鋁合金車身裝焊中的粉塵防爆治理

楊必勝

摘要：目前，中國(guó)汽車工廠設(shè)計(jì)的相關(guān)手冊(cè)和規(guī)范中沒有關(guān)于鋁合金粉塵防爆治理的明確規(guī)定。

關(guān)鍵詞：鋁合金車身裝焊粉塵防爆粉塵治理

汽車輕量化是汽車工業(yè)節(jié)能減排的重要手段，2006年歐、美、日的小汽車平均用鋁量已經(jīng)達(dá)到127kg/輛。歐洲鋁協(xié)（EAA）預(yù)測(cè)，在2015年前，歐洲小汽車用鋁量將增至300kg/輛，如果采用鋁合金車身則比鋼制車身可減重40%。查詢相關(guān)資料可知，汽車質(zhì)量每減輕10%，最多可實(shí)現(xiàn)節(jié)油8%;每使用1kg鋁，可使轎車全生命周期尾氣排放減少20kg。因此，車身輕量化必然會(huì)促進(jìn)鋁合金在汽車車身上推廣應(yīng)用。

1鋁鎂粉塵、鋁鎂合金粉塵爆炸的條件

鋁鎂合金粉塵爆炸所需要的條件如下。

1.1可燃性粉塵以適當(dāng)?shù)臐舛仍诳諝庵袘腋?，其表面分子與空氣充分接觸，產(chǎn)生熱分解或干餾作用，成為氣體排放在粉塵粒子周圍，形成爆炸性混合物。

1.2充足的空氣和氧化劑。

2鋁合金車身裝焊的主要工藝及鋁鎂粉塵產(chǎn)生的工序

鋁合金車身采用的鋁合金為Al-Mg-Si系列合金，在我國(guó)該系列的鋁合金牌號(hào)為6000系列鋁合金。我國(guó)研發(fā)出來(lái)的車身用鋁合金板材牌號(hào)有6009、6010、6022、6061等。裝焊鋁合金車身過(guò)程中的主要工藝有電阻焊、CMT冷過(guò)渡焊接、鎢極氬弧焊、鉚接、沖連、打磨拋光等。

2.1鉚接、沖連

在這些加工過(guò)程中，鉚接、沖連產(chǎn)生的合金粉屑的粒度比較大，肉眼可見，也易清除，對(duì)比粉塵爆炸的先決條件，基本可以排除。

2.2電阻焊接

目前，鋁合金的電阻焊一般采用中頻或高頻電阻焊工藝，該種焊接工藝只在電極大小范圍內(nèi)且在極短的時(shí)間內(nèi)融化母材金屬而形成熔池，焊點(diǎn)迅速冷卻形成連接，產(chǎn)生鋁鎂粉塵的可能性極小。產(chǎn)生的焊接煙塵大多是金屬表面的氧化物顆粒和表面雜質(zhì)的氧化物顆粒。焊接過(guò)程中都配有工位局部排風(fēng)，能及時(shí)將這些顆粒通過(guò)風(fēng)筒排到大氣中，基本不會(huì)產(chǎn)生鋁鎂粉塵的沉積。

2.3CMT冷過(guò)渡焊接和氬弧焊

這兩種焊接工藝，由于有不活潑氣體的保護(hù)，其融化金屬在高溫下與氧氣的接觸不充分，在電弧的射流作用下能夠產(chǎn)生顆粒度較小的鋁鎂金屬顆粒，并飛濺到工作環(huán)境中，形成鋁鎂粉塵的沉積，具有鋁鎂粉塵爆炸的危險(xiǎn)性。需要做粉塵爆炸的預(yù)防及處理工作。

2.4焊前處理

由于鋁鎂屬于活潑金屬，其表面一般都會(huì)形成一層氧化膜，例如三氧化二鋁的薄膜。這種氧化物薄膜很穩(wěn)定，對(duì)于焊接很不利，一般在焊接前要進(jìn)行焊前清理，如用化學(xué)處理、打磨等工藝將這層氧化物薄膜去掉。在焊前打磨清理的過(guò)程中，能夠產(chǎn)生鋁鎂金屬粉塵，具有粉塵沉積和爆炸的危險(xiǎn)性，需要做粉塵爆炸的預(yù)防及處理工作。

