焊接煙塵特征及職業(yè)危害對策研究

中國石油天然氣第一建設(shè)有限公司 袁恬 于成科 曲建濤｜文、圖

焊接作為接合金屬的一種方法，在設(shè)備制造行業(yè)發(fā)揮著舉足輕重的作用。但隨之帶來的就是粉塵、噪聲、弧光、高溫、電離輻射等危害因素。焊接作業(yè)時產(chǎn)生的大量煙塵不僅導(dǎo)致焊接作業(yè)環(huán)境空氣質(zhì)量不達標(biāo)，還會對焊接作業(yè)人員的職業(yè)健康造成一定的損害。

焊接煙塵的特點及我國現(xiàn)狀

在焊接作業(yè)過程中，焊接電弧會產(chǎn)生高溫，而母材及焊材會在這種高溫下發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生金屬氧化物、氟化物，氮氧化物以及氟化氫、臭氧等。焊接煙氣中的煙塵是一種十分復(fù)雜的物質(zhì)，主要由飛濺的熔融金屬液滴，金屬氧化物，以及一些來自母材、焊材和焊劑的物質(zhì)組成。其中發(fā)現(xiàn)的元素高達20 種以上，焊接煙塵中的有害物質(zhì)及有害氣體主要包含F(xiàn)e2O3、SiO2、MnO2、HF、NOx、CO、O3等。此外，焊接煙塵粒徑較?。ㄍǔＴ?μm 左右，呈碎片狀）且粘性大，再加上焊接煙塵溫度較高，焊接過程中發(fā)塵量較大。多種因素結(jié)合，嚴重危害焊接作業(yè)人員的健康。

我國焊接工藝技術(shù)與發(fā)達國家相比較，還處于相對落后的階段，產(chǎn)生的職業(yè)危害問題也相對嚴重，主要表現(xiàn)在我國焊接智能化、自動化、機械化程度較低。工業(yè)發(fā)達國家每年的焊條產(chǎn)量逐年降低，埋弧焊、氣體保護焊等（半）自動焊絲產(chǎn)量占80%。相對于我國由于受到技術(shù)條件的限制，焊接自動化水平大概占比30%。由此說明我國焊條（手工）電弧焊仍占有較大的比重，而焊條（手工）電弧焊產(chǎn)生的職業(yè)危害比自動焊、半自動焊嚴重。

根據(jù)國內(nèi)焊接現(xiàn)狀，本文就焊接煙塵為主要研究對象，針對裝備制造過程中常見的焊接種類，分析焊接特點其及產(chǎn)生焊接煙塵治理措施，并對防護對策進行研究。

焊接種類及煙塵處理

焊接煙塵的特征，取決于母材的材質(zhì)、焊接材料的成分、焊接工藝方法及參數(shù)，不同的焊接工藝產(chǎn)生煙塵的有害物質(zhì)、有害氣體、性質(zhì)與數(shù)量有很大的區(qū)別。針對裝備制造主要常用的幾種焊接方法及煙塵的特征，采取不同的治理方法。

焊條電弧焊

根據(jù)裝備制造行業(yè)的生產(chǎn)特點，焊條電弧焊（SMAW）是最常見、最普及的焊接方法，這種焊接方法利用焊條與焊件之間的電弧熱量熔化金屬進行焊接，也是產(chǎn)生焊接煙塵最大的 “貢獻者”。焊接時，焊條的藥皮在電弧高溫的作用下熔融，由于藥皮所具有的氣保護功能，其中的穩(wěn)弧劑、還原劑等成分會在高溫作用下釋放大量的焊接煙塵，其中毒害最大的物質(zhì)是MnO2，占比7.5%，會導(dǎo)致作業(yè)人員錳中毒；Fe2O3、SiO2約占70%，會導(dǎo)致塵肺病。此外，焊接過程中還會釋放CO、 NOx、HF 等有毒有害氣體。

焊接工藝不同，選用焊條不同，藥皮成分不同，發(fā)塵量有所差別，產(chǎn)生的煙塵成分也存在一定的差異。常用的碳鋼焊條有E4303、E4315、E5015，以φ4.0E4303 焊條為例，其施焊時發(fā)塵率（FFR）為200 ～280 mg/min；焊接材料發(fā)塵量（FGR）為6 ～8 g/kg，該焊條主要用在非承壓件焊接或修補時使用。焊接設(shè)備時用的最多的焊條以φ4.0E5015 焊條為例，其施焊時發(fā)塵率（FFR）為350 ～450 mg/min；焊接材料發(fā)塵量（F G R）為11～16 g/kg。

采用焊條電弧焊時，可采取以下措施治理煙塵：整體廠房采取通風(fēng)擴散排放煙塵，若產(chǎn)生煙塵較大時，可采取分層送風(fēng)。當(dāng)設(shè)備較大且工位相對較固定, 可采用固定式焊煙凈化器。設(shè)備較小、工位移動范圍較小時可采取移動式焊煙凈化器。

