高速列車制造中焊接煙塵的治理

蔣超杰

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035）

0 前言

《高速列車科技發展“十二五”專項規劃》中提到，在“十三五”中高速列車的重點專項的任務之一是到2020年要“持續深化既有高速鐵路和高速列車節能環保技術體系”，目標是“使中國高速鐵路在能源利用效率、環境友好性和旅客服務品質等諸方面處于世界領先水平”，而綠色化是解決制造業日益嚴峻的資源和環境問題的重要手段，也是高速列車制造技術和制造模式未來發展的重要方向[1]。

1 焊接煙塵的性質

高速列車的車體從減輕自重等因素綜合考慮，其主要材料為鋁合金，焊接工藝是生產環節中的重要一步[2]。在焊接過程中因高溫電弧的作用，焊條與母材在高溫狀態下發生熔化、氣化，并會向四周擴散冷凝，被空氣氧化后，焊條端部及母材就會形成固體顆粒物[3-4]，這些固體顆粒物就是焊接煙塵，同時還伴有一定的有害氣體（NOx、CO、O3和 HF）的產生[5]。

焊接煙塵中的顆粒物按照粒徑大小可以分為：超細顆粒物（直徑0.01～0.1 μm）、細顆粒物（直徑0.1～2.5 μm）和粗顆粒物（直徑大于 2.5 μm）[6]。在測定了某些焊接車間內焊接煙塵粒子的直徑分布范圍后發現，煙塵總數50%以上都是粒徑小于0.2 μm顆粒物，且絕大多數煙塵微粒的粒徑小于1 μm。因此，整體來講，焊接煙塵中超細顆粒物和細顆粒物所占比例相當大[5]，而粒徑如此小的焊接煙塵懸浮在空氣中，特別是大量聚集在作業空間內時，如果沒有對其進行及時治理，則會對焊接操作人員的身體健康帶來很大危害，對生產作業環境也會造成一定的污染[1，5，7]。

焊接煙塵主要有懸浮性、凝聚性、磨損性、荷電性4個特性[5]，其治理的難度表現為[4]：①焊煙塵粒徑小，焊接工位的多變性使煙塵顆粒物的捕捉和濾除較為困難；②焊煙塵存在熱氣流滯留特性；③焊煙除塵設備投資大，運行費用高。

隨著大型焊接廠房的數量越來越多，尤其是國家高速列車的生產任務越來越緊，廠房空間內部也增加了更多的焊接作業點，焊接效率提高的同時單位時間內產生的煙塵量也會增加，這就加重了焊接煙塵污染；另外，較大廠房空間內較長的長寬距離也使焊接煙塵的通風治理路線變長、管理空間變大，這些客觀因素都增加了廠房治理焊接煙塵的難度[7]。

2 煙塵產生和擴散時的動態變化[8]

國內外科研人員針對焊接煙塵治理進行了一些研究，大部分是針對焊后煙塵的搜集與分析，即通過建立間接物理模型來分析焊接煙塵。但是關于煙塵產生和擴散時的動態變化過程，基于試驗的機理研究還較少。

張軍強等人通過采用高速攝像技術得到了高速變化的焊接煙塵影像，隨后研究焊接煙塵的產生過程，歸納了焊接煙塵產生的模型，在模型中將煙塵產生的區域分為焊接電弧外側區、飛濺煙塵區和熔滴區（見圖1）。焊接電弧外側區為均勻分布在焊接電弧周圍的中下部分區域，這個區域中產生的煙塵量較穩定，電弧區域越大（弧長越長），焊接煙塵產生量越大；飛濺煙塵區一般在電弧區外側形成，熔滴區分布在電弧上部外側區域，常常在短弧或排斥過渡時產生，飛濺煙塵區和熔滴區內多為聚集性煙塵；同時也指出，焊接煙塵形成時，一次粒子產生后在很短時間內就會發生凝并現象，以布朗凝結為主形成絮狀的氣溶膠，此過程同步發生煙塵的擴散流動，焊接煙塵也會在電弧形成的熱氣流下發生作用，整個過程如圖2所示。

圖1 焊接煙塵產生模型[8]

圖2 焊接煙塵擴散中的力學因素[8]

3 治理焊接煙塵的方式

3.1 直接治理方式

由以上分析可知，焊接煙塵中的顆粒物在生產作業時會在工作區域懸浮，也可以隨氣流運動，因此，治理焊接煙塵的一個最重要的方法就是對工作區域或者廠房進行合理有效的通風和捕捉，從而達到將焊接煙塵濃度降低到標準值及以下的目的。

通風凈化可分為自然通風凈化和機械通風凈化兩個方向，但是由于焊接施工車間工位實際情況復雜、焊接廠房空間體積大，加之環保要求越來越嚴格，單純使用自然通風凈化焊接煙塵明顯能力不足，因此目前多數企業主要采用機械通風凈化方式[5]。具體的通風系統可分為吸吹式通風系統、局部式通風系統、全局式通風系統和個體防護面罩，國外的焊接煙塵治理基本以全面通風為輔，局部通風為主為原則，大量的可移動局部通風裝置應用在焊接車間[9]。目前國內各地環保局也已經制定出規定企業使用局部可移動的處理焊接煙塵設備的計劃，這種將廠房內的焊接煙塵全面治理與局部精華相結合的方式，可以有效稀釋有害物質，并阻止污染物高濃度擴散。