2.5打磨拋光

在現(xiàn)行的裝焊工藝中，為了保證白車身總成的表面質(zhì)量，為涂裝工藝流程做好準(zhǔn)備，在白車身總成裝焊的后期都編排了打磨拋光工序。在鋁合金車身的打磨拋光過(guò)程中，能產(chǎn)生大量顆粒度比較細(xì)小的鋁鎂金屬顆粒。這是產(chǎn)生鋁鎂粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)最大的工作流程，也是預(yù)防粉塵爆炸的重中之重。

3鋁鎂粉塵爆炸的治理方案

3.1工藝布局

在工藝布局上盡量將鋁件打磨拋光工位布置在一起，以便于建筑結(jié)構(gòu)及公用設(shè)施的設(shè)計(jì)。德國(guó)奧迪公司在Neckarsulm的工廠采用的就是這種布局。該工廠在焊裝車間的二層專門設(shè)置了一個(gè)鋁件打磨間，將需要進(jìn)行打磨拋光的工序都集中在這里。按照《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中第3.1.1條規(guī)定，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生鋁粉生產(chǎn)的火災(zāi)危險(xiǎn)性為乙類;第3.6.7條有爆炸危險(xiǎn)的甲、乙類生產(chǎn)部位，宜設(shè)置在單層廠房靠外墻的泄壓設(shè)施或多層廠房頂層靠外墻的泄壓設(shè)施附近;第3.6.8條有爆炸危險(xiǎn)的甲、乙類廠房的總控制室應(yīng)獨(dú)立設(shè)置;第3.6.9條有爆炸危險(xiǎn)的甲、乙類廠房的分控制室宜獨(dú)立設(shè)置，當(dāng)貼近外墻設(shè)置時(shí)，應(yīng)采用耐火極限不低于3.00h的不燃燒體墻體與其他部分隔開。在奧迪Igolstadt的工廠，為了保證工序流程的順暢，將鋁件打磨間分散在焊裝車間中。通過(guò)排風(fēng)除塵設(shè)施來(lái)保證鋁件打磨間中的粉塵含量不超過(guò)1mg/m3，從而滿足《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》3.1.2條的條文說(shuō)明可不按物質(zhì)危險(xiǎn)特性確定生產(chǎn)火災(zāi)危險(xiǎn)性類別的最大允許量乙類第4款“不屬于甲類的化學(xué)易燃危險(xiǎn)固體：賽璐珞板、硝化纖維色片、鎂粉、鋁粉”最大允許量為0.015kg/m3，總量不超過(guò)50kg的要求。鋁件打磨間可以布置在火災(zāi)危險(xiǎn)性為丁、戊類的廠房?jī)?nèi)?？梢?，德國(guó)在鋁件打磨間設(shè)計(jì)中遵循的ATEX標(biāo)準(zhǔn)與中國(guó)的法規(guī)極其相似。打磨間實(shí)體設(shè)計(jì)按照《粉塵防爆安全規(guī)程》中的規(guī)定執(zhí)行。

3.2工藝設(shè)備的選型

在鋁件打磨間中的打磨工具選用的是氣動(dòng)打磨工具和人工打磨砂紙，而沒有選用電動(dòng)打磨工具;自動(dòng)輸送設(shè)備選用的是不產(chǎn)生摩擦火花的膠帶傳動(dòng)。

3.3電氣接地及電氣控制

采用聯(lián)合接地方式，防靜電接地、防雷接地、交流接地公用接地極。沿打磨間外側(cè)地面鋪設(shè)銅帶作為均壓環(huán)。將打磨間內(nèi)所有的設(shè)備及可導(dǎo)電物，如各種管道、金屬門窗及電纜接到接地匯集環(huán)上做等電位連接。打磨間內(nèi)金屬線槽、金屬線管、配電箱接地PE排服務(wù)器機(jī)柜等單獨(dú)與接地匯集環(huán)連接或通過(guò)接地母線連接。打磨間內(nèi)的所有電氣設(shè)備、照明設(shè)備均選用防爆類型。

