焊接氣溶膠形成機理與焊接發(fā)塵量影響因素研究進展

王漢青， 孟德雨， 李鋮駿， 夏慧瑤， 何俊怡

(1.南華大學(xué)土木工程學(xué)院， 衡陽 421001; 2.中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 長沙 412002;3.建筑環(huán)境氣載污染物治理與放射性防護國家地方聯(lián)合工程研究中心, 衡陽 421001)

加快制造業(yè)綠色改造升級，積極推行低碳化、循環(huán)化和集約化，實現(xiàn)由制造大國向制造強國的轉(zhuǎn)變，已經(jīng)成為新時期中國經(jīng)濟發(fā)展面臨的重大課題[1]。而焊接作為制造業(yè)一種重要的連接技術(shù)，在這場變革中發(fā)揮著不可替代的作用。但是在焊接過程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)影響了焊接技術(shù)的發(fā)展。電焊作業(yè)產(chǎn)生的有害物質(zhì)可分為兩類:高溫電弧光產(chǎn)生的紫外線、紅外線；焊接煙塵的成分，如固態(tài)的各種金屬鐵、錳、鋁、鉻、鎘、鎳和放射性元素釷等。其中，焊接煙塵是以工業(yè)氣溶膠的形式存在于作業(yè)環(huán)境中[2]。

根據(jù)空氣動力學(xué)直徑可對氣溶膠顆粒大小分級為TSP、PM10和 PM2.5(分別指空氣動力學(xué)直徑小于等于100、10、2.5 μm的顆粒物), 其中 PM2.5通常被稱作細粒子。由于細粒子的粒徑小，懸浮于空氣中聚集成相互連鎖的樹枝狀微粒，易富集空氣中的有毒物質(zhì)[3-6]。焊接氣溶膠的粒徑分布屬于偏態(tài)分布。其中粒徑為0.1 μm以下的焊接氣溶膠粒子占11%，而粒徑為0.1～1 μm的氣溶膠粒子占98%，粒徑大于10 μm 的焊接氣溶膠粒子在重力作用下容易沉降，在空氣中停留時間短，并且在人體呼吸作用下可以被有效地阻擋在人體呼吸道以外；粒徑為0.1～1.0 μm范圍的焊接氣溶膠粒子會懸浮在空氣中隨著氣流流動，進而彌散在作業(yè)空間內(nèi)部，嚴(yán)重影響作業(yè)環(huán)境，還可以通過上呼吸道直接進入肺部,當(dāng)其濃度超過允許值時就會嚴(yán)重影響焊接環(huán)境及其相關(guān)人員的身體健康, 引發(fā)塵肺、支氣管炎、肺部纖維化，金屬煙霧熱等疾病，粒徑越小的氣溶膠顆粒在環(huán)境存在的時間越長, 危害越大[7-10]。

焊接氣溶膠主要來源于焊接材料熔融，不同的焊接方式，焊接氣溶膠粒子的微觀狀態(tài)和性質(zhì)不同。手工電弧焊產(chǎn)生的氣溶膠主要來源于焊條的藥皮和藥芯焊絲，小部分是由于焊接母材的熔融造成的，手工電弧焊形成的顆粒粒徑較大，化學(xué)成分和微觀組成更復(fù)雜，包含鏈狀和球形結(jié)構(gòu)的混合物[11-12]。而氣體保護焊產(chǎn)生的氣溶膠主要是來源于熔敷金屬，顆粒物以微小固體的狀態(tài)彌散在空氣中，主要排列成均勻的鏈狀團聚體[13-14]。

由于熔化極氣體保護焊在制造業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)越來越重要的地位，在焊接過程中產(chǎn)生大量的焊接氣溶膠會嚴(yán)重損害作業(yè)人員的身體健康。因此現(xiàn)以熔化極氣體保護焊為例對焊接氣溶膠的形成機理以及發(fā)塵量進行概述，從焊接氣溶膠的形成機理展開，探討影響焊接發(fā)塵量的幾種因素，討論當(dāng)前研究焊接發(fā)塵量存在的問題，展望未來研究焊接氣溶膠的形成機理以及發(fā)塵量的研究方法和趨勢。

