高速列車制造中焊接煙塵的治理

蔣超杰

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北唐山063035）

0 前言

《高速列車科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》中提到，在“十三五”中高速列車的重點(diǎn)專項(xiàng)的任務(wù)之一是到2020年要“持續(xù)深化既有高速鐵路和高速列車節(jié)能環(huán)保技術(shù)體系”，目標(biāo)是“使中國(guó)高速鐵路在能源利用效率、環(huán)境友好性和旅客服務(wù)品質(zhì)等諸方面處于世界領(lǐng)先水平”，而綠色化是解決制造業(yè)日益嚴(yán)峻的資源和環(huán)境問(wèn)題的重要手段，也是高速列車制造技術(shù)和制造模式未來(lái)發(fā)展的重要方向[1]。

1 焊接煙塵的性質(zhì)

高速列車的車體從減輕自重等因素綜合考慮，其主要材料為鋁合金，焊接工藝是生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的重要一步[2]。在焊接過(guò)程中因高溫電弧的作用，焊條與母材在高溫狀態(tài)下發(fā)生熔化、氣化，并會(huì)向四周擴(kuò)散冷凝，被空氣氧化后，焊條端部及母材就會(huì)形成固體顆粒物[3-4]，這些固體顆粒物就是焊接煙塵，同時(shí)還伴有一定的有害氣體（NOx、CO、O3和 HF）的產(chǎn)生[5]。

焊接煙塵中的顆粒物按照粒徑大小可以分為：超細(xì)顆粒物（直徑0.01～0.1 μm）、細(xì)顆粒物（直徑0.1～2.5 μm）和粗顆粒物（直徑大于 2.5 μm）[6]。在測(cè)定了某些焊接車間內(nèi)焊接煙塵粒子的直徑分布范圍后發(fā)現(xiàn)，煙塵總數(shù)50%以上都是粒徑小于0.2 μm顆粒物，且絕大多數(shù)煙塵微粒的粒徑小于1 μm。因此，整體來(lái)講，焊接煙塵中超細(xì)顆粒物和細(xì)顆粒物所占比例相當(dāng)大[5]，而粒徑如此小的焊接煙塵懸浮在空氣中，特別是大量聚集在作業(yè)空間內(nèi)時(shí)，如果沒有對(duì)其進(jìn)行及時(shí)治理，則會(huì)對(duì)焊接操作人員的身體健康帶來(lái)很大危害，對(duì)生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境也會(huì)造成一定的污染[1，5，7]。

焊接煙塵主要有懸浮性、凝聚性、磨損性、荷電性4個(gè)特性[5]，其治理的難度表現(xiàn)為[4]：①焊煙塵粒徑小，焊接工位的多變性使煙塵顆粒物的捕捉和濾除較為困難；②焊煙塵存在熱氣流滯留特性；③焊煙除塵設(shè)備投資大，運(yùn)行費(fèi)用高。

隨著大型焊接廠房的數(shù)量越來(lái)越多，尤其是國(guó)家高速列車的生產(chǎn)任務(wù)越來(lái)越緊，廠房空間內(nèi)部也增加了更多的焊接作業(yè)點(diǎn)，焊接效率提高的同時(shí)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的煙塵量也會(huì)增加，這就加重了焊接煙塵污染；另外，較大廠房空間內(nèi)較長(zhǎng)的長(zhǎng)寬距離也使焊接煙塵的通風(fēng)治理路線變長(zhǎng)、管理空間變大，這些客觀因素都增加了廠房治理焊接煙塵的難度[7]。

2 煙塵產(chǎn)生和擴(kuò)散時(shí)的動(dòng)態(tài)變化[8]

國(guó)內(nèi)外科研人員針對(duì)焊接煙塵治理進(jìn)行了一些研究，大部分是針對(duì)焊后煙塵的搜集與分析，即通過(guò)建立間接物理模型來(lái)分析焊接煙塵。但是關(guān)于煙塵產(chǎn)生和擴(kuò)散時(shí)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，基于試驗(yàn)的機(jī)理研究還較少。

