铝合金车身装焊中的粉尘防爆治理

杨必胜

摘要：目前，中国汽车工厂设计的相关手册和规范中没有关于铝合金粉尘防爆治理的明确规定。

关键词：铝合金车身装焊粉尘防爆粉尘治理

汽车轻量化是汽车工业节能减排的重要手段，2006年欧、美、日的小汽车平均用铝量已经达到127kg/辆。欧洲铝协（EAA）预测，在2015年前，欧洲小汽车用铝量将增至300kg/辆，如果采用铝合金车身则比钢制车身可减重40%。查询相关资料可知，汽车质量每减轻10%，最多可实现节油8%;每使用1kg铝，可使轿车全生命周期尾气排放减少20kg。因此，车身轻量化必然会促进铝合金在汽车车身上推广应用。

1铝镁粉尘、铝镁合金粉尘爆炸的条件

铝镁合金粉尘爆炸所需要的条件如下。

1.1可燃性粉尘以适当的浓度在空气中悬浮，其表面分子与空气充分接触，产生热分解或干馏作用，成为气体排放在粉尘粒子周围，形成爆炸性混合物。

1.2充足的空气和氧化剂。

2铝合金车身装焊的主要工艺及铝镁粉尘产生的工序

铝合金车身采用的铝合金为Al-Mg-Si系列合金，在我国该系列的铝合金牌号为6000系列铝合金。我国研发出来的车身用铝合金板材牌号有6009、6010、6022、6061等。装焊铝合金车身过程中的主要工艺有电阻焊、CMT冷过渡焊接、钨极氩弧焊、铆接、冲连、打磨抛光等。

2.1铆接、冲连

在这些加工过程中，铆接、冲连产生的合金粉屑的粒度比较大，肉眼可见，也易清除，对比粉尘爆炸的先决条件，基本可以排除。

2.2电阻焊接

目前，铝合金的电阻焊一般采用中频或高频电阻焊工艺，该种焊接工艺只在电极大小范围内且在极短的时间内融化母材金属而形成熔池，焊点迅速冷却形成连接，产生铝镁粉尘的可能性极小。产生的焊接烟尘大多是金属表面的氧化物颗粒和表面杂质的氧化物颗粒。焊接过程中都配有工位局部排风，能及时将这些颗粒通过风筒排到大气中，基本不会产生铝镁粉尘的沉积。

2.3CMT冷过渡焊接和氩弧焊

这两种焊接工艺，由于有不活泼气体的保护，其融化金属在高温下与氧气的接触不充分，在电弧的射流作用下能够产生颗粒度较小的铝镁金属颗粒，并飞溅到工作环境中，形成铝镁粉尘的沉积，具有铝镁粉尘爆炸的危险性。需要做粉尘爆炸的预防及处理工作。

2.4焊前处理

由于铝镁属于活泼金属，其表面一般都会形成一层氧化膜，例如三氧化二铝的薄膜。这种氧化物薄膜很稳定，对于焊接很不利，一般在焊接前要進行焊前清理，如用化学处理、打磨等工艺将这层氧化物薄膜去掉。在焊前打磨清理的过程中，能够产生铝镁金属粉尘，具有粉尘沉积和爆炸的危险性，需要做粉尘爆炸的预防及处理工作。

2.5打磨抛光

在现行的装焊工艺中，为了保证白车身总成的表面质量，为涂装工艺流程做好准备，在白车身总成装焊的后期都编排了打磨抛光工序。在铝合金车身的打磨抛光过程中，能产生大量颗粒度比较细小的铝镁金属颗粒。这是产生铝镁粉尘爆炸风险最大的工作流程，也是预防粉尘爆炸的重中之重。

