二氧化碳氣體保護為什么產生大量的煙塵?

majinwei1001

二氧化碳氣體保護焊煙塵產生的機理是什么?請指教.

hunter_gun

      煙塵的形成過程實質上是液態金屬和焊藥“過熱一蒸發一氧化—冷凝”的過程。過熱蒸發物的固體微粒直徑小于0．1／μm稱為煙；直徑在0．1～10／μm之間稱為粉塵。煙塵是明弧焊的一種有害因素，尤其是黑色金屬涂料焊條手工電弧焊、CO2氣體保護焊以及自保護焊絲電弧焊比較突出。以下是以前學習焊接課程時收集的一些資料，可惜的是現在我作機設了，可能對你有幫助。

( L1 C" l( J' z, u- ^: Q                           焊接煙塵發塵機理及其影響因素
8 K  r/ M0 D" _北京工業大學材料學院焊接研究所（100022）          蔣建敏  李現兵  王智慧  賀定勇
摘要  詳細地闡述了焊接煙塵形成的蒸發、凝結、長大機械以及其形成后的擴散方式，對典型的焊接材料的煙塵性質進行了分析，介紹了有毒有害氣體產生的原因和方式對影響焊接煙塵產生的材料因素和工藝因素進行了分析。
關鍵詞： 焊接煙塵  發塵機理  影響因素

/ \* T4 g. {; H- R  0 前言
8 W7 ?  m$ L- ?* B! W$ ?  f焊接生產過程中產生了許多副產物，包括一系列氣體和以氣溶膠態形式存在的金屬微細顆粒、金屬氧化物以及其它化學物質：它們來自母材、焊接材料或焊接冶金反應的生成物。當這些物質超過一定的允許濃度時，就會對焊工的身體健康造成傷害，引發塵肺、錳中毒及金屬熱等職業病。這一問題很早就引起了人們的關注，在注重以有為本，關注環境與健康的今天，國內外很多企業、科研機構以及科研工作者都在密切關注和尋求著這一問題的研究和解決辦法。
1焊接煙塵的發生機理
8 s# }% Y# L$ W& [. u  p  一般認為焊接煙塵是焊接區蒸發出來的金屬及其冶金反應物蒸氣遠離焊接區后凝結而成，以氣溶膠的形態存在。蒸氣在焊接區附近先結成一次粒子，一次粒子隨著溫度降低再凝結成二次粒子（圖1），然后按一定的方式擴散出去。而且在這些粒子的形成過程中又有著復雜的中間過程。

2 q, I" e8 q, l  N: o
- [& b* o0 ], [; B$ ?9 l1.1形核機制
目前認為焊接煙塵的形核機制主要有兩種：均質形核與非均質形核。通過對焊接煙塵粒子的形貌、成分以及結構進行了系統的分析，探討了焊接氣溶膠粒子的均質形核 機制，試驗證實焊接氣溶膠的0.01μ m尺度粒子主要是Fe3o4晶體，它以蒸氣—粒子轉變的均質成核方式產生，認為其控制反應是Fe（G）-Fe(L).對市售常用焊條態下煙塵的較大粒子的分布、形貌、成分及結構等 進行實驗研究發現了煙塵存在非均質核機制，試驗證實0.1μ m量級粒子主要分為尖晶石型和氟化物型兩類，均以蒸氣—粒子轉變的異質凝結機制所形成；1μ m及更大一些的粒子主要以氣泡—粒子轉變機制所形成。
國內外研究人員在探討氣溶膠的形核機制過程中，對焊接煙塵粒譜進行分析得到了相同的結果。國內發現了單峰分布的分布模型。形成后的煙塵（以氣溶膠態存在）粒子分布還遵循一定的分布規律，同時認為不同的分布類型主要與焊接氣溶膠發生源---焊接材料的組分、化學性質密切相關1，國內外的文獻都認為多峰分布預示有多種的形核機制，后來的試驗也證實了這一結果。

