鋁合金車身裝焊中的粉塵防爆治理

楊必勝

摘要：目前，中國汽車工廠設計的相關手冊和規范中沒有關于鋁合金粉塵防爆治理的明確規定。

關鍵詞：鋁合金車身裝焊粉塵防爆粉塵治理

汽車輕量化是汽車工業節能減排的重要手段，2006年歐、美、日的小汽車平均用鋁量已經達到127kg/輛。歐洲鋁協（EAA）預測，在2015年前，歐洲小汽車用鋁量將增至300kg/輛，如果采用鋁合金車身則比鋼制車身可減重40%。查詢相關資料可知，汽車質量每減輕10%，最多可實現節油8%;每使用1kg鋁，可使轎車全生命周期尾氣排放減少20kg。因此，車身輕量化必然會促進鋁合金在汽車車身上推廣應用。

1鋁鎂粉塵、鋁鎂合金粉塵爆炸的條件

鋁鎂合金粉塵爆炸所需要的條件如下。

1.1可燃性粉塵以適當的濃度在空氣中懸浮，其表面分子與空氣充分接觸，產生熱分解或干餾作用，成為氣體排放在粉塵粒子周圍，形成爆炸性混合物。

1.2充足的空氣和氧化劑。

2鋁合金車身裝焊的主要工藝及鋁鎂粉塵產生的工序

鋁合金車身采用的鋁合金為Al-Mg-Si系列合金，在我國該系列的鋁合金牌號為6000系列鋁合金。我國研發出來的車身用鋁合金板材牌號有6009、6010、6022、6061等。裝焊鋁合金車身過程中的主要工藝有電阻焊、CMT冷過渡焊接、鎢極氬弧焊、鉚接、沖連、打磨拋光等。

2.1鉚接、沖連

在這些加工過程中，鉚接、沖連產生的合金粉屑的粒度比較大，肉眼可見，也易清除，對比粉塵爆炸的先決條件，基本可以排除。

2.2電阻焊接

目前，鋁合金的電阻焊一般采用中頻或高頻電阻焊工藝，該種焊接工藝只在電極大小范圍內且在極短的時間內融化母材金屬而形成熔池，焊點迅速冷卻形成連接，產生鋁鎂粉塵的可能性極小。產生的焊接煙塵大多是金屬表面的氧化物顆粒和表面雜質的氧化物顆粒。焊接過程中都配有工位局部排風，能及時將這些顆粒通過風筒排到大氣中，基本不會產生鋁鎂粉塵的沉積。

2.3CMT冷過渡焊接和氬弧焊

這兩種焊接工藝，由于有不活潑氣體的保護，其融化金屬在高溫下與氧氣的接觸不充分，在電弧的射流作用下能夠產生顆粒度較小的鋁鎂金屬顆粒，并飛濺到工作環境中，形成鋁鎂粉塵的沉積，具有鋁鎂粉塵爆炸的危險性。需要做粉塵爆炸的預防及處理工作。

2.4焊前處理

由于鋁鎂屬于活潑金屬，其表面一般都會形成一層氧化膜，例如三氧化二鋁的薄膜。這種氧化物薄膜很穩定，對于焊接很不利，一般在焊接前要進行焊前清理，如用化學處理、打磨等工藝將這層氧化物薄膜去掉。在焊前打磨清理的過程中，能夠產生鋁鎂金屬粉塵，具有粉塵沉積和爆炸的危險性，需要做粉塵爆炸的預防及處理工作。

2.5打磨拋光

在現行的裝焊工藝中，為了保證白車身總成的表面質量，為涂裝工藝流程做好準備，在白車身總成裝焊的后期都編排了打磨拋光工序。在鋁合金車身的打磨拋光過程中，能產生大量顆粒度比較細小的鋁鎂金屬顆粒。這是產生鋁鎂粉塵爆炸風險最大的工作流程，也是預防粉塵爆炸的重中之重。

