一种应用于焊接工位的等离子体除尘装置

陈光浩

摘要：本文提出一种焊接烟尘净化新工艺，不同与单一的布袋和静电除尘，采用吸尘-滤尘-荷电吸附的多级除尘方式，最后由等离子体除尘装置将粒径微小的烟尘颗粒吸附在集尘板，达到净化有毒烟尘的效果;还通过模拟以及实验，确定本装置重要的结构参数，并且提出了追踪焊接烟尘源的方案。

关键词：焊接烟尘;等离子体;除尘装置;模拟

0  引言

现如今，工程机械行业的发展十分迅速，其中重要结构件的生产加工主要由焊接完成。焊接过程中会产生的大量焊接烟尘，如果不加以处理，不仅对环境造成巨大的危害，而且会损害劳动者的健康，是引起包括尘肺在内的多种职业性肺部疾病的重要危害因素，高效除尘方式的提出十分紧迫。

Ali M等[1]通过研制了混合复合材料放电电极并在实验中进行测试，结果表明复合电极表现出更高的颗粒收集效率，胜过金属电极;I Gallimberti等人[2]开发用于模拟大型静电除尘器运行条件的新型综合数学模型，可以对静电沉淀现象进行时间分辨的模拟;F.Beux等人[3]针对电晕放电产生的离子空间电荷和电场的数值计算中，无法事先指定金属丝和金属板上自洽条件的问题，提出了一种基于电流密度场分解的半分析技术，发现该技术可以显着提高数值求解的速度;Tsrong-Yi Wen等人[4]通过数值模拟的手段对斯托克斯数进行研究，实验和仿真表明较低的斯托克斯数导致较高的收集效率;国内研究方面，朱勇，高孟祥[5]等利用数值模拟的方法对电极板形状对除尘的效果进行了研究，模拟结果表明波纹型电极板比平板型电极板具有更好的静电场特性，并且还具有更强的抵抗带电流体流动影响的能力;胡斌等人[6]通过搭建化学团聚室和一个与电除尘器相连的湍流装置，实验验证了运用化学团聚进行预处理可以显著提高电除尘的效率。

目前工厂中配备的除尘设备主要是传统的袋式除尘器。现有的袋式除尘器有除尘范围大的优点，对不同粒径的焊接烟尘都具有良好的除尘效果。但同时，在实际的使用过程之，袋式除尘器存在阻力大、耗电量大、布袋需经常更换、清理布袋时容易发生二次污染等缺点。等离子体除尘器具有处理烟量大，除尘效率高的特点，但其处理效果受粉尘性质（化学成分和粒径大小）和烟尘参数（烟尘量、烟尘温度）的影响很大。

基于上述问题，本文根据袋式除尘和等离子体除尘的优缺点，提出了一种将等离子体除尘和袋式除尘相结合的除尘工艺，与单一的袋式除尘和等离子体除尘相比较，具有除尘效率高，除尘效果好的优点，具有广阔的应用前景。

1  除尘机理

1.1 焊接烟尘分析

目前常用的焊接工艺方法主要有电阻焊、电弧焊、电子束焊等，不同焊接工艺中产生的焊接烟尘成分均有很大的差别，如手工电弧焊中的主要有毒气体为铁、锰、硅元素的氧化物，而电阻焊的焊烟成分主要是钙、镁元素的氧化物;除了焊接工艺方法外，焊接烟尘的成分还与焊接参数以及焊接材料直接相关。在不同的焊接作业中，焊接烟尘的成分虽然有很大的不同，但都具有粒径范围大的特点，其粒径范围的数量级为0.1～10μm。

1.2 等离子除尘机理研究

焊接烟尘粒子带电量对于其在静电式除尘器中的运动与沉降起到至关重要的作用。两种荷电机理电场荷电qf和扩散荷电qd，一般都会发生作用。但在不同粒径范围内，起主要作用的荷电机理不同。当粒子半径大于0.5μm 时，主要为电场荷电;当粒子半径大于等于0.2μm，小于等于0.5μm时，两者共同作用;当粒子半径小于0.2μm时，主要为扩散荷电[7]。电场荷电和扩散荷电的电荷量分别为：

实际上，在静电式除尘器中，对于荷电部分，时间常数τq一般远大于 t，该时间常数可以用来评价烟尘粒子荷电速度的快慢。为导电粒子的饱和电荷，Q为其荷电量，当t=τ时，粒子荷电可达到50%。当t=10τ时，可达到91%。由于在静电除尘器中，τ一般为10-2～10-3，因此当t为0.1～1.0s时，即可达到的99%。

