一種跟蹤便攜式焊接煙塵收集裝置的研制

吳泰峰，張雄剛，唐 鋒

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433)

近年來，環(huán)境問題已成為全球社會問題[1]。焊接是目前鋼結構產業(yè)、船舶工業(yè)、設備制造業(yè)中必不可少的主要的制造工藝之一。隨著我國工業(yè)化進程的加速和相關科技產業(yè)的發(fā)展壯大，各方面對于焊接技術的需求量日益增加，隨之而來的是焊接過程中產生的大量焊接煙塵以及有毒有害氣體對施工人員職業(yè)健康和環(huán)境造成的極大傷害。焊接煙塵的治理已經是日常生產過程中急需解決的問題。因此，積極解決由焊接產生的大量有害煙塵的問題，對于保護員工健康、建設環(huán)境友好型企業(yè)有著重要意義。

1 焊接煙塵分析

1.1 焊接煙塵的形成機理與危害

焊接時，在電弧高溫(3 000～6 000 ℃)下，焊接材料及其母材被高溫熔化，溶液表面劇烈噴射由焊芯產生的高溫高壓蒸汽，并向四周擴散。當蒸汽進入周圍的空氣時，被冷卻并氧化，部分凝結成固體微粒，這種由氣體和固體微粒組成的混合物，就是所謂的焊接煙塵[2]。焊接煙塵是常見且危害巨大的職業(yè)危害因素之一，它的成分主要為金屬和非金屬氧化物、氟化物，包括各種鹽等，這些成分中的不可溶物質長時間吸入容易引起塵肺病。焊工塵肺的發(fā)病時長一般在10～20年左右，如果是長期在高濃度的煙塵環(huán)境中作業(yè)，3～5年就有可能發(fā)病。另外，煙塵中的某些金屬氧化物容易引起金屬熱針狀，對人體也會產生較大的影響。

1.2 焊接煙塵顆粒的形狀和粒度分布

焊接煙塵由0.1 μm左右的球狀顆粒集聚而成[3]，這些球狀顆粒物在空氣中呈浮游狀態(tài)，通過自身的相互吸引會聚集成樹枝狀的微粒，一般來說非低氫型焊條產生的焊接煙塵較多，氫型焊條好些，CO2氣體保護焊比非氫型焊條鎖鏈狀更明顯。低氫型焊條產生的粉塵粒度分布情況見表1。

表1 低氫型焊條的焊接煙塵粒度分布

1.3 焊接煙塵容許濃度標準研究

當前世界各國都十分重視對焊接煙塵的控制，并對焊接區(qū)域的焊接煙塵濃度制定了相應的標準。當前世界上廣泛應用的焊接煙塵職業(yè)接觸標準為美國ACGIH發(fā)布的TLV和德國發(fā)布的MAK[4]。英國、法國等其他國家根據這兩套標準參考引用或編制了其國內適用的標準。幾個組織公布的焊接煙塵允許濃度見表2。

表2 幾個國際組織公布的焊接煙塵允許濃度值

我國的標準GB 16194—1996《車間空氣中電焊煙塵衛(wèi)生標準》[5]中規(guī)定：車間空氣中電焊煙塵最高容許濃度為6 mg/m3。標準TJ 36—1979《工業(yè)企業(yè)設計衛(wèi)生標準》[6]中規(guī)定：氧化錳為0.2 mg/m3，一般粉塵為10 mg/m3，氟化物為1 mg/m3。標準GBZ 2.1—2007《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值 第1部分：化學有害因素》[7]中規(guī)定：電焊煙塵(總塵)為4 mg/m3。

2 船廠焊接作業(yè)環(huán)境現狀研究

進入21世紀以來，我國船舶工業(yè)實現了跨越式發(fā)展，規(guī)模迅速擴大，技術水平和綜合競爭力大幅提高，國際地位顯著提升，成為世界最主要的造船大國。船舶制造是制造業(yè)的一個大類，是一個綜合性的工程，推動經濟發(fā)展的同時也產生了大量的污染物。在船舶制造過程中，如果有毒有害煙塵不得到有效的治理，將會對生命健康以及儀器設備造成巨大的危害。