埋弧焊

埋弧焊（SAW）是一種實心焊絲產(chǎn)生的電弧在焊劑下方燃燒進行焊接的方法，由于焊接時看不到弧光，所以是典型的隱弧焊，埋弧焊分為自動與半自動。以常用的氟堿型燒結(jié)焊劑SJ101 為例，主要成分可見表1，焊接過程中產(chǎn)生的煙塵主要含有MnO2、Fe2O3、SiO2、HF。焊絲焊劑的匹配要滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以φ4.0 焊絲為例，焊接時發(fā)塵率（FFR）（施焊時發(fā)塵率為10 ～40 mg/min）及焊接材料的發(fā)塵量（FGR）（0.1 ～0.3 g/kg）較低，產(chǎn)生的焊煙較少。此外，由于埋弧焊作業(yè)時人為干預(yù)較少，不僅降低了勞動強度，且操作者作業(yè)時在邊側(cè)操作，所以到焊接煙塵傷害的程度較小。由以上分析可知，埋弧焊機可配備固定式焊煙凈化器。

表1 SJ101焊劑成分（%）

二氧化碳氣體保護焊

二氧化碳氣體保護焊是將CO2作為電弧介質(zhì)進行焊接，主要分為CO2保護藥芯焊絲(FCAW)和CO2保護實心焊絲（GMAW）。

CO2氣體保護焊產(chǎn)生的煙塵主要成分為Fe2O3、MnO2、SiO2；產(chǎn)生的有害氣體主要為CO2、CO、NO2、O3等。其中，CO2是為了保護電弧和熔池從焊槍中噴出沒有用完而殘留在焊接的區(qū)域。

焊絲的直徑根據(jù)焊件厚度、施焊位置等要求選擇，現(xiàn)以φ1.6 的焊絲為例。實心焊絲施焊時發(fā)塵率（FFR）為450 ～650 mg/min、焊接材料的發(fā)塵量（FGR）為5 ～8 g/kg；藥芯焊絲施焊時的發(fā)塵率為700 ～900 mg/min、焊接材料的發(fā)塵量為7 ～10 g/kg。較焊條電弧焊相比，雖然焊接成本低、生產(chǎn)效率高、焊縫抗裂性能好等優(yōu)點，但煙塵量的產(chǎn)生量卻尤為明顯。

CO2氣體保護焊可采取全面通風(fēng)、局部排風(fēng)相結(jié)合的方式。以生產(chǎn)車間為單元，可采取機械通風(fēng)（軸流風(fēng)機強制通風(fēng)）或自然通風(fēng)，用清潔空氣將污濁的空氣置換至室外。對于局部區(qū)域相對固定的工位可采取集氣罩集中收集，利用除塵系統(tǒng)對其進行處理，將凈化后的空氣排出室外；對于焊接工位變動范圍不大時，可采用移動式焊接煙塵凈化器進行處理。

氬弧焊

氬弧焊（GTAW）是在電弧焊的周圍通上氬氣保護氣體將空氣隔離在焊區(qū)之外，防止焊區(qū)的氧化。

氬弧焊作業(yè)時，弧柱溫度高，紫外線輻射強度大，因此在焊接過程中會產(chǎn)生大量的臭氧和氧氮化物，尤其臭氧其濃度遠超出參考衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，而兩種有毒氣體同時存在比單一有毒氣體的危害作用高15 ～20 倍，這些有害氣體是氬弧焊最主要的有害因素。

氬弧焊焊接時產(chǎn)生的煙塵主要成分 有Fe2O3、SiO2、MnO2， 以φ1.6的實心焊絲為例，施焊時發(fā)塵率（FFR） 為100 ～200 mg/min、焊接材料的發(fā)塵量（FGR）為2～5 g/kg，與同為φ1.6 的二氧化碳氣體保護焊相比，煙塵的產(chǎn)生量小很多，對于氬弧焊作業(yè)應(yīng)同時對產(chǎn)生的有毒氣體進行防治。因此，作業(yè)時可采用移動式焊接煙塵凈化器對焊接煙塵進行處理，同時，必須保證焊接工位的局部通風(fēng)，以保證作業(yè)人員的健康。

等離子弧焊

等離子弧焊（PAW）是指利用等離子弧高能量密度束流作為焊接熱源的熔焊方法，是在鎢極氬弧焊的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是將自由鎢弧強化壓縮之后獲得電離度更高的電弧的焊接方法。等離子焊能量集中、生產(chǎn)率高、焊接速度快、應(yīng)力變形小、電弧穩(wěn)定適宜焊接薄板和箱材。形成等離子弧的氣體和它周圍的保護氣體一般用純氬，也有使用氦、氮、氬或其中兩者的混合氣體，因此等離子焊產(chǎn)生的煙塵與氬弧焊類似。

