一种跟踪便携式焊接烟尘收集装置的研制

吴泰峰，张雄刚，唐 锋

(中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴 214433)

近年来，环境问题已成为全球社会问题[1]。焊接是目前钢结构产业、船舶工业、设备制造业中必不可少的主要的制造工艺之一。随着我国工业化进程的加速和相关科技产业的发展壮大，各方面对于焊接技术的需求量日益增加，随之而来的是焊接过程中产生的大量焊接烟尘以及有毒有害气体对施工人员职业健康和环境造成的极大伤害。焊接烟尘的治理已经是日常生产过程中急需解决的问题。因此，积极解决由焊接产生的大量有害烟尘的问题，对于保护员工健康、建设环境友好型企业有着重要意义。

1 焊接烟尘分析

1.1 焊接烟尘的形成机理与危害

焊接时，在电弧高温(3 000～6 000 ℃)下，焊接材料及其母材被高温熔化，溶液表面剧烈喷射由焊芯产生的高温高压蒸汽，并向四周扩散。当蒸汽进入周围的空气时，被冷却并氧化，部分凝结成固体微粒，这种由气体和固体微粒组成的混合物，就是所谓的焊接烟尘[2]。焊接烟尘是常见且危害巨大的职业危害因素之一，它的成分主要为金属和非金属氧化物、氟化物，包括各种盐等，这些成分中的不可溶物质长时间吸入容易引起尘肺病。焊工尘肺的发病时长一般在10～20年左右，如果是长期在高浓度的烟尘环境中作业，3～5年就有可能发病。另外，烟尘中的某些金属氧化物容易引起金属热针状，对人体也会产生较大的影响。

1.2 焊接烟尘颗粒的形状和粒度分布

焊接烟尘由0.1 μm左右的球状颗粒集聚而成[3]，这些球状颗粒物在空气中呈浮游状态，通过自身的相互吸引会聚集成树枝状的微粒，一般来说非低氢型焊条产生的焊接烟尘较多，氢型焊条好些，CO2气体保护焊比非氢型焊条锁链状更明显。低氢型焊条产生的粉尘粒度分布情况见表1。

表1 低氢型焊条的焊接烟尘粒度分布

1.3 焊接烟尘容许浓度标准研究

当前世界各国都十分重视对焊接烟尘的控制，并对焊接区域的焊接烟尘浓度制定了相应的标准。当前世界上广泛应用的焊接烟尘职业接触标准为美国ACGIH发布的TLV和德国发布的MAK[4]。英国、法国等其他国家根据这两套标准参考引用或编制了其国内适用的标准。几个组织公布的焊接烟尘允许浓度见表2。

表2 几个国际组织公布的焊接烟尘允许浓度值

我国的标准GB 16194—1996《车间空气中电焊烟尘卫生标准》[5]中规定：车间空气中电焊烟尘最高容许浓度为6 mg/m3。标准TJ 36—1979《工业企业设计卫生标准》[6]中规定：氧化锰为0.2 mg/m3，一般粉尘为10 mg/m3，氟化物为1 mg/m3。标准GBZ 2.1—2007《工作场所有害因素职业接触限值 第1部分：化学有害因素》[7]中规定：电焊烟尘(总尘)为4 mg/m3。

2 船厂焊接作业环境现状研究

进入21世纪以来，我国船舶工业实现了跨越式发展，规模迅速扩大，技术水平和综合竞争力大幅提高，国际地位显著提升，成为世界最主要的造船大国。船舶制造是制造业的一个大类，是一个综合性的工程，推动经济发展的同时也产生了大量的污染物。在船舶制造过程中，如果有毒有害烟尘不得到有效的治理，将会对生命健康以及仪器设备造成巨大的危害。

焊接是船舶制造必不可少的关键工艺技术，由于船舶制造的条件及特殊情况，船厂治理焊接烟尘主要还是通过自然通风，但是由于船厂制造车间的尺寸大、长度长，受各方面的影响厂房内部的自然通风效果难以保证，且自然通风受到气候及天气的影响，无法做到有效的控制。且造船厂部分分段在外场进行制作，此部分焊接烟尘完全是直接排放到大气中，有些密闭舱室的焊接烟尘则是完全在封闭的环境中。为了达到改善作业环境和防止大气污染，就需要把焊接烟尘收集起来，防止其扩散。

2.1 船厂焊接烟尘的收集工艺

2.1.1 局部抽风工艺

局部抽风作业原理：在焊接作业时，通过在焊点上方架设吸风罩和排风装置收集焊接烟尘，防止焊接烟尘向其他区域扩散。但是船厂的制作车间工位密集且无固定施工位置，车间内行车运行、工件转移频繁，局部除尘装置的布置受到极大的制约，局部抽风工艺仅能适用于部分固定焊接工位。

