焊接煙塵檢測技術及標準化研究

中圖分類號：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“強基工程”與“智能制造”中的關鍵基礎工藝之一，國家的政策規劃中高度重視焊接制造技術：從大型構件到微納電子元件、從海洋到空間、從民用產品到軍用裝備，都離不開焊接，焊接有力支撐國家規劃落地及“制造強國”目標實現。在焊接過程中排放的金屬氧化物煙塵、 C0，CO₂?NO?NO₂?O₃ 等，對環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系到環境保護問題，也關系到焊接技術能否實現可持續發展的重要問題。

在雙碳背景下，焊接行業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，也沒有形成標準，無法針對焊接制造過程中生成的焊接煙塵和氣體進行定量化評估，也無法指導綠色焊接技術研發與應用，進而對焊接碳排放控制缺少科學依據。因此，開展焊接過程中煙塵和氣體的測定方法系列標準研究，對實現綠色焊接制造，對焊接碳排放科學管理具有重要意義。

國內外專家對焊接煙塵和氣體的產生機理、影響因素及控制措施的研究取得了不同進展，世界各國對控制焊接煙塵相當重視，國際焊接學會（IIW）在原有的健康與安全委員會的基礎之上，又增設了環境委員會，制定了相應的法規、標準來保護勞動者的身體健康。

焊接煙塵主要由煙塵顆粒與氣體構成，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。氣體保護焊接（保護氣體CO₂、Ar、CO₂+Ar 混合氣體），焊接時排出的有害氣體和物質主要有：N 10，NO₂，O₃ 、CO、氟化物和氯化物等。

國內外針對GMAW焊接材料對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發塵率的影響、焊接煙塵的微觀形貌、成分和形成機理以及數值模擬分析等四個方面，通過研究焊接材料與焊接煙塵形成的關系，有助于深入了解焊接煙塵生成機理，并為研制環境友好型焊接材料奠定理論基礎。

國內以北京工業大學、蘭州理工大學為代表一些高校針對焊條和藥芯焊絲焊接煙塵的收集、產生機理和控制措施開展了一定的探索性研究。

針對焊接和相關工藝中煙塵和氣體取樣的實驗室方法，全國焊接標準化技術委員會組織制定了GB/T43905《焊接和相關工藝中煙塵和氣體取樣的實驗室方法》系列標準，已于2024年4月發布，6月正式實施。在標準制定過程中，開展了焊接煙塵排放速率的檢測技術研究，標準中所規定的試驗方法具有可行性和重復性。焊接及相關工藝生成的煙塵和氣體對人體健康有害。有關煙塵和氣體的成分、排放速率的資料能夠幫助職業衛生專業人員評估工人的接觸情況，進而確定適當的控制措施。

1 標準化研究

GB/T43905《焊接及相關工藝中煙塵和氣體取樣的實驗室方法》對煙塵和氣體的實驗室取樣和分析方法進行了規范化，有利于對不同工藝方法生成的煙塵和氣體進行評估。GB/T43905是通用性基礎方法標準，由六個部分構成，分別是GB/T43905.1—2024《焊接及相關工藝中煙塵和氣體取樣的實驗室方法第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《焊接及相關工藝中煙塵和氣體取樣的實驗室方法；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《焊接及相關工藝中煙塵和氣體取樣的實驗室方法；第3部分：電弧焊中臭氧排放速率的測定》4、GB/T43905.4—2024《焊接及相關工藝中煙塵和氣體取樣的實驗室方法；第4部分：焊接材料焊接煙塵排放限值》[5]GB/T43905.5—2024《焊接及相關工藝中煙塵和氣體取樣的實驗室方法；第5部分：基于熱解-氣相色譜-質譜法的焊接或切割中有機材料熱降解物的識別》°和GB/T43905.6—2024《焊接及相關工藝中煙塵和氣體取樣的實驗室方法；第6部分：電阻點焊中煙塵和氣體的定量化測定》

1.1 GB/T43905.1—2024標準情況介紹

GB/T43905.1—2024《焊接及相關工藝中煙塵和氣體取樣的實驗室方法第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分析用樣品的實驗室方法，規定了儀器設備、材料、試驗步驟、數據處理和試驗報告等要求，適用于除鎢極惰性氣體保護電弧焊以外的所有明弧焊煙塵排放速率的實驗室方法測定。

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

1.2 GB/T43905.2—2024標準情況介紹

GB/T43905.2—2024《焊接及相關工藝中煙塵和氣體取樣的實驗室方法第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 ）等排放速率的實驗室方法，規定了儀器設備、材料、試驗步驟、數據處理和試驗報告，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驗室方法測定。

在一個可持續抽取的半封閉煙氣罩型試驗艙內進行電弧焊、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算得出氣體的排放速率 ?mL/min 。

1.3 GB/T43905.3-2024標準情況介紹

GB/T43905.3—2024《焊接及相關工藝中煙塵和氣體取樣的實驗室方法第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驗室方法，規定了儀器設備、材料、試驗步驟、數據處理和試驗報告，適用于氣體保護電弧焊，以及如藥芯焊絲自保護電弧焊等能在煙氣罩下自動焊接的工藝過程中生成的臭氧排放速率的實驗室方法測定。