3 W6 }- _8 D4 h1.2 粒子的長大與擴散
2 n  x8 E, G9 q+ i6 q: d# z' l  焊后煙塵粒子的長大以凝并為主，凝并主要有兩種方式：聚集型和融合型。焊接煙塵由電弧區產生以后，在分散于空氣 的過程中發生了不同程度的凝并和聚集。對焊接煙塵粒子的直接采樣電鏡觀察，煙塵粒子主要有兩種形式的長大過程：一種是熔合過程，它是由幾個焊接煙塵的一次粒子（原生粒子）熔合成單個大粒子的過程，一次粒子之間無明顯邊界，這種熔合的主要特征是熔合后的單個大粒子的總表面積小于一次粒子的表面積之和；另一種是聚集過程，它是由幾十個甚至幾百個一次粒子，聚集在一起的過程，就像是一串葡萄，一次粒子靠表面粘連在一起，并有明顯邊界。當小粒子熔合時，較小的粒子消失，留下的只是新的更大粒子；而小粒子聚集在一起時小粒子保持其個體身份，但失去動力性質上的獨立性，亦即它們作為一個整體以單獨的單位而運動。無論是發生粒子熔合還是聚集，都會引起煙塵中粒子大小、形狀以及數量濃度的變化。
+ H- K2 ]! w+ K9 B: y  焊接過程中煙塵的擴散是一個復雜的運動過程焊接煙塵在電弧高溫下產生的同時，使電弧周圍的氣體膨脹而載著煙塵粒子上升。在上升過程中由于周圍氣體的不斷卷入以及電弧的沖擊作用形成各種渦旋運動即湍流運動，煙塵由連續孤立的煙團所組成，擴散速度較快。施雨湘等人用建立數學模型 的方法得出了以下結論：焊態下焊接煙塵的擴散是湍流擴散 ，其湍流擴散系數與焊條藥皮種類及電弧特性有關，藥皮中的氣體物質以及采用交流焊接都會使湍流擴散 系數增加。焊態下焊接煙塵的的擴散 濃度分布是一雙正態分布函數，其分布特征數σ  隨湍流擴散系數K以及電弧發塵點源正上方的距離z的增大而增大，隨煙塵氣流上升的平均速度 υ  的增大而減小，煙塵在上升過程中逐漸成發散狀態的喇叭口形。

