电弧焊接会产生一些对人体有害的影响，如紫外辐射、噪音、烟尘排放及飞溅等，为了保护操作人员和焊接区域附近工作人员的身体健康，需要使用相关的保护设备，对操作者进行培训可以提高对这些风险的认识。对焊工的培训可以加强焊工明白正确调节焊接参数的重要性和暴露在电弧环境的风险，此外工作场所的正确通风和换气也很重要。在考虑车间实际工作条件的基础上，ISO EN 15011规定了测量烟尘排放率的方法，从而可以有效获得合乎要求的通风。
在焊接时污染的控制并非易事，因此从焊接设备材料方面进行控制，必定会对改善工作环境有积极的影响。液空集团在几年前致力于研发更少污染的产品，以期改善焊工工作环境，同时与那些标准产品相比操作性能并没有改变，所以对生产效率并无有害影响。
焊接烟尘的形成原理
焊接操作过程中会形成烟尘和有毒气体。烟尘成分主要是金属氧化物，其颗粒尺寸为0.005~20μm，这些金属氧化物颗粒是由于焊接中母材和很大部分源于焊材中的化学组分蒸发形成的。这些元素在电弧热能作用下分解并且蒸发出来，之后离开焊接保护气体，冷凝并被周围的空气氧化。
焊接时放出的气体主要是臭氧、CO和氮氧化物。电弧的UV辐射与氧作用产生臭氧，臭氧非常不稳定且氧化性很强，与金属蒸气接触就会发生自然反应。臭氧排放量取决于焊接工艺、电弧能量、保护气体种类和焊材类型。一般来说，TIG焊的臭氧量很低，当MIG/MAG焊焊接不含镁的铝合金时臭氧量会很高，镁会导致烟尘的增多（低沸点），从而阻止臭氧形成。在含有CO2的保护气体的GMAW工艺焊接碳钢时最主要的气体污染是CO，排放的CO量与保护气中CO2的含量是成比例的。考虑到电弧操作性，很难将氧或CO2从保护气体中去除。所产生的氮的氧化物，主要是NO2。在焊接气氛下由于UV辐射和高温，N2和O2在电弧附近互相作用而形成氮氧化物NO，其与臭氧结合形成NO2。与氧乙炔切割或者等离子弧相比，电弧焊中氮氧化物的排放比率是非常低的。
MIG-MAG焊中对烟尘排放的影响因素
除了UV辐射，MIG-MAG焊中烟尘排放是主要污染。一般来说，烟尘发生率是保护气体氧化势的增函数。但在比较不同焊接参数下烟尘发生率测量数据时，上述一般性的结论有时候会出错。这是因为在不同的焊接参数下，MIG/MAG焊具有多种熔滴过渡方式（如图1所示）。
图1 MIG/MAG焊中熔滴过渡方式与焊接参数
小电流焊接条件下，金属以短路过渡的方式从焊丝进入熔池。这种模式下电弧先引燃，焊丝末端形成熔滴并与熔池接触，随后电弧熄灭，电流迅速增加，电磁力将熔滴掐断，焊丝与熔池脱离接触，电弧重新引燃，随后不断重复上述过程。
大电流时，金属以喷射过渡的方式从焊丝进入熔池，焊丝末端呈锥形，细小的熔滴沿焊丝轴向朝熔池过渡，电流越大，熔滴越细小，过渡速度越快。
中等电流时，金属以大滴过渡的方式进入熔池，熔滴在焊丝的末端形成，尺寸逐渐增大直到明显的大于焊丝的直径，而在短路发生前又以不稳定的方式离开焊丝末端，这种模式相对来说不稳定，飞溅量最大。
因此，焊接电流是过渡模式的决定因素。然而，在发生短路过渡或喷射过渡的电流区间内，通过电压调整可以得到大滴过渡，小电流时采用过高的电压或者大电流时采用过低的电压。
在图1中，Icc表示能发生短路过渡的最大电流；CC'线表示能发生短路过渡的最大电压，实际操作中，焊工所调节的电压会稍低于该最大值（图中深橙色区）；Is表示能发生喷射过渡的最小电流；SS'线表示能发生喷射过渡的最小电压，实际操作中的电压一般会稍大于该值。
