王 軍（中鐵十一局集團第三工程有限公司，湖北 十堰 442012）

近年來，隨著城市軌道建設的不斷興起，以及建設部門對軌道列車運行舒適度要求的不斷提高，具備焊接高質量、高效率等特點的移動閃光焊焊接工藝不斷被運用到城市軌道建設現(xiàn)場鋼軌的焊接作業(yè)當中，成為目前城市軌道建設焊軌作業(yè)主流的焊接工藝。然而，城市軌道建設基于土地利用及后期維護運營成本等考慮采用較多的地下線，其中包括盾構圓形隧道、暗挖矩形隧道等地下構筑物，導致現(xiàn)場移動焊接作業(yè)普遍都是在地下作業(yè)面進行。移動閃光焊接工藝本身的特性決定了其在施焊過程中必將產(chǎn)生大量的焊接煙塵，加之地下線施工時空氣流通不順暢，作業(yè)人員長時間處于此種惡劣的環(huán)境中，身體健康受到嚴重危害。就此，通過從控制焊接煙塵產(chǎn)生的源頭，安裝尾氣除塵裝置吸收凈化焊接煙塵等方面著手進行相關試驗，以達到改善地下線施工環(huán)境、保障作業(yè)人員身體健康的目的。

1 焊接作業(yè)環(huán)境現(xiàn)狀

移動閃光焊應用于城市軌道地下線作業(yè)，往往由于地下線鋼軌焊接作業(yè)時附屬通風設備尚未投入運行，所以作業(yè)環(huán)境空氣流通交換不暢，且地下線又屬于半封閉環(huán)境。因此，焊機作業(yè)產(chǎn)生的煙塵無法及時排出，累積聚集后在作業(yè)面處形成范圍較大的煙塵空間，造成作業(yè)面煙霧彌漫，能見度低，導致現(xiàn)場作業(yè)人員無法正常作業(yè)。由此可見，城市軌道地下線移動閃光焊焊接作業(yè)煙塵污染比較嚴重，現(xiàn)場作業(yè)人員的健康受到極大的威脅，必須引起高度重視。

因此，必須采取有效措施，使焊接煙塵得到消除減弱，從而滿足勞動保護和環(huán)境保護的相關要求。

2 焊接作業(yè)煙塵的產(chǎn)生及危害

焊接煙塵主要來源為：柴油發(fā)電機燃燒不充分排放的尾氣，焊接閃光排放的金屬粉塵及有害氣體。

移動閃光焊焊接工藝作為自動化程度較高的焊接施工工藝，主要由動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、焊機電控系統(tǒng)以及其他輔助系統(tǒng)組成。其中大功率柴油發(fā)電機組作為焊機動力系統(tǒng)中的核心，為焊機提供動力電源。柴油發(fā)電機組通過燃燒柴油將化學能轉換成機械能，再由機械能轉換成焊機機頭所需電能[1]。焊接工藝的特殊性對發(fā)電機組提出了嚴苛的性能要求，發(fā)電機組工作環(huán)境差、承受沖擊負載大，所以排放出大量的有毒有害尾氣，尾氣中含有的 CO、碳氫化合物、氮氫化合物、CO2、煙塵顆粒（某些重金屬化合物、鋁化合物、碳煙顆粒及油污）、臭氣（甲醛等），成為威脅現(xiàn)場作業(yè)人員身體健康的重要污染物來源。

移動閃光焊機焊接作業(yè)時，將焊接的兩段鋼軌分別夾持于焊軌機焊頭的兩端，焊接變壓器通以電源，電流流經(jīng)焊接鋼軌回路，當焊頭夾持的兩端送進時，兩根鋼軌接觸的瞬間，不是鋼軌的完全接觸，而是端面微小的凹凸點接觸[2]。這些接觸點存在較大的電阻，通過電流的電阻形成電阻熱，電阻熱不斷加熱這些微小觸點，從而使鋼軌組織瞬間熔化，熔化區(qū)域隨著不斷的被加熱促使鋼軌端面不斷形成液態(tài)過梁（俗稱液橋），并不斷產(chǎn)生爆破[3]，使得金屬液體成為閃爍的細小顆粒不斷向四周飛濺，形成我們所看見的焊接閃光。閃光帶出金屬和非金屬的氧化物、包括各種鹽類以及 CO、CO2、NO 等都會對人體健康產(chǎn)生威脅。