3鋁鎂粉塵爆炸的治理方案

3.1工藝布局

在工藝布局上盡量將鋁件打磨拋光工位布置在一起，以便于建筑結構及公用設施的設計。德國奧迪公司在Neckarsulm的工廠采用的就是這種布局。該工廠在焊裝車間的二層專門設置了一個鋁件打磨間，將需要進行打磨拋光的工序都集中在這里。按照《建筑設計防火規范》中第3.1.1條規定，生產過程中產生鋁粉生產的火災危險性為乙類;第3.6.7條有爆炸危險的甲、乙類生產部位，宜設置在單層廠房靠外墻的泄壓設施或多層廠房頂層靠外墻的泄壓設施附近;第3.6.8條有爆炸危險的甲、乙類廠房的總控制室應獨立設置;第3.6.9條有爆炸危險的甲、乙類廠房的分控制室宜獨立設置，當貼近外墻設置時，應采用耐火極限不低于3.00h的不燃燒體墻體與其他部分隔開。在奧迪Igolstadt的工廠，為了保證工序流程的順暢，將鋁件打磨間分散在焊裝車間中。通過排風除塵設施來保證鋁件打磨間中的粉塵含量不超過1mg/m3，從而滿足《建筑設計防火規范》3.1.2條的條文說明可不按物質危險特性確定生產火災危險性類別的最大允許量乙類第4款“不屬于甲類的化學易燃危險固體：賽璐珞板、硝化纖維色片、鎂粉、鋁粉”最大允許量為0.015kg/m3，總量不超過50kg的要求。鋁件打磨間可以布置在火災危險性為丁、戊類的廠房內。可見，德國在鋁件打磨間設計中遵循的ATEX標準與中國的法規極其相似。打磨間實體設計按照《粉塵防爆安全規程》中的規定執行。

3.2工藝設備的選型

在鋁件打磨間中的打磨工具選用的是氣動打磨工具和人工打磨砂紙，而沒有選用電動打磨工具;自動輸送設備選用的是不產生摩擦火花的膠帶傳動。

3.3電氣接地及電氣控制

采用聯合接地方式，防靜電接地、防雷接地、交流接地公用接地極。沿打磨間外側地面鋪設銅帶作為均壓環。將打磨間內所有的設備及可導電物，如各種管道、金屬門窗及電纜接到接地匯集環上做等電位連接。打磨間內金屬線槽、金屬線管、配電箱接地PE排服務器機柜等單獨與接地匯集環連接或通過接地母線連接。打磨間內的所有電氣設備、照明設備均選用防爆類型。

3.4自動控制流程

a.卷簾門未關閉1min的控制流程

卷簾門門框下方安裝角柱形繼電器內置式光電開關以用于檢測卷簾門的開關位置。當卷簾門未關閉時，光電開關發送開關量信號至時序控制器（PLC），觸發PLC內部計時器動作，計時器計時60ms后輸出開關量信號，驅動外部繼電器動作，由外部繼電器帶動聲光報警指示燈動作，聲光報警指示燈報警，同時在人機界面上顯示該報警信息，完成卷簾門未關閉1min時的報警任務。當卷簾門關閉后復位該任務流程。

b.卷簾門未關閉5min的控制流程

卷簾門門框下方安裝角柱形繼電器內置式光電開關以用于檢測卷簾門的開關位置。當卷簾門未關閉時，光電開關發送繼電器信號至PLC，觸發PLC內部計時器動作，計時器計時300ms后輸出開關量信號，驅動外部繼電器動作，由外部繼電器控制高負壓設備的運行狀態，關閉高負壓設備，并通過高負壓設備的運行狀態信號繼電器關閉壓縮空氣控制閥門，同時在人機界面上顯示該任務信息，完成卷簾門未關閉5min時關閉高負壓設備的任務。當卷簾門關閉后復位該任務流程。

c.消防火災信號關閉主電源的控制流程

由廠房消防控制中心發出DC24V消防報警信號，該信號驅動控制柜內繼電器動作，繼電器控制到控制柜主電源開關內部分閘線圈，在分閘線圈動作后，主電源開關脫扣，斷開主電源開關，完成消防信號斷開主電源任務。該任務動作后必須手動復位。

d.粉塵收集裝置液面過高的報警控制流程

粉塵收集灰桶安裝粉塵液面監測系統。當粉塵液面高于預先設定位置以后，該監測系統發送開關量信號至PLC開關量輸入點，信號激活后由PLC輸出開關量控制信號驅動外部繼電器動作，由外部繼電器控制高負壓設備運行狀態，關閉高負壓設備，并通過高負壓設備運行狀態信號繼電器關閉壓縮空氣控制閥門，同時在人機界面上顯示該任務信息，完成粉塵收集裝置液面過高時的報警控制任務。該任務需要手動復位。

3結論

a.通過激光焊接工藝試驗，獲得焊縫深度、焊縫形狀可控的齒輪總成激光焊縫。

b.激光焊縫縱向硬度、橫向硬度分布均勻。在拉伸試驗時，焊縫正常的樣品在母材斷裂，焊縫強度較高;焊縫缺陷明顯的樣品在焊縫斷裂。在實際焊接中，應避免缺陷對焊縫強度的影響。扭轉試驗表明，齒輪焊縫承載能力完全滿足齒輪傳遞扭矩要求。

c.根據齒輪傳遞扭矩、拉伸和扭轉試驗結果，綜合分析，可給出各速齒輪總成的焊深要求。

參考文獻

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