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新型焊接烟尘处理技术的研究

时间:2018-01-12 09:00   来源:国迈   访问量:

0、前言

焊接是一种金属连接的加工方法,其优良的接头性能及操作的便利性,使得焊接技术成为工业领域一项重要的加工技术,被广泛的应用在各机械行业。但是,在焊接生产过程中,会产生大量的有毒气体、焊接烟尘等。它们是焊接冶金反应时的生成物,来自母材和焊材等,在空气中一旦超过允许的浓度时,就会对焊接操作人员的身体健康造成危害,引发尘肺、锰中毒等焊接职业病。因此,对工厂厂房内焊接烟尘的治理,是很多国内外企业、科研机构等都在密切关注和寻求解决方法的难题。

1、焊接烟尘处理基本过程原理

大部分焊接烟尘处理技术,都是基于以下两步基本过程原理来实现对烟尘的处理:

第一步:对焊接烟尘进行捕捉,即焊接产生的烟尘还未来得及进入人体,就被烟尘处理装置吸收收集,减少人体受到过多烟尘的伤害。  第二步:对捕捉到的焊接烟尘进行净化处理,使焊接烟尘内部的有毒气体和颗粒被过滤,再将过滤后的焊接烟尘排放到环境中,减少环境的污染。或者,有些烟尘处理技术未进行净化处理,直接排放至大气中,由大气进行稀释。

2、焊接烟尘的捕捉

焊接烟尘处理技术的重点及难点,就在于如何进行焊接烟尘的捕捉,这是整个焊接烟尘处理技术成功与失败的关键。要对焊接烟尘进行捕捉,就要先了解焊接烟尘的特性,针对此特性,选择焊接烟尘的捕捉方式。  a) 焊接烟尘的特点

i. 焊接烟尘的产生:

焊接时,在电弧的高温作用下,焊材和母材熔化形成熔池,焊材端部的液态金属和熔渣激烈蒸发,同时在熔滴和熔池的表面也发生蒸发。蒸发出来的高温金属蒸汽和冶金反应物蒸汽被吹出电弧区后,迅速被氧化和冷凝,以气溶胶的形态存在,先凝结成一次粒子,随着温度的进一步降低,再凝结成二次粒子,最终形成焊接烟尘。

焊接烟尘的产生

图表 1 焊接烟尘的产生

焊接烟尘扩散模型

图表 2 焊接烟尘扩散模型

ii. 焊接烟尘的扩散:

焊接过程中,烟尘的扩散是一个复杂的运动过程,先是在电弧的高温作用下,焊接烟尘受到周围气体的膨胀而上升,在上升过程中,由于周围的空气不断卷入及电弧的冲击作用,形成涡旋运动,即湍流运动。烟尘由连续及孤立的不断旋动的烟团所组成,扩散速度较快,在上升过程中逐渐向周边散开,形成一个发散状态的喇叭口形。

iii. 焊接烟尘的特性:

(1) 焊接烟尘粒子直径小:早期的研究表明焊接烟尘主要是粒径0.1µm左右的球状粒子凝集成的二次粒子,低氢型焊条产生的烟尘呈碎片状,粒径1µm左右。

(2) 焊接烟尘的粘性大:根据测量结果,焊接烟尘经常上升悬浮到一定高度的空气中。

(3) 焊接烟尘的温度较高:在排风管和滤芯内,空气温度可达到60~80℃。

(4) 焊接烟尘扩散速度快:由于其本身的高温特性,烟尘粒子极易扩散。

b) 焊接烟尘捕捉原理

由于焊接烟尘颗粒弥散在空气当中,因此,对焊接烟尘的捕捉就是对空气进行吸收捕捉。烟尘捕捉装置吸风能力的大小,直接决定了焊接烟尘捕捉的效率高低。根据流体力学的连续性方程: Ρ1×A1×V12×A2×V2=qm=常数

吸风口示意图

图表 3 吸风口示意图

公式1

Ρ:截面上流体的密度,kg/m3

A:截面的截面积,m3

V:截面上流体的运动速度,m/s;

qm:质量流量,kg/s。  吸风时,气体速度不会很大,可认为气体密度Ρ等于常数,则在同一时间内,流过吸风口每一截面的气体质量流量应该是相等的,如图表3所示,即,同一时间内,流过截面1、截面2和截面3的质量流量应该是相等的。

则公式1可改为:A1×V1=A2×V2=A3×V3 随着距离吸风口越远,等流量截面的截面积A越大,则截面上的流体速度V就会越来越小。因此,当远离吸风口的时候,吸风的作用效果会越来越差,通过实验,发现这种下降的趋势非常明显,远离吸风口就感觉不到吸风的作用。  综上所述,对焊接烟尘的捕捉,应使烟尘靠近捕捉装置,宜在焊烟上升的路径中进行捕捉,或者采用其他动力,吹动焊接烟尘靠近烟尘捕捉装置,以进行焊接烟尘的捕捉。同时,由于焊接烟尘本身的发散特性,在上升后极易发散,因此,烟尘捕捉的范围也应该宽广,这样捕捉的效果就越好。

c) 焊接烟尘捕捉方法分类  根据焊接烟尘的特性,对工厂焊接车间而言,烟尘的捕捉方式可分为整体捕捉和局部捕捉两种方式,这两种方式各有特点,须根据具体情况选择适合的方式。

i. 整体捕捉方式:

