吳泰峰，張雄剛，唐 鋒

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433)

近年來(lái)，環(huán)境問(wèn)題已成為全球社會(huì)問(wèn)題[1]。焊接是目前鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)、船舶工業(yè)、設(shè)備制造業(yè)中必不可少的主要的制造工藝之一。隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加速和相關(guān)科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大，各方面對(duì)于焊接技術(shù)的需求量日益增加，隨之而來(lái)的是焊接過(guò)程中產(chǎn)生的大量焊接煙塵以及有毒有害氣體對(duì)施工人員職業(yè)健康和環(huán)境造成的極大傷害。焊接煙塵的治理已經(jīng)是日常生產(chǎn)過(guò)程中急需解決的問(wèn)題。因此，積極解決由焊接產(chǎn)生的大量有害煙塵的問(wèn)題，對(duì)于保護(hù)員工健康、建設(shè)環(huán)境友好型企業(yè)有著重要意義。

1 焊接煙塵分析

1.1 焊接煙塵的形成機(jī)理與危害

焊接時(shí)，在電弧高溫(3 000～6 000 ℃)下，焊接材料及其母材被高溫熔化，溶液表面劇烈噴射由焊芯產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽，并向四周擴(kuò)散。當(dāng)蒸汽進(jìn)入周圍的空氣時(shí)，被冷卻并氧化，部分凝結(jié)成固體微粒，這種由氣體和固體微粒組成的混合物，就是所謂的焊接煙塵[2]。焊接煙塵是常見(jiàn)且危害巨大的職業(yè)危害因素之一，它的成分主要為金屬和非金屬氧化物、氟化物，包括各種鹽等，這些成分中的不可溶物質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間吸入容易引起塵肺病。焊工塵肺的發(fā)病時(shí)長(zhǎng)一般在10～20年左右，如果是長(zhǎng)期在高濃度的煙塵環(huán)境中作業(yè)，3～5年就有可能發(fā)病。另外，煙塵中的某些金屬氧化物容易引起金屬熱針狀，對(duì)人體也會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

1.2 焊接煙塵顆粒的形狀和粒度分布

焊接煙塵由0.1 μm左右的球狀顆粒集聚而成[3]，這些球狀顆粒物在空氣中呈浮游狀態(tài)，通過(guò)自身的相互吸引會(huì)聚集成樹(shù)枝狀的微粒，一般來(lái)說(shuō)非低氫型焊條產(chǎn)生的焊接煙塵較多，氫型焊條好些，CO2氣體保護(hù)焊比非氫型焊條鎖鏈狀更明顯。低氫型焊條產(chǎn)生的粉塵粒度分布情況見(jiàn)表1。

表1 低氫型焊條的焊接煙塵粒度分布

1.3 焊接煙塵容許濃度標(biāo)準(zhǔn)研究

當(dāng)前世界各國(guó)都十分重視對(duì)焊接煙塵的控制，并對(duì)焊接區(qū)域的焊接煙塵濃度制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前世界上廣泛應(yīng)用的焊接煙塵職業(yè)接觸標(biāo)準(zhǔn)為美國(guó)ACGIH發(fā)布的TLV和德國(guó)發(fā)布的MAK[4]。英國(guó)、法國(guó)等其他國(guó)家根據(jù)這兩套標(biāo)準(zhǔn)參考引用或編制了其國(guó)內(nèi)適用的標(biāo)準(zhǔn)。幾個(gè)組織公布的焊接煙塵允許濃度見(jiàn)表2。

表2 幾個(gè)國(guó)際組織公布的焊接煙塵允許濃度值

我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)GB 16194—1996《車間空氣中電焊煙塵衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[5]中規(guī)定：車間空氣中電焊煙塵最高容許濃度為6 mg/m3。標(biāo)準(zhǔn)TJ 36—1979《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[6]中規(guī)定：氧化錳為0.2 mg/m3，一般粉塵為10 mg/m3，氟化物為1 mg/m3。標(biāo)準(zhǔn)GBZ 2.1—2007《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值 第1部分：化學(xué)有害因素》[7]中規(guī)定：電焊煙塵(總塵)為4 mg/m3。

