焊接煙塵檢測技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化研究

中圖分類號(hào)：TG442.3

Research on welding fume and gases determination technology and standardization

YANG Zijia，SHI Baicheng，HAO Runze，SHI Ji （Harbin Welding Institute Limited Company，Harbin 15O028，China）

Abstract：In order to standardize the laboratory method of sampling and analysis fume and gases generated in the welding process，GB/T 43905 \"Laboratory methods for sampling fume and gases in welding and allied processes\"series of standards are formulated. This paper introduces the scope of application and basic principle of the standard，as wellas the test results of thedetermination offume emision rate，soas to facilitate related enterprises to have a deeper understanding of the standard and the implementation of the standard.

Key words： welding fume; fume emission rate; determination technology； standardization

0 前言

焊接是我國“強(qiáng)基工程”與“智能制造”中的關(guān)鍵基礎(chǔ)工藝之一，國家的政策規(guī)劃中高度重視焊接制造技術(shù)：從大型構(gòu)件到微納電子元件、從海洋到空間、從民用產(chǎn)品到軍用裝備，都離不開焊接，焊接有力支撐國家規(guī)劃落地及“制造強(qiáng)國”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。在焊接過程中排放的金屬氧化物煙塵、 C0，CO₂?NO?NO₂?O₃ 等，對(duì)環(huán)境及焊接人員健康安全具有重要的影響。焊接煙塵與氣體的排放不僅關(guān)系到環(huán)境保護(hù)問題，也關(guān)系到焊接技術(shù)能否實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要問題。

在雙碳背景下，焊接行業(yè)面臨著艱巨的碳減排壓力，然而，中國在焊接煙塵和氣體收集、檢測方面的研究還不夠深人，也沒有形成標(biāo)準(zhǔn)，無法針對(duì)焊接制造過程中生成的焊接煙塵和氣體進(jìn)行定量化評(píng)估，也無法指導(dǎo)綠色焊接技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用，進(jìn)而對(duì)焊接碳排放控制缺少科學(xué)依據(jù)。因此，開展焊接過程中煙塵和氣體的測定方法系列標(biāo)準(zhǔn)研究，對(duì)實(shí)現(xiàn)綠色焊接制造，對(duì)焊接碳排放科學(xué)管理具有重要意義。

國內(nèi)外專家對(duì)焊接煙塵和氣體的產(chǎn)生機(jī)理、影響因素及控制措施的研究取得了不同進(jìn)展，世界各國對(duì)控制焊接煙塵相當(dāng)重視，國際焊接學(xué)會(huì)（IIW）在原有的健康與安全委員會(huì)的基礎(chǔ)之上，又增設(shè)了環(huán)境委員會(huì)，制定了相應(yīng)的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)來保護(hù)勞動(dòng)者的身體健康。

焊接煙塵主要由煙塵顆粒與氣體構(gòu)成，約 90% 的煙塵來自焊接材料，僅有一小部分來自母材。焊接煙塵中有害成分的類型和濃度取決于焊接材料和工藝[1]。手工電弧焊（MMA）與藥芯焊絲電弧焊（FCAW）產(chǎn)生的煙塵大部分來自焊條藥皮與藥芯焊絲，小部分來自形成焊縫的熔敷金屬。氣體保護(hù)焊接（保護(hù)氣體CO₂、Ar、CO₂+Ar 混合氣體），焊接時(shí)排出的有害氣體和物質(zhì)主要有：N 10，NO₂，O₃ 、CO、氟化物和氯化物等。

國內(nèi)外針對(duì)GMAW焊接材料對(duì)焊接煙塵形成的影響做了大量的研究，主要包括焊接材料對(duì)發(fā)塵率的影響、焊接煙塵的微觀形貌、成分和形成機(jī)理以及數(shù)值模擬分析等四個(gè)方面，通過研究焊接材料與焊接煙塵形成的關(guān)系，有助于深入了解焊接煙塵生成機(jī)理，并為研制環(huán)境友好型焊接材料奠定理論基礎(chǔ)。

國內(nèi)以北京工業(yè)大學(xué)、蘭州理工大學(xué)為代表一些高校針對(duì)焊條和藥芯焊絲焊接煙塵的收集、產(chǎn)生機(jī)理和控制措施開展了一定的探索性研究。

