H型鰭片管制造過程中焊接煙塵擴(kuò)散規(guī)律研究

尤奇燊，王 勇，徐甄真，張建勛

（1.西安交通大學(xué) 金屬強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710049；2.青島達(dá)能環(huán)保設(shè)備股份有限公司，山東 青島266313）

1 概 述

火力發(fā)電廠為了對鍋爐尾部煙氣余熱進(jìn)行回收再利用，常在鍋爐尾部煙道內(nèi)加裝換熱裝置，H 型鰭片管以其優(yōu)異的耐磨性能、 積灰少、 空間緊湊、 擴(kuò)展率高等優(yōu)點(diǎn)[1]，成為廣泛應(yīng)用的鍋爐煙氣換熱裝置之一。H 型鰭片管由光管與鰭片兩部分焊接構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，管道內(nèi)通冷卻循環(huán)水，鰭片作為換熱擴(kuò)展界面，提高換熱效率。當(dāng)前用于光管與鰭片焊接的方法主要有釬焊、 電阻焊和氬弧焊，其中電阻焊具有焊接速度快、 成本低、 易于自動(dòng)化等特點(diǎn)。國內(nèi)在20 世紀(jì)80 年代就論證了利用高頻焊焊接鰭片管的可行性，并展開了針對鰭片管焊接及自動(dòng)化生產(chǎn)流程的研究[2-3]。李慧娟等[4]研究了H 型鰭片管電阻凸焊過程中影響焊接接頭質(zhì)量的關(guān)鍵工藝參數(shù)，對鰭片管的焊接提供了可參考的最優(yōu)工藝參數(shù)。李明觀等[5]研究了單管式鰭片管的焊接方法，提出采用鰭片預(yù)先開槽口的斜向?qū)ΨQ焊工藝能夠有效控制單管式鰭片管的焊接變形。潘孚等[6]系統(tǒng)研究了間斷鰭片管電阻對焊接頭質(zhì)量的影響，提出通過設(shè)置輔助電極等工藝措施來提高焊透率，保證接頭質(zhì)量滿足技術(shù)條件要求。陳全等[7]研究的原有單管式鰭片管焊接生產(chǎn)中出現(xiàn)的焊接變形復(fù)雜且不易控制、 操作工勞動(dòng)強(qiáng)度大、 效率低等問題，研制的四頭鰭片管焊接自動(dòng)化設(shè)備有效地解決了原生產(chǎn)缺點(diǎn)。經(jīng)過多年研究發(fā)展，國內(nèi)現(xiàn)已建立起了多條H 型鰭片管自動(dòng)電阻焊生產(chǎn)線，H 型鰭片管三相次級整流自動(dòng)化電阻焊機(jī)技術(shù)也已經(jīng)相當(dāng)成熟[8]。

圖1 H 型鰭片管結(jié)構(gòu)示意圖

焊接過程中產(chǎn)生的煙塵一直是行業(yè)內(nèi)較為關(guān)注的問題之一。國際上對焊接煙塵的研究開始于1920 年，主要研究氮氧化物等有害氣體的影響。國內(nèi)對焊接煙塵的研究最早可以追溯到20 世紀(jì)80 年代，近年來隨著國家強(qiáng)化環(huán)保政策和勞動(dòng)保護(hù)意識，對于焊接煙塵的減少與消除成為生產(chǎn)型企業(yè)的環(huán)保重點(diǎn)之一。張軍強(qiáng)等[9]利用高速攝影及背光拍攝技術(shù)研究了CO2氣體保護(hù)焊中藥芯焊絲焊接煙塵的產(chǎn)生機(jī)理，指出了電弧外側(cè)區(qū)、 飛濺區(qū)和熔滴區(qū)共3 個(gè)焊接煙塵的主要產(chǎn)生區(qū)域。肖詩祥等[10]提出利用大氣湍流擴(kuò)散理論來描述焊接煙塵的擴(kuò)散規(guī)律，提出了基于單點(diǎn)塵源、 平均煙塵濃度及定常態(tài)下的焊接煙塵擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型。韓閏勞等[11]開發(fā)了高壓水流沖刷式焊接煙塵收集處理系統(tǒng)，成功解決了焊接培訓(xùn)車間的焊接煙塵處理問題。