1 焊接氣溶膠的形成機理

焊接氣溶膠產(chǎn)生于焊接電弧的高溫作用下焊接電弧等離子體中的金屬蒸汽粒子的成核和隨后的增長。施雨湘等[15-17]利用電遷移率隨粒子尺度減小而增大的特點，運用DMPS(differential mobility particle sizer)結(jié)合直接采用電鏡分析的方法，對常用焊條在焊態(tài)下產(chǎn)生的氣溶膠粒子的粒徑分布，形貌以及組分進行了分析，提出了焊接氣溶膠粒子兩種分布特征和兩種形核機制：其中兩種分布特征分為單峰分布和多峰分布，單峰分布包括正態(tài)型和非正態(tài)型, 多峰分布包括連續(xù)型和斷續(xù)型；兩種形核機制包括均質(zhì)形核與非均質(zhì)形核。焊接氣溶膠粒子譜的多峰分布特征表明氣溶膠具有多種金屬顆粒物的復(fù)雜分布特征，不同粒徑的金屬顆粒具有不同的發(fā)塵機理。如表1所示，焊接煙塵中粒徑在0.01 μm左右的粒子主要是Fe3O4晶體，它是通過蒸氣轉(zhuǎn)化成粒子的均質(zhì)成核方式產(chǎn)生的；粒徑在0.1 μm左右的粒子主要是尖晶石型和氯化物型兩類晶體結(jié)構(gòu)，這兩種類型的粒子是由蒸氣轉(zhuǎn)化成粒子的異質(zhì)凝結(jié)機制形成；粒徑在 1 μm 左右和大于 1 μm 的粒子則主要是由伴隨飛濺發(fā)生的氣泡轉(zhuǎn)化成粒子的機制形成。目前的研究發(fā)現(xiàn)，粒子的增長主要有熔合和聚集兩種形式，無論發(fā)生粒子熔合和聚集，都會引起氣溶膠粒子大小、形狀及數(shù)量濃度的變化[18-19]。

表1 不同粒徑焊接氣溶膠微粒的成核機制[18]

焊接氣溶膠由電弧區(qū)產(chǎn)生以后,在擴散到電弧周圍空氣的過程中發(fā)生了不同程度的凝并和聚集。文獻[20-22]對焊接氣溶膠粒子的電鏡觀察發(fā)現(xiàn)焊接氣溶膠微粒具有三種形態(tài)的存在形式，即單狀顆粒，具有分形幾何的鏈狀團聚體以及鏈狀團聚體所在的粗顆粒和簇狀團聚體(密集或松散堆積的球形顆粒)，大部分是以多粒子團聚體的形式存在。氣溶膠單個顆粒在生成過程中會聚集在一起，形成多鏈狀團聚體的聚集狀態(tài)，表面較為平滑的一次粒子(粒徑在幾十到幾百納米)聚結(jié)成鏈狀和網(wǎng)狀等不規(guī)則外形的二次粒子，并且在團聚體中可清晰地看見單個的單體粒子具有菱形的形態(tài)和晶格邊緣，也能看到高溫凝并未能完成的痕跡如圖 1所示的三種焊接氣溶膠微粒的形貌[23-26]。Fan等[27]為了進一步闡明焊接氣溶膠的形成機理，建立了一個結(jié)合電極、電弧等離子體和熔池的統(tǒng)一模型模擬了焊接氣溶膠粒子的形成過程，采用流體體積法，對熔滴形成和分離、電弧等離子體中熔滴飛行、熔滴撞擊熔池和電弧熄滅后凝固過程中的輸運現(xiàn)象進行了動態(tài)研究。Tashiro等[28-29]通過建立由非均相凝聚模型、均相成核模型和凝聚模型組成的氣溶膠生成模型與焊接模型相結(jié)合，以金屬蒸氣壓和冷卻速率為計算條件計算一次粒子和二次粒子的形成，發(fā)現(xiàn)大部分氣溶膠粒子產(chǎn)生于電弧等離子體的下游區(qū)域，主要是熔滴蒸發(fā)的金屬蒸氣；金屬蒸氣的高壓增大了氣溶膠粒子的尺寸，在1 000 K附近二次粒子的直徑最大接近100 nm，在熔池附近形成的二次粒子尺寸最大達到60 nm，二次粒子通過凝聚作用而長大，粒子數(shù)減少，形成了鏈狀團聚體結(jié)構(gòu)。

