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标题: 二氧化碳气体保护为什么产生大量的烟尘? [打印本页]

作者: majinwei1001 时间: 2007-7-26 14:28
标题: 二氧化碳气体保护为什么产生大量的烟尘?

二氧化碳气体保护焊烟尘产生的机理是什么?请指教.

作者: hunter_gun 时间: 2007-7-26 16:29
标题: Re: 二氧化碳气体保护为什么产生大量的烟尘?
   烟尘的形成过程实质上是液态金属和焊药“过热一蒸发一氧化—冷凝”的过程。过热蒸发物的固体微粒直径小于0．1／μm称为烟；直径在0．1～10／μm之间称为粉尘。烟尘是明弧焊的一种有害因素，尤其是黑色金属涂料焊条手工电弧焊、CO2气体保护焊以及自保护焊丝电弧焊比较突出。以下是以前学习焊接课程时收集的一些资料，可惜的是现在我作机设了，可能对你有帮助。

                        焊接烟尘发尘机理及其影响因素
北京工业大学材料学院焊接研究所（100022）       蒋建敏  李现兵  王智慧  贺定勇
摘要  详细地阐述了焊接烟尘形成的蒸发、凝结、长大机械以及其形成后的扩散方式，对典型的焊接材料的烟尘性质进行了分析，介绍了有毒有害气体产生的原因和方式对影响焊接烟尘产生的材料因素和工艺因素进行了分析。
关键词：焊接烟尘  发尘机理  影响因素

  0 前言
焊接生产过程中产生了许多副产物，包括一系列气体和以气溶胶态形式存在的金属微细颗粒、金属氧化物以及其它化学物质：它们来自母材、焊接材料或焊接冶金反应的生成物。当这些物质超过一定的允许浓度时，就会对焊工的身体健康造成伤害，引发尘肺、锰中毒及金属热等职业病。这一问题很早就引起了人们的关注，在注重以有为本，关注环境与健康的今天，国内外很多企业、科研机构以及科研工作者都在密切关注和寻求着这一问题的研究和解决办法。
1焊接烟尘的发生机理
  一般认为焊接烟尘是焊接区蒸发出来的金属及其冶金反应物蒸气远离焊接区后凝结而成，以气溶胶的形态存在。蒸气在焊接区附近先结成一次粒子，一次粒子随着温度降低再凝结成二次粒子（图1），然后按一定的方式扩散出去。而且在这些粒子的形成过程中又有着复杂的中间过程。

1.1形核机制
目前认为焊接烟尘的形核机制主要有两种：均质形核与非均质形核。通过对焊接烟尘粒子的形貌、成分以及结构进行了系统的分析，探讨了焊接气溶胶粒子的均质形核机制，试验证实焊接气溶胶的0.01μ m尺度粒子主要是Fe3o4晶体，它以蒸气—粒子转变的均质成核方式产生，认为其控制反应是Fe（G）-Fe(L).对市售常用焊条态下烟尘的较大粒子的分布、形貌、成分及结构等进行实验研究发现了烟尘存在非均质核机制，试验证实0.1μ m量级粒子主要分为尖晶石型和氟化物型两类，均以蒸气—粒子转变的异质凝结机制所形成；1μ m及更大一些的粒子主要以气泡—粒子转变机制所形成。
国内外研究人员在探讨气溶胶的形核机制过程中，对焊接烟尘粒谱进行分析得到了相同的结果。国内发现了单峰分布的分布模型。形成后的烟尘（以气溶胶态存在）粒子分布还遵循一定的分布规律，同时认为不同的分布类型主要与焊接气溶胶发生源---焊接材料的组分、化学性质密切相关1，国内外的文献都认为多峰分布预示有多种的形核机制，后来的试验也证实了这一结果。