3 焊接煙塵治理措施

3.1 控制焊接煙塵產(chǎn)生的源頭

3.1.1 鋼軌移動閃光焊原理

鋼軌移動閃光焊屬于電阻焊中的交流工頻對焊，其利用焊件通電時產(chǎn)生的內部電阻熱作熱源，加熱焊件，且在外力作用下完成焊接過程[4]。電阻焊的物理本質是利用焊接金屬區(qū)金屬本身的電阻熱和大量的塑性變形能量，使兩個分離表面的金屬原子之間接近到晶格距離，形成金屬鍵，在結合面上產(chǎn)生足夠量的共同晶粒而得到焊點、焊縫或對接接頭[5]。因此，適當?shù)臒崤c機械作用是獲得電阻焊優(yōu)質接頭的基本條件。

3.1.2 發(fā)電機輸出功同焊接熱輸入的關系

電阻焊的熱源是電阻熱。由焦耳定律可知，電流流過導體之后，將產(chǎn)生熱量，使導體溫度升高。這種現(xiàn)象稱為電流的熱效應。同樣，電阻焊時，當焊接電流通過兩電極之間的金屬及焊接區(qū)時，焊接區(qū)具有的電阻也會產(chǎn)生熱量，即是焊件內部熱源[6]。

由電學原理可知，焊接區(qū)產(chǎn)熱可用式（1）計算。

式中：Q—焊接產(chǎn)生熱能/J；

i—焊接電流的瞬時值/A，是時間的函數(shù)；

r—焊接區(qū)總電阻的動態(tài)電阻/Ω，是時間的函數(shù)；

t—通過焊接電流的時間/s。

移動焊軌機搭載柴油發(fā)電機組作為焊機的動力核心，其輸出功同焊接所需熱能輸入存在關系如式（2）所示。

式中：W—發(fā)電機焊接輸出功/J；

pt—發(fā)電機瞬時輸出功率/W，是時間的函數(shù)；

η—能量轉換因數(shù)，焊接系統(tǒng)定量。

由式（1）可知，焊接所需熱量Q與焊接電流i的平方以及施焊時間t成正比。由式（2）可知：柴油發(fā)電機組輸出功同焊接熱能Q成正比關系。因此降低焊接過程熱能Q的輸入可降低發(fā)電機組的輸出功W。根據(jù)式（1）及式（2），可以通過調節(jié)焊接工藝參數(shù)亦即通過降低焊接電流i及焊接時間t，降低焊接熱能Q的輸入，進而降低柴油發(fā)電機組焊接過程的輸出功W，即降低柴油發(fā)電機組的尾氣排放。

3.1.3 降低焊接電流及施焊時間應用實例

通過 K 922 s 移動閃光焊軌機在福州地鐵一號線做工藝調試期間，在滿足焊接性的前提下，通過分別降低焊接電流及施焊時間，利用 INFRALYT ELD 型柴油尾氣分析儀采集尾氣排放數(shù)據(jù)，通過對比分析來進行實驗驗證。

(1) 降低焊接電流對尾氣排放的影響。采用的鋼軌材質為鞍鋼 U 75 V，鋼軌型號為 60 kg/m，在滿足焊接需要的情況下，在可調節(jié)范圍內降低焊接電流。通過儀器采集尾氣排放數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 焊接電流與發(fā)動機尾氣排放表

通過表1 可以看出，降低柴油發(fā)動機尾氣排放可通過降低焊接電流改善焊接工藝參數(shù)，降低發(fā)動機負載輸出功，從而起到降低尾氣排放的效果。

(2) 降低施焊時間對尾氣排放的影響。同樣采用鋼軌材質為鞍鋼 U 75 V，鋼軌型號為 60 kg/m，在滿足焊接需要的情況下，在可調節(jié)范圍內降低施焊時間。通過儀器采集尾氣排放數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 焊接時間與尾氣排放表