圖1 焊接氣溶膠顆粒透射電鏡(TEM)形貌觀察Fig.1 Morphology observation of welding aerosol particles by transmission electron microscope (TEM)

綜上所述，如圖 2所示,焊接氣溶膠的形成可進行如下假設(shè)[30]。

圖2 焊接氣溶膠顆粒形成示意圖[30]Fig.2 Schematic diagram of welding aerosol particle formation[30]

(1)過飽和蒸氣的形成是由于飽和蒸氣的冷卻效應(yīng)產(chǎn)生。

(2)焊接氣溶膠一次粒子由成核作用產(chǎn)生，而粒子的增長依靠冷凝作用。

(3)焊接氣溶膠二次粒子由凝固作用產(chǎn)生，二次粒子的增長通過非均一冷凝和凝固作用。

2 影響焊接發(fā)塵量的因素

根據(jù)相關(guān)研究報道，影響焊接發(fā)塵量的因素眾多且復(fù)雜，中外學(xué)者主要圍繞焊接材料、焊接工藝和電弧等離子體形態(tài)等對焊接發(fā)塵量的影響做了大量研究。如圖3所示，焊接材料主要是焊絲和填充材料成分對焊接發(fā)塵量造成影響；焊接工藝參數(shù)分為直接參數(shù)和間接參數(shù)，每種參數(shù)對焊接發(fā)塵量的影響不同；電弧等離子體形態(tài)主要是焊條與母材夾角、距離和保護氣體成分對電弧等離子體形態(tài)造成影響，進而改變發(fā)塵面積，影響焊接發(fā)塵量，這些研究成果為改進焊接工藝和研制低塵環(huán)保型焊接材料奠定基礎(chǔ)。

圖3 影響焊接發(fā)塵量的因素Fig.3 Factors affecting the amount of welding dust

2.1 焊接材料對焊接發(fā)塵量的影響

焊接材料的理化性質(zhì)是影響焊接發(fā)塵量的主要因素，由于焊絲以及填充材料的化學(xué)成分比較復(fù)雜，各成分含量以及相互作用對發(fā)塵量都有影響。在熔化極氣體保護焊中，常用的焊絲有實心焊絲和藥芯焊絲兩類，由于藥芯粉中的金屬錳、鐵等發(fā)生了激烈的氧化反應(yīng)，生成了 Fe2O3、MnO等煙塵成分,使得藥芯焊絲的發(fā)塵率遠大于實心焊絲[31-33]，因此焊接材料對焊接發(fā)塵量影響的研究主要集中在藥芯焊絲方面。Kobayashi等[34]通過高速攝影機觀察了焊接氣溶膠的產(chǎn)生狀態(tài)，結(jié)合焊接氣溶膠產(chǎn)生的現(xiàn)象和形成機理，研究了焊絲成分與氣溶膠成分之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)焊接氣溶膠的形成主要來源于焊絲，由焊絲導(dǎo)致的氣溶膠發(fā)塵量占總發(fā)塵量的 90%，只有小部分來源于含有高揮發(fā)性元素的焊件，并且焊接氣溶膠中的元素含量隨著焊絲中元素含量的增加而線性增加[35]。劉志云等[36]對J422 和 J502 兩種焊條的焊接發(fā)塵量進行了實驗測定，總結(jié)了焊接材料對焊接發(fā)塵量的影響，研究表明采用 J502 焊條進行焊接作業(yè)時，焊接過程中所產(chǎn)生的焊接發(fā)塵量大于 J422 焊條。蔣建敏等[37-38]和Pires等[39]通過實驗證明減少藥芯焊絲中鋼皮和潤滑劑的含碳量和鐵粉所占比例可以大幅度降低焊接發(fā)塵量，由表2所示,當(dāng)藥芯焊絲中藥粉粒徑為120～380 μm時,隨著藥粉粒徑的增大,發(fā)塵量逐漸增大,電流和電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差呈增大趨勢;藥粉粒徑為120～150 μm時,發(fā)塵量最少,電流電壓標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，電弧穩(wěn)定性最好[40]。