張軍強(qiáng)等人通過(guò)采用高速攝像技術(shù)得到了高速變化的焊接煙塵影像，隨后研究焊接煙塵的產(chǎn)生過(guò)程，歸納了焊接煙塵產(chǎn)生的模型，在模型中將煙塵產(chǎn)生的區(qū)域分為焊接電弧外側(cè)區(qū)、飛濺煙塵區(qū)和熔滴區(qū)（見圖1）。焊接電弧外側(cè)區(qū)為均勻分布在焊接電弧周圍的中下部分區(qū)域，這個(gè)區(qū)域中產(chǎn)生的煙塵量較穩(wěn)定，電弧區(qū)域越大（弧長(zhǎng)越長(zhǎng)），焊接煙塵產(chǎn)生量越大；飛濺煙塵區(qū)一般在電弧區(qū)外側(cè)形成，熔滴區(qū)分布在電弧上部外側(cè)區(qū)域，常常在短弧或排斥過(guò)渡時(shí)產(chǎn)生，飛濺煙塵區(qū)和熔滴區(qū)內(nèi)多為聚集性煙塵；同時(shí)也指出，焊接煙塵形成時(shí)，一次粒子產(chǎn)生后在很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生凝并現(xiàn)象，以布朗凝結(jié)為主形成絮狀的氣溶膠，此過(guò)程同步發(fā)生煙塵的擴(kuò)散流動(dòng)，焊接煙塵也會(huì)在電弧形成的熱氣流下發(fā)生作用，整個(gè)過(guò)程如圖2所示。

圖1 焊接煙塵產(chǎn)生模型[8]

圖2 焊接煙塵擴(kuò)散中的力學(xué)因素[8]

3 治理焊接煙塵的方式

3.1 直接治理方式

由以上分析可知，焊接煙塵中的顆粒物在生產(chǎn)作業(yè)時(shí)會(huì)在工作區(qū)域懸浮，也可以隨氣流運(yùn)動(dòng)，因此，治理焊接煙塵的一個(gè)最重要的方法就是對(duì)工作區(qū)域或者廠房進(jìn)行合理有效的通風(fēng)和捕捉，從而達(dá)到將焊接煙塵濃度降低到標(biāo)準(zhǔn)值及以下的目的。

通風(fēng)凈化可分為自然通風(fēng)凈化和機(jī)械通風(fēng)凈化兩個(gè)方向，但是由于焊接施工車間工位實(shí)際情況復(fù)雜、焊接廠房空間體積大，加之環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)格，單純使用自然通風(fēng)凈化焊接煙塵明顯能力不足，因此目前多數(shù)企業(yè)主要采用機(jī)械通風(fēng)凈化方式[5]。具體的通風(fēng)系統(tǒng)可分為吸吹式通風(fēng)系統(tǒng)、局部式通風(fēng)系統(tǒng)、全局式通風(fēng)系統(tǒng)和個(gè)體防護(hù)面罩，國(guó)外的焊接煙塵治理基本以全面通風(fēng)為輔，局部通風(fēng)為主為原則，大量的可移動(dòng)局部通風(fēng)裝置應(yīng)用在焊接車間[9]。目前國(guó)內(nèi)各地環(huán)保局也已經(jīng)制定出規(guī)定企業(yè)使用局部可移動(dòng)的處理焊接煙塵設(shè)備的計(jì)劃，這種將廠房?jī)?nèi)的焊接煙塵全面治理與局部精華相結(jié)合的方式，可以有效稀釋有害物質(zhì)，并阻止污染物高濃度擴(kuò)散。

周紅[4]等人在對(duì)電焊煙塵的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)：（1）對(duì)于密集作業(yè)點(diǎn)，在其他條件不變的情況下，當(dāng)垂直方向的高度小于1 m時(shí)，煙塵濃度的減少量最大；當(dāng)垂直方向的高度繼續(xù)上升到2 m時(shí)，煙塵濃度基本趨于平緩。（2）離地面越近，同一個(gè)截面上風(fēng)速對(duì)煙塵濃度的影響越大，煙塵濃度減小量越大。

傅可新[3]等人對(duì)大連機(jī)車車輛有限公司的鋼結(jié)構(gòu)分公司（簡(jiǎn)稱分公司）進(jìn)行了焊接煙塵的研究，發(fā)現(xiàn)分公司的焊接方法分為人工焊接和機(jī)器人焊接，由于焊接過(guò)程中需要使用保護(hù)氣體，大部分生產(chǎn)任務(wù)均在廠房?jī)?nèi)進(jìn)行，進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)時(shí)焊接會(huì)產(chǎn)生大量的彌漫在廠房?jī)?nèi)的煙塵，造成焊接煙塵污染。如果在現(xiàn)有客觀條件下對(duì)廠房進(jìn)行整體改造，則會(huì)造成治理方案預(yù)算過(guò)高，同時(shí)其他配套設(shè)施也要隨之進(jìn)行完善和管理，從低成本、高效率方面考慮并達(dá)到環(huán)保要求，設(shè)計(jì)的焊接煙塵治理方案最終確定為移動(dòng)式焊接煙塵凈化裝置。具體的技術(shù)參數(shù)為：移動(dòng)式煙塵凈化裝置為某公司的移動(dòng)式高負(fù)壓焊接煙塵凈化裝置，高壓吸附、布袋過(guò)濾；過(guò)濾單元為滌綸針刺氈加PTFE腹膜，清灰方式為脈沖清灰；同時(shí)在廠房?jī)?nèi)進(jìn)行整體通風(fēng)，在最寒冷的時(shí)段使用保暖門簾并合理安裝暖風(fēng)機(jī)。

