焊接气溶胶形成机理与焊接发尘量影响因素研究进展

王汉青， 孟德雨， 李铖骏， 夏慧瑶， 何俊怡

(1.南华大学土木工程学院， 衡阳 421001; 2.中南林业科技大学土木工程学院， 长沙 412002;3.建筑环境气载污染物治理与放射性防护国家地方联合工程研究中心, 衡阳 421001)

加快制造业绿色改造升级，积极推行低碳化、循环化和集约化，实现由制造大国向制造强国的转变，已经成为新时期中国经济发展面临的重大课题[1]。而焊接作为制造业一种重要的连接技术，在这场变革中发挥着不可替代的作用。但是在焊接过程中产生的有害物质影响了焊接技术的发展。电焊作业产生的有害物质可分为两类:高温电弧光产生的紫外线、红外线；焊接烟尘的成分，如固态的各种金属铁、锰、铝、铬、镉、镍和放射性元素钍等。其中，焊接烟尘是以工业气溶胶的形式存在于作业环境中[2]。

根据空气动力学直径可对气溶胶颗粒大小分级为TSP、PM10和 PM2.5(分别指空气动力学直径小于等于100、10、2.5 μm的颗粒物), 其中 PM2.5通常被称作细粒子。由于细粒子的粒径小，悬浮于空气中聚集成相互连锁的树枝状微粒，易富集空气中的有毒物质[3-6]。焊接气溶胶的粒径分布属于偏态分布。其中粒径为0.1 μm以下的焊接气溶胶粒子占11%，而粒径为0.1～1 μm的气溶胶粒子占98%，粒径大于10 μm 的焊接气溶胶粒子在重力作用下容易沉降，在空气中停留时间短，并且在人体呼吸作用下可以被有效地阻挡在人体呼吸道以外；粒径为0.1～1.0 μm范围的焊接气溶胶粒子会悬浮在空气中随着气流流动，进而弥散在作业空间内部，严重影响作业环境，还可以通过上呼吸道直接进入肺部,当其浓度超过允许值时就会严重影响焊接环境及其相关人员的身体健康, 引发尘肺、支气管炎、肺部纤维化，金属烟雾热等疾病，粒径越小的气溶胶颗粒在环境存在的时间越长, 危害越大[7-10]。

焊接气溶胶主要来源于焊接材料熔融，不同的焊接方式，焊接气溶胶粒子的微观状态和性质不同。手工电弧焊产生的气溶胶主要来源于焊条的药皮和药芯焊丝，小部分是由于焊接母材的熔融造成的，手工电弧焊形成的颗粒粒径较大，化学成分和微观组成更复杂，包含链状和球形结构的混合物[11-12]。而气体保护焊产生的气溶胶主要是来源于熔敷金属，颗粒物以微小固体的状态弥散在空气中，主要排列成均匀的链状团聚体[13-14]。

由于熔化极气体保护焊在制造业生产中占据越来越重要的地位，在焊接过程中产生大量的焊接气溶胶会严重损害作业人员的身体健康。因此现以熔化极气体保护焊为例对焊接气溶胶的形成机理以及发尘量进行概述，从焊接气溶胶的形成机理展开，探讨影响焊接发尘量的几种因素，讨论当前研究焊接发尘量存在的问题，展望未来研究焊接气溶胶的形成机理以及发尘量的研究方法和趋势。

1 焊接气溶胶的形成机理

焊接气溶胶产生于焊接电弧的高温作用下焊接电弧等离子体中的金属蒸汽粒子的成核和随后的增长。施雨湘等[15-17]利用电迁移率随粒子尺度减小而增大的特点，运用DMPS(differential mobility particle sizer)结合直接采用电镜分析的方法，对常用焊条在焊态下产生的气溶胶粒子的粒径分布，形貌以及组分进行了分析，提出了焊接气溶胶粒子两种分布特征和两种形核机制：其中两种分布特征分为单峰分布和多峰分布，单峰分布包括正态型和非正态型, 多峰分布包括连续型和断续型；两种形核机制包括均质形核与非均质形核。焊接气溶胶粒子谱的多峰分布特征表明气溶胶具有多种金属颗粒物的复杂分布特征，不同粒径的金属颗粒具有不同的发尘机理。如表1所示，焊接烟尘中粒径在0.01 μm左右的粒子主要是Fe3O4晶体，它是通过蒸气转化成粒子的均质成核方式产生的；粒径在0.1 μm左右的粒子主要是尖晶石型和氯化物型两类晶体结构，这两种类型的粒子是由蒸气转化成粒子的异质凝结机制形成；粒径在 1 μm 左右和大于 1 μm 的粒子则主要是由伴随飞溅发生的气泡转化成粒子的机制形成。目前的研究发现，粒子的增长主要有熔合和聚集两种形式，无论发生粒子熔合和聚集，都会引起气溶胶粒子大小、形状及数量浓度的变化[18-19]。