表2 藥粉粒徑對發(fā)塵量和電弧穩(wěn)定性的影響[40]

綜上所述，可以通過增大藥芯在焊絲中所占質(zhì)量比(藥芯率)提高焊接發(fā)塵量。近幾年在制造業(yè)領(lǐng)域，由于藥芯焊絲的工藝性能和生產(chǎn)效率均優(yōu)于其他種類焊絲，藥芯焊絲的使用率不斷提高，因此仍需深入研究藥芯焊絲成分對焊接發(fā)塵量的影響，對研制環(huán)保型焊接材料具有重要意義。但由于藥芯率對發(fā)塵量影響的復(fù)雜性，使得焊接發(fā)塵量數(shù)值模型的建立非常困難，目前中外學(xué)者對于藥芯焊絲的發(fā)塵量研究相對較少，后續(xù)研究需要控制藥芯焊絲中藥粉粒徑、鐵粉和潤滑劑的含碳量等成分，對藥芯焊絲的發(fā)塵量進行深入討論。

2.2 焊接工藝參數(shù)對焊接發(fā)塵量的影響

在熔化極氣體保護焊中，焊接工藝參數(shù)是影響焊接發(fā)塵量的主要因素[41]。如表3所示，焊接工藝參數(shù)分為直接參數(shù)和間接參數(shù)，直接參數(shù)主要包括焊接電流和焊接電壓，間接參數(shù)包括短路電流和焊接缺陷等。

表3 影響焊接發(fā)塵量的工藝參數(shù)Table 3 Process parameters affecting welding dust

焊接電流和焊接電壓是影響焊接發(fā)塵量的主要因素[42]。焊接電流和焊接電壓相互關(guān)聯(lián)，隨著焊接電流的增加，焊接電壓也隨著增加。當(dāng)焊接電流增大時，電弧溫度升高，作用在焊接母材的電弧力增加，使電弧中更多的材料汽化并且電極的熔化速率提高，使得電弧能量向深度方向傳遞，新產(chǎn)生的帶電粒子和其他金屬粒子定向移動能力不斷增強，電弧等離子體表面積增大，從而影響焊接發(fā)塵量[43]。張皙等[11]通過單獨改變焊接電流研究焊接氣溶膠發(fā)塵量的變化，研究表明焊接電流的增大會加速焊絲熔化，增加熱輸入和電磁力，使得單位時間內(nèi)形成的熔滴數(shù)量和表面積增大，并且通過增加熔滴和熔滴的蒸發(fā)量來提高焊接發(fā)塵量。文獻[44-45]利用綜合模型研究了兩種不同水平的恒定電流對熔滴生成、金屬轉(zhuǎn)移和熔池動力學(xué)的影響。結(jié)果表明在較高的電流下產(chǎn)生溫度較高的電弧等離子體，電流越高，熔深越大，焊接發(fā)塵量越大。

此外焊接發(fā)塵量還受到間接參數(shù)的影響，Gray等[46]研究短路電流對焊接發(fā)塵量的影響，指出電源中較高水平的次級電感會降低短路期間的電流上升和峰值電流，從而降低電弧溫度和金屬粒子定向移動能力，降低焊接發(fā)塵量。熔池表面變形對焊接發(fā)塵量也會造成影響。蘆鳳桂等[47]在電弧與熔池統(tǒng)一模型的基礎(chǔ)上研究熔池表面變形對焊接發(fā)塵量的影響，發(fā)現(xiàn)熔池表面變形增大，電弧等離子體的高溫區(qū)向軸向收縮，焊接電弧溫度場的分布特征發(fā)生變化。焊接發(fā)塵量隨著熔滴尺寸的增加而提高，焊條上總是附著著一個不斷增長的熱熔滴，液滴越大，形成的電弧等離子體表面積越大，焊接發(fā)塵量越多[48-50]。Lucas等[51]研究了焊接缺陷對電弧穩(wěn)定性的影響，其中焊接缺陷包括電弧功率和電弧電阻信號等，這些參數(shù)都會影響焊接發(fā)塵量。