等離子弧焊接與切割過程中伴隨有大量汽化的金屬蒸氣、臭氧、氮氧化物等。尤其切割時，由于氣體流量大，可導(dǎo)致作業(yè)場地上的灰塵大量揚起，這些煙氣與灰塵的混合物對作業(yè)人員的呼吸道及肺部產(chǎn)生嚴重影響。因此切割時，在柵格工作臺下方還可以安置排風(fēng)裝置，也可以采取水中切割方法。

焊接煙塵職業(yè)危害防護對策

改進焊接工藝

由上述可知，焊條電弧焊在施焊過程中產(chǎn)生的煙塵量大，而在裝備制造中，非標(biāo)設(shè)備占有主要部分，目前來說焊條電弧焊占比很大。從本質(zhì)安全角度分析，提高焊接操作的自動化水平，利用焊接機器人或機械手代替人工操作，使操作人員原理焊接危害區(qū)域，就可以從根本上防治焊接煙塵對作業(yè)人員的危害。除埋弧自動焊之外，高頻焊、摩擦焊、電阻焊及電渣焊等焊接方式產(chǎn)的焊接煙塵較小，甚至基本不會產(chǎn)生煙塵，在工藝允許的情況下應(yīng)盡量使用這些焊接方法，以達到減少焊接煙塵的職業(yè)危害。此外，充分利用職業(yè)健康“三同時”原則，在設(shè)計容器、管道等產(chǎn)品結(jié)構(gòu)時，減少在封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)焊接，可利用單面焊、雙面成型等新工藝，降低作業(yè)人員在封閉空間或通風(fēng)較差的環(huán)境內(nèi)進行焊接作業(yè)的可能性，從設(shè)計源頭改善作業(yè)條件。

母材、焊接材料、工藝參數(shù)的不同,產(chǎn)生的焊接煙塵也不盡相同，其中焊接材料不僅會影響焊接發(fā)塵率，還決定了焊接煙塵的微觀形貌與成分。首先可以改進焊接的材料，在滿足結(jié)構(gòu)性能的前提下，盡量選用無毒或者低毒的焊接材料（例如酸性焊條），減少堿性焊條的使用量。其次，焊接煙塵的主要成分為Fe、Mn 和Si 等元素，工藝參數(shù)的改變不會影響焊接煙塵的組成元素，但對各元素的比例影響較大。焊接煙塵形成的速率主要與焊接的電壓與電流相關(guān)（焊接速度沒有明顯變化），焊接電壓、焊接電流、送絲速度中其中一種增加，都會引起發(fā)塵率的變化（先增加后減?。?。因此，在保證焊接質(zhì)量的前提下可采用利用較低的焊接電壓與電流。

改善通風(fēng)凈化措施

在焊接作業(yè)過程中，焊接煙塵在廠房內(nèi)形成上升的煙羽，煙羽隨著上升的高度不斷增加，在6 ～8 m 處橫向擴散成片狀，并在周邊彌散并懸浮停留，進而污染整個廠房。焊接煙塵的彌漫速度很快，在持續(xù)焊接不到60 s，顆粒物的濃度就能遠遠超過GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的濃度限值，焊接煙羽的擴張過程如圖1 所示。

圖1 焊接煙羽的擴張過程

焊接煙塵的治理通常會利用全面通風(fēng)、局部通風(fēng)、除塵凈化中的一種或幾種，其特點具體見表2。

表2 焊接煙塵的處理方法

全面通風(fēng)可采取屋頂風(fēng)機送風(fēng)或分層送風(fēng)的方式，全面通風(fēng)原理如圖2 所示。這種方法對于局部煙塵濃度降低效果不明顯，凈化效果不顯著。尤其是在冬季，采用全室通風(fēng)的同時還需考慮對送風(fēng)時的加熱問題。因此，全室通風(fēng)適合焊接件較大、工位不固定的情況，通常也可與局部通風(fēng)同時使用。

圖2 全面通風(fēng)除塵原理圖

局部通風(fēng)可分為送風(fēng)和抽排風(fēng)，如圖3 所示。局部抽排風(fēng)是目前通風(fēng)措施中效果比較好的，這種適用于焊接工位相對比較固定的作業(yè)環(huán)境，利用集氣罩將局部位置的有害氣體收集起來排出室外。對于非固定工位，可利用移動式集氣罩，但在容器等空氣不易流動的受限空間內(nèi)進行焊接時，必須采取局部吹風(fēng)、排風(fēng)等強制性機械通風(fēng)措施，可利用雙向孔口采用的一面吹風(fēng)，一面吸風(fēng)的排煙方式。