3.2 其他治理方式

焊接屬高污染、高能耗工種，對(duì)其進(jìn)行綠色性規(guī)劃，不僅可以從通風(fēng)、捕捉、凈化過(guò)程入手，還可以從焊接工藝本身入手，即從源頭治理污染，可有效減少產(chǎn)品在焊接工藝中的資源消耗和環(huán)境影響。

張軍強(qiáng)[8]等人指出，在電弧區(qū)產(chǎn)生的均勻分布的煙塵是焊接煙塵的主體，在飛濺煙塵區(qū)、熔滴煙塵區(qū)產(chǎn)生的聚集性煙塵則會(huì)大大增加煙塵總量，因此，穩(wěn)定的焊接過(guò)程和參數(shù)是控制焊接煙塵的主要措施之一，這就需要焊接工作者和焊接工藝設(shè)計(jì)工程師在工作中多多觀察，整理經(jīng)驗(yàn)。

張華[10]等人在具有時(shí)間T、質(zhì)量Q、成本C、資源消耗R、環(huán)境影響E五個(gè)指標(biāo)的綠色性焊接工藝規(guī)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，建立了一種組合運(yùn)用熵權(quán)法和模糊評(píng)價(jià)法的模型，并用該模型分析了某單位焊條電弧焊、埋弧焊、CO2氣體保護(hù)焊及氬弧焊的工藝方案，結(jié)果顯示，CO2氣體保護(hù)焊的綜合評(píng)價(jià)值最大，即其綠色性最佳，而氬弧焊次之；實(shí)際的工作情況也顯示，若焊接過(guò)程中使用CO2氣體保護(hù)焊，廢料的產(chǎn)生量由32%降低到20%，能源利用率由63.2%提高到81.5%，能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

4 結(jié)論

高速列車車體制造焊接工藝產(chǎn)生的煙塵治理應(yīng)結(jié)合車間工藝布置、設(shè)備情況和焊接操作工的焊接習(xí)慣等情況制定方案，不能脫離實(shí)際，影響正常的生產(chǎn)操作。治理方案的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮各種污染的治理方式，在保證處理效果的前提下，采用高效凈化設(shè)備，從而達(dá)到減少場(chǎng)地占用、節(jié)約投資和節(jié)約能源的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]張華，鄢威，江志剛.基于綠色制造的焊接工藝資源環(huán)境屬性研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2012（12）：60-63.

[2]王元良，陳輝.高速列車鋁合金焊接的發(fā)展趨勢(shì)[J].電焊機(jī)，2010，40（10）：9-16.

[3]傅可新，蔡宏.廠房煙塵綜合治理[J].設(shè)備管理與維修，2017（16）：8-9.

[4]周紅，林大建，費(fèi)振玲.電焊煙塵的擴(kuò)散規(guī)律研究[J].江西理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，38（5）：81-86.

[5]王漢青，李鋮駿，謝東，等.受限空間焊接煙塵通風(fēng)凈化研究進(jìn)展[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，31（2）：1-8.

[6]NT Jenkins，TW Eagar.Fume formation from spatter oxidation during arc welding[J].Science and Technology of Welding and Joining，2005，10（5）：537-543.

[7]姜學(xué)鵬，劉堅(jiān)，盧穎，等.超大焊接廠房自然通風(fēng)方式模擬與對(duì)比研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2017，17（22）：148-154.

[8]張軍強(qiáng)，任杰亮，薛銅輝，等.藥芯焊絲焊接煙塵的產(chǎn)生機(jī)理研究[J].熱加工工藝，2017，46（19）：188-191.

[9]栗卓新，王英杰，蔣旻.焊接煙塵的影響因素及凈化措施[J].機(jī)械工人，2006（8）：37-38，40.

[10]張華，馬達(dá)，肖明，等.基于組合評(píng)價(jià)方法的綠色性焊接工藝規(guī)劃評(píng)價(jià)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（12）：258-260.