对于绝大多数的工业粉尘而言，击穿电场强度在10～20kV/cm范围内。击穿时所释放出来的气体正离子在电场的作用下会进入极间，当其与负电荷烟尘粒子碰撞时就会减少荷电量;当其与气体负离子相碰撞时，则会减少气体负离子的数量，从而导致荷电效率的下降。

1.3 除尘工艺

针对焊接烟尘粒径范围大的特点，提出分级除尘的思想，并据此设计出除尘工艺流程图（图1）。

如图1所示，焊接烟尘产生后，追踪机构定位到烟尘源，集气吸塵罩将焊接烟尘吸入，首先经过过滤式预除尘装置，将大粒径的烟尘颗粒过滤的同时防止其他杂质进入;初过滤的空气进入袋式除尘装置中，在滤袋的作用下将中等粒径的烟尘颗粒过滤掉;最后气体由三相无刷风机送入等离子发生装置中，小粒径的烟尘颗粒在此经过扩散荷电和电场荷电后进入吸附装置中，最终被收集;最终，清洁的空气被送出以实现烟尘净化。

2  仿真模拟

2.1 极板电场

COMSOL Multiphysics是一款广泛应用于工程模拟与仿真计算的大型数值模拟软件，适用于多物理场耦合。利用流体力学混合物模型及粒子追踪进行耦合，可对等离子静电吸附装置中带电烟尘颗粒进行吸附仿真。

对平板式等离子静电吸附装置电极板施加7000V电压所得电场分布如图2所示，电极板中间区域电势分布较均匀，边缘处电势迅速下降。考虑到气流流动壁效应，边缘处气流速度较中心处小，该变化对烟尘吸附影响较小。

2.2 吸附除尘

2.2.1 模拟条件

设置恒定条件T=293.15K，P=101.325kPa，带电粒子受重力作用，不同粒径粒子均视为携带单电荷，粒子粒径为d，入口流速为v，电势为U。

利用流体流动颗粒追踪模型，通过所选定的风机和理论结果结合后设置v=1m/s，因为颗粒直径越大，其位移距离越大，时间越长更具有代表性，所以取粒子直径较大的颗粒进行模拟，即粒子直径d=2μm进行模拟[8]。

由于附壁效应，边缘流速下降很快，大多数区域仍有稳定流速，由于电势在边缘处也下降很快，对粒子吸附影响较小。当粒子与下电极板接触时，即视为完成吸附。

2.2.2 仿真结果

设置d=2μm，U=7000V，v=1m/s。

可得0.1s时，初始状态时进入电场间的烟尘颗粒已完成吸附，该条件下可实现烟气净化。

3  除尘装置设计

除尘装置的设计主要包括四个部分：等离子体除尘装置的设计，风机、管道及布袋的选取，实物的制作和追踪方案的设计。

3.1 等离子除尘装置的设计

等离子体除尘部分是装置的核心部分，其参数直接影响除尘效果。该部分结构主要是由等离子电离线和直流高压电场组成，如图5所示。

3.1.1 电离线和电极板的设计

焊接烟尘气体进去等离子体装置后首先在电离线附近被电离，微小的烟尘粒子带电;带电的烟尘粒子进入电极板区域时被吸附在电极板上。

本设计中选用直径为0.3mm 的钨丝电极作为电晕线;同时，考虑到电极线的加工工艺性，选择其截面形状为圆形，该尺寸的电晕线不仅有良好的起晕性能，同时相较于更小尺寸的电极更易于加工。此外，为提高起晕效果以及进一步增加荷电效率，选择多根钨丝电极阵列式布置;考虑到电离线的直线度对于电离效果的影响显著，在本设计采用增加预紧弹簧的方式来保证[9]。

设计了平板式电极板，每块电极板的厚度均为3mm表面粗糙度达到Ra0.08。电极板采用整列布置，集尘极板和放电极板交错分布。极板间距为影响吸附效率的重要参数，由仿真模拟得到，为7mm。

3.1.2 电源的选用

电源的选用对除尘效果有着极大的影响，目前阻止除尘效率进一步提升的主要原因就是供电过程中的电晕封闭现象[10]。本设计中采用电压和脉冲频率可调节的脉冲电源，电源的输入电压为220V交流电，输出电压为4000V到7000V的高压直流电。

通过通电螺杆，电源负极和电离线以及放电极板相连，正极和集尘电极板相连。电源接通后，复位开关相接触后装置工作，焊烟粒子在电场力的作用下带上负电荷的尘粒向集尘电极板移动，最后被吸附在集尘极板上，完成气体的净化;断开电源后，烟尘粒子在重力作用下沉降在下方收集区。

