焊接煙塵的危害及綜合治理研究現(xiàn)狀

朱珍文，石 玗，2，顧玉芬，2，丁 彬

1.蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730050

2.蘭州理工大學(xué) 有色金屬合金及加工教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730050

0 前言

2020年，我國制造業(yè)產(chǎn)值占全球制造業(yè)總產(chǎn)值的30%，已連續(xù)11年成為世界最大的制造業(yè)國家［1］。焊接技術(shù)作為現(xiàn)代制造工業(yè)的一種基礎(chǔ)工藝，正逐步從傳統(tǒng)單一連接技術(shù)發(fā)展為集電氣、機械、材料和計算機等多學(xué)科的熱成型技術(shù)，在工程機械、水利水電、船舶重工、交通運輸、軍工裝備等領(lǐng)域發(fā)揮著無可替代的作用［2］。

焊接過程中存在著弧光輻射、高溫、噪聲、焊接煙塵和有毒氣體等，不僅污染環(huán)境還對從業(yè)人員的身體健康造成危害［3-4］。對于弧光、高溫、噪聲等，可通過使用面罩及耳塞得到很好的防護(hù)效果，但作為一級致癌物的焊接煙塵治理效果并不理想［5］。焊接煙塵主要包含有毒氣體和煙塵顆粒，其中煙塵顆粒可能引發(fā)哮喘、支氣管炎癥、肺炎、肺水腫、急性中毒、神經(jīng)系統(tǒng)疾病，甚至可能引發(fā)塵肺、金屬煙熱、呼吸功能改變及癌癥等疾病［6-8］。有毒氣體如窒息性氣體CO，刺激性氣體如臭氧、氟化物、氯化物、二氧化硫，神經(jīng)性毒氣如氧化氮、光氣等，會導(dǎo)致從業(yè)人員產(chǎn)生頭痛、頭暈、咳嗽、咳痰、胸痛、耳鳴和緊張焦慮等癥狀［9-11］。由于焊接煙塵及其他伴生危害使得焊接作業(yè)環(huán)境惡劣，在一定程度上導(dǎo)致愿意從事焊接工種的人員逐年下降，成為制約焊接行業(yè)健康發(fā)展的突出問題之一［12］。

近年來，隨著焊接制造工作量的大幅增加以及高效焊接方法和藥芯焊絲等高發(fā)塵工藝及材料的普及，焊接煙塵引起的職業(yè)問題日益凸顯［13］。早期我國車間空氣允許的煙塵濃度為6 mg/m3，目前我國焊接協(xié)會將允許的煙塵濃度降至4 mg/m3，并對焊接材料的發(fā)塵量提出了明確要求［14-15］；美國焊接協(xié)會考慮到焊接煙塵的危害，也制定了相應(yīng)的通風(fēng)指導(dǎo)手冊以減少工作車間的焊接煙塵濃度［16］。日本則在本世紀(jì)初就制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以限制焊接車間的煙塵濃度［17］，同時積極推進(jìn)新型焊接材料的研發(fā)。但在實際生產(chǎn)中，尤其是焊接作業(yè)強度高且空間較為封閉的場合，例如船廠的車間煙塵濃度高達(dá)9～18 mg/m3，在船艙分段密閉空間內(nèi)甚至達(dá)到38～312 mg/m3，遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)要求的最低煙塵濃度，對人體的危害非常嚴(yán)重。由此可見，減少煙塵中的有害物質(zhì)，改善焊接從業(yè)人員的工作環(huán)境，已經(jīng)成為焊接行業(yè)急需解決的重要問題。

隨著《中國制造2025》發(fā)展戰(zhàn)略的提出，努力構(gòu)建高效、清潔、低碳、循環(huán)的綠色制造體系已成為必然趨勢［18-19］。目前，國內(nèi)外對焊接煙塵的治理主要從以下三個方向來進(jìn)行：（1）加強個體防護(hù)；（2）優(yōu)化焊接工藝及焊接材料；（3）通風(fēng)排煙。

本文通過分析焊接煙塵產(chǎn)生機理，對比目前主流的煙塵治理措施的優(yōu)缺點，提出通過智能制造建立焊接煙塵治理新理念，為完善我國焊接煙塵治理提供一定的參考。