上述数值的精确值是特定焊丝与气体组合的特征值，与保护气体的成分和焊丝直径有关。通常，在Ar中加入CO2或O2，会降低Icc和提高Is，从而增加大滴过渡区域的宽度，焊丝直径的增加会导致Is增大，而Icc基本保持不变。
图2给出了三元混合气体Arcal 14（Ar + 3%CO2+1%O2）保护下，烟尘、飞溅与熔滴过渡方式的关系。对于给定电流，电压只要高于能发生喷射过渡的最小电压SS'，烟尘排放率最小，同时飞溅量大大减小。对于特定的焊丝/气体组合，所用的电流处于喷射过渡区间时，随着电压增加，得到稳定的喷射化过渡时，烟尘发生率和飞溅量减小。超出这个值，电压的增加不会再引起过渡方式的变化，只是导致电弧长度加长，这将会导致金属元素的挥发增加，烟尘发生率增高。
图2 烟尘、飞溅量和熔滴过渡间的关系（焊丝ER 70 S6，φ1.2mm，气体Arcal 14）
上述规律是一普遍规律，无论采用何种混合气体都有类似现象，因此在满足操作性能的要求下，使用尽可能低氧化势的保护气体是有利的。从图3中可以看出，在Arcal 14（Ar + 3%CO2 + 1%O2）混合气的保护下，烟尘发生率较低。若采用脉冲电流进行焊接可以进一步降低烟尘发生率。在合适的参数下，采用脉冲电流进行焊接可以避免大滴过渡方式，如峰值电流下的电压比喷射过渡的临界电压（图3中S点）高，且脉宽正好可以过渡一个熔滴，这样，可以显著的降低烟尘发生率并减少飞溅量。
图3 保护气体和设定的参数对GMAW烟尘排放水平的影响（焊丝 ER 70S-3，φ1.2mm）
具有低烟尘排放水平的药芯焊丝
药芯焊丝使用过程中会产生手工电弧焊中的某些有害物，尽管烟尘发生率不会显著的高于药皮焊条，但由于熔敷率大，导致单位时间的烟尘发生量大，阻碍了其推广应用。另外，一般认为在标准条件下的GMAW焊接工艺，普通药芯焊丝的烟尘排放率高于实心焊丝。
药芯焊丝的操作性能与所用的保护气体部分相关，也与药芯的成分有关。与实心焊丝相比，可以通过一定的药芯配方，得到新的焊丝和保护气组合，从而改善焊工的工作环境。在几年前就开始了与特定保护气体（Arcal 22 （Ar+3.5%O2））相组合，并且满足操作性能要求的药芯焊丝研发。Arcal 22的氧化性不强，使用中烟尘排放率的明显减少。另外，该组合不会产生CO，因CO的形成量与保护气中CO2的量直接相关。不过，该组合需要用户同时改变焊材和保护气体，且特定气体的使用也给客户使用车间的气体网络带来了困难。
因此液化空气焊接公司研发了可与标准保护气体组合使用的CRISTAL系列低烟尘药芯焊丝。目前，该系列包括两种在Ar、CO2混合气保护下使用的金属粉芯药芯焊丝，及两种在CO2保护下使用金红石型药芯焊丝，可以采用有缝或无缝药芯焊丝生产技术进行生产。在保持原有的操作性能和化学成分的基础上，通过调节药芯的配方来减少烟尘排放率，这包括选择使用低碳含量的特定铁合金粉末，特定铁粉及特定成分的带材。目前，CRISTAL系列药芯焊丝的操作特性比那些标准产品要好的多，且均符合AWS 5.20和AWS 5.18标准。
CRISTAL系列药芯焊丝与相应标准药芯焊丝的烟尘排放率如图4、5所示，可见在相同的保护气体下，CRISTAL?系列的烟尘排放率比常规产品明显减小。试验条件为：焊丝直径1.2mm，焊接电流300A，焊丝外伸长度20mm。另外，正如前面所指，为了获得最小的烟尘排放率，保护气的氧化性必须尽可能的小。低烟尘金属芯药芯焊丝与低氧化势混合气组合使用优化方案。