針對(duì)焊接和相關(guān)工藝中煙塵和氣體取樣的實(shí)驗(yàn)室方法，全國焊接標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)組織制定了GB/T43905《焊接和相關(guān)工藝中煙塵和氣體取樣的實(shí)驗(yàn)室方法》系列標(biāo)準(zhǔn)，已于2024年4月發(fā)布，6月正式實(shí)施。在標(biāo)準(zhǔn)制定過程中，開展了焊接煙塵排放速率的檢測技術(shù)研究，標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的試驗(yàn)方法具有可行性和重復(fù)性。焊接及相關(guān)工藝生成的煙塵和氣體對(duì)人體健康有害。有關(guān)煙塵和氣體的成分、排放速率的資料能夠幫助職業(yè)衛(wèi)生專業(yè)人員評(píng)估工人的接觸情況，進(jìn)而確定適當(dāng)?shù)目刂拼胧?/p>

1 標(biāo)準(zhǔn)化研究

GB/T43905《焊接及相關(guān)工藝中煙塵和氣體取樣的實(shí)驗(yàn)室方法》對(duì)煙塵和氣體的實(shí)驗(yàn)室取樣和分析方法進(jìn)行了規(guī)范化，有利于對(duì)不同工藝方法生成的煙塵和氣體進(jìn)行評(píng)估。GB/T43905是通用性基礎(chǔ)方法標(biāo)準(zhǔn)，由六個(gè)部分構(gòu)成，分別是GB/T43905.1—2024《焊接及相關(guān)工藝中煙塵和氣體取樣的實(shí)驗(yàn)室方法第1部分：電弧焊中煙塵排放速率的測定和分析用煙塵的收集》[2]、GB/T43905.2—2024《焊接及相關(guān)工藝中煙塵和氣體取樣的實(shí)驗(yàn)室方法；第2部分：電弧焊、切割及氣刨中一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮、二氧化氮排放速率的測定》[3]、GB/T43905.3—2024《焊接及相關(guān)工藝中煙塵和氣體取樣的實(shí)驗(yàn)室方法；第3部分：電弧焊中臭氧排放速率的測定》4、GB/T43905.4—2024《焊接及相關(guān)工藝中煙塵和氣體取樣的實(shí)驗(yàn)室方法；第4部分：焊接材料焊接煙塵排放限值》[5]GB/T43905.5—2024《焊接及相關(guān)工藝中煙塵和氣體取樣的實(shí)驗(yàn)室方法；第5部分：基于熱解-氣相色譜-質(zhì)譜法的焊接或切割中有機(jī)材料熱降解物的識(shí)別》°和GB/T43905.6—2024《焊接及相關(guān)工藝中煙塵和氣體取樣的實(shí)驗(yàn)室方法；第6部分：電阻點(diǎn)焊中煙塵和氣體的定量化測定》

1.1 GB/T43905.1—2024標(biāo)準(zhǔn)情況介紹

GB/T43905.1—2024《焊接及相關(guān)工藝中煙塵和氣體取樣的實(shí)驗(yàn)室方法第1部分：電弧焊中煙塵排放速率的測定和分析用煙塵的收集》修改采用ISO15011-1：20O9，Health and safety in welding and allied proces-ses—Laboratory method for sampling fume and gases—Part1：Determination of fume emission rate during arc weldingand collection of fume for analysis[8]，描述了測定電弧焊過程中煙塵排放速率以及收集后續(xù)分析用樣品的實(shí)驗(yàn)室方法，規(guī)定了儀器設(shè)備、材料、試驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理和試驗(yàn)報(bào)告等要求，適用于除鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊以外的所有明弧焊煙塵排放速率的實(shí)驗(yàn)室方法測定。

采用手工或自動(dòng)化的焊條電弧焊方法，或者自動(dòng)化連續(xù)送絲的電弧焊方法，在一個(gè)可持續(xù)抽取的半封閉試驗(yàn)艙內(nèi)的試件上進(jìn)行焊接，使用已稱量過質(zhì)量的濾紙收集煙塵，并記錄燃弧時(shí)間（s），焊接后再次稱量濾紙的質(zhì)量，計(jì)算前后質(zhì)量的差值即得到煙塵質(zhì)量（mg）。用收集的煙塵質(zhì)量除以燃弧時(shí)間計(jì)算得出煙塵排放速率（ mg/s ）。