1 焊接煙塵的形成機理及危害

鑒于焊接煙塵對從業(yè)人員的物理及化學(xué)危害，為了更好地保障從業(yè)人員的身體健康，維護(hù)焊接作業(yè)環(huán)境的空氣質(zhì)量，有必要從焊接煙塵的產(chǎn)生機理及影響因素入手，通過對焊接煙塵發(fā)生、生成、長大及聚合過程的探索，從源頭對煙塵進(jìn)行治理及防護(hù)。同時也為工業(yè)上焊接煙塵準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)奠定理論基礎(chǔ)［20-21］。

1.1 形成機理

最早的研究認(rèn)為焊接煙塵的產(chǎn)生機理是過熱—蒸發(fā)—氧化—冷凝的過程［22］，如圖1所示。在焊接過程中，電弧中心溫度較高，液態(tài)金屬與非金屬物質(zhì)蒸發(fā)產(chǎn)生高溫蒸汽，并保持一定的粒子濃度，當(dāng)高溫蒸汽位于電弧邊緣的低溫區(qū)時，被迅速氧化和冷凝生成“一次粒子”，一次粒子基本形態(tài)呈球狀，直徑在 0.01～0.4 μm 范圍內(nèi)，以 0.1 μm 為主［23］。在一次粒子自身靜電和磁性的作用下，隨著溫度的降低，一次粒子經(jīng)聚合作用形成“二次粒子”［24-25］，并通過一定的方式進(jìn)行擴散。

圖1 煙塵形成過程示意［22］Fig.1 Schematic diagram of the fume formation process［22］

武漢交通科技大學(xué)施雨湘［26-27］對焊接煙塵的形成機理進(jìn)行了更加深入的研究，針對蒸汽與煙塵的轉(zhuǎn)變過程，提出焊接煙塵的氣溶膠機理，指出電弧附近焊接氣溶膠粒子的形核機制分為均質(zhì)形核和非均質(zhì)形核。采用直接采樣電鏡觀測法及DMPS法對一次粒子的譜分布、形貌、成分及結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了較系統(tǒng)的實驗及理論探討，證明Fe3O4晶體主要由焊接氣溶膠0.01 μm尺度的粒子組成，0.1 μm尺度的煙塵粒子具有尖晶石型和氟化物型兩類晶體結(jié)構(gòu)，均以蒸汽→粒子轉(zhuǎn)變的異質(zhì)凝結(jié)機制形成，1 μm尺度以上的煙塵顆粒主要以氣泡→粒子轉(zhuǎn)變機制形成［28］。同時提出焊接電弧粒子形核區(qū)模型，對分析焊接氣溶膠粒子的形成過程有重要意義。

焊后煙塵粒子在擴散過程中通過聚集與熔合的方式長大，熔合過程是由幾個原生粒子熔合成單個大粒子的過程，其特征是熔合后的單個大粒子的總表面積小于一次粒子的表面積之和，且粒子之間無邊界；相比于熔合過程，聚集過程是由幾十甚至上百個一次粒子聚集在一起，這些粒子靠表面進(jìn)行粘連，粒子之間有明顯的邊界［29］。無論是粒子聚集或熔合，均會導(dǎo)致焊接煙塵中粒子大小、形狀及數(shù)量濃度的變化［30］。

1.2 焊接煙塵的危害

焊接過程會產(chǎn)生大量對人體有害的煙塵及有毒氣體，其中較大一部分焊接煙塵以顆粒的形式懸浮在空中，在空氣中擴散。另一部分以有毒氣體的形式散布在空氣中［31］。焊接過程中產(chǎn)生的煙塵顆粒主要是以金屬氧化物的形式存在，具有成分復(fù)雜、黏性大、溫度高、粒徑不統(tǒng)一的特點。在一般的焊接生產(chǎn)場合，焊工的呼吸量約為20 L/min，則工作一年的呼吸量為2 300 m3；而在較差的焊接生產(chǎn)環(huán)境下，一天將吸入100 g微粒，如工作25年則會吸入2.5 kg的有害物質(zhì)［32］。焊接過程中常見的金屬氧化物顆粒及其危害如表1所示［33］。