2.1.2 全面换气工艺

在车间作业中，大多数的施工情况是工人移动，工件不动，焊接烟尘的产生点随时随地在发生变化，局部抽风工艺无法进行收集。这种工况下，就需要采用全面换气工艺。焊接烟尘最密集的区域一般在车间上方3～5 m的高度，在此区域内设置全面换气罩，对烟尘进行收集；也有采用气幕的方式，通过一边吹一边吸，把上升过程中的烟尘推至吸风罩，达到吸尘目的。相对于局部抽风工艺，全面换气工艺的缺点是能耗大、成本高、效果差[8]。

2.1.3 跟踪式除尘工艺

在焊枪上设置吸尘口，采用近距离高负压的方式把烟尘抽走。吸风口与焊接烟雾产生源距离较近，抽风效果比较好。工人操作时，只要移动焊枪，无需另外动作，对一些较为复杂的结构构件，其吸尘效果是无法替代的。

2.2 焊接烟尘研究路线

为了满足船厂焊接烟尘处理的需求，推进造船建模2.0和智能制造，亟需设计一款跟踪便携式焊接烟尘收集装置，达到能耗低、除烟除尘效果好、便捷高效且不影响施工质量的目的。

3 跟踪便携式焊接烟尘收集装置的研发

3.1 同类装备调研

经调研，国内外几种焊接烟尘收集装置均有价格贵、尺寸大、质量大、不便携等缺点，而且需配备专用的焊枪、喷嘴和导电嘴，后期的维护成本较高。

3.2 产品自主研发

经过多次对焊接烟尘收集的试验与分析，形成了初步的设计方案(见图1)。基本设计方案和思路：鼓风机运转，通过烟尘收集管，焊枪喷嘴外围侧开吸风设计，保证二氧化碳管道与烟尘回收完全阻隔，互不干涉。气体保护焊缝成型后，不让烟尘上扬或飘离，将烟尘吸入焊枪回收管，通过管道输送到滤筒，净化焊接烟尘。新装置主要由强吸力调速鼓风机、滤筒、箱体及控制器组成，配备自行研制的环保型吸尘焊枪进行使用。

图1 跟踪便携式烟尘收集装置设计原理图

3.2.1 焊枪送丝风管选型

为选择合适的焊枪送丝风管，在相同条件下测试了管子直径与长度对吸烟效果的影响。具体试验结果见表3。

表3 不同管子内径与长度下的枪口风速

由表3数据可见，管子内径越小、长度越短，管子出口处风速越快；管子内径越大、长度越长，管子出风口风速就慢。风速越快意味着吸烟效果越好，因此应选择内径为32 mm的管子作为焊枪送丝风管。

3.2.2 风机的选型

对强吸力鼓风机进行了对比选择，主要性能要求如下：能稳定达到既定转速、风量和吸力，体积、质量小。由于风管内的空气流速对除尘系统的经济性有较大的影响，气流速度越高，风管截面积越小，材料消耗就少，制造成本就低，但是会导致系统的阻力及动能消耗增大，运行成本增加。气流速度低，风管内阻力就小，动能消耗减少，但是风管截面积越大，所需要的材料及建造费用增大，整个系统所占用的空间也相应增大。在除尘系统内，流速过低会导致粉尘沉积堵塞管道，而且粉尘颗粒不会静止不动，必然在空气中扩散和稀释，形成粉尘颗粒在空间内的分布[9]。综上所述，必须经过全面的分析和比较，才能确定合理的流速。根据经验总结，除尘系统内的空气流速可以按照如下粉尘风速对照表(见表4)确定。

表4 粉尘风速对照表

从表4中可以看出，要使焊接产生的烟尘完全吸收，理论上需要20 m/s的速度，假设采用内径为32和50 mm的波纹管作为焊接烟尘收集装置的管路，在风机的选型时，应考虑通风管道系统不严密而漏风及阻力计算的误差，为保证风机的稳定运行，系统的风量和风压应留余量(见表5)。

表5 风量风压裕量的选取表

参考表5内数据，除尘系统在风机选型时最大需要有35%的余量，风量=截面积×风速×时间。以φ50 mm的管路为例，若以20 m/s的速度进行吸尘，则每小时所需要的风量为141.3 m3，另外需要增加35%的余量，则所需要的风量为190.755 m3/h。经过对风量、外形尺寸、质量的对比以及后续产品的可拓展性分析，最终选择的风机参数见表6。

表6 强力可调离心鼓风机技术参数

3.2.3 滤筒的选型

滤筒选型应保证回收的焊接烟尘过滤排放符合要求。本次选用的滤筒采用全钢结构的工业除尘滤筒，坚固耐用，配以铜焊接接口，气密性高，容垢空间大，易于清理，采用O型圈进行密封，最大真空值低于1 Pa，配备纸质滤芯，对0.3 μm的粉尘过滤精度达99%。采用抽取式的方式就能更换滤筒，不需要借助任何辅助工具便可进行更换。

3.2.4 焊枪喷嘴研制

为实现不影响焊接二氧化碳气体的保护效果，同时最大效率吸收烟尘，对焊枪的吸风嘴形式进行了研究定形。根据前期的调研，初步设计了几款适用于传统CO2导电嘴的枪口形式，并通过软件来模拟不同形式的吸风枪口对吸烟效果的影响，对计算效果进行相应的验证。