1.2 GB/T43905.2—2024標(biāo)準(zhǔn)情況介紹

GB/T43905.2—2024《焊接及相關(guān)工藝中煙塵和氣體取樣的實(shí)驗(yàn)室方法第2部分：電弧焊、切割及氣刨中一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮、二氧化氮排放速率的測定》修改采用 ISO15011-2：2009，Healthand safetyin welding and allied processes—Laboratory method forsampling fume and gases—Part 2： Determination of theemission rates ofcarbon monoxide（CO），carbon dioxide（ CO₂ ），nitrogen monoxide（NO）and nitrogen dioxide（ NO₂ ） during arc welding，cutting and gouging[9]，描述了測定電弧焊、切割及氣刨過程中生成的一氧化碳（CO）、二氧化碳（ CO₂ ）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（ NO₂ ）等排放速率的實(shí)驗(yàn)室方法，規(guī)定了儀器設(shè)備、材料、試驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理和試驗(yàn)報(bào)告，適用于所有的明弧焊、切割及氣刨過程中生成的氣體排放速率的實(shí)驗(yàn)室方法測定。

在一個(gè)可持續(xù)抽取的半封閉煙氣罩型試驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行電弧焊、切割或氣刨。測量采樣位置的氣體濃度L mL/m³ ）和通過煙氣罩的空氣流量（ ）。用采樣位置的氣體濃度乘以空氣流量計(jì)算得出氣體的排放速率 ?mL/min 。

1.3 GB/T43905.3-2024標(biāo)準(zhǔn)情況介紹

GB/T43905.3—2024《焊接及相關(guān)工藝中煙塵和氣體取樣的實(shí)驗(yàn)室方法第3部分：電弧焊中臭氧排放速率的測定》修改采用ISO15011-3：2009，Healthandsafetyin welding and allied processes—Laboratorymethodfor sampling fume and gases—Part 3：Determination ofozone emission rate during arc welding[10]，描述了測定電弧焊過程中臭氧排放速率的實(shí)驗(yàn)室方法，規(guī)定了儀器設(shè)備、材料、試驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理和試驗(yàn)報(bào)告，適用于氣體保護(hù)電弧焊，以及如藥芯焊絲自保護(hù)電弧焊等能在煙氣罩下自動(dòng)焊接的工藝過程中生成的臭氧排放速率的實(shí)驗(yàn)室方法測定。

在一個(gè)可持續(xù)抽取的半封閉的煙氣罩型試驗(yàn)艙內(nèi)的試件上進(jìn)行自動(dòng)電弧焊。測量煙氣罩內(nèi)固定采樣位置的臭氧濃度（ mL/m³ ）和通過煙氣罩的空氣流量（ m³/ min）。用固定測量點(diǎn)的臭氧濃度乘以空氣流量計(jì)算得出臭氧的排放速率（ mL/min ）。

1.4GB/T43905.4—2024標(biāo)準(zhǔn)情況介紹

GB/T43905.4—2024《焊接及相關(guān)工藝中煙塵和氣體取樣的實(shí)驗(yàn)室方法第4部分：焊接材料焊接煙塵排放限值》修改采用ISO15011-4：2017，Healthandsafetyin welding and allied processes—Laboratorymethodfor sampling fume and gases—Part 4： Fume data sheets[11]，描述了焊接材料焊接煙塵排放限值的編制方法，規(guī)定了測定煙塵排放速率及化學(xué)成分的程序、試驗(yàn)條件和試驗(yàn)報(bào)告，適用于非合金鋼、合金鋼和有色金屬的手工、半自動(dòng)或全自動(dòng)電弧焊連接或堆焊所用的全部焊接材料，焊接方法包括焊條電弧焊，實(shí)心焊絲、藥芯焊絲（包括非金屬粉型和金屬粉型）的氣體保護(hù)電弧焊以及藥芯焊絲自保護(hù)電弧焊。

按照GB/T43905.1測定出焊接材料的焊接煙塵排放速率，并收集的煙塵進(jìn)行化學(xué)成分分析。根據(jù)焊接材料類型確定出此類焊接材料焊接煙塵的典型主要組分和關(guān)鍵組分，通過GBZ2.1—2019《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值第1部分：化學(xué)有害因素》[12]，查詢出典型的主要組分和關(guān)鍵組分的職業(yè)接觸限值，之后計(jì)算出主要組分和關(guān)鍵組分焊接煙塵限值，最后根據(jù)GB/T43905.5的分類表，對(duì)此類焊接材料按照焊接煙塵進(jìn)行分類。