表1 焊接煙塵中顆粒危害［33］Table 1 Hazards of particles in welded fume［33］

焊接煙塵根據(jù)粒徑大小不同，對人體產(chǎn)生的危害也不相同。天津大學(xué)楊立軍［34-35］團隊對熔化極氣體保護(hù)焊煙塵的粒度分布規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計，分析了焊接參數(shù)與熔滴過渡形式對煙塵粒度的影響，研究結(jié)果表明：煙塵顆粒呈準(zhǔn)量子化分布特征，顆粒粒徑大部分在0.1～1 μm范圍內(nèi)，約占85%以上，粒徑小于0.1 μm的約占10%。同時，焊接工藝、熔滴過渡形式和焊接參數(shù)都對煙塵粒度有一定影響。隨著焊接電壓的減小，煙塵粒徑有減小趨勢。Gomes J F等人［36］對焊接過程中產(chǎn)生的焊接煙塵粒徑尺寸進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)其尺寸基本都在0.5 μm左右。

相關(guān)研究表明［37-38］，在空氣中直徑10 μm以上的煙塵顆粒大部分沉積在鼻咽部，直徑小于10 μm的煙塵顆粒會被人體吸入，2～10 μm的煙塵顆?？梢酝ㄟ^人體自行排出，但小于0.5 μm的煙塵顆粒會沉積在肺中，較難被排出。表2為不同粒徑TiO2在鼠肺組織中若干天的殘余量（單位：μg），尺寸越細(xì)小的煙塵顆粒的穿透性越強，越難以被排出體外，同時煙塵團聚體在人肺泡內(nèi)會分散形成更細(xì)小的初級顆粒，加劇對人體的傷害［39］。

表2 不同尺寸TiO2在鼠肺組織中的含量（μg）［39］Table 2 Content of different sizes of TiO2 in rat lung tissue（μg）［39］

Lauryn M F等人［33］研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e2O3是唯一一種促進(jìn)肺腫瘤的金屬氧化物，引起肺部炎癥的金屬氧化物的趨勢為Fe2O3>Cr2O3+CaCrO4>NiO。其中，F(xiàn)e2O3對肺的毒性效應(yīng)是持續(xù)的，Cr2O3+CaCrO4對肺的毒性效應(yīng)是急性的。Roth J A等人［40］研究發(fā)現(xiàn)長期暴露在焊接煙塵中，吸入過量的錳，會對人體健康造成不良影響，包括對肺、肝、腎、中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損害，而且男性工人不育的風(fēng)險更高。長期暴露在錳濃度超過1 mg/m3的環(huán)境中，會導(dǎo)致與帕金森疾病相似的錳中毒風(fēng)險增加［41］。

焊接過程中除了會產(chǎn)生許多有害的煙塵顆粒之外，還會產(chǎn)生許多有害氣體，這些氣體中含有一氧化碳、氮氧化物、臭氧、光氣、氟化氫等有害成分。表3列舉了部分焊接煙塵中有害氣體對人體的危害［42］。

表3 焊接煙塵中的有害氣體及危害［42］Table 3 Harmful gases and hazards in welding fumes［42］

3 焊接煙塵的防護(hù)

為凈化焊接工作環(huán)境，保護(hù)從業(yè)人員的身體健康，需要從源頭減排、加強防護(hù)、技術(shù)創(chuàng)新多方面進(jìn)行綜合治理，以保證焊接產(chǎn)生的有害物質(zhì)濃度在容許濃度范圍內(nèi)，目前常見的治理措施主要有個人防護(hù)、焊接工藝及焊材的優(yōu)化、通風(fēng)排煙三種。

3.1 個人防護(hù)

焊接煙塵的個人防護(hù)措施主要是通過佩戴通風(fēng)除塵面罩及口罩等呼吸保護(hù)設(shè)備來減少焊接煙塵對焊接工作者身體的傷害。圖2為口罩對不同粒徑煙塵顆粒的4種過濾機理。（1）重力效應(yīng)：含有粉塵顆粒物的空氣通過濾材纖維層時，在顆粒自身重力作用下產(chǎn)生偏離氣流方向的位移，從而沉積在濾材上。一般針對尺寸大于1 μm的粉塵顆粒物，更小尺寸的顆粒物因重力作用相比于氣體流速等因素可忽略不計，基本無過濾效果。（2）攔截效應(yīng)：過濾材料中的纖維之間互相堆疊呈無規(guī)則排列且相互糾纏，當(dāng)空氣中高速運動的煙塵顆粒物進(jìn)入纖維材料內(nèi)部時，與纖維表面相接觸并黏結(jié)在過濾材料的纖維表面，從而實現(xiàn)對顆粒的有效攔截。（3）慣性效應(yīng)：由于氣流在穿過整個濾材時會頻繁地改變方向進(jìn)行繞流，煙塵顆粒在慣性力的作用下脫離流線撞擊到纖維表面而沉積下來。特別是粒徑為0.5～1.0 μm的煙塵顆粒，主要是通過慣性效應(yīng)進(jìn)行攔截。（4）擴散效應(yīng)：常溫粒徑小于0.1 μm的顆粒，主要作布朗運動，且越小越容易被除去；大于0.5 μm的顆粒主要作慣性運動，越大越容易被除去；0.1～0.5 μm之間的顆粒，擴散和慣性效果都不明顯，較難除去［43］。

