陳 東，張 玲，劉少君，邱 力

（1.中車齊車集團有限公司規(guī)劃運營部，黑龍江齊齊哈爾 161002；2.中車石家莊車輛有限公司安全管理部，河北石家莊 050000）

1 概述

焊接時在電弧的高溫作用下，液態(tài)金屬和熔渣過熱而蒸發(fā)，這種高溫蒸汽一旦脫離電弧高溫區(qū)，即被迅速氧化冷凝成細小的固態(tài)分散性粒子或細小的固態(tài)凝聚性粒子在空氣中懸浮，成為焊接煙塵[1]。焊接煙塵的成分主要取決于焊接材料和母材的成分、焊接工藝及參數(shù)、蒸發(fā)的難易程度[2]。焊接煙塵中顆粒物的粒徑一般在1μm以下，其成分非常復雜，已發(fā)現(xiàn)的元素有20 種以上，主要成分一般是Fe3O4、MnO2、Fe2O3、SIO2等金屬氧化物有害粉塵和NO、NO2、O3、CO 等有毒氣體[3]；不銹鋼焊接煙塵主要成分是Cr2O3和NiO；鋁合金焊接煙塵主要成分是Al2O3等有害物質(zhì)；含氟的焊接材料參與焊接時，產(chǎn)生微量的HF氣體。

焊接煙塵對操作者的直接危害是導致電焊工塵肺。電焊過程中，吸入這種煙塵會引起頭暈、頭痛、咳嗽、胸悶氣短等，長期吸入會造成肺組織纖維性病變，即焊工塵肺且伴隨有錳中毒、氟中毒和金屬煙熱等并發(fā)癥。電焊工塵肺的發(fā)病發(fā)展緩慢，病程較長，一般發(fā)病工齡為15～25年，目前尚無特效藥物治療。

近年來，金屬焊接工藝在整個工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，各類機械產(chǎn)品中焊接構(gòu)件的重量約占鋼材總產(chǎn)量的一半。隨著軌道交通裝備行業(yè)的發(fā)展，焊接作業(yè)過程中產(chǎn)生的焊接煙塵對員工健康、大氣環(huán)境帶來較大的危害及污染。由于焊接工況復雜、冬季采暖保溫、治理投入費用高等因素的影響，焊接煙塵治理一直是影響鐵路貨車制造實現(xiàn)企業(yè)健康、綠色發(fā)展的難題，焊接煙塵的有效解決不僅是保障員工職業(yè)健康、履行企業(yè)環(huán)保責任的需要，更是保證企業(yè)持續(xù)經(jīng)營發(fā)展的需要。為此，通過分析鐵路貨車制造企業(yè)焊接煙塵的產(chǎn)生及危害、鐵路貨車生產(chǎn)工藝及焊接煙塵治理難點，探索焊接煙塵治理措施，并思考焊接煙塵治理的新方向。

2 鐵路貨車制造企業(yè)焊接煙塵治理現(xiàn)狀

2.1 鐵路貨車生產(chǎn)工藝分析

鐵路貨車主要車型由車體、車鉤緩沖裝置、制動裝置及轉(zhuǎn)向架等組成。生產(chǎn)制造以鋼材、焊材、油漆等為原輔材料，制造工藝涉及鑄造、鍛造、焊接、涂裝、機械加工等[4]。

鐵路貨車生產(chǎn)制造過程中，主要車型的焊接母材為Q450NQR1 高強度耐候鋼、09CuPCrNi-A 耐候鋼、Q345 低合金鋼和Q235 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼等。焊接方法主要以氣體保護焊為主，個別工序涉及埋弧自動焊、手工焊條電弧焊。車體一般為全鋼焊接結(jié)構(gòu)，由底架、側(cè)墻、端墻、車門等部件組成，鐵路貨車生產(chǎn)制造的主要焊接工序集中在車體制造，焊接主要是自動焊小車焊接、氣體保護焊，焊接盲區(qū)采用手工焊條電弧焊，其中中梁組成焊接采用埋弧自動焊。轉(zhuǎn)向架主要由側(cè)架、搖枕等鑄鋼件和彈簧、心盤等鍛造件及交叉桿等焊接件組成，在組裝過程中涉及的焊接工序較少，主要是機械手焊接，以氣體保護焊為主；在側(cè)架、搖枕焊修、局部小件焊接時采用手工焊條電弧焊。車鉤緩沖裝置主要由鍛造鉤尾框、緩沖器等組成，其中鍛造鉤尾框在加工過程中涉及手工氣體保護焊。焊接母材、焊接方法不同，所用焊接材料也不同，產(chǎn)生的焊接煙塵及有害氣體也不盡相同(見表1)。