周紅[4]等人在對電焊煙塵的擴散規律進行研究時發現：（1）對于密集作業點，在其他條件不變的情況下，當垂直方向的高度小于1 m時，煙塵濃度的減少量最大；當垂直方向的高度繼續上升到2 m時，煙塵濃度基本趨于平緩。（2）離地面越近，同一個截面上風速對煙塵濃度的影響越大，煙塵濃度減小量越大。

傅可新[3]等人對大連機車車輛有限公司的鋼結構分公司（簡稱分公司）進行了焊接煙塵的研究，發現分公司的焊接方法分為人工焊接和機器人焊接，由于焊接過程中需要使用保護氣體，大部分生產任務均在廠房內進行，進行生產作業時焊接會產生大量的彌漫在廠房內的煙塵，造成焊接煙塵污染。如果在現有客觀條件下對廠房進行整體改造，則會造成治理方案預算過高，同時其他配套設施也要隨之進行完善和管理，從低成本、高效率方面考慮并達到環保要求，設計的焊接煙塵治理方案最終確定為移動式焊接煙塵凈化裝置。具體的技術參數為：移動式煙塵凈化裝置為某公司的移動式高負壓焊接煙塵凈化裝置，高壓吸附、布袋過濾；過濾單元為滌綸針刺氈加PTFE腹膜，清灰方式為脈沖清灰；同時在廠房內進行整體通風，在最寒冷的時段使用保暖門簾并合理安裝暖風機。

3.2 其他治理方式

焊接屬高污染、高能耗工種，對其進行綠色性規劃，不僅可以從通風、捕捉、凈化過程入手，還可以從焊接工藝本身入手，即從源頭治理污染，可有效減少產品在焊接工藝中的資源消耗和環境影響。

張軍強[8]等人指出，在電弧區產生的均勻分布的煙塵是焊接煙塵的主體，在飛濺煙塵區、熔滴煙塵區產生的聚集性煙塵則會大大增加煙塵總量，因此，穩定的焊接過程和參數是控制焊接煙塵的主要措施之一，這就需要焊接工作者和焊接工藝設計工程師在工作中多多觀察，整理經驗。

張華[10]等人在具有時間T、質量Q、成本C、資源消耗R、環境影響E五個指標的綠色性焊接工藝規劃評價指標體系的基礎上，建立了一種組合運用熵權法和模糊評價法的模型，并用該模型分析了某單位焊條電弧焊、埋弧焊、CO2氣體保護焊及氬弧焊的工藝方案，結果顯示，CO2氣體保護焊的綜合評價值最大，即其綠色性最佳，而氬弧焊次之；實際的工作情況也顯示，若焊接過程中使用CO2氣體保護焊，廢料的產生量由32%降低到20%，能源利用率由63.2%提高到81.5%，能獲得較好的經濟效益和環境效益。

4 結論

高速列車車體制造焊接工藝產生的煙塵治理應結合車間工藝布置、設備情況和焊接操作工的焊接習慣等情況制定方案，不能脫離實際，影響正常的生產操作。治理方案的設計應充分考慮各種污染的治理方式，在保證處理效果的前提下，采用高效凈化設備，從而達到減少場地占用、節約投資和節約能源的目的。

參考文獻：

[1]張華，鄢威，江志剛.基于綠色制造的焊接工藝資源環境屬性研究[J].制造技術與機床，2012（12）：60-63.

[2]王元良，陳輝.高速列車鋁合金焊接的發展趨勢[J].電焊機，2010，40（10）：9-16.

[3]傅可新，蔡宏.廠房煙塵綜合治理[J].設備管理與維修，2017（16）：8-9.

[4]周紅，林大建，費振玲.電焊煙塵的擴散規律研究[J].江西理工大學學報，2017，38（5）：81-86.

[5]王漢青，李鋮駿，謝東，等.受限空間焊接煙塵通風凈化研究進展[J].湖南工業大學學報，2017，31（2）：1-8.

[6]NT Jenkins，TW Eagar.Fume formation from spatter oxidation during arc welding[J].Science and Technology of Welding and Joining，2005，10（5）：537-543.

[7]姜學鵬，劉堅，盧穎，等.超大焊接廠房自然通風方式模擬與對比研究[J].科學技術與工程，2017，17（22）：148-154.

[8]張軍強，任杰亮，薛銅輝，等.藥芯焊絲焊接煙塵的產生機理研究[J].熱加工工藝，2017，46（19）：188-191.

[9]栗卓新，王英杰，蔣旻.焊接煙塵的影響因素及凈化措施[J].機械工人，2006（8）：37-38，40.

[10]張華，馬達，肖明，等.基于組合評價方法的綠色性焊接工藝規劃評價研究[J].機械設計與制造，2010（12）：258-260.