1.5GB/T43905.5—2024標(biāo)準(zhǔn)情況介紹

GB/T43905.5—2024《焊接及相關(guān)工藝中煙塵和氣體取樣的實(shí)驗(yàn)室方法第5部分：基于熱解-氣相色譜-質(zhì)譜法的焊接或切割中有機(jī)材料熱降解物的識(shí)別》修改采用 ISO 15011-5：2011，Health and safety inwelding and allied processes—Laboratory method for sam-plingfumeand gases-Part5：Identification of thermal-degradation products generated when welding or cuttingthrough products composed wholly or partly of organic ma-terialsusingpyrolysis-gaschromatography-massspectrome-try[13]，描述了在焊接、切割、預(yù)熱和矯正有涂層處理的金屬過程中生成的熱降解物的識(shí)別和半定量化測量的實(shí)驗(yàn)室方法，規(guī)定了程序、數(shù)據(jù)使用及試驗(yàn)報(bào)告，適用于全部或部分由有機(jī)材料組成的涂層在上述熱加工過程中受熱降解后生成的不明確產(chǎn)物組分識(shí)別和半定量化測量的實(shí)驗(yàn)室方法。

1.6 GB/T43905.6—2024標(biāo)準(zhǔn)情況介紹

GB/T43905.6—2024《焊接及相關(guān)工藝中煙塵和氣體取樣的實(shí)驗(yàn)室方法第6部分：電阻點(diǎn)焊中煙塵和氣體的定量化測定》修改采用ISO/TS15011-6：2012，Health and safety in welding and allied processes—Labo-ratorymethod for sampling fume and gases-Part 6：Procedure for quantitative determination of fume and gasesfrom resistance spot welding[14]，描述了為確定有/無涂層鋼板電阻點(diǎn)焊生成的煙塵和氣體排放率而測定每個(gè)電阻焊點(diǎn)污染物數(shù)量的實(shí)驗(yàn)室方法，規(guī)定了儀器設(shè)備、材料、試驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理、試驗(yàn)記錄和試驗(yàn)報(bào)告，適用于有/無涂層鋼板電阻點(diǎn)焊生成的煙塵和氣體排放率的實(shí)驗(yàn)室方法測定。

2 檢測技術(shù)研究

2.1 材料與方法

針對(duì)焊接煙塵排放速率開展了檢測技術(shù)研究，使用符合標(biāo)準(zhǔn)要求的自研試驗(yàn)艙，對(duì)焊條、實(shí)心焊絲和藥芯焊絲進(jìn)行焊接煙塵排放速率測定。

試驗(yàn)采用的母材為Q355B鋼板，尺寸為 300mm× 200mm×20mm ，試驗(yàn)焊接前進(jìn)行打磨，去掉表面的銹跡、油污等雜質(zhì)。選取8種焊材進(jìn)行試驗(yàn)，型號(hào)分別為E4303、E5015、E308L - 16、G69A3UM21Z、G78A3UM21Z、T492T1-1C1A、TS308L-FC11、TS316L-FC11，各類焊材的焊接工藝參數(shù)，見表1。

通過試驗(yàn)室自主研發(fā)的焊接煙塵捕集系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，該裝置滿足GB/T43905.1—2024《焊接及相關(guān)工藝中煙塵和氣體取樣的實(shí)驗(yàn)室方法第1部分：電弧焊中煙塵排放速率的測定和分析用煙塵的收集》中的試驗(yàn)要求，測定其排放速率，焊接煙塵捕集系統(tǒng)試驗(yàn)艙如圖1所示。每種焊材分別進(jìn)行5次焊接試驗(yàn)，每次燃弧時(shí)間持續(xù) 50s ，開動(dòng)抽氣泵，通過大小椎體之間的濾紙收集焊接煙塵，根據(jù)濾紙的質(zhì)量差得出試驗(yàn)過程中的焊接煙塵質(zhì)量，計(jì)算焊接煙塵排放速率 F_s ，即單位時(shí)間內(nèi)焊接煙塵排放的質(zhì)量。 F_s 計(jì)算公式如式（1）所示

式中： F_s 為焊接煙塵排放速率； 為濾紙集塵前后的質(zhì)量差； χ_t 為焊接時(shí)間。

2.2 檢測結(jié)果

焊接煙塵排放速率 F_s 和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（relativestandarddeviation，RSD）結(jié)果見表2。焊接煙塵排放速率試驗(yàn)方法的RSD低于 10% ，具有良好的再現(xiàn)性。在標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行過程中，應(yīng)注意煙塵測定及收集設(shè)備、參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化。