2.2 鐵路貨車焊接煙塵治理難點

鐵路貨車制造過程中有較多工序涉及焊接作業(yè)，經(jīng)過多年的探索，焊接煙塵治理雖有所進展但難以根治。鐵路貨車制造企業(yè)大多建廠時間較早，廠房較為老舊、平面布局較為緊湊、大型除塵設備及管道安裝困難。目前，焊接煙塵治理難點主要體現(xiàn)在：端側(cè)墻、枕橫梁、中梁、底架、整車均在一個區(qū)完成，廠房整體貫通，焊接區(qū)域發(fā)塵點多面廣，分布分散但局部集中；作業(yè)工況較為復雜，工件尺寸較大，大多是一個工件多人焊接，焊接操作位置分布較廣；產(chǎn)品類型較多，發(fā)塵位置多變，焊接區(qū)域不固定，隨產(chǎn)品轉(zhuǎn)型、生產(chǎn)任務調(diào)整而變化；焊接時要求母材、室內(nèi)環(huán)境溫度不低于5℃，北方企業(yè)冬季需要保溫，廠房內(nèi)采暖保溫影響廠房通風換氣。

3 鐵路貨車焊接煙塵治理實踐

從20 世紀70 年代開始，鐵路貨車制造企業(yè)不斷探索研究焊接煙塵的治理，通過配置凈化設備、調(diào)整焊接方法和改造廠房等措施不斷改善焊接作業(yè)環(huán)境。

3.1 完善焊接煙塵治理技術(shù)方案

（1）局部點源治理。當前大多貨車制造企業(yè)焊接作業(yè)現(xiàn)場配備較多移動式或掛壁式濾筒焊煙凈化器(見圖1)，對于小型零部件焊接、定點工位焊接等煙塵量小的工況，凈化效果較好；若焊件體積較大，焊接點不固定且跨度較大，吸塵罩伸縮臂范圍有限，現(xiàn)場焊接煙塵捕集凈化效果不理想。為此，某貨車制造企業(yè)針對車型不斷更新?lián)Q代，在出口車生產(chǎn)制造技術(shù)改造過程中探索柔性制造技術(shù)，研制由龍門焊機、變位機構(gòu)及電控系統(tǒng)等集成的焊接柔性制造單元模塊[5]，并研發(fā)了針對局部點源的單機靜電除塵凈化器[6](見圖2)，在端墻、側(cè)墻等生產(chǎn)過程中半自動化作業(yè)，提高焊接質(zhì)量、效率和減少焊接作業(yè)人員，在轉(zhuǎn)向架焊接機器人焊接煙塵治理過程中采用靜電除塵凈化器并取得一定效果。

表1 焊材匹配及焊接煙塵分析

圖1 移動式焊接煙塵凈化器

圖2 自動焊附帶焊接煙塵凈化機

（2）局部面源治理。在棚車棚板焊接工序試點采用吹吸結(jié)合的捕集方式進行煙塵凈化處理，通過對準焊縫設置9個吹風矩形噴口、5個連續(xù)吸風罩口[7]，有效保障了焊接煙塵的捕集。在底架組裝焊接區(qū)域，多名焊接人員集中作業(yè)，通過在作業(yè)區(qū)域上部安裝集氣罩，采取上吸風方式捕集焊接煙塵，并采用靜電除塵的凈化方式(見圖3)，定期清理電極板，降低后期運行維護費用。鑒于移動式單機除塵器適用性不強，整體通風除塵系統(tǒng)在老舊廠房無法安裝等原因，部分企業(yè)嘗試固定式上吸風、下吹風自循環(huán)一體式焊接煙塵凈化器(見圖4)，用于治理焊接煙塵產(chǎn)生量較大且焊接工位較集中的單獨作業(yè)區(qū)域，該凈化器無管道設計，避免了對焊接密集區(qū)域員工工作產(chǎn)生干擾，其有效作用面積可覆蓋凈化器兩側(cè)5～10 m范圍內(nèi)，焊接煙塵濃度明顯降低。

3.2 優(yōu)化焊接方法和焊接結(jié)構(gòu)

在焊接方法選擇方面，在滿足接頭設計性能等的條件下，優(yōu)先選用發(fā)煙量較小的氣體保護焊、埋弧焊等，從焊接工藝源頭控制焊接煙塵量的排放；產(chǎn)品設計中，在保證性能的前提下，考慮焊接與鉚接結(jié)構(gòu)的結(jié)合，有效避免焊接煙塵難治理的零散、短小焊縫的設計，為減少和治理焊接煙塵創(chuàng)造條件。