1.2 粒子的长大与扩散
  焊后烟尘粒子的长大以凝并为主，凝并主要有两种方式：聚集型和融合型。焊接烟尘由电弧区产生以后，在分散于空气的过程中发生了不同程度的凝并和聚集。对焊接烟尘粒子的直接采样电镜观察，烟尘粒子主要有两种形式的长大过程：一种是熔合过程，它是由几个焊接烟尘的一次粒子（原生粒子）熔合成单个大粒子的过程，一次粒子之间无明显边界，这种熔合的主要特征是熔合后的单个大粒子的总表面积小于一次粒子的表面积之和；另一种是聚集过程，它是由几十个甚至几百个一次粒子，聚集在一起的过程，就像是一串葡萄，一次粒子靠表面粘连在一起，并有明显边界。当小粒子熔合时，较小的粒子消失，留下的只是新的更大粒子；而小粒子聚集在一起时小粒子保持其个体身份，但失去动力性质上的独立性，亦即它们作为一个整体以单独的单位而运动。无论是发生粒子熔合还是聚集，都会引起烟尘中粒子大小、形状以及数量浓度的变化。
  焊接过程中烟尘的扩散是一个复杂的运动过程焊接烟尘在电弧高温下产生的同时，使电弧周围的气体膨胀而载着烟尘粒子上升。在上升过程中由于周围气体的不断卷入以及电弧的冲击作用形成各种涡旋运动即湍流运动，烟尘由连续孤立的烟团所组成，扩散速度较快。施雨湘等人用建立数学模型的方法得出了以下结论：焊态下焊接烟尘的扩散是湍流扩散，其湍流扩散系数与焊条药皮种类及电弧特性有关，药皮中的气体物质以及采用交流焊接都会使湍流扩散系数增加。焊态下焊接烟尘的的扩散浓度分布是一双正态分布函数，其分布特征数σ  随湍流扩散系数K以及电弧发尘点源正上方的距离z的增大而增大，随烟尘气流上升的平均速度 υ  的增大而减小，烟尘在上升过程中逐渐成发散状态的喇叭口形。

1.3焊接有害气体的产生
焊接有害气体主要有臭氧、氮氧化物、一氧化碳氟化物及氯化物等。焊接区内的臭氧是经高温光化学反应而产生的。电弧与等离子辐射出的短紫外线使空气中的氧分子分解成氧原子，这些氧原子或氧分子在高温下获得一定的以量后，互相撞击即可生成臭氧。臭氧吸入人体内，主要是刺激呼吸系统和神经系统，引起胸闷、咳嗽、头晕、全身无力和不想吃饭等症状，严重时可发生肺水肿与支气管炎等。
  在电弧的高温下，空气中的氮分子可被直接氧化成氮氧化物。氧化物的种类很多，主要有N2O，NO，NO2和N2O5等为红褐色气体，比空气重，其毒性为NO的4~5倍。遇水可变成硝酸或亚硝酸，产生强烈的刺激作用。吸入高浓度的氮氧化物可引起急性哮喘症或产生肺气肿。长期慢性作用可引起神经衰弱症状群及慢性呼吸道炎症。
  焊接中的一氧化碳主要来自二氧化碳的分解，因此在二氧化碳保护焊中将产生大量的一氧化碳气体，其它的电弧焊中只产生微量的一氧化碳气体。
  含氟的焊接材料参与焊接时，可产生微量的HF气体，HF有很强的刺激作用，能迅速由呼吸道收缩而对全身产生中毒作用。

2 烟尘的性质
早期的研究表明焊接烟尘主要是粒径0.1μ m左右的球状粒子凝集成的二次粒子，低氢型焊条烟尘形貌呈碎片状，粒径1μ m  左右。酸性焊条和二氧化碳保护，自保护焊的烟尘形貌呈絮状，粒径比低氢型稍大一些。
有文献报道酸性焊条烟尘中，无论其涂料组成如何，氧化铁含量几乎占烟尘总量的50%。J422焊条烟尘中的主要成分为氧化铁事50%左右。我们在对结构钢药芯丝的烟尘进行分析时也得也了几乎同样的结果，即其烟尘的主要成分也是铁的氧化物，而且占烟尘总量的50%左右。文献8还进一步指出，烟尘中的结晶相为Fe3O4和MnFe2O4及少量MgO。施雨湘等人对结构与形貌关系进行研究指出：酸性焊条焊接烟尘中，随着烟尘粒子粒径的增大，粒子中的Mn含量逐渐增多0.01μ m左右的烟尘粒子的晶体结构为Fe3O4，而0.03~0.2μ m和0.3~0.5μ m 的烟尘粒子的晶体结构为混合相，较大粒径的粒子中含Mn的量要多一些。对于碱性焊条，J507焊条的主要物相是NaF，CaF2等氟化物以及Fe3O4等尖晶石相和含SiO2的非晶态物质。尖晶石型粒子一般呈链、网状，非Fe元素含量随粒径增大而增多；氟化物型粒子较大，可以孤立存现。非晶物质多包裹在晶态粒子表面上或以层片状出现。施雨湘等人在进行单组分焊条气溶胶粒子中存在非晶态物质的研究中，证实单组分焊条焊条气溶胶粒子中存在非晶态物质，并获得了它们的非晶型漫射环，晶态物质主要由SiO2 及它与其它氧化物、氟化物的熔体在焊接急冷条件下形成；主要呈蜻蜓翅膀状或呈壳层状包裹在晶态粒子周围。最近还有资料表明EBW  GTAW 和SMAW发出的不同结构。
湘雨等人在国内对烟尘粒子谱的分布方面做了相关的研究，国外最近几年也有人做，象AnthonyT.Zimmer等人研究了熔滴过渡方式、保护气体的组分和飞溅对人体可吸入亚米级的焊接烟尘的分布问题。