2.3 焊接電弧等離子體形態(tài)對焊接發(fā)塵量的影響

焊接發(fā)塵量還受到焊接電弧等離子體形態(tài)的影響。如圖4所示為文獻[52-53]建立的焊接氣溶膠等效發(fā)塵模型，將電弧等離子體表面積與焊接發(fā)塵量相結(jié)合，得出兩者之間呈正相關(guān)的關(guān)系。電弧等離子體表面積越大，焊接發(fā)塵量也隨之增大。在熔化極氣體保護焊中，影響焊接電弧等離子體形態(tài)的主要因素有焊條與母材的夾角、距離和保護氣體成分。

圖4 焊接氣溶膠等效發(fā)塵模型[52]Fig.4 Welding aerosol equivalent dust model[52]

在焊接過程中，由于焊條與母材夾角的不同，導(dǎo)致電弧等離子體形態(tài)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而影響焊接發(fā)塵量。楊桂茹等[54]通過實驗觀察發(fā)現(xiàn)焊接過程中，焊條平焊時發(fā)塵量最大，立焊時次之；焊條傾斜且焊條干燥時發(fā)塵量較小，反之則發(fā)塵量較大。李鋮駿[30]通過實驗對不同焊條角度的電弧等離子形狀進行了研究，實驗過程中控制焊條與母材距離為5 mm，分別研究了不同焊條角度情況下電弧等離子的變化趨勢。如圖5(a)所示，當(dāng)焊條角度為45°時，電弧等離子體向焊條傾斜的反方向偏移，此時等離子體表面積較大，焊接發(fā)塵量增大；當(dāng)焊條角度為60°時，如圖5(b)所示,電弧等離子體同樣向焊條傾斜的反方向偏移，但偏移量較焊條角度為45°時有明顯的減小，此時電弧等離子體表面積減小，焊接發(fā)塵量減??；如圖5(c)所示，當(dāng)焊條角度為90°時，電弧等離子體呈現(xiàn)出對稱分布的鐘罩型結(jié)構(gòu)，此時等離子體表面積達到最小值，焊接發(fā)塵量減小。

圖5 不同焊條傾斜角的電弧等離子體形態(tài)[30]Fig.5 Morphology of arc plasma with different electrode inclination angles[30]

焊條與母材之間的距離影響焊接電弧等離子形態(tài)。在熔化極氣體保護焊中，焊條與母材之間的距離影響電弧電壓，電弧電壓過高或過低都將影響到電弧形態(tài)和穩(wěn)定性，電弧電壓超出一定范圍甚至?xí)l(fā)生短路、斷弧等現(xiàn)象[55-57]。如圖6所示，作者以焊條傾斜角90°為例，分別研究了焊條與母材距離為1、5、15 mm時產(chǎn)生的焊接電弧等離子體形態(tài)。如圖6(a)所示，當(dāng)焊條距母材1 mm左右時，電弧等離子體呈現(xiàn)動態(tài)不規(guī)則的形態(tài)，此時電弧等離子體面積較小，焊接發(fā)塵量較小；如圖6(b)所示，當(dāng)焊條距母材5 mm時，電弧等離子體呈現(xiàn)出對稱分布的鐘罩型結(jié)構(gòu)，此時電弧等離子體達到穩(wěn)定狀態(tài)，焊接發(fā)塵量穩(wěn)定增大；如圖6(c)所示，當(dāng)焊條距離母材15 mm時，電弧等離子體呈現(xiàn)出飄忽不定的不規(guī)則形態(tài)，此時電弧電壓以及焊接熱輸入變大，電弧等離子體表面積最大，焊接發(fā)塵量增大。

圖6 焊條與母材不同距離的電弧等離子形態(tài)Fig.6 Arc plasma morphology at different distances between electrode and base metal