* _; v7 y1 n1 W* R. A- p4 C' Y% x- i1.3焊接有害氣體的產生
焊接有害氣體主要有臭氧、氮氧化物、一氧化碳氟化物及氯化物等。焊接區內的臭氧是經高溫光化學反應而產生的。電弧與等離子輻射出的短紫外線使空氣中的氧分子分解成氧原子，這些氧原子或氧分子在高溫下獲得一定的以量后，互相撞擊即可生成臭氧。臭氧吸入人體內，主要是刺激呼吸系統和神經系統，引起胸悶、咳嗽、頭暈、全身無力和不想吃飯等癥狀，嚴重時可發生肺水腫與支氣管炎等。
) n) A0 ?' w! O' t5 u* b  在電弧的高溫下，空氣中的氮分子可被直接氧化成氮氧化物。氧化物的種類很多，主要有N2O，NO，NO2和N2O5等為紅褐色氣體，比空氣重，其毒性為NO的4~5倍。遇水可變成硝酸或亞硝酸，產生強烈的刺激作用。吸入高濃度的氮氧化物可引起急性哮喘癥或產生肺氣腫。長期慢性作用可引起神經衰弱癥狀群及慢性呼吸道炎癥。
& U' q) E; T2 r  焊接中的一氧化碳主要來自二氧化碳的分解，因此在二氧化碳保護焊中將產生大量的一氧化碳氣體，其它的電弧焊中只產生微量的一氧化碳氣體。
( q5 K# {! T8 o8 \2 T  含氟的焊接材料參與焊接時，可產生微量的HF氣體，HF有很強的刺激作用，能迅速由呼吸道收縮而對全身產生中毒作用。
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2 煙塵的性質
早期的研究表明焊接煙塵主要是粒徑0.1μ m左右的球狀粒子凝集成的二次粒子，低氫型焊條煙塵形貌呈碎片狀，粒徑1μ m  左右。酸性焊條和二氧化碳保護，自保護焊的煙塵形貌呈絮狀，粒徑比低氫型稍大一些。
, `- }* b- C- o' \4 O$ Q& F% Q4 D 有文獻報道酸性焊條煙塵中，無論其涂料組成如何，氧化鐵含量幾乎 占煙塵總量的50%。J422焊條煙塵中的主要成分為氧化鐵事50%左右。我們在對結構鋼藥芯絲的煙塵 進行分析時也得也了幾乎同樣的結果，即其煙塵的主要成分也是鐵的氧化物，而且占煙塵總量的50%左右。文獻8還進一步指出，煙塵中的結晶相為Fe3O4和MnFe2O4及少量MgO。施雨湘等人對結構與形貌關系進行研究 指出：酸性焊條焊接煙塵 中，隨著煙塵粒子粒徑的增大，粒子中的Mn含量逐漸增多0.01μ m左右的煙塵粒子的晶體結構為Fe3O4，而0.03~0.2μ m和0.3~0.5μ m   的煙塵 粒子的晶體結構為混合相，較大粒徑的粒子中含Mn的量要多一些。對于堿性焊條，J507焊條的主要物相是NaF，CaF2等 氟化物以及Fe3O4等尖晶石相和含SiO2的非晶態物質。尖晶石型粒子一般呈鏈、網狀，非Fe元素含量隨粒徑增大而增多；氟化物型粒子較大，可以孤立存現。非晶物質多包裹在晶態粒子表面上或以層片狀出現。施雨湘等人在進行單組分焊條氣溶膠粒子中存在非晶態物質的研究中，證實單組分焊條焊條氣溶膠粒子中存在非晶態物質，并獲得了它們的非晶型 漫射環，晶態物質主要由SiO2 及它與其它氧化物、氟化物的熔體在焊接急冷條件下形成；主要呈蜻蜓翅膀狀或呈殼層狀包裹在晶態粒子周圍。最近還有資料表明EBW  GTAW   和SMAW發出的不同結構。
湘雨等人在國內對煙塵粒子譜的分布方面做了相關的研究，國外最近幾年也有人做，象AnthonyT.Zimmer等人研究了熔滴過渡方式、保護氣體的組分和飛濺對人體可吸入亞米級的焊接煙塵的分布問題。