3影响发尘率的因素
  焊接烟尘的影响因素在国内外的研究中都很活跃，主要集中在两个方面：一个是焊接材料，关键是材料的配方：一个是焊接工艺，如焊接参数和不同的焊接方法等
3.1 焊接材料因素
  焊条的发尘量主要取决于药皮成分，药皮由多种物质组成，各成分含量及相互匹配对发尘量都有影响，因此影响因素较为复杂。国内早期的研究结果大致如下；低氢焊条（J507）药皮中起发尘作用的主要成分是萤石和水玻璃，其反应物产生的烟尘占总烟尘量的50%以上，正好相当于低氢焊条比非低氢焊条多出来的单位重量焊接材料的发尘量；一切含K和Na成分的物质，如云母长石和苏打等均增大发尘量；硅钙合金和镁粉有降尘作用。以菱苦土为药皮主要成分的J507焊条，氟硅酸钠和冰晶石发尘量较大；氟化镁和萤石发尘量较小。大理石药皮的J507中，氟硅酸钠发尘量最小。在焊条中各种氟化物对尘量的影响顺序是；LiF>NaF REF3 > MgF2 > CaF2 > Na2SiF6 >无氟（REF3是金属间络合物）对于J507中萤石的加入量说法不一，陈剑虹认为是14%较好；严水祥等人认为9%较好；徐天福等人认为低氢焊条药皮中只要含有少量的萤石（2%）就会使发尘量增加。我们最近在对金属芯药芯焊丝的研究中也发现当加入氟化物后，即使是量很少，发尘量也会显著增加。
  日本小林实等人研究了结构焊条药皮中各成分含量同烟尘中各相应含量的对应关系，得出药皮中相应各成分含量的对应关系，造渣物质的发尘倾向为；
（1）SiO2  ；烟尘中的二氧化硅一药皮中的数量统计对应关系基本是1比1的比例。即如果药皮中含在10%的SiO2 则烟尘中也含有10%的SiO2  烟尘中硅元素是以复杂化合物形态存在，不存在结晶游离态的二氧化硅。
（2）SiO2  烟尘与药皮大致的对应关系是1比10。说明其发尘倾向较小。
（3）CaO烟尘中与药皮中的CaO 的对应关系大致是4比10。
（4）MgO烟尘中与药皮中的 MgO  的对应关系大致是4比10
（5）MnO主要是药皮中锰铁在冶金反应中冰生由于各类焊条熔渣的氧化性不同，所以加入的铁合金种类一数量不同，所以对应的比例关系较复杂。一般酸性焊条烟尘中MnO（6%~12%），碱性焊条烟尘中MnO(6%~12%)，而焊条中MnO含量可高达20%以上，烟尘中MnO含量也可超过20%。
（6）F低氢焊条药皮中F含量与烟尘中的含量有对应关系，如当药皮F含量约是2.4%（换算CaF2为5%左右），规律还待研究。
（7）氧化钠和氧化钾比例为10比1，说明其发尘倾向极大。需注意，烟尘中钾与钠元素实际上都是以氟化物形式存在，烟尘中钾和钠以氧化钾和氧化钠形式给出，由于分析技术上的困难，仅给出一个相对概念。
  有的专利文献提出，对低氢焊条如控制药皮成分中的氧化钾和氧化钠小于1%，可以使发尘速度小于250mg/min
小林实等通过试验认为二氧化碳保护焊丝的发尘量同焊丝所用的钢带的含碳量成正比，如将钢带含碳量从通常的0.08%降到0.045%以下（最好0.02%）可以使发尘量减少30%左右，基本上与实心焊丝发尘量相同。相同材料的发尘率还受到工艺的影响，随着焊接电流和电压的升高，发尘率增加，反之，则焊丝一伸出长度增加。对于药芯焊丝如果降低Mn,Si或者AI的含量会使发尘率增加，对于药芯焊丝如果降低钢皮和润滑剂里的含碳量可以大幅度的降低发尘率。在我们最近对药芯焊丝的发尘率影响因素的研究中也得出了和上面相似或相同的结果。
  有资料还把药皮物质按其产生烟尘的情况分为三类；物质本身产生烟尘低的其组成焊条的烟尘也低，如金红石；物质本身产生烟尘高的其组成焊条的烟尘不一定高，如菱苦土。还有资料说明在配方中大胆引进新材料，如碱性焊条中引有硅灰石，一种天然偏硅酸钙矿物CaSiO3，其中的CaO各SiO2接近1比1，具有直线膨胀系数小和结晶相变温度窄等物理性质。同时尽量把熔渣调到中性，可以降低焊条烟尘和降低毒性。
  国际上在降低烟尘和毒性方面的研究进行的也比较活跃。J  H  Dennis，M  J  French，P, J, Hewitt等人在对含有10%铬的金属芯药芯焊丝加入活泼金属的研究中，发现加入1%的锌比对比组中加入1%的镁和加入1%铝，六价铬含量要低，尤其是在加入1%的锌时，电压为18V可以大幅度的减少六价铬和烟尘总量。国外的研究总体上集中在降低焊接材料的发尘率和烟尘的毒性两个方面。