2 船廠焊接作業(yè)環(huán)境現(xiàn)狀研究

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)船舶工業(yè)實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，規(guī)模迅速擴(kuò)大，技術(shù)水平和綜合競(jìng)爭(zhēng)力大幅提高，國(guó)際地位顯著提升，成為世界最主要的造船大國(guó)。船舶制造是制造業(yè)的一個(gè)大類，是一個(gè)綜合性的工程，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)也產(chǎn)生了大量的污染物。在船舶制造過(guò)程中，如果有毒有害煙塵不得到有效的治理，將會(huì)對(duì)生命健康以及儀器設(shè)備造成巨大的危害。

焊接是船舶制造必不可少的關(guān)鍵工藝技術(shù)，由于船舶制造的條件及特殊情況，船廠治理焊接煙塵主要還是通過(guò)自然通風(fēng)，但是由于船廠制造車間的尺寸大、長(zhǎng)度長(zhǎng)，受各方面的影響廠房?jī)?nèi)部的自然通風(fēng)效果難以保證，且自然通風(fēng)受到氣候及天氣的影響，無(wú)法做到有效的控制。且造船廠部分分段在外場(chǎng)進(jìn)行制作，此部分焊接煙塵完全是直接排放到大氣中，有些密閉艙室的焊接煙塵則是完全在封閉的環(huán)境中。為了達(dá)到改善作業(yè)環(huán)境和防止大氣污染，就需要把焊接煙塵收集起來(lái)，防止其擴(kuò)散。

2.1 船廠焊接煙塵的收集工藝

2.1.1 局部抽風(fēng)工藝

局部抽風(fēng)作業(yè)原理：在焊接作業(yè)時(shí)，通過(guò)在焊點(diǎn)上方架設(shè)吸風(fēng)罩和排風(fēng)裝置收集焊接煙塵，防止焊接煙塵向其他區(qū)域擴(kuò)散。但是船廠的制作車間工位密集且無(wú)固定施工位置，車間內(nèi)行車運(yùn)行、工件轉(zhuǎn)移頻繁，局部除塵裝置的布置受到極大的制約，局部抽風(fēng)工藝僅能適用于部分固定焊接工位。

2.1.2 全面換氣工藝

在車間作業(yè)中，大多數(shù)的施工情況是工人移動(dòng)，工件不動(dòng)，焊接煙塵的產(chǎn)生點(diǎn)隨時(shí)隨地在發(fā)生變化，局部抽風(fēng)工藝無(wú)法進(jìn)行收集。這種工況下，就需要采用全面換氣工藝。焊接煙塵最密集的區(qū)域一般在車間上方3～5 m的高度，在此區(qū)域內(nèi)設(shè)置全面換氣罩，對(duì)煙塵進(jìn)行收集；也有采用氣幕的方式，通過(guò)一邊吹一邊吸，把上升過(guò)程中的煙塵推至吸風(fēng)罩，達(dá)到吸塵目的。相對(duì)于局部抽風(fēng)工藝，全面換氣工藝的缺點(diǎn)是能耗大、成本高、效果差[8]。

2.1.3 跟蹤式除塵工藝

在焊槍上設(shè)置吸塵口，采用近距離高負(fù)壓的方式把煙塵抽走。吸風(fēng)口與焊接煙霧產(chǎn)生源距離較近，抽風(fēng)效果比較好。工人操作時(shí)，只要移動(dòng)焊槍，無(wú)需另外動(dòng)作，對(duì)一些較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其吸塵效果是無(wú)法替代的。

2.2 焊接煙塵研究路線

為了滿足船廠焊接煙塵處理的需求，推進(jìn)造船建模2.0和智能制造，亟需設(shè)計(jì)一款跟蹤便攜式焊接煙塵收集裝置，達(dá)到能耗低、除煙除塵效果好、便捷高效且不影響施工質(zhì)量的目的。

3 跟蹤便攜式焊接煙塵收集裝置的研發(fā)

3.1 同類裝備調(diào)研

經(jīng)調(diào)研，國(guó)內(nèi)外幾種焊接煙塵收集裝置均有價(jià)格貴、尺寸大、質(zhì)量大、不便攜等缺點(diǎn)，而且需配備專用的焊槍、噴嘴和導(dǎo)電嘴，后期的維護(hù)成本較高。

3.2 產(chǎn)品自主研發(fā)