圖2 口罩過濾機理示意Fig.2 Schematic diagram of the filtering mechanism of masks

在焊接過程中，煙塵顆粒粒徑的產(chǎn)生范圍約為10-3～102μm 5個數(shù)量級，其中0.1～0.5 μm數(shù)量級的煙塵顆粒為最具穿透性，目前尚沒有哪一種口罩能對所有粒徑的煙塵顆粒均達(dá)到理想的過濾效果，同時目前個人防護(hù)設(shè)備對有毒氣體的防護(hù)效果較差，不能僅靠個人防護(hù)做到有毒氣體的防治。

3.2 焊接工藝及焊材的優(yōu)化

優(yōu)化焊接工藝及焊接材料主要是指通過降低焊接煙塵的產(chǎn)生速率和煙塵中有毒物質(zhì)含量來治理煙塵。影響焊接發(fā)塵量的因素眾多，目前國內(nèi)外對焊接發(fā)塵量的研究主要集中在兩方面：一是研究不同焊接方法及工藝參數(shù)對發(fā)塵量的影響，二是研究焊絲、藥皮及保護(hù)氣的成分對發(fā)塵量的影響［44］。

3.2.1 焊接工藝對發(fā)塵量的影響

不同焊接方法的發(fā)塵量不同，相同工藝參數(shù)下，熔化極氣體保護(hù)焊的發(fā)塵率遠(yuǎn)高于非熔化極氣體保護(hù)焊，而埋弧焊產(chǎn)生的煙塵極少［45］。相同規(guī)范下，不同焊接方法的發(fā)塵量如表4所示［46］。一般來說，相同焊接方法下，隨著焊接電流與電壓的增大，發(fā)塵量增大［47］。交流焊接比直流焊接發(fā)塵量大［48］，隨著焊接速度的增大，發(fā)塵量降低［49-50］。

表4 不同焊接方法的產(chǎn)塵率［47］Table 4 Dust generation rate of different welding methods[47]

由于藥芯焊絲焊接、焊條電弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊的發(fā)塵量大，對焊工及環(huán)境造成了嚴(yán)重影響，因此成為國內(nèi)外研究者的重點關(guān)注對象。蘭州理工大學(xué)石玗［51］等人對不同工藝參數(shù)下自保護(hù)藥芯焊絲焊接的發(fā)塵量進(jìn)行了相關(guān)研究，在小規(guī)范焊接時，短路過渡和渣柱過渡由于飛濺增多，發(fā)塵量明顯增大；在大規(guī)范焊接時，由于熱輸入增大，使熔滴和母材受熱蒸發(fā)的速率加快，發(fā)塵量增加，此時熔滴過渡模式對發(fā)塵量的影響不大。這一結(jié)果在張軍強［52］關(guān)于自保護(hù)藥芯焊絲煙塵產(chǎn)生機理的研究中也得到了驗證，即在飛濺煙塵區(qū)、熔滴煙塵區(qū)產(chǎn)生聚集性煙塵，會大大增加煙塵總量。