焊接是船舶制造必不可少的關鍵工藝技術，由于船舶制造的條件及特殊情況，船廠治理焊接煙塵主要還是通過自然通風，但是由于船廠制造車間的尺寸大、長度長，受各方面的影響廠房內部的自然通風效果難以保證，且自然通風受到氣候及天氣的影響，無法做到有效的控制。且造船廠部分分段在外場進行制作，此部分焊接煙塵完全是直接排放到大氣中，有些密閉艙室的焊接煙塵則是完全在封閉的環(huán)境中。為了達到改善作業(yè)環(huán)境和防止大氣污染，就需要把焊接煙塵收集起來，防止其擴散。

2.1 船廠焊接煙塵的收集工藝

2.1.1 局部抽風工藝

局部抽風作業(yè)原理：在焊接作業(yè)時，通過在焊點上方架設吸風罩和排風裝置收集焊接煙塵，防止焊接煙塵向其他區(qū)域擴散。但是船廠的制作車間工位密集且無固定施工位置，車間內行車運行、工件轉移頻繁，局部除塵裝置的布置受到極大的制約，局部抽風工藝僅能適用于部分固定焊接工位。

2.1.2 全面換氣工藝

在車間作業(yè)中，大多數的施工情況是工人移動，工件不動，焊接煙塵的產生點隨時隨地在發(fā)生變化，局部抽風工藝無法進行收集。這種工況下，就需要采用全面換氣工藝。焊接煙塵最密集的區(qū)域一般在車間上方3～5 m的高度，在此區(qū)域內設置全面換氣罩，對煙塵進行收集；也有采用氣幕的方式，通過一邊吹一邊吸，把上升過程中的煙塵推至吸風罩，達到吸塵目的。相對于局部抽風工藝，全面換氣工藝的缺點是能耗大、成本高、效果差[8]。

2.1.3 跟蹤式除塵工藝

在焊槍上設置吸塵口，采用近距離高負壓的方式把煙塵抽走。吸風口與焊接煙霧產生源距離較近，抽風效果比較好。工人操作時，只要移動焊槍，無需另外動作，對一些較為復雜的結構構件，其吸塵效果是無法替代的。

2.2 焊接煙塵研究路線

為了滿足船廠焊接煙塵處理的需求，推進造船建模2.0和智能制造，亟需設計一款跟蹤便攜式焊接煙塵收集裝置，達到能耗低、除煙除塵效果好、便捷高效且不影響施工質量的目的。

3 跟蹤便攜式焊接煙塵收集裝置的研發(fā)

3.1 同類裝備調研

經調研，國內外幾種焊接煙塵收集裝置均有價格貴、尺寸大、質量大、不便攜等缺點，而且需配備專用的焊槍、噴嘴和導電嘴，后期的維護成本較高。

3.2 產品自主研發(fā)

經過多次對焊接煙塵收集的試驗與分析，形成了初步的設計方案(見圖1)。基本設計方案和思路：鼓風機運轉，通過煙塵收集管，焊槍噴嘴外圍側開吸風設計，保證二氧化碳管道與煙塵回收完全阻隔，互不干涉。氣體保護焊縫成型后，不讓煙塵上揚或飄離，將煙塵吸入焊槍回收管，通過管道輸送到濾筒，凈化焊接煙塵。新裝置主要由強吸力調速鼓風機、濾筒、箱體及控制器組成，配備自行研制的環(huán)保型吸塵焊槍進行使用。

圖1 跟蹤便攜式煙塵收集裝置設計原理圖

3.2.1 焊槍送絲風管選型

為選擇合適的焊槍送絲風管，在相同條件下測試了管子直徑與長度對吸煙效果的影響。具體試驗結果見表3。

表3 不同管子內徑與長度下的槍口風速

由表3數據可見，管子內徑越小、長度越短，管子出口處風速越快；管子內徑越大、長度越長，管子出風口風速就慢。風速越快意味著吸煙效果越好，因此應選擇內徑為32 mm的管子作為焊槍送絲風管。