圖3 吹吸式通風(fēng)除塵示意圖

除塵凈化是利用高效過濾系統(tǒng)將捕捉的有害氣體及物質(zhì)進行凈化處理，再排出室外或排回室內(nèi)的方法，凈化原理可見圖4 所示。若與全面通風(fēng)與局部通風(fēng)相結(jié)合則能達到較好的除塵凈化效果，例如，移動式焊煙凈化器、整體式除塵凈化器等。除塵凈化裝置不僅對作業(yè)人員的職業(yè)健康有保障，對于排放室外的煙氣也能達到環(huán)保的要求。

圖4 凈化原理示意圖

加強個人防護措施

焊接作業(yè)人員長時間暴露在高濃度焊接煙塵的環(huán)境中，車間的空氣質(zhì)量難以保證作業(yè)人員的健康，因此個人防護是非常必要的一種保護手段。

加強焊接人員的個體防護首先要配備適用的勞動防護用品，除了焊接工作服、焊接手套、焊接面罩等常見的防護用品外，配備焊接煙塵及有毒氣體的防護用品，尤其是能同時防止這兩種危害的防塵毒口罩十分必要。根據(jù)AQ 4214—2011《焊接工藝防塵防毒技術(shù)規(guī)范》，不同的焊接場所應(yīng)配備符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的個體防護用品。焊接作業(yè)時，焊工應(yīng)配戴防塵毒口罩；在焊接濃度高的工況，應(yīng)采用電動送風(fēng)口罩；在有毒煙氣產(chǎn)生的作業(yè)環(huán)境時，應(yīng)穿戴高效面罩呼吸器或高效正壓帶有動力裝置的空氣凈化呼吸器等。此外，企業(yè)應(yīng)對職業(yè)健康與防護制定相關(guān)的管理規(guī)定及操作規(guī)程，定期對人工進行培訓(xùn)、督促員工正確佩戴和使用焊接職業(yè)防護用品；同時加強對勞動防護用品的管理，定期檢查換新，確保其性能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

焊接作業(yè)場所職業(yè)危害因素監(jiān)測與評估

根據(jù)環(huán)境“三同時”原則，在焊接廠房設(shè)計時，需對作業(yè)時會產(chǎn)生的焊接煙塵及有毒有害氣體進行量化預(yù)測和評估，以此為依據(jù)設(shè)計通風(fēng)管道分布、風(fēng)機的功率及除塵器的選擇；在投產(chǎn)后，需對作業(yè)場所的職業(yè)危害因素進行檢測，對空氣質(zhì)量是否符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)做出現(xiàn)狀環(huán)境影響評估；在正常的生產(chǎn)過程中，每年要定期或連續(xù)對固定焊接作業(yè)場所的職業(yè)危害因素進行監(jiān)測，在必要時對流動性焊接場所，尤其是空氣不易流動的有限空間內(nèi)焊接時進行檢測，保證危害因素濃度在允許的范圍內(nèi)，確保作業(yè)環(huán)境符合國家或行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

企業(yè)應(yīng)定期組織焊接作業(yè)接害崗位人員進行職業(yè)健康體檢，并建立接害人員職業(yè)健康監(jiān)護檔案，有針對性地進行檢查項目（例如心肺功能檢查、神經(jīng)系統(tǒng)檢查、DR-X 射線胸部后前位攝片等）。通過動態(tài)觀察接害人員健康變化，評價工作場所職業(yè)危害因素的控制效果。

結(jié)論

焊接作為一種接合金屬的方法，在工業(yè)之間廣泛應(yīng)用，隨之而來的就是焊接過程中產(chǎn)生的焊接煙塵及有毒有害氣體，這些物質(zhì)不僅影響焊接作業(yè)環(huán)境，還會對作業(yè)人員造成不可逆的身體損傷。本文分析了焊接煙塵的特點以及國內(nèi)外焊接作業(yè)的現(xiàn)狀，從裝備制造業(yè)常用的焊接類型及方法，分析其產(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)，并根據(jù)特點給出煙塵處理方法。焊接煙塵職業(yè)危害的防護對策可從以下幾個方面考慮：改變作業(yè)方式，提高焊接操作的自動化水平，使用半自動化、自動化、智能化設(shè)備代替手工焊，并采用焊煙產(chǎn)生較小的焊接方式；在保證焊接質(zhì)量的情況下，工藝使用“小電流參數(shù)”；通風(fēng)設(shè)施和除塵凈化裝置合理配合利用；根據(jù)作業(yè)環(huán)境，完善個人勞動防護用品的配備；加強作業(yè)現(xiàn)場職業(yè)危害因素監(jiān)測與評估，跟蹤焊接煙塵危害；通過定期職業(yè)健康體檢預(yù)防焊接煙塵職業(yè)危害。安