表1 不同粒径焊接气溶胶微粒的成核机制[18]

焊接气溶胶由电弧区产生以后,在扩散到电弧周围空气的过程中发生了不同程度的凝并和聚集。文献[20-22]对焊接气溶胶粒子的电镜观察发现焊接气溶胶微粒具有三种形态的存在形式，即单状颗粒，具有分形几何的链状团聚体以及链状团聚体所在的粗颗粒和簇状团聚体(密集或松散堆积的球形颗粒)，大部分是以多粒子团聚体的形式存在。气溶胶单个颗粒在生成过程中会聚集在一起，形成多链状团聚体的聚集状态，表面较为平滑的一次粒子(粒径在几十到几百纳米)聚结成链状和网状等不规则外形的二次粒子，并且在团聚体中可清晰地看见单个的单体粒子具有菱形的形态和晶格边缘，也能看到高温凝并未能完成的痕迹如图 1所示的三种焊接气溶胶微粒的形貌[23-26]。Fan等[27]为了进一步阐明焊接气溶胶的形成机理，建立了一个结合电极、电弧等离子体和熔池的统一模型模拟了焊接气溶胶粒子的形成过程，采用流体体积法，对熔滴形成和分离、电弧等离子体中熔滴飞行、熔滴撞击熔池和电弧熄灭后凝固过程中的输运现象进行了动态研究。Tashiro等[28-29]通过建立由非均相凝聚模型、均相成核模型和凝聚模型组成的气溶胶生成模型与焊接模型相结合，以金属蒸气压和冷却速率为计算条件计算一次粒子和二次粒子的形成，发现大部分气溶胶粒子产生于电弧等离子体的下游区域，主要是熔滴蒸发的金属蒸气；金属蒸气的高压增大了气溶胶粒子的尺寸，在1 000 K附近二次粒子的直径最大接近100 nm，在熔池附近形成的二次粒子尺寸最大达到60 nm，二次粒子通过凝聚作用而长大，粒子数减少，形成了链状团聚体结构。

图1 焊接气溶胶颗粒透射电镜(TEM)形貌观察Fig.1 Morphology observation of welding aerosol particles by transmission electron microscope (TEM)

综上所述，如图 2所示,焊接气溶胶的形成可进行如下假设[30]。

图2 焊接气溶胶颗粒形成示意图[30]Fig.2 Schematic diagram of welding aerosol particle formation[30]

(1)过饱和蒸气的形成是由于饱和蒸气的冷却效应产生。

(2)焊接气溶胶一次粒子由成核作用产生，而粒子的增长依靠冷凝作用。

(3)焊接气溶胶二次粒子由凝固作用产生，二次粒子的增长通过非均一冷凝和凝固作用。

2 影响焊接发尘量的因素

根据相关研究报道，影响焊接发尘量的因素众多且复杂，中外学者主要围绕焊接材料、焊接工艺和电弧等离子体形态等对焊接发尘量的影响做了大量研究。如图3所示，焊接材料主要是焊丝和填充材料成分对焊接发尘量造成影响；焊接工艺参数分为直接参数和间接参数，每种参数对焊接发尘量的影响不同；电弧等离子体形态主要是焊条与母材夹角、距离和保护气体成分对电弧等离子体形态造成影响，进而改变发尘面积，影响焊接发尘量，这些研究成果为改进焊接工艺和研制低尘环保型焊接材料奠定基础。