定义:是对整个厂房空间内的焊接烟尘进行捕捉,使得厂房内空气的有害物质浓度低于国家标准规定,以减少焊接烟尘对人体的危害。

优点:整体烟尘处理不受工件焊接位置的限制,对密闭厂房整体净化效果较好。

缺点:由于焊接烟尘的扩散特性和粘性特性,使得烟尘粒子弥散在厂房的空气中,且大部分聚集悬浮在一定高度的区域内,因此需要将整个厂房空间内的空气进行置换收集,才能捕捉到厂房空间内的烟尘,若厂房里的焊接区域较少,则投入的成本相对较高。

ii. 局部捕捉方式:  定义:是对厂房局部空间的焊接烟尘进行捕捉,使得局部工作地点焊接烟尘未扩散到整个厂房就被捕捉收集,借此来保持整个厂房的空气环境。  优点:捕捉装置位置灵活,可点对点的进行烟尘捕捉,吸尘率高,投资相对较少。  缺点:只能用于相对固定的焊点,对于体积较大的工件和焊点经常变化的工件,实用性不高,同时,须在焊接工位上设置捕捉装置,占用工作场地,有些装置使用不太方便。

3、焊接烟尘的净化

对捕捉到的焊接烟尘,应进行净化过滤处理后,再排放至大气中,减少对环境的污染。但有些烟尘处理技术,将捕捉到的焊接烟尘,直接置换到厂房外部的空气中,靠大气来稀释,以减少焊接烟尘对人体的伤害。应根据各个公司的生产特点,选择焊接烟尘的净化方式。

4、新型焊接烟尘处理技术

对于大型结构件的焊接,由于其焊点需要不断的变化,而变化范围在一个固定的焊接区域内,且焊接区域只占整个厂房的一小部分,所以宜采用局部烟尘处理技术。传统局部烟尘处理技术的烟尘捕捉装置不能满足焊点经常变化的要求,因此,基于上述焊接烟尘的捕捉原理,设计开发一种新型烟尘捕捉装置,可以满足捕捉多点变化的焊点发出的烟尘,同时,控制焊接烟尘的上升方向,使焊接烟尘不直接冲向焊工呼吸道,以减少人体呼吸道被焊接烟尘的伤害。

a) 新技术的工作原理:

新型焊接烟尘处理系统原理如图1所示,在大型结构件焊接工位的一侧,设置焊接烟尘捕捉装置,即吸风装置,主要用于对焊接烟尘的捕捉;在吸风装置的正对面一侧,设置焊接烟尘推动装置,即送风装置,主要用于为焊接烟尘输送推力,使得焊接烟尘靠近吸风装置,以便捕捉收集。  焊烟产生:系统工作时,焊工引燃电弧,焊接烟尘随之产生,由于受到电弧加热,烟尘的温度比室内的空气温度要高,于是,高温的焊接烟尘在空气浮力作用下,不断上升,并横向发散。

焊烟捕捉:起弧的同时,送风装置传感到电弧引燃的电信号后,就开始进行送风,将上升的焊烟吹向吸风装置。吸风装置开启,不断的吸入靠近的焊接烟尘,并送往烟尘净化装置进行过滤吸收,完成焊接烟尘的处理。

效果:通过这种焊接烟尘处理的方式,大部分焊烟在产生后,会立即被迫向吸风装置方向扩散,吸风装置的吸风口设计有足够的烟尘捕捉能力,如吸风面积、吸风速度等,使得焊接烟尘80%可以被吸入到焊接烟尘净化器内。这样,大部分焊烟就不会直线上升,直接进入焊工的呼吸器官,减少焊工受到焊接烟尘的伤害。

新型焊接烟尘处理技术原理示意图

图表 4 新型焊接烟尘处理技术原理示意图

b) 新型焊接烟尘处理技术的应用效果:

新型焊接烟尘应用效果如图所示,可以明显的看到大部分焊烟走向不经过焊工的呼吸道,有效的减少焊工被焊接烟尘的伤害。吸风口的设计符合烟尘捕捉原理,并设计挡风帘,使得吹向吸风装置的焊接烟尘可以比较完全的吸收。同时,在焊接起弧时,系统才自动开始运行,有效的节能节电。因此,新型焊接烟尘处理技术是可以进行焊接烟尘的处理的。

新型焊接处理技术效果

图表 5 新型焊接处理技术效果

5、新型焊接烟尘处理技术应用前景

对焊接烟尘的处理,是各个厂家都急需解决的难题,新型焊接烟尘处理技术尚处于试验阶段,通过优化结构设计,新型焊接处理技术是可以用于生产线上的。

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