3.2 工艺因素
  工艺因素对焊条发兰率的影响，主要是焊接参数：焊接使用的极性不同发尘率也不同；热输入增加发尘率也有不同程度的增大。目前研究最多的还是工艺因素对焊丝（实心、药芯和金属芯）发尘率的影响。

  影响气体保护焊时焊丝发尘率的因素有：熔滴过渡方式是弧形态、保护气体组分及焊接飞溅等。在气体保护焊中，通常认为有两种滴过渡方式：颗粒过渡和喷射过渡。颗粒过渡通常是在较小的电流下进行，电弧根部比较分散的覆盖在熔滴表面，电阻力比较高，电弧温度也比较高，平均计算温度在27500C，增加了金属蒸气，导致高的发尘率。喷射过渡需要较高的电流，电弧呈锥形包围着不规则的柱状金属熔滴，电阻比较高，计算的平均温度为27500C  ，增加过渡金属蒸气，从而提高发尘率。气体组分对GMAWV发尘率量的影响是这样的；氧化性气体，如加入二氧化碳或氧气常可以用来提高电弧的稳定性，但随着含氧成分的增加，FFR增加；增加保护气体的氧化性会增加飞溅，而飞溅对烟尘的组分和发尘率有明显的影响：飞溅和电弧的不稳定与熔池的搅动有关，在GMAW中电流通过焊丝，焊丝端部在熔滴分离时发生颈缩，同时电流密度增加而使热量集中，最终在熔滴发生分离时发生爆炸，在还没有过渡的末端发生瞬间的蒸发和进出的高温金属熔滴（飞溅），飞溅同时在电弧力的作用下，再加上飞溅有较大的表面积因而增加了金属的蒸发，从而提高了发尘率。在GMAW中至少有25%的烟尘在电弧区外产生，而且增加保护气体的氧化性将增加飞溅率，然而还有说法是飞溅颗粒太大而不能保持气态，所以并不能对产生烟尘起直接作用，这种说法目前来看不准确。最近的研究表明：在药芯焊丝的焊接烟尘中，收集到的烟尘中的细微飞溅约占烟尘总量的30%，且属于可吸入物范围内。

能量的输入不但影响发尘率，而且还影响烟尘和发出气体的成分和结构，它们之间的关系十分的复杂。JOHN H .DENNIS,PETER J.HEWTTT等人曾经以焊接电流，送丝速度、焊丝成分等因素为基础建立了预测烟尘的检验公式。

4 前景展望
目前国外的公司竞相推出低尘低毒焊接材料，最近十几年来发展迅速的药芯焊丝最引人注目。随着焊接自动化、半自动化应用逐渐增加，焊丝的应用比例将占焊接材料的大部分，因此我们也应该加强这方面的研究工作，尤其是药芯焊丝的发尘机理、影响因素的系统研究，目前这方面的研究很薄弱，有着广阔的研究空间。

焊接冶金本身是一个复杂的过程，因此影响焊接材料发尘率的因素也会很复杂，人们对发尘机理的认识还不是十分的清楚，更有待于深入研究，随着以人为本的观念逐渐深入人心，这一问题将备受关注。

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