本研究針對國內(nèi)H 型鰭片管制造中的焊接煙塵問題，從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，采用實(shí)際測試與分析相結(jié)合方法，分析了光管與鰭片電阻焊接過程中的焊接煙塵來源，并對其擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了深入研究，建立了煙塵擴(kuò)散方程，研究結(jié)果對降低制造H 型鰭片管時(shí)產(chǎn)生的煙塵污染、 提高企業(yè)的環(huán)保意識，具有重要指導(dǎo)意義和應(yīng)用前景。

2 研究對象與試驗(yàn)方法

2.1 研究對象

研究對象為H 型鰭片管和三相次級整流自動(dòng)電阻焊機(jī) （如圖2 所示），研究內(nèi)容為該自動(dòng)化焊接設(shè)備在H 型鰭片管生產(chǎn)過程中煙塵的形成及擴(kuò)散規(guī)律。由圖2 可見，自動(dòng)化電阻焊機(jī)主要由焊接電極、 料斗、 中心架、 送料小車等8 個(gè)部分組成。自動(dòng)化電阻焊機(jī)生產(chǎn)H 型鰭片管的工藝流程如圖3 所示。

圖2 三相次級整流自動(dòng)電阻焊機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 自動(dòng)化電阻焊機(jī)生產(chǎn)H 型鰭片管的工藝流程

2.2 面光拍攝試驗(yàn)方法

背光和面光煙塵拍攝方法如圖4 所示。張軍強(qiáng)等[9]基于郎伯－比爾定律提出背光拍攝成像方法來研究焊接煙塵。

郎伯－比爾定律指出光透過煙塵后形成的圖像灰度與其煙塵量關(guān)系見公式（1），即

式中：It——光透射過煙塵的光強(qiáng)，正比于背光拍攝到的煙塵灰度值；

I0——原始光強(qiáng)；

α——顆粒吸收率；

L——光在煙塵中傳播的距離；

C——煙塵濃度。

由灰度值的物理意義可知，公式（1）中It/I0=Ht/H0（Ht為利用透射光強(qiáng)成像的背光拍攝圖片灰度值，H0為標(biāo)定無煙塵下的圖像光強(qiáng)），由此建立起背光拍攝圖片灰度值與煙塵濃度關(guān)系式，但背光拍攝方法要求光源和相機(jī)分置于煙塵兩側(cè)（如圖4 （a）所示），并且兩者之間僅有煙塵而不存在其他的阻礙物，否則上述關(guān)系便不成立，這對試驗(yàn)環(huán)境提出了較高要求。為了能使試驗(yàn)在更為復(fù)雜的生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境中進(jìn)行，本研究提出用面光拍攝方法來進(jìn)行煙塵形貌的獲取，面光拍攝過程如圖4 （b）所示。

圖4 背光和面光煙塵拍攝方法示意圖

根據(jù)面光成像原理建立了面光拍攝圖片灰度與煙塵濃度的關(guān)系，推導(dǎo)過程如下：

由于光從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生透射、 反射以及散射現(xiàn)象，原始光強(qiáng)I0分成了透射光強(qiáng)It、 反射光強(qiáng)Ir以及散射損失掉的光強(qiáng)Is，由于散射效應(yīng)相對而言要小得多，此處忽略掉Is，則其余三者之間存在下列關(guān)系，即

將公式（2）帶入公式（1），變形得到

公式（3）中I0為常數(shù)，在煙塵穩(wěn)定時(shí)α和L固定，Is也可認(rèn)為變化不大，故上式中C唯一決定于反射光強(qiáng)Ir，反射光強(qiáng)與面光拍攝得到的煙塵圖像灰度值Hr成正比，因此可以用煙塵圖像灰度值表征煙塵量。由公式 （3）可得，面光拍攝方法得到的圖片灰度值Hr與C相關(guān)，即某像素點(diǎn)的灰度值越大，該點(diǎn)的煙塵濃度越大，所有像素點(diǎn)的灰度值的和越大，該畫面內(nèi)拍到的煙塵量越大，反之越小。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 鰭片管焊接煙塵的變化規(guī)律