图4 Cristal系列与标准产品的金属芯药芯焊丝烟尘排放率（ATAL 5保护气）—TWI数据
具有低烟尘排放特性的药皮焊条
药皮焊条焊接中烟尘排放量取决于药皮的特性和所用的焊接电流、电压。图6是不同直径的两种金红石药皮焊条和两种碱性药皮焊条在不同电弧能量下的烟尘排放率。所用的焊接电流是焊材制造商对该直径焊条推荐电流的中值，需要着重指出的是对于一定的直径，当焊接电流的范围从推荐的最小值到最大值变化时，烟尘排放率的差别可达到2倍左右。总的来说，取近似值的话，金红石焊条的烟尘排放率在金属熔敷率的0.8%~1％范围内，而碱性焊条的比例增加到1.5%~2％。
图6 焊条直径和药皮组分对烟尘排放率的影响
标准药皮的配方设计已经获得了很大的进展，多种型号焊条烟尘排放率得到显著降低。这些焊条排放的烟尘中含有大量的六价铬（约4％），毒性比标准高100倍。因而使用这些焊条就要求比常规焊条使用更多的排尘设备。调整常规焊条的药皮配方设计，来改变存在于烟尘中铬的特性从而减少六价铬的排放，显著的改善焊工呼吸区域的空气质量，对于小空间的车间或工作区域，还减少了吸尘器的使用。
为减少烟尘中CrVI的量，需要去除存在于药皮焊条配方中所有含Na、K的化合物，并用含有Li元素的化合物来代替。不过执行起来相当困难，因为使用含Li的粘接剂会导致药皮变脆，甚至非常容易发生碎裂，其电弧“偏软”，脱渣性差，影响操作性能。实际上，通过精确平衡粘接剂的量与药皮配方中使用的粉末种类及其颗粒尺寸分布，可以获得烟尘排放较低、药皮不太脆及操作性能良好的焊条。
新的CRISTAL系列不锈钢焊条（308L、316L和309L），药皮系金红石类型，成分均符合AWS A5.4中有关要求。CRISTAL焊条的特性如下：其操作性能至少与普通金红石型焊条相当，同时保证良好的药皮抗发红性能，良好的操作性能，平稳过渡的电弧特性、完美的焊缝外观、良好的脱渣性、易引弧和再引弧。从图7、8可以明显看出，与相同分类的标准焊条相比，CRISTAL低烟尘焊条在母材上的黑色残留物明显减少。在相同的焊接条件下，图9能够直观的给出CRISTAL和相同分类的标准焊条之间烟尘排放水平的差别。
图7 用直径3.2mm CRISTAL 316L焊条所得焊缝
图8 用直径3.2mm 316L标准焊条所得焊缝
与当前市场上标准焊条相比，CRISTAL产品至少烟尘排放量显著降低，在安全性方面有很大进步。MIG/MAG焊的主要缺点是烟尘和飞溅，和熔滴过渡方式有直接的关系，而这取决于焊接参数和保护气体。结果表明在满足操作性能的前提下，使用弱氧化势的混合气体可以显著降低烟尘和飞溅。因此ARCAL 14可以做为结构钢焊接的保护气体，同时获得良好的操作性以及较低的烟尘发生率。
图9 CRISTAL和标准不锈钢焊条之间不同的烟尘排放水平的直观评估
关于药芯焊丝，即使是同样使用常规保护气体，通过调整填充药粉的配方便可以大大降低烟尘排放率，同时操作性能优于标准产品。并且随着保护气体氧化势的降低，其优点将更为显著。CRISTAL系列包括金红石和金属芯药芯焊丝。
关于药皮焊条，通过调整药皮配方可以使得烟尘排放降低约一半。不过，只有高合金焊条才能接受配方调整研发所带来的额外费用，并付诸工业化生产。目前CRISTAL系列不锈钢焊条有308L、316L和309L，其操作性能与常规产品相当，但六价铬的排放率则约低8倍。(end)
|