通過表2 可以看出，降低柴油發(fā)動機尾氣排放可通過降低焊接時間改善焊接工藝參數(shù)，降低發(fā)動機負載輸出功，從而起到降低尾氣排放的效果。

通過以上分析及應用實例可以看出，通過改善焊接工藝參數(shù)，降低焊接電流及施焊時間，可有效降低焊接過程中柴油發(fā)電機組的尾氣排放，減少作業(yè)環(huán)境污染物的總量。

3.2 尾氣凈化裝置

改進后的焊軌機發(fā)電機組加裝了尾氣凈化處理裝置，系統(tǒng)供電由發(fā)電機組提供，尾氣處理系統(tǒng)可對發(fā)電機組產(chǎn)生的煙塵、碳氧化物、氮氧化物以及碳氫化合物等有害物質進行處理。非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值（Ⅲ階段）見表3。

表3 非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值（Ⅲ 階段）

對有害氣體的處理依靠柴油機氧化催化器。柴油機氧化催化器主要是降低了顆粒中的可溶性有機物成分以及有毒有害的HC、CO[7]。根據(jù)其在顆粒中的含量不同，柴油機氧化催化器可以降低 3%～25% 的顆粒排放量[8]。另外柴油機氧化催化器可以把部分 NO 氧化為 NO2，為接下來的 DPF（柴油機顆粒捕集器）再生反應做準備。

去除碳煙的核心部件為 DPF（壁流式捕集器），原理為通過捕集器孔道前后交替封堵，使排氣從壁面穿過而達到捕集顆粒的目的[9]。壁流式蜂窩陶瓷捕集器的過濾效果可達到90%～95%，是降低柴油機 PM 排放最有效的方法。一顆封裝 DPF 使用壽命可達 2 000 h。尾氣凈化器加裝對 PM 值的影響，見表4。

表4 尾氣凈化器加裝對 PM 值的影響

DPF 裝置只是一種降低排氣顆粒的物理方法，隨過濾下來顆粒的積存，過濾孔逐漸堵塞，使排氣阻力增加，導致發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性的惡化，因此必須及時除去 DPF 中的顆粒。這稱為捕集器的再生[10]。根據(jù)再生方法的不同，可以把再生分為主動再生和被動再生兩類。主動再生是指在高溫時顆粒被氧氣直接燃燒掉的再生方式；而被動再生主要是指利用 NO2和碳煙在過濾載體表面的低溫燃燒反應的一種再生方式。與主動再生相比，被動再生需要的溫度較低，可以實現(xiàn) DPF 的連續(xù)再生，而主動再生需要的溫度較高，故需要額外的升溫措施或利用催化劑降低碳煙的氧化溫度。閃光焊機發(fā)電機組尾氣凈化器的再生方法包括脈沖反吹、噴油再生、水洗再生、電加熱再生等。可根據(jù)發(fā)電機組工作實際靈活選擇。

經(jīng)儀器檢測，加裝尾氣凈化裝置后，可使原排值為國Ⅰ/國 Ⅱ 排放的發(fā)電機組達到國 Ⅲ/歐 Ⅲ 排放標準。碳煙凈化效率＞90%，有害氣體凈化效率＞70%，有效保護了施工人員的人身健康。尾氣凈化器加裝前后煙度值實拍見圖1。尾氣凈化器加裝前后有害氣體檢測實拍見圖2。

圖1 尾氣凈化器加裝前后煙度值實拍

圖2 尾氣凈化器加裝前后有害氣體檢測實拍

尾氣處理系統(tǒng)故障或 DPF 堵塞時，可由自動旁通開關打開旁通管路，尾氣可直接排放，避免因系統(tǒng)故障影響焊軌作業(yè)。

4 結 語

針對地下線移動閃光焊焊機作業(yè)煙塵無法有效排出而對作業(yè)人員身體產(chǎn)生危害的情況，通過采用兩種措施：調整焊接工藝參數(shù)（具體為合理降低焊接電流，縮短施焊時間）；

采用措施后，可發(fā)電機組裝配尾氣除塵裝置。降低焊機柴油發(fā)動機尾氣的排放，有效地降低了作業(yè)現(xiàn)場煙塵濃度，改善作業(yè)環(huán)境，從而降低了作業(yè)煙塵對作業(yè)人員身體的危害。