3.2.2 風機的選型

對強吸力鼓風機進行了對比選擇，主要性能要求如下：能穩(wěn)定達到既定轉速、風量和吸力，體積、質量小。由于風管內的空氣流速對除塵系統的經濟性有較大的影響，氣流速度越高，風管截面積越小，材料消耗就少，制造成本就低，但是會導致系統的阻力及動能消耗增大，運行成本增加。氣流速度低，風管內阻力就小，動能消耗減少，但是風管截面積越大，所需要的材料及建造費用增大，整個系統所占用的空間也相應增大。在除塵系統內，流速過低會導致粉塵沉積堵塞管道，而且粉塵顆粒不會靜止不動，必然在空氣中擴散和稀釋，形成粉塵顆粒在空間內的分布[9]。綜上所述，必須經過全面的分析和比較，才能確定合理的流速。根據經驗總結，除塵系統內的空氣流速可以按照如下粉塵風速對照表(見表4)確定。

表4 粉塵風速對照表

從表4中可以看出，要使焊接產生的煙塵完全吸收，理論上需要20 m/s的速度，假設采用內徑為32和50 mm的波紋管作為焊接煙塵收集裝置的管路，在風機的選型時，應考慮通風管道系統不嚴密而漏風及阻力計算的誤差，為保證風機的穩(wěn)定運行，系統的風量和風壓應留余量(見表5)。

表5 風量風壓裕量的選取表

參考表5內數據，除塵系統在風機選型時最大需要有35%的余量，風量=截面積×風速×時間。以φ50 mm的管路為例，若以20 m/s的速度進行吸塵，則每小時所需要的風量為141.3 m3，另外需要增加35%的余量，則所需要的風量為190.755 m3/h。經過對風量、外形尺寸、質量的對比以及后續(xù)產品的可拓展性分析，最終選擇的風機參數見表6。

表6 強力可調離心鼓風機技術參數

3.2.3 濾筒的選型

濾筒選型應保證回收的焊接煙塵過濾排放符合要求。本次選用的濾筒采用全鋼結構的工業(yè)除塵濾筒，堅固耐用，配以銅焊接接口，氣密性高，容垢空間大，易于清理，采用O型圈進行密封，最大真空值低于1 Pa，配備紙質濾芯，對0.3 μm的粉塵過濾精度達99%。采用抽取式的方式就能更換濾筒，不需要借助任何輔助工具便可進行更換。

3.2.4 焊槍噴嘴研制

為實現不影響焊接二氧化碳氣體的保護效果，同時最大效率吸收煙塵，對焊槍的吸風嘴形式進行了研究定形。根據前期的調研，初步設計了幾款適用于傳統CO2導電嘴的槍口形式，并通過軟件來模擬不同形式的吸風槍口對吸煙效果的影響，對計算效果進行相應的驗證。

3.2.4.1 模型模擬

應用軟件模擬試驗用的幾款焊槍吸風嘴形式(見圖2)。

a) 錐套管長30 mm(A型)

3.2.4.2 風速測試

為了進一步驗證計算數據，本次試驗按照軟件模擬試驗的幾款槍口進行了實際測試，結果見表7。

表7 實際風速測試

經過對設計的幾類吸風口在空氣流量相同的情況下進行的模擬分析以及實際測試結果可以看出，錐套管形式的槍口吸風范圍較大，效果較好，直套管形式吸塵范圍比較廣，但會使二氧化碳氣體產生紊流，導致吸塵效果變弱，而且可能影響焊接質量。

3.2.4.3 實際試用

對不同的槍口進行實際燒焊驗證，實際效果如圖3所示。

a) 未使用煙塵收集裝置 b) A型 c) B型

由圖3可以看出，A型、B型槍口的煙塵收集效果較好，其他形式雖然有部分效果，但還是有焊煙飄散到空氣中，未達到預期效果。因此決定采用A型、B型槍口作為最終定型槍口。

3.3 產品實際效果測試

為了進一步驗證焊接煙塵收集裝置的吸塵效果在實際應用時是否達到設計與環(huán)保要求，分別在打開煙塵收集裝置和不打開煙塵收集裝置的情況下，在焊點正上方不同距離(0.5、1、2和2.5 m)進行PM2.5、PM10含量的檢測。初始環(huán)境的PM2.5、PM10的值如圖4所示。測試對比結果見表8。