3.3 改造廠房加強換氣通風

貨車車體制造過程中，底架、側(cè)墻、端墻、車門等部件制造時涉及大量焊接作業(yè)，通過對廠房屋頂配備電動天窗、墻體加裝軸流風機加強夏秋季節(jié)的機械換氣通風，但這種方式會導致焊接煙塵無組織排放，影響廠區(qū)及周邊社區(qū)的環(huán)境，與當前的生態(tài)環(huán)境保護要求不符，還需從焊接煙塵的收集凈化途徑進行治理。

4 結(jié)論與建議

4.1 焊接煙塵治理經(jīng)驗

從焊接方法、治理技術(shù)、廠房通風等方面進行了鐵路貨車焊接煙塵治理探索和實踐，雖未得到根本解決但取得了一定效果，主要有以下方面：一是氣體保護焊逐漸取代手工焊條電弧焊可以有效降低焊接煙塵量，同時提高了生產(chǎn)效率；二是單機焊接煙塵凈化設備比較適應小部件等集中焊接，或者焊縫短小、發(fā)塵點位置固定的工序，如小部件組焊工序、搖枕組焊工序、交叉桿焊接工序；三是貨車組裝車間的大部件因其工件較大、發(fā)塵點多，如底架這種需要翻轉(zhuǎn)焊接大部件，目前采用單點治理效果不理想；四是設備管理部門和生產(chǎn)單位應重視焊接煙塵凈化器的使用和維護養(yǎng)護，以保證設備的狀態(tài)完好。

目前來看，單機焊接煙塵凈化設備可以較好解決部分產(chǎn)品和工序的焊接煙塵問題，但對于貨車制造過程中涉及大部件焊接生產(chǎn)的單位，采取局部治理對廠房整體環(huán)境改善并不理想，需要采用新的綜合焊接煙塵治理方案。

圖3 底架組裝焊接煙塵凈化系統(tǒng)

圖4 自循環(huán)一體式焊接煙塵凈化器

4.2 焊接煙塵治理的思考

總體來看，鐵路貨車制造過程中焊接煙塵的根本性、有效性治理，不能單純從煙塵的捕集、凈化著手，更應放眼全局、綜合考慮，從產(chǎn)品源頭設計、工藝制造水平、智能制造、綜合治理等方法和手段著手，不斷探索焊接煙塵綜合治理的新方向。

（1）融入綠色設計思維。推進產(chǎn)品綠色設計，在產(chǎn)品初始設計階段將環(huán)境因素及其環(huán)境影響和污染防治措施考慮其中，將環(huán)境性能作為產(chǎn)品的設計目標和出發(fā)點之一，從而使產(chǎn)品生產(chǎn)、使用、維修和報廢處置等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的環(huán)境影響最低[8]。例如，在鐵路貨車設計過程中采用新的車體材料，將焊接調(diào)整為鉚接，減少焊接作業(yè)。

（2）提高工藝制造水平。在考慮產(chǎn)品設計保證使用性能的前提下，工藝制造保證產(chǎn)品符合設計要求，由此采取合理的工藝布局、固定的柔性化生產(chǎn)線、高精的生產(chǎn)設備尤顯重要，可以實現(xiàn)機械手、焊接專機自動焊接，并考慮底架、側(cè)墻整板焊接減少焊接作業(yè)。

（3）結(jié)合智能制造推進。結(jié)合5G 信息化技術(shù)推進制造過程智能化，在貨車整車制造單位緊扣端側(cè)墻等焊接工序及關(guān)鍵崗位，推進焊接機械臂、工業(yè)機器人等智能化設備的應用，對于焊接集中的工位進行封閉式、可視化生產(chǎn)作業(yè)，實現(xiàn)煙塵收集、凈化處理。

（4）采取綜合治理方案。鐵路貨車生產(chǎn)制造過程中，大量焊接作業(yè)集中在整車制造環(huán)節(jié)，同時考慮企業(yè)現(xiàn)狀、固定資產(chǎn)投資規(guī)模等因素，焊接煙塵治理可采取點面結(jié)合的方式，以點源單機凈化、局部分散式治理為主，再針對擴散到廠房的煙塵輔以移動式煙塵凈化處理；同時考慮對焊接作業(yè)面積適中的獨立空間采用集中通風除塵處理。