3铝镁粉尘爆炸的治理方案

3.1工艺布局

在工艺布局上尽量将铝件打磨抛光工位布置在一起，以便于建筑结构及公用设施的设计。德国奥迪公司在Neckarsulm的工厂采用的就是这种布局。该工厂在焊装车间的二层专门设置了一个铝件打磨间，将需要进行打磨抛光的工序都集中在这里。按照《建筑设计防火规范》中第3.1.1条规定，生产过程中产生铝粉生产的火灾危险性为乙类;第3.6.7条有爆炸危险的甲、乙类生产部位，宜设置在单层厂房靠外墙的泄压设施或多层厂房顶层靠外墙的泄压设施附近;第3.6.8条有爆炸危险的甲、乙类厂房的总控制室应独立设置;第3.6.9条有爆炸危险的甲、乙类厂房的分控制室宜独立设置，当贴近外墙设置时，应采用耐火极限不低于3.00h的不燃烧体墙体与其他部分隔开。在奥迪Igolstadt的工厂，为了保证工序流程的顺畅，将铝件打磨间分散在焊装车间中。通过排风除尘设施来保证铝件打磨间中的粉尘含量不超过1mg/m3，从而满足《建筑设计防火规范》3.1.2条的条文说明可不按物质危险特性确定生产火灾危险性类别的最大允许量乙类第4款“不属于甲类的化学易燃危险固体：赛璐珞板、硝化纤维色片、镁粉、铝粉”最大允许量为0.015kg/m3，总量不超过50kg的要求。铝件打磨间可以布置在火灾危险性为丁、戊类的厂房内。可见，德国在铝件打磨间设计中遵循的ATEX标准与中国的法规极其相似。打磨间实体设计按照《粉尘防爆安全规程》中的规定执行。

3.2工艺设备的选型

在铝件打磨间中的打磨工具选用的是气动打磨工具和人工打磨砂纸，而没有选用电动打磨工具;自动输送设备选用的是不产生摩擦火花的胶带传动。

3.3电气接地及电气控制

采用联合接地方式，防静电接地、防雷接地、交流接地公用接地极。沿打磨间外侧地面铺设铜带作为均压环。将打磨间内所有的设备及可导电物，如各种管道、金属门窗及电缆接到接地汇集环上做等电位连接。打磨间内金属线槽、金属线管、配电箱接地PE排服务器机柜等单独与接地汇集环连接或通过接地母线连接。打磨间内的所有电气设备、照明设备均选用防爆类型。

3.4自动控制流程

a.卷帘门未关闭1min的控制流程

卷帘门门框下方安装角柱形继电器内置式光电开关以用于检测卷帘门的开关位置。当卷帘门未关闭时，光电开关发送开关量信号至时序控制器（PLC），触发PLC内部计时器动作，计时器计时60ms后输出开关量信号，驱动外部继电器动作，由外部继电器带动声光报警指示灯动作，声光报警指示灯报警，同时在人机界面上显示该报警信息，完成卷帘门未关闭1min时的报警任务。当卷帘门关闭后复位该任务流程。

b.卷帘门未关闭5min的控制流程

卷帘门门框下方安装角柱形继电器内置式光电开关以用于检测卷帘门的开关位置。当卷帘门未关闭时，光电开关发送继电器信号至PLC，触发PLC内部计时器动作，计时器计时300ms后输出开关量信号，驱动外部继电器动作，由外部继电器控制高负压设备的运行状态，关闭高负压设备，并通过高负压设备的运行状态信号继电器关闭压缩空气控制阀门，同时在人机界面上显示该任务信息，完成卷帘门未关闭5min时关闭高负压设备的任务。当卷帘门关闭后复位该任务流程。

c.消防火灾信号关闭主电源的控制流程

由厂房消防控制中心发出DC24V消防报警信号，该信号驱动控制柜内继电器动作，继电器控制到控制柜主电源开关内部分闸线圈，在分闸线圈动作后，主电源开关脱扣，断开主电源开关，完成消防信号断开主电源任务。该任务动作后必须手动复位。

d.粉尘收集装置液面过高的报警控制流程

粉尘收集灰桶安装粉尘液面监测系统。当粉尘液面高于预先设定位置以后，该监测系统发送开关量信号至PLC开关量输入点，信号激活后由PLC输出开关量控制信号驱动外部继电器动作，由外部继电器控制高负压设备运行状态，关闭高负压设备，并通过高负压设备运行状态信号继电器关闭压缩空气控制阀门，同时在人机界面上显示该任务信息，完成粉尘收集装置液面过高时的报警控制任务。该任务需要手动复位。

3结论

a.通過激光焊接工艺试验，获得焊缝深度、焊缝形状可控的齿轮总成激光焊缝。

b.激光焊缝纵向硬度、横向硬度分布均匀。在拉伸试验时，焊缝正常的样品在母材断裂，焊缝强度较高;焊缝缺陷明显的样品在焊缝断裂。在实际焊接中，应避免缺陷对焊缝强度的影响。扭转试验表明，齿轮焊缝承载能力完全满足齿轮传递扭矩要求。

c.根据齿轮传递扭矩、拉伸和扭转试验结果，综合分析，可给出各速齿轮总成的焊深要求。

参考文献

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