圖4 環(huán)境空氣質量

表8 測試對比結果

經過表8中數據分析，打開收集裝置的情況下PM2.5、PM10含量的平均值為無收集裝置的15%，因此在使用焊接煙塵收集裝置的情況下焊接煙塵收集的效果可達到85%左右。根據空氣質量等級表[10](見表9)可以看出，經使用焊接煙塵收集裝置后，在工作狀態(tài)下，焊接工作環(huán)境的空氣質量等級可以達到良好。

表9 空氣質量等級表

4 產品定型

4.1 手持式跟蹤便攜式煙塵收集裝置

經過前期的試驗及對比，最終確定了跟蹤便攜式焊接煙塵收集裝置(見圖5)的最終方案：煙塵收集裝置整體尺寸為600 mm×300 mm×300 mm，整體質量為17 kg，內部采用高速離心風機、配備可替換濾芯的工業(yè)除塵濾筒，采用3 m風管內徑為32 mm的環(huán)保吸塵焊槍，配備自行設計的A型、B型槍口，滿足不同焊接空間區(qū)域的使用，焊接煙塵收集效果可達到85%以上，此方案適用于室內移動的手工焊接工位，以及分段內狹小空間等復雜工位。

a) 使用

4.2 集成式跟蹤便攜式煙塵收集裝置

經過前期的試驗，多次對焊接小車的結構及現場施工狀態(tài)進行了分析，結合現場的工況，最終設計了一個錐形吸風罩，通過U型抱箍固定在焊接小車上。通過實踐和分析，確定了吸風罩的尺寸及距離，側面采用可調式滑軌，方便與小車進行固定及調整距離，方便現場使用，將前期的焊接煙塵收集裝置與集風罩進行連接使用，煙塵收集率可達90%以上。集成式跟蹤便攜式煙塵收集裝置如圖6所示。

a) 側視圖

5 焊接質量

使用焊接煙塵收集裝置焊接完成后，對焊接質量進行了相應的檢測，焊縫的無損檢測以及角焊縫破斷試驗結果均合格，證明焊接煙塵收集裝置的吸力適當，不會降低保護氣對焊縫的保護效果。焊縫效果及破斷試驗如圖7所示。

a) 焊縫效果

6 產品應用及市場前景

該煙塵收集裝置吸煙效果與同類產品效果接近，但生產成本遠低于市面同類產品，并且產品系統簡單，制造難度遠低于其他同類產品，所以在批量生產及市場推廣中有極大的優(yōu)勢。

產品的市場推廣可以通過：自產自用→自產自銷→授權制造銷售的步驟，逐步完善產品，將產品的技術和專利附加值不斷提升，順利將勞動力從生產中解放出來，從而集中力量對產品進行進一步的研究或新產品的開發(fā)，形成良性循環(huán)。對于目前日益嚴峻的環(huán)境保護問題以及單位在環(huán)保方面的壓力，跟蹤便攜式焊接煙塵收集裝置也能夠提供很好的解決方法，對響應國家建設環(huán)境友好型社會有著積極的作用。

7 結語

創(chuàng)新設計團隊通過前期的精細設計、嚴謹的驗證以及多次的對比試驗，成功研制出了第一代跟蹤便攜式焊接煙塵收集裝置。此次跟蹤便攜式焊接煙塵收集裝置的試制是中船澄西船舶修造有限公司對焊接煙塵治理開展研究的開端，以此次研究為基礎，下一步將研制固定工位以及多工況的焊接煙塵收集裝置。跟蹤便攜式焊接煙塵收集裝置的應用，必將會減輕本公司環(huán)保壓力，也會在一定程度上保障員工的職業(yè)健康，為建設環(huán)境友好型企業(yè)貢獻自己的力量。