接电流对焊接烟尘气溶胶粒径分布的影响

焊接烟尘是以气溶胶的形式存在于大气环境中的，细小的气溶胶颗粒对环境及人体具有严重的影响。
通过对焊接烟尘的分粒径收集，来研究焊接电流改变对焊接烟尘气溶胶粒径分布的影响，以更好地控制焊接烟尘。

　　大气颗粒物对人体的危害主要取决于其浓度、化学组成及粒径。大量研究表明对人体产生危害的多环芳烃和重金属主要富集在细粒子当中，而水溶性硫酸及硫酸盐、硝酸及硝酸盐和铵盐等成分主要以细粒子的形态存在。毒理学的试验表明金属元素是大气颗粒物中造成危害的可能性组分。研究表明金属元素可以产生活性氧化物，活性氧化物在体外和体内催化细胞炎性反应路径；可溶性Zn是有毒元素；Pb导致人群特别是儿童的严重的神经上和血液的负效应；砷、镍、镉通过空气吸入导致人体的致癌效应；钒的化合物主要是五价氧化物与人体呼吸道健康效应有关；暴露在高含量Mn的颗粒物中导致神经损伤，高含量的Cu会刺激呼吸系统。而细小颗粒与大粒径的颗粒物相比，更容易提供比表面积，这为一些化学物质、细菌、病毒提供了载体。并且细小颗粒由于不能被鼻孔、喉咙所阻挡，能够通过呼吸系统被吸入沉积到肺泡，甚至通过肺换气到达其他器官，如果长期吸入细颗粒物的污染空气，会导致呼吸系统和其他系统和结构的损害。

　　焊接烟尘同大气颗粒物具有相同的性质和危害，因此气溶胶粒径越细小的焊接烟尘对人体及环境的危害越大。研究焊接烟尘的气溶胶粒径分布，可以直观地表现出各个粒径尺度下气溶胶的物相、含量，焊接烟尘中有毒有害物质主要存在的粒径尺度级别，以及通过改变焊接方法、焊接材料使得粒径分布发生的改变。这对于降低焊接材料对环境负荷的影响具有重要意义。通过分粒径研究焊接烟尘气溶胶，了解有害物质所处在的粒径范围，可以更加有针对性的改变焊接工艺参数或者焊丝药芯成分配比，以此来降低该粒子尺度下的气溶胶含量，从而进一步降低有害物质的排放。

　　分粒径烟尘收集设备

　　1.烟尘收集系统

　　对于焊接烟尘的收集存在多种不同的收集方法，各国对于焊接烟尘发尘率的测定都制定了相关的标准，我国对于烟尘采集和发尘率的测试在《焊条检验、包装和标记》国家标准GB1225-76中规定了半密封抽气捕集法，本试验利用该标准所用设备（如图1中集尘器筒体部分），与外加设备——气溶胶颗粒采样仪，联用形成实现焊接烟尘分级收集的收集系统。

    2.气溶胶颗粒采样仪

    对不同粒径下焊接气溶胶的研究首先需要将焊接烟尘中不同粒径的气溶胶粒子分级收集，这样可以更好地分析不同粒径下气溶胶的各种特性及粒子分布谱特征。测定焊接气溶胶粒子大小和分布的方法主要是利用光学显微镜或电镜的分级计数法和利用冲击采样器的分级测重法等，随着科技的进步，相对于传统的气溶胶采集方法来说，又产生了很多现代的气溶胶测量技术，包括空气动力学粒度仪、低切割粒径冲击式采样仪、电子级联冲击器（ECI）、气溶胶化学成分自动分析仪、以及20世纪70年代由Knutson提出的利用电迁移率测试技术的DMPS法。

本试验选用芬兰DEKATI公司生产的LOW PRESSURE IMPACTOR（气溶胶颗粒采样仪）对焊接烟尘按不同粒径分做13级进行收集(如表1)。

表一

    该设备基于气溶胶粒子的惯性分级和重力分析原理，将气溶胶粒子在级联低压冲击器中根据空气动力学直径按尺寸分级，在13级收集通道中所收集到的气溶胶粒子粒径范围为0.03~10μm。该设备中每级冲击器都可以看作是一个单独的单元，由两个共线的板组成，其中一个带有小孔。气溶胶粒子高速通过小孔，在两板之间随着气流产生急转，其中惯性充分的粒子会冲击到第二层板上附着并被收集，惯性足够小的粒子则继续保持在气流中进入下一级冲击器。其中带孔的板称作喷射板，另一个则称作收集板（如图2）。根据每级冲击器的收集效率曲线，定义收集效率为50%的粒子尺寸为该冲击器的切割直径。级连冲击器由多个切割直径递减的冲击器组成，最高级（stage 13）的切割直径为10μm，最低级（stage 1）的切割直径为0.03μm。该设备可以较为精确的将气溶胶粒子按粒径分布收集，准确的表现粒径分布的变化规律，可用来分析气溶胶粒子在不同条件下的分布规律以及对每一级粒径范围内所收集到的粒子进一步进行微观分析。  