图3 影响焊接发尘量的因素Fig.3 Factors affecting the amount of welding dust

2.1 焊接材料对焊接发尘量的影响

焊接材料的理化性质是影响焊接发尘量的主要因素，由于焊丝以及填充材料的化学成分比较复杂，各成分含量以及相互作用对发尘量都有影响。在熔化极气体保护焊中，常用的焊丝有实心焊丝和药芯焊丝两类，由于药芯粉中的金属锰、铁等发生了激烈的氧化反应，生成了 Fe2O3、MnO等烟尘成分,使得药芯焊丝的发尘率远大于实心焊丝[31-33]，因此焊接材料对焊接发尘量影响的研究主要集中在药芯焊丝方面。Kobayashi等[34]通过高速摄影机观察了焊接气溶胶的产生状态，结合焊接气溶胶产生的现象和形成机理，研究了焊丝成分与气溶胶成分之间的关系，发现焊接气溶胶的形成主要来源于焊丝，由焊丝导致的气溶胶发尘量占总发尘量的 90%，只有小部分来源于含有高挥发性元素的焊件，并且焊接气溶胶中的元素含量随着焊丝中元素含量的增加而线性增加[35]。刘志云等[36]对J422 和 J502 两种焊条的焊接发尘量进行了实验测定，总结了焊接材料对焊接发尘量的影响，研究表明采用 J502 焊条进行焊接作业时，焊接过程中所产生的焊接发尘量大于 J422 焊条。蒋建敏等[37-38]和Pires等[39]通过实验证明减少药芯焊丝中钢皮和润滑剂的含碳量和铁粉所占比例可以大幅度降低焊接发尘量，由表2所示,当药芯焊丝中药粉粒径为120～380 μm时,随着药粉粒径的增大,发尘量逐渐增大,电流和电压的标准偏差呈增大趋势;药粉粒径为120～150 μm时,发尘量最少,电流电压标准偏差最小，电弧稳定性最好[40]。

表2 药粉粒径对发尘量和电弧稳定性的影响[40]

综上所述，可以通过增大药芯在焊丝中所占质量比(药芯率)提高焊接发尘量。近几年在制造业领域，由于药芯焊丝的工艺性能和生产效率均优于其他种类焊丝，药芯焊丝的使用率不断提高，因此仍需深入研究药芯焊丝成分对焊接发尘量的影响，对研制环保型焊接材料具有重要意义。但由于药芯率对发尘量影响的复杂性，使得焊接发尘量数值模型的建立非常困难，目前中外学者对于药芯焊丝的发尘量研究相对较少，后续研究需要控制药芯焊丝中药粉粒径、铁粉和润滑剂的含碳量等成分，对药芯焊丝的发尘量进行深入讨论。

2.2 焊接工艺参数对焊接发尘量的影响

在熔化极气体保护焊中，焊接工艺参数是影响焊接发尘量的主要因素[41]。如表3所示，焊接工艺参数分为直接参数和间接参数，直接参数主要包括焊接电流和焊接电压，间接参数包括短路电流和焊接缺陷等。

表3 影响焊接发尘量的工艺参数Table 3 Process parameters affecting welding dust

焊接电流和焊接电压是影响焊接发尘量的主要因素[42]。焊接电流和焊接电压相互关联，随着焊接电流的增加，焊接电压也随着增加。当焊接电流增大时，电弧温度升高，作用在焊接母材的电弧力增加，使电弧中更多的材料汽化并且电极的熔化速率提高，使得电弧能量向深度方向传递，新产生的带电粒子和其他金属粒子定向移动能力不断增强，电弧等离子体表面积增大，从而影响焊接发尘量[43]。张皙等[11]通过单独改变焊接电流研究焊接气溶胶发尘量的变化，研究表明焊接电流的增大会加速焊丝熔化，增加热输入和电磁力，使得单位时间内形成的熔滴数量和表面积增大，并且通过增加熔滴和熔滴的蒸发量来提高焊接发尘量。文献[44-45]利用综合模型研究了两种不同水平的恒定电流对熔滴生成、金属转移和熔池动力学的影响。结果表明在较高的电流下产生温度较高的电弧等离子体，电流越高，熔深越大，焊接发尘量越大。

此外焊接发尘量还受到间接参数的影响，Gray等[46]研究短路电流对焊接发尘量的影响，指出电源中较高水平的次级电感会降低短路期间的电流上升和峰值电流，从而降低电弧温度和金属粒子定向移动能力，降低焊接发尘量。熔池表面变形对焊接发尘量也会造成影响。芦凤桂等[47]在电弧与熔池统一模型的基础上研究熔池表面变形对焊接发尘量的影响，发现熔池表面变形增大，电弧等离子体的高温区向轴向收缩，焊接电弧温度场的分布特征发生变化。焊接发尘量随着熔滴尺寸的增加而提高，焊条上总是附着着一个不断增长的热熔滴，液滴越大，形成的电弧等离子体表面积越大，焊接发尘量越多[48-50]。Lucas等[51]研究了焊接缺陷对电弧稳定性的影响，其中焊接缺陷包括电弧功率和电弧电阻信号等，这些参数都会影响焊接发尘量。

2.3 焊接电弧等离子体形态对焊接发尘量的影响

焊接发尘量还受到焊接电弧等离子体形态的影响。如图4所示为文献[52-53]建立的焊接气溶胶等效发尘模型，将电弧等离子体表面积与焊接发尘量相结合，得出两者之间呈正相关的关系。电弧等离子体表面积越大，焊接发尘量也随之增大。在熔化极气体保护焊中，影响焊接电弧等离子体形态的主要因素有焊条与母材的夹角、距离和保护气体成分。