在一個可持續抽取的半封閉的煙氣罩型試驗艙內的試件上進行自動電弧焊。測量煙氣罩內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）。用固定測量點的臭氧濃度乘以空氣流量計算得出臭氧的排放速率（ mL/min ）。

1.4GB/T43905.4—2024標準情況介紹

GB/T43905.4—2024《焊接及相關工藝中煙塵和氣體取樣的實驗室方法第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，規定了測定煙塵排放速率及化學成分的程序、試驗條件和試驗報告，適用于非合金鋼、合金鋼和有色金屬的手工、半自動或全自動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，實心焊絲、藥芯焊絲（包括非金屬粉型和金屬粉型）的氣體保護電弧焊以及藥芯焊絲自保護電弧焊。

按照GB/T43905.1測定出焊接材料的焊接煙塵排放速率，并收集的煙塵進行化學成分分析。根據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鍵組分，通過GBZ2.1—2019《工作場所有害因素職業接觸限值第1部分：化學有害因素》[12]，查詢出典型的主要組分和關鍵組分的職業接觸限值，之后計算出主要組分和關鍵組分焊接煙塵限值，最后根據GB/T43905.5的分類表，對此類焊接材料按照焊接煙塵進行分類。

1.5GB/T43905.5—2024標準情況介紹

GB/T43905.5—2024《焊接及相關工藝中煙塵和氣體取樣的實驗室方法第5部分：基于熱解-氣相色譜-質譜法的焊接或切割中有機材料熱降解物的識別》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、預熱和矯正有涂層處理的金屬過程中生成的熱降解物的識別和半定量化測量的實驗室方法，規定了程序、數據使用及試驗報告，適用于全部或部分由有機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物組分識別和半定量化測量的實驗室方法。

1.6 GB/T43905.6—2024標準情況介紹

GB/T43905.6—2024《焊接及相關工藝中煙塵和氣體取樣的實驗室方法第6部分：電阻點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/無涂層鋼板電阻點焊生成的煙塵和氣體排放率而測定每個電阻焊點污染物數量的實驗室方法，規定了儀器設備、材料、試驗步驟、數據處理、試驗記錄和試驗報告，適用于有/無涂層鋼板電阻點焊生成的煙塵和氣體排放率的實驗室方法測定。

2 檢測技術研究

2.1 材料與方法

針對焊接煙塵排放速率開展了檢測技術研究，使用符合標準要求的自研試驗艙，對焊條、實心焊絲和藥芯焊絲進行焊接煙塵排放速率測定。

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

通過試驗室自主研發的焊接煙塵捕集系統進行試驗，該裝置滿足GB/T43905.1—2024《焊接及相關工藝中煙塵和氣體取樣的實驗室方法第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》中的試驗要求，測定其排放速率，焊接煙塵捕集系統試驗艙如圖1所示。每種焊材分別進行5次焊接試驗，每次燃弧時間持續 50s ，開動抽氣泵，通過大小椎體之間的濾紙收集焊接煙塵，根據濾紙的質量差得出試驗過程中的焊接煙塵質量，計算焊接煙塵排放速率 F_s ，即單位時間內焊接煙塵排放的質量。 F_s 計算公式如式（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量差； χ_t 為焊接時間。

2.2 檢測結果

焊接煙塵排放速率 F_s 和相對標準偏差（relativestandarddeviation，RSD）結果見表2。焊接煙塵排放速率試驗方法的RSD低于 10% ，具有良好的再現性。在標準執行過程中，應注意煙塵測定及收集設備、參數的標準化。

3 思考與展望

（1）本系列標準的制定規范了焊接及相關工藝中煙塵和氣體取樣的實驗室方法，為后續開展相應研究提供了標準支撐。（2）按照GB/T43905.1—2024《焊接及相關工藝中煙塵和氣體取樣的實驗室方法第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，試驗結果RSD低于 10% ，具有良好的再現性。（3）采用統一合適的試驗條件，基于本系列標準能夠建立不同焊接材料不同焊接參數下焊接煙塵排放速率、化學成分和氣體排放速率的數據庫。

參考文獻

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

[2]GB/T43905.1—2024，焊接及相關工藝中煙塵和氣體取樣的實驗室方法第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：中國標準出版社，2024.

[3]GB/T43905.2—2024，焊接及相關工藝中煙塵和氣體取樣的實驗室方法第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：中國標準出版社，2024.

[4] GB/T43905.3—2024，焊接及相關工藝中煙塵和氣體取樣的實驗室方法第3部分：電弧焊中臭氧排放速率的測定[S].北京：中國標準出版社，2024.

[5]GB/T43905.4—2024，焊接及相關工藝中煙塵和氣體取樣的實驗室方法第4部分：焊接材料焊接煙塵排放限值[S].北京：中國標準出版社，2024.

[6] GB/T43905.5—2024，焊接及相關工藝中煙塵和氣體取樣的實驗室方法第5部分：基于熱解-氣相色譜－質譜法的焊接或切割中有機材料熱降解物的識別[S].北京：中國標準出版社，2024.

[7]GB/T43905.6—2024，焊接及相關工藝中煙塵和氣體取樣的實驗室方法第6部分：電阻點焊中煙塵和氣體的定量化測定[S].北京：中國標準出版社，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接觸限值第1部分：化學有害因素》[S].北京：中國標準出版社，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.