3影響發塵率的因素
- O7 c7 [5 O  D8 S+ O  焊接煙塵的影響因素在國內外的研究中都很活躍，主要集中在兩個方面：一個是焊接材料，關鍵是材料的配方：一個是焊接工藝，如焊接參數和不同的焊接方法等
0 Q% Z9 J% f8 x  J; G1 T3.1 焊接材料因素
  焊條的發塵量主要取決于藥皮成分，藥皮由多種物質組成，各成分含量及相互匹配對發塵量都有影響，因此影響因素較為復雜。國內早期的研究結果大致如下；低氫焊條（J507）藥皮中起發塵作用的主要成分是螢石和水玻璃，其反應物產生的煙塵占總煙塵量的50%以上，正好相當于低氫焊條比非低氫焊條多出來的單位重量焊接材料的發塵量；一切含K和Na成分的物質，如云母長石和蘇打等均增大發塵量；硅鈣合金和鎂粉有降塵作用。以菱苦土為藥皮主要成分的J507焊條，氟硅酸鈉和冰晶石發塵量較大；氟化鎂和螢石發塵量較小。大理石藥皮的J507中，氟硅酸鈉發塵量最小。在焊條中各種氟化物對塵量的影響順序是；LiF>NaF    REF3 > MgF2 > CaF2 > Na2SiF6 >無氟（REF3是金屬間絡合物）對于J507中螢石的加入量說法不一，陳劍虹認為是14%較好；嚴水祥等人認為9%較好；徐天福等人認為低氫焊條藥皮中只要含有少量的螢石（2%）就會使發塵量增加。我們最近在對金屬芯藥芯焊絲的研究中也發現當加入氟化物后，即使是量很少，發塵量也會顯著增加。
  日本小林實等人研究了結構焊條藥皮中各成分含量同煙塵中各相應含量的對應關系，得出藥皮中相應各成分含量的對應關系，造渣物質的發塵傾向為；
（1）SiO2  ；煙塵中的二氧化硅一藥皮中的數量統計對應關系基本是1比1的比例。即如果藥皮中含在10%的SiO2 則煙塵中也含有10%的SiO2  煙塵中硅元素是以復雜化合物形態存在，不存在結晶游離態的二氧化硅。
6 U4 a; N, a9 V3 p* W. v& J1 M（2）SiO2  煙塵與藥皮大致的對應關系是1比10。說明其發塵傾向較小。
) g7 d9 y; O( @! ?6 Z（3）CaO煙塵中與藥皮中的CaO 的對應關系大致是4比10。
0 H+ k- M2 P3 L; q* ]（4）MgO煙塵中與藥皮中的 MgO  的對應關系大致是4比10
（5）MnO主要是藥皮中錳鐵在冶金反應中冰生由于各類焊條熔渣的氧化性不同，所以加入的鐵合金種類一數量不同，所以對應的比例關系較復雜。一般酸性焊條煙塵中MnO（6%~12%），堿性焊條煙塵 中MnO(6%~12%)，而焊條中MnO含量可高達20%以上，煙塵中MnO含量也可超過20%。
2 F4 n( t; Z6 H: F8 V（6）F低氫焊條藥皮中F含量與煙塵中的含量有對應關系，如當藥皮F含量約是2.4%（換算CaF2為5%左右），規律還待研究。
（7）氧化鈉和氧化鉀比例為10比1，說明其發塵傾向極大。需注意，煙塵中鉀與鈉元素實際上都是以氟化物形式存在，煙塵中鉀和鈉以氧化鉀和氧化鈉形式給出，由于分析技術上的困難，僅給出一個相對概念。
  有的專利文獻提出，對低氫焊條如控制藥皮成分中的氧化鉀和氧化鈉小于1%，可以使發塵速度小于250mg/min
$ L: p4 W# h! z1 A! ~( I7 I小林實等通過試驗認為二氧化碳保護焊絲的發塵量同焊絲所用的鋼帶的含碳量成正比，如將鋼帶含碳量從通常的0.08%降到0.045%以下（最好0.02%）可以使發塵量減少30%左右，基本上與實心焊絲發塵量相同。相同材料的發塵率還受到工藝的影響，隨著焊接電流和電壓的升高，發塵率增加，反之，則焊絲一伸出長度增加。對于藥芯焊絲如果降低Mn,Si或者AI的含量會使發塵率增加，對于藥芯焊絲如果降低鋼皮和潤滑劑里的含碳量可以大幅度的降低發塵率。在我們最近對藥芯焊絲的發塵率影響因素的研究中也得出了和上面相似或相同的結果。
  有資料還把藥皮物質按其產生煙塵的情況分為三類；物質本身產生煙塵低的其組成焊條的煙塵也低，如金紅石；物質本身產生煙塵高的其組成焊條的煙塵 不一定高，如菱苦土。還有資料說明在配方中大膽引進新材料，如堿性焊條中引有硅灰石，一種天然偏硅酸鈣礦物CaSiO3，其中的CaO各SiO2接近1比1，具有直線膨脹系數小和結晶相變溫度窄等 物理性質。同時盡量把熔渣調到中性，可以降低焊條煙塵和降低毒性。
  國際上在降低煙塵和毒性方面的研究進行的也比較活躍。J  H  Dennis，M  J  French，P, J, Hewitt等人在對含有10%鉻的金屬芯藥芯焊絲加入活潑金屬的研究中，發現加入1%的鋅比對比組中加入1%的鎂和加入1%鋁，六價鉻含量要低，尤其是在加入1%的鋅時，電壓為18V可以大幅度的減少六價鉻和煙塵總量。國外的研究總體上集中在降低焊接材料的發塵率和煙塵的毒性兩個方面。
   