图4 焊接气溶胶等效发尘模型[52]Fig.4 Welding aerosol equivalent dust model[52]

在焊接过程中，由于焊条与母材夹角的不同，导致电弧等离子体形态发生相应的变化，从而影响焊接发尘量。杨桂茹等[54]通过实验观察发现焊接过程中，焊条平焊时发尘量最大，立焊时次之；焊条倾斜且焊条干燥时发尘量较小，反之则发尘量较大。李铖骏[30]通过实验对不同焊条角度的电弧等离子形状进行了研究，实验过程中控制焊条与母材距离为5 mm，分别研究了不同焊条角度情况下电弧等离子的变化趋势。如图5(a)所示，当焊条角度为45°时，电弧等离子体向焊条倾斜的反方向偏移，此时等离子体表面积较大，焊接发尘量增大；当焊条角度为60°时，如图5(b)所示,电弧等离子体同样向焊条倾斜的反方向偏移，但偏移量较焊条角度为45°时有明显的减小，此时电弧等离子体表面积减小，焊接发尘量减小；如图5(c)所示，当焊条角度为90°时，电弧等离子体呈现出对称分布的钟罩型结构，此时等离子体表面积达到最小值，焊接发尘量减小。

图5 不同焊条倾斜角的电弧等离子体形态[30]Fig.5 Morphology of arc plasma with different electrode inclination angles[30]

焊条与母材之间的距离影响焊接电弧等离子形态。在熔化极气体保护焊中，焊条与母材之间的距离影响电弧电压，电弧电压过高或过低都将影响到电弧形态和稳定性，电弧电压超出一定范围甚至会发生短路、断弧等现象[55-57]。如图6所示，作者以焊条倾斜角90°为例，分别研究了焊条与母材距离为1、5、15 mm时产生的焊接电弧等离子体形态。如图6(a)所示，当焊条距母材1 mm左右时，电弧等离子体呈现动态不规则的形态，此时电弧等离子体面积较小，焊接发尘量较小；如图6(b)所示，当焊条距母材5 mm时，电弧等离子体呈现出对称分布的钟罩型结构，此时电弧等离子体达到稳定状态，焊接发尘量稳定增大；如图6(c)所示，当焊条距离母材15 mm时，电弧等离子体呈现出飘忽不定的不规则形态，此时电弧电压以及焊接热输入变大，电弧等离子体表面积最大，焊接发尘量增大。

图6 焊条与母材不同距离的电弧等离子形态Fig.6 Arc plasma morphology at different distances between electrode and base metal

保护气体除了隔离空气，使高温焊接区免遭空气侵害外，还一定程度上影响焊接电弧等离子体形态和稳定性，从而影响焊接发尘量[58-59]。在熔化极气体保护焊中，常用的保护气体有：氩(Ar)、氦(He)、二氧化碳(CO2)、氧(O2)等，保护气体的种类和组分不同，焊接过程中产生的效果各不相同。随着焊接电流和电压的稳定增加，如果使用CO2和氦气(He)作为保护气体，焊接发尘量随着电流和电压的增加而继续增加；如果使用氩(Ar)作为保护气体，增加的电流最终导致过渡到喷涂金属转移，随着金属转移变为液滴喷射、飞溅，从而降低焊接发尘量[60]。孙咸[61]在使用100% CO2作为保护气体的焊接工艺中，由于CO2气体高温分解为CO和O，氧化性元素发生反应促使电弧温度升高，导致电弧等离子体表面积增大，焊接发尘量增大。研究发现使用氦气(He)作为保护气体用于电弧焊接时，由于氦气(He)具有更高的电离能，能够增加电弧长度和电弧能量，因此将氦气(He)加入到保护气体中可以使电弧有更高的温度，导致焊接发尘量提高[62-63]。

文献[64-65]建立了一个统一的电弧电极模型，如图7所示，发现CO2-Ar和CO2-Ar-O2混合物作为保护气体的熔化极气体保护焊的焊接发尘量与纯CO2相比有明显变化。对于纯CO2，焊接发尘量随着电流的增大而不断增加，且CO2和O2相比较于Ar混合物用作保护气体时，发尘量会显著提高。因此，保护气体中的氧化性气体能够通过增加电弧温度提高焊接发尘量。

图7 不同保护气体成分的发尘量随电流强度的变化趋势[62]Fig.7 The trend of dust emission of different protective gas composition with current intensity[62]