對鰭片管焊接過程各階段煙塵變化灰度值進(jìn)行分析。連續(xù)兩排鰭片焊接過程中的灰度值變化如圖5 所示，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為每一時(shí)刻高速相機(jī)拍攝到煙塵圖片所有像素點(diǎn)灰度值的平均值。圖5 中，A（A′）-B（B′）、B（B′）-C（C′）、C（C′ ）-D（D′ ）、D（D′ ）-E（E′ ）、E（E′ ）-F（F′）、F（F′）-A′′（A′）分別對應(yīng)著圖3 中鰭片管焊接過程中的六個(gè)階段。從圖5 可以看出，鰭片管焊接煙塵量隨焊接過程的變化而變化，并在焊接過程的各個(gè)階段呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律。另外，在B（B′）-C（C′）、E（E′）-F（F′）兩個(gè)階段內(nèi)灰度值出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，研究表明B（B′）-C（C′）階段（即鰭片管焊接階段）灰度值峰值出現(xiàn)的原因?yàn)楹附语w濺，飛濺的產(chǎn)生顯著的增大了畫面內(nèi)的光強(qiáng)，造成圖片灰度值的增大，其與焊接煙塵的濃度沒有關(guān)系，因而不具有濃度分析意義；E（E′）-F（F′）階段 （即下一片鰭片下料階段）灰度值峰值出現(xiàn)的原因是畫面內(nèi)煙塵量的增大。

圖5 焊接過程中煙塵量的變化

由圖5 可得，鰭片管焊接煙塵的產(chǎn)生隨焊接過程的進(jìn)行而不斷變化，在各階段呈現(xiàn)出周期性變化規(guī)律，焊接煙塵的峰值出現(xiàn)在下一片鰭片下料階段，即在一片鰭片開始焊接后1.7～2.3 s 之間。

對生產(chǎn)過程中所用的鰭片進(jìn)行清洗，清除表面油污，并將清洗后的潔凈鰭片與正常生產(chǎn)所用的鰭片進(jìn)行一組對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。圖6 中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為各個(gè)時(shí)刻煙塵灰度值與標(biāo)定時(shí)刻 （t=0 的起始時(shí)刻）的灰度值差。由圖6 可知，在清除鰭片表面油污后，潔凈鰭片的焊接過程中的圖片灰度基本維持穩(wěn)定，而正常生產(chǎn)所用的鰭片灰度值出現(xiàn)極大地變化，這說明潔凈鰭片的焊接過程基本不產(chǎn)生焊接煙塵，鰭片管焊接煙塵最主要的產(chǎn)生機(jī)理為鰭片表面油污的氣化。

圖6 潔凈鰭片與正常生產(chǎn)用鰭片焊接時(shí)的灰度值對比

3.2 鰭片管焊接煙塵的分布規(guī)律

圖7 焊接煙塵分區(qū)灰度值分析

鰭片管焊接煙塵從焊接位置產(chǎn)生，擴(kuò)散和分布規(guī)律受焊接過程及焊機(jī)結(jié)構(gòu)的影響分布在部分區(qū)域。將焊機(jī)焊接區(qū)域沿焊機(jī)的中軸線及鰭片管擺放位置人為分成圖7 （a）所示A、 B、 C、 D、 E五個(gè)區(qū)域，并對高速相機(jī)記錄的焊接過程中以上五個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行灰度值分析，結(jié)果如圖7 （b）所示。由圖7 （b）可看出，灰度值變化主要集中在B、 C 區(qū)域，D、 E 區(qū)域內(nèi)變化較小，A 區(qū)域內(nèi)基本不變。由此得出，鰭片管焊接煙塵的空間分布主要集中在中軸線兩側(cè)的B、 C 區(qū)域內(nèi)，整個(gè)區(qū)域的范圍約810 mm，其擴(kuò)散受到焊接位置及焊機(jī)結(jié)構(gòu)的影響，擴(kuò)散規(guī)律如圖7 （a）所示，鰭片管焊接煙塵在焊接位置產(chǎn)生后隨熱氣流迅速上升，上升過程中開始向周圍散開，但由于焊機(jī)機(jī)架擋板的存在，向兩邊擴(kuò)散的煙塵又被再次聚攏到B、 C 區(qū)域內(nèi)； 當(dāng)大量煙塵繼續(xù)向上擴(kuò)散至機(jī)架擋板處時(shí)，因繼續(xù)向上擴(kuò)散的通道較小，未能及時(shí)擴(kuò)散的部分煙塵開始沿著擋板2 向兩邊擴(kuò)散至D、 E 區(qū)域，引起該區(qū)域煙塵的小范圍變化。整體來看，鰭片管焊接煙塵在空間的分布仍主要集中分布在B、 C 區(qū)域內(nèi)，小部分因焊機(jī)結(jié)構(gòu)的影響擴(kuò)散至D、 E 區(qū)域，A 區(qū)域內(nèi)基本沒有分布。