3 思考與展望

（1）本系列標(biāo)準(zhǔn)的制定規(guī)范了焊接及相關(guān)工藝中煙塵和氣體取樣的實(shí)驗(yàn)室方法，為后續(xù)開展相應(yīng)研究提供了標(biāo)準(zhǔn)支撐。（2）按照GB/T43905.1—2024《焊接及相關(guān)工藝中煙塵和氣體取樣的實(shí)驗(yàn)室方法第1部分：電弧焊中煙塵排放速率的測定和分析用煙塵的收集》開展測定焊接煙塵排放速率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果RSD低于 10% ，具有良好的再現(xiàn)性。（3）采用統(tǒng)一合適的試驗(yàn)條件，基于本系列標(biāo)準(zhǔn)能夠建立不同焊接材料不同焊接參數(shù)下焊接煙塵排放速率、化學(xué)成分和氣體排放速率的數(shù)據(jù)庫。

參考文獻(xiàn)

[1］卜智翔，鮑升凱，王立世，等.熔化極氣體保護(hù)焊發(fā)塵率研究進(jìn)展[J].焊接，2016（7）：17-21.

[2]GB/T43905.1—2024，焊接及相關(guān)工藝中煙塵和氣體取樣的實(shí)驗(yàn)室方法第1部分：電弧焊中煙塵排放速率的測定和分析用煙塵的收集［S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2024.

[3]GB/T43905.2—2024，焊接及相關(guān)工藝中煙塵和氣體取樣的實(shí)驗(yàn)室方法第2部分：電弧焊、切割及氣刨中一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮、二氧化氮排放速率的測定[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2024.

[4] GB/T43905.3—2024，焊接及相關(guān)工藝中煙塵和氣體取樣的實(shí)驗(yàn)室方法第3部分：電弧焊中臭氧排放速率的測定[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2024.

[5]GB/T43905.4—2024，焊接及相關(guān)工藝中煙塵和氣體取樣的實(shí)驗(yàn)室方法第4部分：焊接材料焊接煙塵排放限值[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2024.

[6] GB/T43905.5—2024，焊接及相關(guān)工藝中煙塵和氣體取樣的實(shí)驗(yàn)室方法第5部分：基于熱解-氣相色譜－質(zhì)譜法的焊接或切割中有機(jī)材料熱降解物的識(shí)別[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2024.

[7]GB/T43905.6—2024，焊接及相關(guān)工藝中煙塵和氣體取樣的實(shí)驗(yàn)室方法第6部分：電阻點(diǎn)焊中煙塵和氣體的定量化測定[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2024.

[8]ISO 15011-1：2009，Health and safety in welding and alliedprocesses—Laboratory method for sampling fume and ga-ses——Part 1：Determination of fume emission rate during arcwelding and collection of fume for analysis[S]. Geneva：ISO，2009.

[9]ISO 15011 -2：2009，Health and safety in welding and alliedprocesses—Laboratory method for sampling fume and ga-ses—Part2：Determination of the emission rates of carbonmonoxide（CO），carbon dioxide（ CO₂ ），nitrogen monoxide（NO）and nitrogen dioxide （NO2） during arc welding，cut-ting and gouging[S]. Geneva：ISO，2009.

[10] ISO 15011 -3 ：20O9，Health and safety in welding and alliedprocesses——Laboratory method for sampling fume and ga-ses—Part 3：Determination of ozone emissionrate duringarcwelding[S].Geneva：ISO，2009.

[11] ISO 15011-4：2O17，Health and safety in welding and alliedprocesses—Laboratory method for sampling fume and ga-ses—Part4：Fumedata sheets[S].Geneva：ISO，2017.

[12] GBZ 2.1—2019《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值第1部分：化學(xué)有害因素》[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2019.

[13] ISO 15011 -5：2011，Health and safety in welding and alliedprocesses—Laboratory method for sampling fume and ga-ses—Part5：Identification of thermal-degradation productsgenerated when welding or cutting through products com-posedwhollyor partly of organic materials using pyrolysis-gas chromatography-mass spectrometry[S].Geneva： ISO，2011.

[14] ISO/TS 15011 -6：2012，Health and safety in welding andallied processes—Laboratory method for sampling fume andgases—Part 6：Procedure for quantitative determination offume and gases from resistance spot welding[S].Geneva：ISO，2012.