综上所述，焊条与母材夹角、焊条与母材之间的距离以及保护气体成分均会通过影响焊接电弧等离子形态对焊接发尘量造成影响。其中，焊条角度与电弧等离子体呈负相关关系，随着焊条与母材夹角的不断增大，电弧等离子体面积不断减小，进而对焊接发尘量造成影响；电弧电压与焊条与母材之间的距离成正比，当距离增大时，电弧电压增加，热输入能量增大，电弧等离子体表面积增大，从而提高焊接发尘量。保护气体中的氧化性气体能够通过增加电弧温度提高焊接发尘量，且CO2和He相比较于Ar用作保护气体时，发尘量会显著提高。

但是由于焊接过程在高温环境下进行并且反应时间很短，直接通过手动控制参数进行实验观察对结果的影响误差较大，而目前针对于焊接电弧等离子形态对焊接发尘量造成影响的研究主要集中于实验观察，因此未来工作需要对复杂的焊接过程作必要的合理简化从而建立基于动态条件下电弧等离子体形态变化的焊接气溶胶发尘模型，通过准确控制过程参数研究焊接电弧等离子形态的变化以及其对焊接发尘量的影响。

3 总结与展望

(1)焊接气溶胶产生于电弧的高温作用下焊接电弧等离子体中的金属蒸气粒子的成核和随后的增长。金属蒸气可以来源于焊条高温熔化、熔池、金属液滴和从电极飞溅出来的细小液滴，这种金属蒸气在扩散到电弧周围的过程中被迅速冷凝和氧化，然后通过金属蒸汽成核形成1～100 nm大小的金属初级粒子。此外，其中一些颗粒凝结并通过非均一冷凝和凝固作用产生最大尺寸超过1 μm的二次粒子。综上所述，焊接气溶胶粒子源于焊接材料(主要是焊条)在电弧等离子体中发生的一系列物理化学过程(相变、氧化、凝并等)而得到的产物。

(2)焊接发尘量的主要影响因素有焊接材料、工艺参数以及电弧等离子体形态三种。其中焊接材料主要是焊丝和填充材料化学成分对焊接发尘量造成影响，可以通过增大焊接材料中药芯所占质量比(药芯率)，提高焊接发尘量；焊接电流与焊接电压相互关联，可以通过增大焊接电流提高焊接发尘量；焊条与母材的倾斜角度、距离以及保护气体均会影响焊接电弧等离子体形态和稳定性，从而影响焊接发尘量，其中焊条倾斜角越小、距离越大时会显著提高焊接发尘量；保护气体中的氧化性气体能够通过提高电弧温度提高焊接发尘量。

(3)本文中研究对象为熔化极气体保护焊所形成的气溶胶颗粒，在实际作业环境中还存在激光-复合焊接以及非熔化极惰性气体保护电弧焊(tungsten inert gas,TIG)等其他焊接工艺，不同焊接工艺中焊接气溶胶形成机理以及焊接发尘量的影响因素可能存在差异，因此有必要针对其他焊接工艺开展深入研究；总结了焊接材料、焊接工艺和电弧等离子体形态三种主要影响焊接发尘量的因素的研究方法，目前中外主要集中研究单一因素对焊接发尘量的影响，而焊接发尘量的影响因素众多且复杂，多种因素相互耦合均会对焊接发尘量造成影响。因此后期需要研究多因素影响的发尘量变化规律。

(4)目前针对焊接气溶胶形成机理和发尘量的研究结论大部分都是通过实验得出，由于焊接过程在高温环境下进行并且所需时间很短，为了控制焊接气溶胶的形态、化学成分和生成速率等特性，直接通过实验观察比较困难，数值模拟是常用的研究方法。但现有的熔化极气体保护焊的数值模型主要是将凝聚和成核模型组成的气溶胶生成模型与焊接发尘量模型相结合，并未考虑电弧区域是否有保护气体存在、焊接过程中金属汽化以及焊接喷溅对发尘量所造成的影响，并且由于其中个别参数难以进行实际测量从而影响整个模型的准确性。因此必须通过考虑粒子间相互作用，将焊条，电弧和熔池作为整体建立一个基于动态条件下的统一模型阐明气溶胶的形成机理以及影响焊接发尘量的因素。随着数值模拟技术和方法的不断完善和提高，通过建立准确统一的数学模型来模拟焊接气溶胶的形成过程和电弧的微观形态，在已有的研究基础上进行定量分析，能够进行有关焊接气溶胶形成机理以及发尘量的深入研究。

(5)通过对焊接气溶胶形成机理和发尘量影响因素的研究，能够对焊接气溶胶浓度和粒径在空间上的分布特征以及其随时间的变化规律进行有效分析，对开展焊接气溶胶的危害评价与净化措施具有一定的理论和实践指导意义。