保護氣體除了隔離空氣，使高溫焊接區(qū)免遭空氣侵害外，還一定程度上影響焊接電弧等離子體形態(tài)和穩(wěn)定性，從而影響焊接發(fā)塵量[58-59]。在熔化極氣體保護焊中，常用的保護氣體有：氬(Ar)、氦(He)、二氧化碳(CO2)、氧(O2)等，保護氣體的種類和組分不同，焊接過程中產(chǎn)生的效果各不相同。隨著焊接電流和電壓的穩(wěn)定增加，如果使用CO2和氦氣(He)作為保護氣體，焊接發(fā)塵量隨著電流和電壓的增加而繼續(xù)增加；如果使用氬(Ar)作為保護氣體，增加的電流最終導(dǎo)致過渡到噴涂金屬轉(zhuǎn)移，隨著金屬轉(zhuǎn)移變?yōu)橐旱螄娚洹w濺，從而降低焊接發(fā)塵量[60]。孫咸[61]在使用100% CO2作為保護氣體的焊接工藝中，由于CO2氣體高溫分解為CO和O，氧化性元素發(fā)生反應(yīng)促使電弧溫度升高，導(dǎo)致電弧等離子體表面積增大，焊接發(fā)塵量增大。研究發(fā)現(xiàn)使用氦氣(He)作為保護氣體用于電弧焊接時，由于氦氣(He)具有更高的電離能，能夠增加電弧長度和電弧能量，因此將氦氣(He)加入到保護氣體中可以使電弧有更高的溫度，導(dǎo)致焊接發(fā)塵量提高[62-63]。

文獻[64-65]建立了一個統(tǒng)一的電弧電極模型，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)CO2-Ar和CO2-Ar-O2混合物作為保護氣體的熔化極氣體保護焊的焊接發(fā)塵量與純CO2相比有明顯變化。對于純CO2，焊接發(fā)塵量隨著電流的增大而不斷增加，且CO2和O2相比較于Ar混合物用作保護氣體時，發(fā)塵量會顯著提高。因此，保護氣體中的氧化性氣體能夠通過增加電弧溫度提高焊接發(fā)塵量。

圖7 不同保護氣體成分的發(fā)塵量隨電流強度的變化趨勢[62]Fig.7 The trend of dust emission of different protective gas composition with current intensity[62]

綜上所述，焊條與母材夾角、焊條與母材之間的距離以及保護氣體成分均會通過影響焊接電弧等離子形態(tài)對焊接發(fā)塵量造成影響。其中，焊條角度與電弧等離子體呈負相關(guān)關(guān)系，隨著焊條與母材夾角的不斷增大，電弧等離子體面積不斷減小，進而對焊接發(fā)塵量造成影響；電弧電壓與焊條與母材之間的距離成正比，當(dāng)距離增大時，電弧電壓增加，熱輸入能量增大，電弧等離子體表面積增大，從而提高焊接發(fā)塵量。保護氣體中的氧化性氣體能夠通過增加電弧溫度提高焊接發(fā)塵量，且CO2和He相比較于Ar用作保護氣體時，發(fā)塵量會顯著提高。

但是由于焊接過程在高溫環(huán)境下進行并且反應(yīng)時間很短，直接通過手動控制參數(shù)進行實驗觀察對結(jié)果的影響誤差較大，而目前針對于焊接電弧等離子形態(tài)對焊接發(fā)塵量造成影響的研究主要集中于實驗觀察，因此未來工作需要對復(fù)雜的焊接過程作必要的合理簡化從而建立基于動態(tài)條件下電弧等離子體形態(tài)變化的焊接氣溶膠發(fā)塵模型，通過準(zhǔn)確控制過程參數(shù)研究焊接電弧等離子形態(tài)的變化以及其對焊接發(fā)塵量的影響。