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3.2 工藝因素
9 ~% Z5 V8 ^5 o3 u* d1 l/ }. M8 g3 M  工藝因素對焊條發蘭率的影響，主要是焊接參數：焊接使用的極性不同發塵率也不同；熱輸入增加發塵率也有不同程度的增大。目前研究最多的還是工藝因素對焊絲（實心、藥芯和金屬芯）發塵率的影響。
  
  影響氣體保護焊時焊絲發塵率的因素有：熔滴過渡方式是弧形態、保護氣體組分及焊接飛濺等。在氣體 保護焊中，通常 認為有兩種滴過渡方式：顆粒過渡和噴射過渡。顆粒過渡通常是在較小的電流下進行，電弧根部比較分散的覆蓋在熔滴表面，電阻力比較高，電弧溫度也比較高，平均計算溫度在27500C，增加了金屬蒸氣，導致高的發塵率。噴射過渡需要較高的電流，電弧呈錐形包圍著不規則的柱狀金屬熔滴，電阻比較高，計算的平均溫度為27500C  ，增加過渡金屬蒸氣，從而提高發塵率。氣體組分對GMAWV發塵率量的影響是這樣的；氧化性氣體，如加入二氧化碳或氧氣常可以用來提高電弧的穩定性，但隨著含氧成分的增加，FFR增加；增加保護氣體的氧化性會增加飛濺，而飛濺對煙塵的組分和發塵率有明顯的影響：飛濺和電弧的不穩定與熔池的攪動有關，在GMAW中電流通過焊絲，焊絲端部在熔滴分離時發生頸縮，同時電流密度增加而使熱量集中，最終在熔滴發生分離時發生爆炸，在還沒有過渡的末端發生瞬間的蒸發和進出的高溫金屬熔滴（飛濺），飛濺同時在電弧力的作用下，再加上飛濺有較大的表面積因而增加了金屬的蒸發，從而提高 了發塵率。在GMAW中至少有25%的煙塵 在電弧區外產生，而且增加保護氣體的氧化性將增加飛濺率，然而還有說法是飛濺顆粒太大而不能保持氣態，所以并不能對產生煙塵 起直接作用，這種說法目前來看不準確。最近的研究 表明：在藥芯焊絲的焊接煙塵 中，收集到的煙塵中的細微飛濺約占煙塵 總量的30%，且屬于可吸入物范圍內。

能量的輸入不但影響發塵率，而且還影響煙塵和發出氣體的成分和結構，它們之間的關系十分的復雜。JOHN H .DENNIS,PETER J.HEWTTT等人曾經以焊接電流，送絲速度、焊絲成分等因素為基礎建立了預測煙塵 的檢驗公式。

4 前景展望
$ R# M% n1 y% x0 n   目前國外的公司競相推出低塵低毒焊接材料，最近十幾年來發展迅速的藥芯焊絲最引人注目。隨著焊接自動化、半自動化應用逐漸增加，焊絲的應用比例將占焊接材料的大部分，因此我們也應該加強這方面的研究工作，尤其是藥芯焊絲的發塵機理、影響因素的系統研究，目前這方面的研究很薄弱，有著廣闊的研究空間。

( W+ e% {  B9 |, w" M* K焊接冶金本身是一個復雜 的過程，因此影響焊接材料發塵率的因素也會很復雜，人們對發塵機理的認識還不是十分的清楚，更有待于深入研究 ，隨著以人為本的觀念逐漸深入人心，這一問題將備受關注。