3.4自動(dòng)控制流程

a.卷簾門未關(guān)閉1min的控制流程

卷簾門門框下方安裝角柱形繼電器內(nèi)置式光電開關(guān)以用于檢測(cè)卷簾門的開關(guān)位置。當(dāng)卷簾門未關(guān)閉時(shí)，光電開關(guān)發(fā)送開關(guān)量信號(hào)至?xí)r序控制器（PLC），觸發(fā)PLC內(nèi)部計(jì)時(shí)器動(dòng)作，計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)60ms后輸出開關(guān)量信號(hào)，驅(qū)動(dòng)外部繼電器動(dòng)作，由外部繼電器帶動(dòng)聲光報(bào)警指示燈動(dòng)作，聲光報(bào)警指示燈報(bào)警，同時(shí)在人機(jī)界面上顯示該報(bào)警信息，完成卷簾門未關(guān)閉1min時(shí)的報(bào)警任務(wù)。當(dāng)卷簾門關(guān)閉后復(fù)位該任務(wù)流程。

b.卷簾門未關(guān)閉5min的控制流程

卷簾門門框下方安裝角柱形繼電器內(nèi)置式光電開關(guān)以用于檢測(cè)卷簾門的開關(guān)位置。當(dāng)卷簾門未關(guān)閉時(shí)，光電開關(guān)發(fā)送繼電器信號(hào)至PLC，觸發(fā)PLC內(nèi)部計(jì)時(shí)器動(dòng)作，計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)300ms后輸出開關(guān)量信號(hào)，驅(qū)動(dòng)外部繼電器動(dòng)作，由外部繼電器控制高負(fù)壓設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，關(guān)閉高負(fù)壓設(shè)備，并通過(guò)高負(fù)壓設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)繼電器關(guān)閉壓縮空氣控制閥門，同時(shí)在人機(jī)界面上顯示該任務(wù)信息，完成卷簾門未關(guān)閉5min時(shí)關(guān)閉高負(fù)壓設(shè)備的任務(wù)。當(dāng)卷簾門關(guān)閉后復(fù)位該任務(wù)流程。

c.消防火災(zāi)信號(hào)關(guān)閉主電源的控制流程

由廠房消防控制中心發(fā)出DC24V消防報(bào)警信號(hào)，該信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制柜內(nèi)繼電器動(dòng)作，繼電器控制到控制柜主電源開關(guān)內(nèi)部分閘線圈，在分閘線圈動(dòng)作后，主電源開關(guān)脫扣，斷開主電源開關(guān)，完成消防信號(hào)斷開主電源任務(wù)。該任務(wù)動(dòng)作后必須手動(dòng)復(fù)位。

d.粉塵收集裝置液面過(guò)高的報(bào)警控制流程

粉塵收集灰桶安裝粉塵液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)粉塵液面高于預(yù)先設(shè)定位置以后，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)送開關(guān)量信號(hào)至PLC開關(guān)量輸入點(diǎn)，信號(hào)激活后由PLC輸出開關(guān)量控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)外部繼電器動(dòng)作，由外部繼電器控制高負(fù)壓設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，關(guān)閉高負(fù)壓設(shè)備，并通過(guò)高負(fù)壓設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)繼電器關(guān)閉壓縮空氣控制閥門，同時(shí)在人機(jī)界面上顯示該任務(wù)信息，完成粉塵收集裝置液面過(guò)高時(shí)的報(bào)警控制任務(wù)。該任務(wù)需要手動(dòng)復(fù)位。

3結(jié)論

a.通過(guò)激光焊接工藝試驗(yàn)，獲得焊縫深度、焊縫形狀可控的齒輪總成激光焊縫。

b.激光焊縫縱向硬度、橫向硬度分布均勻。在拉伸試驗(yàn)時(shí)，焊縫正常的樣品在母材斷裂，焊縫強(qiáng)度較高;焊縫缺陷明顯的樣品在焊縫斷裂。在實(shí)際焊接中，應(yīng)避免缺陷對(duì)焊縫強(qiáng)度的影響。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)表明，齒輪焊縫承載能力完全滿足齒輪傳遞扭矩要求。

c.根據(jù)齒輪傳遞扭矩、拉伸和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果，綜合分析，可給出各速齒輪總成的焊深要求。

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