Yamamoto［53-54］等人在采用藥芯含量為26%的藥芯焊絲焊接時，使用CO2作為保護(hù)氣，隨著焊接電流的增大，焊接發(fā)塵量逐漸減小。同時作者利用脈沖電流控制熔滴的方法，開發(fā)了一種先進(jìn)的純二氧化碳?xì)怏w保護(hù)電弧焊接工藝，通過使用脈沖電流，采用大電流熔化焊絲，在熔滴過渡時減小電流，以保證熔滴能夠以恒定尺寸平滑地過渡到熔池中，實現(xiàn)了金屬熔滴的定期形成和分離，通過該方法可以將發(fā)塵量降低50%。Scotti［55］通過控制變量法研究了弧長、熔滴直徑、短路電流對GMAW發(fā)塵量的影響，結(jié)果表明在短路過渡時，熔滴直徑、短路電流、弧長單一因素的增加均會導(dǎo)致發(fā)塵量的增加，較高的短路電流會使得熔滴進(jìn)入熔池過程中液橋表面金屬蒸發(fā)更加劇烈，進(jìn)而增大發(fā)塵量，當(dāng)它們共同作用時，發(fā)塵量的增加更加明顯。

湖北工業(yè)大學(xué)卜智翔［56］等人以實心焊絲的CO2氣體保護(hù)焊為研究對象，采用焊接電流、焊接電壓和焊接速度為實驗的三因素，以焊接發(fā)塵率和發(fā)塵量為實驗指標(biāo)，進(jìn)行了正交試驗。通過對正交試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和極差分析，結(jié)果表明焊接煙塵形成速率的主要影響因素是焊接電流和焊接電壓，焊接速度對焊接煙塵形成速率影響不顯著；當(dāng)焊接電壓為22～24 V，焊接電流為290～320 A，焊接速度為26 cm/min時，焊接發(fā)塵量最低。

焊接煙塵發(fā)塵量不僅與填充材料有關(guān)，還與保護(hù)氣體的成分密切相關(guān)。K.R.Carpenter等人［57］在GMAW的保護(hù)氣中加入O2與CO2，研究發(fā)現(xiàn)在二元Ar-CO2混合物中加入2%的O2對發(fā)塵率沒有影響。當(dāng)三元混合物中O2增加時，發(fā)塵率在5%CO2水平下增加，而在12%CO2水平中發(fā)塵率沒有明顯增加。因此改變混合氣體中CO2的添加量可以控制發(fā)塵量［58］。北京工業(yè)大學(xué)栗卓新團隊［59］對不銹鋼焊接煙塵中的Cr（Ⅵ）含量進(jìn)行研究，結(jié)果表明：氣保焊接過程中保護(hù)氣體的氧化性越強，煙塵Cr（Ⅵ）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，當(dāng)MAG電流在150～250 A時，Cr（Ⅵ）隨著電流增大而增多，GMAW焊接不銹鋼時，短路過渡比射流過渡煙塵中Cr（Ⅵ）占總Cr的質(zhì)量比高。Vishal Vats在2022 IIW第八委員會中期會議的報告指出，在GMAW保護(hù)氣中加入氧氣，對Cr3+、Cr6+的生成有促進(jìn)作用，同時也會導(dǎo)致煙塵中Mn、Fe、Ni有害元素的增加。

上述研究表明焊接發(fā)塵量與焊接工藝參數(shù)相關(guān)，可以通過選擇有利于健康和環(huán)境的工藝參數(shù)來控制發(fā)塵量。但焊接工藝與焊接質(zhì)量之間存在耦合作用，以犧牲焊接質(zhì)量及效率為代價，達(dá)到減少焊接煙塵的目的，在實際應(yīng)用過程中存在較大的局限性。隨著高效焊接方法（雙絲/多絲焊、激光-電弧復(fù)合焊）在工程領(lǐng)域大量的應(yīng)用，其焊接規(guī)范要求更高，使得焊接煙塵的治理變得更加困難。

3.2.2 焊材對發(fā)塵量的影響

焊接過程中焊材受高溫作用產(chǎn)生的金屬氧化物夾雜著各種致癌物，操作人員過量吸入會誘發(fā)多種疾病。因此通過開發(fā)綠色焊材，可以從源頭有效控制煙塵的有害成分。國內(nèi)外對于綠色焊材的研究主要集中在三個方面：（1）通過改變藥皮成分，降低材料的發(fā)塵量；（2）減少焊接過程中煙塵重金屬元素的含量；（3）通過焊材去合金化治理焊接煙塵。