3 總結(jié)與展望

(1)焊接氣溶膠產(chǎn)生于電弧的高溫作用下焊接電弧等離子體中的金屬蒸氣粒子的成核和隨后的增長。金屬蒸氣可以來源于焊條高溫熔化、熔池、金屬液滴和從電極飛濺出來的細小液滴，這種金屬蒸氣在擴散到電弧周圍的過程中被迅速冷凝和氧化，然后通過金屬蒸汽成核形成1～100 nm大小的金屬初級粒子。此外，其中一些顆粒凝結(jié)并通過非均一冷凝和凝固作用產(chǎn)生最大尺寸超過1 μm的二次粒子。綜上所述，焊接氣溶膠粒子源于焊接材料(主要是焊條)在電弧等離子體中發(fā)生的一系列物理化學(xué)過程(相變、氧化、凝并等)而得到的產(chǎn)物。

(2)焊接發(fā)塵量的主要影響因素有焊接材料、工藝參數(shù)以及電弧等離子體形態(tài)三種。其中焊接材料主要是焊絲和填充材料化學(xué)成分對焊接發(fā)塵量造成影響，可以通過增大焊接材料中藥芯所占質(zhì)量比(藥芯率)，提高焊接發(fā)塵量；焊接電流與焊接電壓相互關(guān)聯(lián)，可以通過增大焊接電流提高焊接發(fā)塵量；焊條與母材的傾斜角度、距離以及保護氣體均會影響焊接電弧等離子體形態(tài)和穩(wěn)定性，從而影響焊接發(fā)塵量，其中焊條傾斜角越小、距離越大時會顯著提高焊接發(fā)塵量；保護氣體中的氧化性氣體能夠通過提高電弧溫度提高焊接發(fā)塵量。

(3)本文中研究對象為熔化極氣體保護焊所形成的氣溶膠顆粒，在實際作業(yè)環(huán)境中還存在激光-復(fù)合焊接以及非熔化極惰性氣體保護電弧焊(tungsten inert gas,TIG)等其他焊接工藝，不同焊接工藝中焊接氣溶膠形成機理以及焊接發(fā)塵量的影響因素可能存在差異，因此有必要針對其他焊接工藝開展深入研究；總結(jié)了焊接材料、焊接工藝和電弧等離子體形態(tài)三種主要影響焊接發(fā)塵量的因素的研究方法，目前中外主要集中研究單一因素對焊接發(fā)塵量的影響，而焊接發(fā)塵量的影響因素眾多且復(fù)雜，多種因素相互耦合均會對焊接發(fā)塵量造成影響。因此后期需要研究多因素影響的發(fā)塵量變化規(guī)律。

(4)目前針對焊接氣溶膠形成機理和發(fā)塵量的研究結(jié)論大部分都是通過實驗得出，由于焊接過程在高溫環(huán)境下進行并且所需時間很短，為了控制焊接氣溶膠的形態(tài)、化學(xué)成分和生成速率等特性，直接通過實驗觀察比較困難，數(shù)值模擬是常用的研究方法。但現(xiàn)有的熔化極氣體保護焊的數(shù)值模型主要是將凝聚和成核模型組成的氣溶膠生成模型與焊接發(fā)塵量模型相結(jié)合，并未考慮電弧區(qū)域是否有保護氣體存在、焊接過程中金屬汽化以及焊接噴濺對發(fā)塵量所造成的影響，并且由于其中個別參數(shù)難以進行實際測量從而影響整個模型的準(zhǔn)確性。因此必須通過考慮粒子間相互作用，將焊條，電弧和熔池作為整體建立一個基于動態(tài)條件下的統(tǒng)一模型闡明氣溶膠的形成機理以及影響焊接發(fā)塵量的因素。隨著數(shù)值模擬技術(shù)和方法的不斷完善和提高，通過建立準(zhǔn)確統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型來模擬焊接氣溶膠的形成過程和電弧的微觀形態(tài)，在已有的研究基礎(chǔ)上進行定量分析，能夠進行有關(guān)焊接氣溶膠形成機理以及發(fā)塵量的深入研究。

(5)通過對焊接氣溶膠形成機理和發(fā)塵量影響因素的研究，能夠?qū)附託馊苣z濃度和粒徑在空間上的分布特征以及其隨時間的變化規(guī)律進行有效分析，對開展焊接氣溶膠的危害評價與凈化措施具有一定的理論和實踐指導(dǎo)意義。