    该设备通过对传统的级联式冲击器的成功改进，引用微孔（Micro-Orifice）和低压（Low-Pressure）技术，不仅设备简单，不需要对收集前的气溶胶粒子进行充电处理，而且可以获得非常小的切割粒径，具有良好的切割锐度。

焊接电流改变对烟尘气溶胶粒径分布的影响

　　改变焊接电流可以改变焊接过程中的热输入，而热输入的增加势必增加熔滴及熔池的蒸发量，从而增大焊丝的发尘率。从熔滴及熔池所蒸发出来的蒸发物，在环境冷空气的影响下，达到形核条件则形成凝结核，并且根据各自的形核方式实现形核、长大，形成粒径大小不同的气溶胶状物质。若条件发生改变时各粒径不同的气溶胶在形核过程中并非等量形核，那么焊接气溶胶的粒径分布就必然发生相应的变化。

表二

    试验通过单独改变焊接电流，而保持其他焊接条件不变，使用CO2气保护焊机对试验所用焊丝施焊，试验在图1所示焊接烟尘收集系统中完成，所收集到的各粒径烟尘通过称量计算整理得到结果，如表2所示。

    从试验结果可以看出，单独增大电流，焊接气溶胶峰值粒径由0.3μm逐渐变化至0.7μm，并且其峰值也有所增加。

    焊接电流的增大会增加焊丝熔化速度，增加热输入，增大电磁力，使得单位时间内形成的熔滴和过渡的熔滴数量增多，并且通过增加熔滴及熔池的蒸发量来增大焊接烟尘的发尘率。当大量蒸发物存在于焊接区附近，根据气溶胶形核原理，达到形核条件的元素不断形核并长大，而电流的增大恰恰增大了焊接区附近的温度，增大了过冷度，促进了气溶胶粒子的形核，并且由于气溶胶粒子在不同粒径范围内所具有的形核机制的差异，使得粒子在形核过程中，虽然形核数量均有所增加，但是增大的幅度却各有不同。从所占质量百分比的角度来看，焊接电流的增大，使得气溶胶粒子长大的趋势更为明显，可能是由于气溶胶形成过程中，随着电流的增大所获得的能量增多，足够多的能量使得气溶胶粒子发生聚集的能力增强，多个小粒子聚集成一个整体运动，从而使得粒子直径增大，也因此减少了小粒径粒子所占的比例。

    对不同粒径下所收集到的气溶胶粒子进行X射线衍射分析，分别观察在不同的粒径范围内所生成的气溶胶粒子的物相，发现不同粒径下的气溶胶粒子具有不同的物相结构，而同一粒径的气溶胶粒子在改变电流的情况下，物相结构不变。

 
图3  不同电流气溶胶粒径分布曲线

    选取不同电流条件下，对0.3μm以及0.7μm粒径下所收集到的气溶胶粒子进行XRD衍射分析，得到不同的电流在同一粒径范围所得到的衍射图相同，而同一电流条件不同粒径的气溶胶粒子的衍射结果可以看出，具有不同的物相结构，证明药芯焊丝的药芯成分中的各元素在进入烟尘并形成气溶胶的过程中，会依据相互间性质的差异而形成不同粒径大小的气溶胶粒子，仅改变焊接电流或者焊接电压，由于没有新元素的加入，因此并不会改变各元素在进入烟尘后所形成的气溶胶粒子的物相结构，而是依靠能量的变化，对不同元素所形成的气溶胶粒子的物相结构的形成过程及形成核数量产生影响，并且由于各个粒径下形成的物相不同，影响不同，由此使得焊接电流或电压的变化改变了气溶胶的粒径分布。同时还可以认为焊丝中的有毒或者有害的元素在进入烟尘时可能会存在于某一个或者某几个粒径范围，这就使得分粒径研究焊接烟尘气溶胶变得有意义。

    焊接电流的增加使得焊接烟尘气溶胶粒子更多的生成相对较大粒径的粒子。不同粒径范围内所生成的气溶胶粒子物相结构存在差异。改变电流不会改变不同粒径下所生成的物相。