焊接有害物质规避

随着焊接技术向优质、高效、自动化进程的快速发展，与高效、自动化相联系的各类焊接材料和焊接工艺方法被迅速推广应用。无论是自保护药芯焊丝，还是气保护药芯焊丝；无论是双丝自动焊，还是多丝自动焊，采用大热输入量焊接，势必导致作业区焊接有害物质排放量猛增；另一方面，在一部分迅速崛起的新型焊接结构制造企业，由于缺乏安全、健康和环保意识，作业区通风条件较差，又没有设置有效的排烟净化装置，致使作业区焊接有害物质浓度大大超过容许浓度，焊工的健康受到很大的威胁。当前，提倡以人为本，关注环境与健康，实现安全生产和社会经济协调发展，已经成为人类追求生活质量提升和社会稳定进步的新目标。继续开展焊接与环境、焊接与健康方面的研究与探讨，对推动焊接技术的清洁、环保、可持续发展，具有参考价值和重要意义。

一、焊接有害物质的产生

1． 焊接有害物质定义

所谓焊接有害物质，是指在焊接和切割及相关工艺过程中产生的、超过容许浓度时就会危害健康的，以及可吸入的空气污染物质。焊接有害物质的存在形式有气态和颗粒状态两种。

2． 焊接有害物质产生机理

20世纪80年代以来，关于焊接有害物质产生机理，逐渐形成了比较相近的理论。该理论认为，在电弧高温作用下，焊条端部的熔化物（液态金属和熔渣）以及熔滴和熔池表面产生过热蒸气，在空气中被迅速氧化凝聚成极细固态粒子，以“气溶胶”状态弥散在电弧周围，形成了颗粒状态有害物质，即焊接烟尘。与此同时，熔滴过渡区激烈的化学冶金反应，产生了大量气态有害物质，如CO、CO2、H2、O3、氮氧化物和碳氢化物等。

3． 有害物质的组成及形态特征

光谱分析表明，焊接烟尘中的化学组成比较复杂，被检测到的元素有Fe、Ca、Mg、Si、Al、Ti、K、Na、Cu、Cr等，这些元素以多种化合物形态存在。表1列出了典型焊条烟尘主要化学组成。可以看出，酸性焊条烟尘中氧化铁含量、二氧化硅含量、氧化锰含量都比碱性焊条的高；碱性焊条烟尘中钾、钠氧化物和氟化物含量比酸性焊条的高。可以用“熔滴过渡电弧特性”理论解释上述结果。该理论认为，酸性焊条电弧是从焊条端部熔融金属表面上直接发生的，致使Fe、Si、Mn的过热蒸气较多，烟尘中相应的氧化物含量较高；而碱性焊条电弧是从粘附在焊条端部熔融金属表面的熔渣上发生的。由于碱性渣的电导率比酸性渣高，且氟化物的增加也使电导率上升，因此碱性焊条的电弧很容易通过悬垂于焊条端部的熔渣而发生，以致于碱性焊条熔渣中的钾、钠几乎全部蒸发，烟尘中氟化物较多，而Fe、Si、Mn的氧化物较少。

用电子显微镜观察，焊接过程中生成的一次烟尘粒子的基本形态呈球状，直径较细在0.01～0.3mm范围内变动，以0.1mm左右的居多。悬浮在空气中的一次粒子在静电和磁性作用下迅速聚集在一起，形成直径较大的二次粒子。酸性焊条烟尘的二次粒子一般呈絮状形态，粒径大都>1mm。碱性焊条烟尘的二次粒子一般呈碎片状形态，粒径大都在1mm左右。CO2气体保护焊的烟尘则联接成片，粒径1mm左右的烟尘粒子，可以进入呼吸道并在肺泡上沉积。

二、焊接有害物质发尘量的影响因素

1．焊接材料特性的影响

有资料显示，在各类焊接材料有害物质（烟尘）的发尘量中，以埋弧焊丝发尘量最小，自保护药芯焊丝发尘量最高；在各种类型药皮焊条中，钛钙型焊条发尘量较小，其次是钛型、钛铁矿型，碱性渣系焊条的发尘量较多。在各类气保护焊丝中，药芯焊丝产生的烟尘比实芯焊丝要大。

从焊接有害物质产生机理分析：①埋弧焊的实质是电弧被焊剂覆盖，产生的焊接烟尘被阻挡或隔离，进入空气中的烟尘显得较少。②自保护药芯焊丝中含有大量造气、造渣剂、脱氧及合金剂，其中有一些是易蒸发物质，况且是明弧、电流又较大，熔滴温度高，焊接烟尘必然大。③电焊条中，碱性渣系药皮中含有较多的氟石和水玻璃，它们在电弧中冶金反应生成低沸点的K2F、Na2F，导致发尘量增大。④气保护药芯焊丝中含有一定数量易蒸发药芯组成物，是烟尘量比实芯焊丝大的根本原因。

2．焊接参数及焊接条件的影响

（1）焊接电流 随焊接电流的增大，弧柱温度升高，熔滴的过热度增加，弧柱中产生的烟尘量加大。

（2）电弧电压 随电弧电压升高，电弧功率加大，工件热输入有所增大，弧柱温度升高，同样使熔滴过热度增加，弧柱中产生的烟尘量必然加大。

（3）电源极性 焊接电弧物理理论表明，在反极性焊接时熔滴温度显著高于正极，致使反极性时焊条烟尘量高于正极性。

（4）交流电源 交流电弧对焊条（焊丝）和工件的加热作用介于直流正接和直流反接电弧之间，因此交流焊接时熔滴温度亦介于正接和反接电弧之间，焊条烟尘量介于二者之间。

（5）焊条（丝）直径 通常焊条（丝）直径增大，使用的焊接电流也增大，熔滴温度相应升高，焊接烟尘量增大。

（6）焊条倾角 施焊时焊条倾角增大，意味着电弧长度增长，电弧电压升高导致熔滴温度升高，焊接烟尘量增大。

（7）焊接速度 焊接速度提高，熔池相对变小，而且存在时间缩短，冶金反应激烈程度有所减弱，熔滴过热度受限，焊接烟尘量减小。

（8）接头形式和焊接位置 不同的接头形式和焊接位置，除了选用焊接参数影响熔滴过热度之外，熔滴过渡方式也可能影响焊接烟尘量。

综上所述不难看出，焊接参数的影响，实质上是熔滴温度提升的结果。凡是提升熔滴温度的焊接参数，均导致焊接烟尘的量的增大；反之亦然。

3．焊接方法的影响

在多种焊接方法中，埋弧焊的烟尘发生量最少，其次是氩弧焊比较少，位于第三的是焊条电弧焊；CO2气体保护焊烟尘发生量取决于使用的焊丝，采用实芯焊丝时烟尘发生量较小，采用药芯焊丝时烟尘发生量较大；自保护药芯焊丝焊接烟尘发生量最大。等离子弧焊接与切割烟尘发生量也很大。

总体上看，基于发尘机理的相同性或相似形，焊接方法对发尘量的影响主要取决于电弧的能量，凡使电弧能量增大的工艺方法，均使熔滴温度急速提升，从而导致烟尘发生量增大。

在上述影响因素中，焊接材料特性是内因，焊接参数、焊接条件以及焊接方法则是外因，外因通过内因起作用。也就是说，无论是焊接参数，还是焊接方法，其发尘量最终受焊接有害物质产生机理控制。焊接材料特性才是发尘量的核心影响因素。焊接发尘量的改变或降低，归根结底要从焊接材料入手，研发新型低有害物质焊接材料。

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