3.2 整体装置的连接与实物制作

焊接烟尘气体经过预过滤和袋式除尘后经过导流板进入等离子除尘装置中，随后净化过的空气被风机送出，整体装置如图6所示。

根据计算与仿真模拟的结果，考虑到滤尘布袋以及管道带来的压力损失，我们选定该装置的匹配风量是1500m3/h，并且选定风机的功率为1.1kW。为了减小管道中的风力损失，我们选取的管道直径为150mm。为了保证装置的气密性和便于灵活移动而不被损坏的特点，采用了PVC塑料软管。

滤尘布袋采用工业除尘布袋，材料为涤纶针刺毡。该材料采用非织造针刺工艺利用纤维交错排列，空隙分布均匀的细纤维布，以涤纶短纤维与涤纶有捻纱所生产的针刺毡表面经热轧、烧毛或涂层等后处理，使其表面平整光滑，不易被粉尘所堵塞，此滤料空隙率大，透气性能较好，用途极为广泛，抗化学稳定性强。可在70～170℃的环境下使用，经过处理后还可以抗静电。可以有效过滤大于0.3μm的细小粉尘。

在整体装配上，由管道连接至3D打印导流板，在导流板中安装滤尘布袋，连接处仍要添加密封条以保证密封性。在等离子装置后方由另一个导流板通过管道与风机进行连接。将风机后置可以保证整个装置中都能保持较高的负压将烟尘吸入。

圆形管道和等离子体除尘装置间加装导流板进行连接。导流板的设计也保证了粒子进入等离子体除尘装置时具有理想的驱进速度，实现更好的除尘效果。

选用3D打印壁厚为1mm的导流板，为了更好的发挥打印机的性能，零件分成8个部分分别打印。子零件之间由螺栓螺母固定，连接的缝隙间设置空间来放置密封条来保证密封性，如图7所示。打印时间控制在7小时左右，完成切片的子零件如图7所示。

3.3 追踪方案的设计

本设计提出了采用无人机进行追踪烟尘源的方案，应用于利用机械臂进行焊接的场景。

无人机跟随焊接运动轨迹进行追踪，其飞行轨迹可由两种方式确定，第一种方式是对无人机进行再开发，将焊接机械臂的运动轨迹参数编程入无人机中从而实现对焊接烟尘源的追踪控制;第二种方式是利用视觉传感器进行追踪，这一追踪方式的优点在于无人机在飞行过程中可以有效的避障。

4  结论

①基于吸尘-滤尘-荷电-除尘的分级除尘工艺，设计出以等离子体除尘为核心的设备模型并制作实物装置。

②通过仿真模拟，验证了等离子体除尘装置在电压U=7000V，运动速度V=1m/s的条件下对于粒子直径d=2μm的烟尘颗粒吸附效果良好。

③提出了利用无人机搭载除尘设备，并追踪焊接源的构想，为智能追踪除尘提供了一种可行性方案。

参考文献：

[1]M Ali，YTA Al-Majali，M Kennedy，K Alam.Integration of novel hybrid composite discharge electrode with semi-pilot novel cross-flow electrostatic precipitator.Journal of the Air & Waste Management Association， 2018： 1346-1356.

[2]I Gallimberti.Recent advancements in the physical modelling of electrostatic precipitators.Journal of Electrostatics，1998：219-247

[3]F.Beux， A.Iollo， M.V.Salvetti， A.Soldati. Approximation and Reconstruction of the Electrostatic Field in Wire Plate Precipitators by a Low-Order Model. Journal of Computational Physics， 2001：893-916.

[4]Tsrong-Yi Wen， Igor Krichtafovitch，Alexander V. Mamishev.Numerical study of electrostatic precipitators with novel particle-trapping mechanism.Journal of Aerosol Science， 2016：95-103.

[5]朱勇，等.考虑水动力流的静电除尘器中细颗粒捕集过程的数值模拟[J].粉末技术，2019：653-675.

[6]胡斌，等.电除尘器前化學与湍流团聚导致颗粒团聚的实验研究[J].粉末技术，2018：186-194.

[7]郭治明，许德玄，孙英浩，等.雾化电晕放电静电除尘的实验研究[J].北京理工大学学报，2005，25（9）：145-148.

[8]向华，等.电除尘用复合脉冲电源的设计与仿真[J].电子技术应用，2019：93-97.

[9]翁棣，许冬冬，等.高压静电除尘及伏安特性实验研究[J].实验技术与管理，2019：52-56.

[10]陈强，王慧贞，史传洲.高压开关型脉冲静电除尘电源研究[J].电力电子技术，2019：22-25.