生机理进行了分析，并从焊接材料、焊接工具、焊接工艺和焊接防护等角度提出了针对性的防护措施，形成了切实有效的自蔓延焊接安全生产管理方案。 参考文献1 殷声. 燃烧合成M . 冶金工业出版社, 1999.2 王彦芳, 王存山, 潘学民, 等. 燃烧合成焊接J. 粉末冶金技术, 2004, (5): 279-282.3 V.V. Belyaev, O.B. Kovalev. Simulation of one method of laser welding of metal plates involving an SHS-reacting powder mixtureJ.International Journal of Heat and Mass Transfer.2009,52(1):173-180.4 潘智敏. 放热焊接法在变电站接地网中的工艺特点及应用J.四川建材,2007,6：173-176.5 刘和平.焊接烟尘的危害及其防治