經(jīng)過(guò)多次對(duì)焊接煙塵收集的試驗(yàn)與分析，形成了初步的設(shè)計(jì)方案(見(jiàn)圖1)。基本設(shè)計(jì)方案和思路：鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)煙塵收集管，焊槍噴嘴外圍側(cè)開(kāi)吸風(fēng)設(shè)計(jì)，保證二氧化碳管道與煙塵回收完全阻隔，互不干涉。氣體保護(hù)焊縫成型后，不讓煙塵上揚(yáng)或飄離，將煙塵吸入焊槍回收管，通過(guò)管道輸送到濾筒，凈化焊接煙塵。新裝置主要由強(qiáng)吸力調(diào)速鼓風(fēng)機(jī)、濾筒、箱體及控制器組成，配備自行研制的環(huán)保型吸塵焊槍進(jìn)行使用。

圖1 跟蹤便攜式煙塵收集裝置設(shè)計(jì)原理圖

3.2.1 焊槍送絲風(fēng)管選型

為選擇合適的焊槍送絲風(fēng)管，在相同條件下測(cè)試了管子直徑與長(zhǎng)度對(duì)吸煙效果的影響。具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同管子內(nèi)徑與長(zhǎng)度下的槍口風(fēng)速

由表3數(shù)據(jù)可見(jiàn)，管子內(nèi)徑越小、長(zhǎng)度越短，管子出口處風(fēng)速越快；管子內(nèi)徑越大、長(zhǎng)度越長(zhǎng)，管子出風(fēng)口風(fēng)速就慢。風(fēng)速越快意味著吸煙效果越好，因此應(yīng)選擇內(nèi)徑為32 mm的管子作為焊槍送絲風(fēng)管。

3.2.2 風(fēng)機(jī)的選型

對(duì)強(qiáng)吸力鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行了對(duì)比選擇，主要性能要求如下：能穩(wěn)定達(dá)到既定轉(zhuǎn)速、風(fēng)量和吸力，體積、質(zhì)量小。由于風(fēng)管內(nèi)的空氣流速對(duì)除塵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性有較大的影響，氣流速度越高，風(fēng)管截面積越小，材料消耗就少，制造成本就低，但是會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的阻力及動(dòng)能消耗增大，運(yùn)行成本增加。氣流速度低，風(fēng)管內(nèi)阻力就小，動(dòng)能消耗減少，但是風(fēng)管截面積越大，所需要的材料及建造費(fèi)用增大，整個(gè)系統(tǒng)所占用的空間也相應(yīng)增大。在除塵系統(tǒng)內(nèi)，流速過(guò)低會(huì)導(dǎo)致粉塵沉積堵塞管道，而且粉塵顆粒不會(huì)靜止不動(dòng)，必然在空氣中擴(kuò)散和稀釋，形成粉塵顆粒在空間內(nèi)的分布[9]。綜上所述，必須經(jīng)過(guò)全面的分析和比較，才能確定合理的流速。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，除塵系統(tǒng)內(nèi)的空氣流速可以按照如下粉塵風(fēng)速對(duì)照表(見(jiàn)表4)確定。

表4 粉塵風(fēng)速對(duì)照表

從表4中可以看出，要使焊接產(chǎn)生的煙塵完全吸收，理論上需要20 m/s的速度，假設(shè)采用內(nèi)徑為32和50 mm的波紋管作為焊接煙塵收集裝置的管路，在風(fēng)機(jī)的選型時(shí)，應(yīng)考慮通風(fēng)管道系統(tǒng)不嚴(yán)密而漏風(fēng)及阻力計(jì)算的誤差，為保證風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)的風(fēng)量和風(fēng)壓應(yīng)留余量(見(jiàn)表5)。

表5 風(fēng)量風(fēng)壓裕量的選取表

參考表5內(nèi)數(shù)據(jù)，除塵系統(tǒng)在風(fēng)機(jī)選型時(shí)最大需要有35%的余量，風(fēng)量=截面積×風(fēng)速×?xí)r間。以φ50 mm的管路為例，若以20 m/s的速度進(jìn)行吸塵，則每小時(shí)所需要的風(fēng)量為141.3 m3，另外需要增加35%的余量，則所需要的風(fēng)量為190.755 m3/h。經(jīng)過(guò)對(duì)風(fēng)量、外形尺寸、質(zhì)量的對(duì)比以及后續(xù)產(chǎn)品的可拓展性分析，最終選擇的風(fēng)機(jī)參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 強(qiáng)力可調(diào)離心鼓風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