對于焊條來說，其藥皮成分、藥粉的化學(xué)組成及焊絲鋼帶對發(fā)塵量都有影響，影響因素較為復(fù)雜。焊條藥皮中起發(fā)塵作用的主要是螢石和水玻璃，其反應(yīng)產(chǎn)物占總煙塵量的50%以上，含K、Na元素的物質(zhì)均會增大發(fā)塵量，硅鈣合金和鎂粉可以抑制產(chǎn)塵量［60-61］。對于藥芯焊絲，北京工業(yè)大學(xué)的蔣建敏［62-63］等人研究發(fā)現(xiàn)，降低鐵粉在藥芯中的含量能夠使焊接過程中的發(fā)塵量降低33%～47%。Mruc‐zek M F［64］報告指出，國外某焊材制造商開發(fā)出了一種低錳含量的藥芯焊絲，能夠有效降低煙塵中Mn的含量，但會導(dǎo)致焊縫機械性能變差。North T H［65］通過將含有Mn的復(fù)合顆粒加入到藥芯中，防止Mn的氧化，讓更多的Mn留在焊縫中，可以顯著減少煙塵中Mn元素的含量。Dennis J H等人［66］在藥芯焊絲中添加活性元素（Zn、Al、Mg），通過讓活性元素優(yōu)先氧化，可以顯著減少焊接煙塵中Cr6+的含量。但是在不銹鋼焊絲中添加Zn，雖然減少了煙塵中Cr含量，但是卻加快了煙塵的形成速率。Mortazavi S B等人［67］通過減少焊材中K元素的含量，增加Li元素的含量，通過Li來還原鉻酸鉀以降低煙塵中Cr6+的含量。此外，Topham N等人研究表明［68］，降低奧氏體不銹鋼焊材中Na和K含量，在保護(hù)氣體中添加30%四乙基硅烷（TEOS），均可降低不銹鋼焊接煙塵中Cr（Ⅵ）含量。

為了降低焊接煙塵中有害成分的影響而采用焊材去合金化的方法往往與焊接結(jié)構(gòu)所需的力學(xué)性能和耐蝕、耐磨性能等要求相矛盾。目前所使用的母材合金化程度非常高，從低碳鋼到低合金鋼，再到高熵合金，合金化程度越來越高，同時在焊接材料（基材+焊絲）中添加Mn、Cr、Ni、Mo、Co等合金元素可有效地提升焊接構(gòu)件的力學(xué)性能和耐蝕性能，增加服役壽命的同時擴寬金屬材料的應(yīng)用領(lǐng)域，所以通過焊材去合金化來治理煙塵在實際生產(chǎn)中往往不能被接受。

3.3 通風(fēng)排煙

通風(fēng)排煙是目前生產(chǎn)中最有效的治理手段，主要包含兩類治理方法：一類是通過在焊接工位上加裝局部抽排煙裝置或使用吸煙焊槍，控制焊接煙塵和有害氣體進(jìn)一步擴散，從源頭進(jìn)行治理；另一類是通過廠房全面通風(fēng)及置換通風(fēng)來改善焊接車間的工作環(huán)境。

3.3.1 局部抽排煙

目前主流的局部抽排煙方式主要有吸煙焊槍和局部通風(fēng)除塵兩種方式。

吸煙焊槍的原理如圖3所示［69］，煙塵會被吸煙口產(chǎn)生的吸力捕捉，從而避免擴散污染環(huán)境，與其他局部處理設(shè)備相比，吸煙焊槍可以隨時改變焊槍的位置與角度，焊工操作受限小。

圖3 吸煙焊槍示意［69］Fig.3 Schematic diagram of a smoking torch［69］

局部通風(fēng)是指利用專業(yè)的吸塵罩直接從焊接作業(yè)區(qū)吸走焊接煙塵氣體，將收集到的煙塵經(jīng)過降塵處理后再排至室外，其原理如圖4所示［70］。

圖4 局部通風(fēng)機示意［70］Fig.4 Schematic diagram of local ventilator［70］

相關(guān)研究表明，局部通風(fēng)除塵的效率優(yōu)于全面通風(fēng)［71］。Flynn M R對比分析了局部通風(fēng)除塵系統(tǒng)在室內(nèi)無通風(fēng)、自然風(fēng)及機械通風(fēng)三種狀態(tài)下的除塵效果，結(jié)果表明風(fēng)扇配合局部通風(fēng)除塵系統(tǒng)的除塵效率最高［72-73］。Meeker J D［74-75］采用某種商用局部通風(fēng)除塵設(shè)備進(jìn)行實驗發(fā)現(xiàn)，采用局部通風(fēng)除塵設(shè)備后，空氣煙塵中Mn濃度下降25%，顆粒物濃度下降40%，Cr6+濃度降低了68%。