3.2.4.1 模型模拟

应用软件模拟试验用的几款焊枪吸风嘴形式(见图2)。

a) 锥套管长30 mm(A型)

3.2.4.2 风速测试

为了进一步验证计算数据，本次试验按照软件模拟试验的几款枪口进行了实际测试，结果见表7。

表7 实际风速测试

经过对设计的几类吸风口在空气流量相同的情况下进行的模拟分析以及实际测试结果可以看出，锥套管形式的枪口吸风范围较大，效果较好，直套管形式吸尘范围比较广，但会使二氧化碳气体产生紊流，导致吸尘效果变弱，而且可能影响焊接质量。

3.2.4.3 实际试用

对不同的枪口进行实际烧焊验证，实际效果如图3所示。

a) 未使用烟尘收集装置 b) A型 c) B型

由图3可以看出，A型、B型枪口的烟尘收集效果较好，其他形式虽然有部分效果，但还是有焊烟飘散到空气中，未达到预期效果。因此决定采用A型、B型枪口作为最终定型枪口。

3.3 产品实际效果测试

为了进一步验证焊接烟尘收集装置的吸尘效果在实际应用时是否达到设计与环保要求，分别在打开烟尘收集装置和不打开烟尘收集装置的情况下，在焊点正上方不同距离(0.5、1、2和2.5 m)进行PM2.5、PM10含量的检测。初始环境的PM2.5、PM10的值如图4所示。测试对比结果见表8。

图4 环境空气质量

表8 测试对比结果

经过表8中数据分析，打开收集装置的情况下PM2.5、PM10含量的平均值为无收集装置的15%，因此在使用焊接烟尘收集装置的情况下焊接烟尘收集的效果可达到85%左右。根据空气质量等级表[10](见表9)可以看出，经使用焊接烟尘收集装置后，在工作状态下，焊接工作环境的空气质量等级可以达到良好。

表9 空气质量等级表

4 产品定型

4.1 手持式跟踪便携式烟尘收集装置

经过前期的试验及对比，最终确定了跟踪便携式焊接烟尘收集装置(见图5)的最终方案：烟尘收集装置整体尺寸为600 mm×300 mm×300 mm，整体质量为17 kg，内部采用高速离心风机、配备可替换滤芯的工业除尘滤筒，采用3 m风管内径为32 mm的环保吸尘焊枪，配备自行设计的A型、B型枪口，满足不同焊接空间区域的使用，焊接烟尘收集效果可达到85%以上，此方案适用于室内移动的手工焊接工位，以及分段内狭小空间等复杂工位。

a) 使用

4.2 集成式跟踪便携式烟尘收集装置

经过前期的试验，多次对焊接小车的结构及现场施工状态进行了分析，结合现场的工况，最终设计了一个锥形吸风罩，通过U型抱箍固定在焊接小车上。通过实践和分析，确定了吸风罩的尺寸及距离，侧面采用可调式滑轨，方便与小车进行固定及调整距离，方便现场使用，将前期的焊接烟尘收集装置与集风罩进行连接使用，烟尘收集率可达90%以上。集成式跟踪便携式烟尘收集装置如图6所示。

a) 侧视图

5 焊接质量

使用焊接烟尘收集装置焊接完成后，对焊接质量进行了相应的检测，焊缝的无损检测以及角焊缝破断试验结果均合格，证明焊接烟尘收集装置的吸力适当，不会降低保护气对焊缝的保护效果。焊缝效果及破断试验如图7所示。

a) 焊缝效果

6 产品应用及市场前景

该烟尘收集装置吸烟效果与同类产品效果接近，但生产成本远低于市面同类产品，并且产品系统简单，制造难度远低于其他同类产品，所以在批量生产及市场推广中有极大的优势。

产品的市场推广可以通过：自产自用→自产自销→授权制造销售的步骤，逐步完善产品，将产品的技术和专利附加值不断提升，顺利将劳动力从生产中解放出来，从而集中力量对产品进行进一步的研究或新产品的开发，形成良性循环。对于目前日益严峻的环境保护问题以及单位在环保方面的压力，跟踪便携式焊接烟尘收集装置也能够提供很好的解决方法，对响应国家建设环境友好型社会有着积极的作用。

7 结语

创新设计团队通过前期的精细设计、严谨的验证以及多次的对比试验，成功研制出了第一代跟踪便携式焊接烟尘收集装置。此次跟踪便携式焊接烟尘收集装置的试制是中船澄西船舶修造有限公司对焊接烟尘治理开展研究的开端，以此次研究为基础，下一步将研制固定工位以及多工况的焊接烟尘收集装置。跟踪便携式焊接烟尘收集装置的应用，必将会减轻本公司环保压力，也会在一定程度上保障员工的职业健康，为建设环境友好型企业贡献自己的力量。