3.2.3 濾筒的選型

濾筒選型應(yīng)保證回收的焊接煙塵過(guò)濾排放符合要求。本次選用的濾筒采用全鋼結(jié)構(gòu)的工業(yè)除塵濾筒，堅(jiān)固耐用，配以銅焊接接口，氣密性高，容垢空間大，易于清理，采用O型圈進(jìn)行密封，最大真空值低于1 Pa，配備紙質(zhì)濾芯，對(duì)0.3 μm的粉塵過(guò)濾精度達(dá)99%。采用抽取式的方式就能更換濾筒，不需要借助任何輔助工具便可進(jìn)行更換。

3.2.4 焊槍噴嘴研制

為實(shí)現(xiàn)不影響焊接二氧化碳?xì)怏w的保護(hù)效果，同時(shí)最大效率吸收煙塵，對(duì)焊槍的吸風(fēng)嘴形式進(jìn)行了研究定形。根據(jù)前期的調(diào)研，初步設(shè)計(jì)了幾款適用于傳統(tǒng)CO2導(dǎo)電嘴的槍口形式，并通過(guò)軟件來(lái)模擬不同形式的吸風(fēng)槍口對(duì)吸煙效果的影響，對(duì)計(jì)算效果進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證。

3.2.4.1 模型模擬

應(yīng)用軟件模擬試驗(yàn)用的幾款焊槍吸風(fēng)嘴形式(見(jiàn)圖2)。

a) 錐套管長(zhǎng)30 mm(A型)

3.2.4.2 風(fēng)速測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算數(shù)據(jù)，本次試驗(yàn)按照軟件模擬試驗(yàn)的幾款槍口進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 實(shí)際風(fēng)速測(cè)試

經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的幾類吸風(fēng)口在空氣流量相同的情況下進(jìn)行的模擬分析以及實(shí)際測(cè)試結(jié)果可以看出，錐套管形式的槍口吸風(fēng)范圍較大，效果較好，直套管形式吸塵范圍比較廣，但會(huì)使二氧化碳?xì)怏w產(chǎn)生紊流，導(dǎo)致吸塵效果變?nèi)?，而且可能影響焊接質(zhì)量。

3.2.4.3 實(shí)際試用

對(duì)不同的槍口進(jìn)行實(shí)際燒焊驗(yàn)證，實(shí)際效果如圖3所示。

a) 未使用煙塵收集裝置 b) A型 c) B型

由圖3可以看出，A型、B型槍口的煙塵收集效果較好，其他形式雖然有部分效果，但還是有焊煙飄散到空氣中，未達(dá)到預(yù)期效果。因此決定采用A型、B型槍口作為最終定型槍口。

3.3 產(chǎn)品實(shí)際效果測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證焊接煙塵收集裝置的吸塵效果在實(shí)際應(yīng)用時(shí)是否達(dá)到設(shè)計(jì)與環(huán)保要求，分別在打開(kāi)煙塵收集裝置和不打開(kāi)煙塵收集裝置的情況下，在焊點(diǎn)正上方不同距離(0.5、1、2和2.5 m)進(jìn)行PM2.5、PM10含量的檢測(cè)。初始環(huán)境的PM2.5、PM10的值如圖4所示。測(cè)試對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表8。

圖4 環(huán)境空氣質(zhì)量

表8 測(cè)試對(duì)比結(jié)果

經(jīng)過(guò)表8中數(shù)據(jù)分析，打開(kāi)收集裝置的情況下PM2.5、PM10含量的平均值為無(wú)收集裝置的15%，因此在使用焊接煙塵收集裝置的情況下焊接煙塵收集的效果可達(dá)到85%左右。根據(jù)空氣質(zhì)量等級(jí)表[10](見(jiàn)表9)可以看出，經(jīng)使用焊接煙塵收集裝置后，在工作狀態(tài)下，焊接工作環(huán)境的空氣質(zhì)量等級(jí)可以達(dá)到良好。