由此可見，局部通風(fēng)除塵是一種十分有效的通風(fēng)方法。但局部抽排煙設(shè)備僅適合小尺寸工件的焊接，在重型結(jié)構(gòu)件焊接車間的應(yīng)用中局限性較大，因為重型結(jié)構(gòu)件在焊接過程中工位是移動的，煙塵點不斷變化，使用局部除塵難以兼顧整體空間。

3.3.2 全面通風(fēng)及置換通風(fēng)

全面通風(fēng)也叫稀釋通風(fēng)，是指通過門、窗、房頂將室內(nèi)被污染的空氣用清潔空氣進(jìn)行稀釋，從而降低室內(nèi)空氣中有害物質(zhì)的濃度，以保證室內(nèi)空氣環(huán)境符合空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其原理如圖5所示［76］。全面通風(fēng)僅適用于有害物質(zhì)濃度較低的環(huán)境，一般作為局部通風(fēng)除塵的輔助方式。

圖5 全面通風(fēng)原理［76］Fig.5 Schematic diagram of general ventilation［76］

C.E.Feigley等［77］對計算稀釋通風(fēng)風(fēng)量公式中的安全系數(shù)K進(jìn)行了研究和討論，并基于實驗測量值提出了更為客觀的混合系數(shù)Km。劉思燕等［78］對某機械制造廠焊接車間屋頂機械通風(fēng)治理前后車間內(nèi)的化學(xué)性危害因素的濃度進(jìn)行了檢測及評價。通風(fēng)治理后車間空氣中錳及其化合物、電焊煙塵、臭氧、一氧化碳、氮氧化物含量均有所下降，其中以錳及其化合物的效果最好，濃度降低了82%。

置換通風(fēng)是在全面通風(fēng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，原理如圖6所示［79］。由于焊接過程存在固有熱源，會使得焊接車間存在穩(wěn)定的溫度梯度，將較低風(fēng)速、較低溫差（Δt=2～4℃）的新鮮空氣直接送入室內(nèi)工作區(qū)，此時溫度較低的空氣會在重力作用下先向下走，隨后慢慢擴散在地面上形成一層新鮮空氣層，隨著溫度的上升而上浮，并不斷帶走被污染的空氣，再加上新風(fēng)通過風(fēng)筒不斷地送入室內(nèi)，車間上方的回風(fēng)口不斷地抽吸室內(nèi)的空氣，在多重作用下，工作區(qū)域地面上方的新鮮空氣緩緩向上移動，最終形成了類似于向上均勻流動的氣流，工作區(qū)域污濁的空氣逐步被后續(xù)新鮮的空氣所取代，達(dá)到凈化車間空氣的目的。

圖6 置換通風(fēng)送風(fēng)原理Fig.6 Schematic diagram of displacement ventilation

置換通風(fēng)除塵方式不僅節(jié)約了能耗，且具有較高的凈化效率。R.Nienel等［80］研究了高大焊接廠房的置換通風(fēng)系統(tǒng)，通過研究焊接過程中形成的顆粒物在空間內(nèi)的分布情況，指出在廠房下部人員活動區(qū)域的顆粒物濃度遠(yuǎn)小于廠房上部的顆粒物濃度，論證了置換通風(fēng)對排出焊接廠房內(nèi)顆粒物的高效性。目前對于置換通風(fēng)的研究主要是通過CFD數(shù)值模擬手段，對置換通風(fēng)氣流組織形式、送風(fēng)參數(shù)、出風(fēng)口位置不斷進(jìn)行優(yōu)化，提高通風(fēng)效率，為置換通風(fēng)的優(yōu)化設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

4 結(jié)論

（1）焊接煙塵的產(chǎn)生及危害由復(fù)雜的物理化學(xué)過程決定，其治理需要采用綜合性的手段。

（2）對焊接煙氣和其他危險因素的基本控制不能完全通過被動保護(hù)來實現(xiàn)。

（3）智能、自動化的焊接工藝和焊接工藝體系的創(chuàng)新，為實現(xiàn)綠色、高效焊接和清潔生產(chǎn)開辟了新的道路。