3.3 焊接煙塵四維擴(kuò)散模型

肖詩祥等[10]提出利用大氣湍流擴(kuò)散理論來描述焊接煙塵的擴(kuò)散規(guī)律，提出了基于單點(diǎn)塵源、平均煙塵濃度以及定常態(tài)下焊接煙塵擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型，即

在該簡化模型中U為發(fā)塵速率，可由氣溶膠采樣器測得；u為熱氣流上升速度，通過高速相機(jī)進(jìn)行估算；K為湍流氣體擴(kuò)散系數(shù)。用DMPS 法測得空間某一點(diǎn) （x，y，z）的煙塵濃度，即可由公式 （4）反求得到。因此，公式（4）表示的某點(diǎn)煙塵的濃度僅為空間坐標(biāo)函數(shù)。實(shí)際試驗(yàn)表明，鰭片管焊接過程發(fā)塵速率是在不斷變化的，因而公式 （4）所示的簡化模型只能用來描述固定時(shí)刻下A 區(qū)域中焊接煙塵的濃度分布，因此將其稱為鰭片管焊接煙塵三維空間擴(kuò)散靜態(tài)模型。

假設(shè)某一鰭片焊接起始時(shí)刻A點(diǎn)的煙塵濃度為c1，煙塵反射的光強(qiáng)為I1，高速相機(jī)拍得煙塵圖片的灰度值為h1，隨著焊接過程的進(jìn)行，該點(diǎn)的煙塵濃度發(fā)生變化； 經(jīng)過一段時(shí)間t后，該點(diǎn)的煙塵濃度變?yōu)閏t，對應(yīng)的反射光強(qiáng)和灰度值分別為It、ht，則根據(jù)圖片灰度值的物理意義為

將A點(diǎn)起始時(shí)刻灰度值與t時(shí)刻灰度值之比定義為一個(gè)函數(shù)f（t），并且用其表示A點(diǎn)灰度值的變化，該函數(shù)為時(shí)間的函數(shù)，即

將公式（3）、 公式（5）、 公式（6）聯(lián)立得

由此可得出

A點(diǎn)灰度值變化規(guī)律如圖8 所示。由圖8 可知，取值主要在0.8～1.1，因此f（t）-1<

公式（6）和公式（9）聯(lián)立可得到任意時(shí)刻煙塵區(qū)域中某一點(diǎn)的濃度值為

公式（10）即為引入時(shí)間維度后，建立起的鰭片管焊接煙塵四維擴(kuò)散模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式。本研究僅對該公式進(jìn)行定性驗(yàn)證，為方便起見取U=u=K=α=L=1，f（t）根據(jù)圖8 所示選取，則可以根據(jù)方程畫出不同時(shí)刻煙塵在空間里的分布情況 （如圖9 所示）。由圖9 可以看到煙塵在xoz平面的分布規(guī)律，隨時(shí)間變化而變化，可以看到其變化規(guī)律與圖5 所示的灰度值分析結(jié)果基本一致，煙塵分布的峰值出現(xiàn)在t=2 s 位置，處于鰭片管焊接過程中的第五階段，即“下一片鰭片下料階段”。

圖8 A 點(diǎn)處自定義函數(shù)值變化

圖9 xoz 平面內(nèi)焊接煙塵的分布變化

4 結(jié) 論

（1）鰭片管焊接煙塵產(chǎn)生于鰭片的防銹油氣化，煙塵量隨焊接過程而變化，呈現(xiàn)出周期性的變化規(guī)律，焊接煙塵的峰值出現(xiàn)在下一片鰭片下料階段，即在一片鰭片開始焊接后1.7～2.3 s之間。

（2）鰭片管焊接煙塵的擴(kuò)散主要集中在焊接鰭片的上方靠近中軸線的區(qū)域內(nèi)，而在鰭片下方區(qū)域沒有煙塵傳播。

（3）建立了含時(shí)間維度的煙塵擴(kuò)散四維數(shù)學(xué)模型，可以較好地描述H 型鰭片管焊接過程中煙塵的分布與變化規(guī)律。