表9 空氣質(zhì)量等級(jí)表

4 產(chǎn)品定型

4.1 手持式跟蹤便攜式煙塵收集裝置

經(jīng)過(guò)前期的試驗(yàn)及對(duì)比，最終確定了跟蹤便攜式焊接煙塵收集裝置(見(jiàn)圖5)的最終方案：煙塵收集裝置整體尺寸為600 mm×300 mm×300 mm，整體質(zhì)量為17 kg，內(nèi)部采用高速離心風(fēng)機(jī)、配備可替換濾芯的工業(yè)除塵濾筒，采用3 m風(fēng)管內(nèi)徑為32 mm的環(huán)保吸塵焊槍，配備自行設(shè)計(jì)的A型、B型槍口，滿足不同焊接空間區(qū)域的使用，焊接煙塵收集效果可達(dá)到85%以上，此方案適用于室內(nèi)移動(dòng)的手工焊接工位，以及分段內(nèi)狹小空間等復(fù)雜工位。

a) 使用

4.2 集成式跟蹤便攜式煙塵收集裝置

經(jīng)過(guò)前期的試驗(yàn)，多次對(duì)焊接小車的結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)施工狀態(tài)進(jìn)行了分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的工況，最終設(shè)計(jì)了一個(gè)錐形吸風(fēng)罩，通過(guò)U型抱箍固定在焊接小車上。通過(guò)實(shí)踐和分析，確定了吸風(fēng)罩的尺寸及距離，側(cè)面采用可調(diào)式滑軌，方便與小車進(jìn)行固定及調(diào)整距離，方便現(xiàn)場(chǎng)使用，將前期的焊接煙塵收集裝置與集風(fēng)罩進(jìn)行連接使用，煙塵收集率可達(dá)90%以上。集成式跟蹤便攜式煙塵收集裝置如圖6所示。

a) 側(cè)視圖

5 焊接質(zhì)量

使用焊接煙塵收集裝置焊接完成后，對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行了相應(yīng)的檢測(cè)，焊縫的無(wú)損檢測(cè)以及角焊縫破斷試驗(yàn)結(jié)果均合格，證明焊接煙塵收集裝置的吸力適當(dāng)，不會(huì)降低保護(hù)氣對(duì)焊縫的保護(hù)效果。焊縫效果及破斷試驗(yàn)如圖7所示。

a) 焊縫效果

6 產(chǎn)品應(yīng)用及市場(chǎng)前景

該煙塵收集裝置吸煙效果與同類產(chǎn)品效果接近，但生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于市面同類產(chǎn)品，并且產(chǎn)品系統(tǒng)簡(jiǎn)單，制造難度遠(yuǎn)低于其他同類產(chǎn)品，所以在批量生產(chǎn)及市場(chǎng)推廣中有極大的優(yōu)勢(shì)。

產(chǎn)品的市場(chǎng)推廣可以通過(guò)：自產(chǎn)自用→自產(chǎn)自銷→授權(quán)制造銷售的步驟，逐步完善產(chǎn)品，將產(chǎn)品的技術(shù)和專利附加值不斷提升，順利將勞動(dòng)力從生產(chǎn)中解放出來(lái)，從而集中力量對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行進(jìn)一步的研究或新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，形成良性循環(huán)。對(duì)于目前日益嚴(yán)峻的環(huán)境保護(hù)問(wèn)題以及單位在環(huán)保方面的壓力，跟蹤便攜式焊接煙塵收集裝置也能夠提供很好的解決方法，對(duì)響應(yīng)國(guó)家建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)有著積極的作用。

7 結(jié)語(yǔ)

創(chuàng)新設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過(guò)前期的精細(xì)設(shè)計(jì)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)尿?yàn)證以及多次的對(duì)比試驗(yàn)，成功研制出了第一代跟蹤便攜式焊接煙塵收集裝置。此次跟蹤便攜式焊接煙塵收集裝置的試制是中船澄西船舶修造有限公司對(duì)焊接煙塵治理開(kāi)展研究的開(kāi)端，以此次研究為基礎(chǔ)，下一步將研制固定工位以及多工況的焊接煙塵收集裝置。跟蹤便攜式焊接煙塵收集裝置的應(yīng)用，必將會(huì)減輕本公司環(huán)保壓力，也會(huì)在一定程度上保障員工的職業(yè)健康，為建設(shè)環(huán)境友好型企業(yè)貢獻(xiàn)自己的力量。