隨著焊接技術向優(yōu)質、高效、自動化進程的快速發(fā)展，與高效、自動化相聯(lián)系的各類焊接材料和焊接工藝方法被迅速推廣應用。無論是自保護藥芯焊絲，還是氣保護藥芯焊絲；無論是雙絲自動焊，還是多絲自動焊，采用大熱輸入量焊接，勢必導致作業(yè)區(qū)焊接有害物質排放量猛增；另一方面，在一部分迅速崛起的新型焊接結構制造企業(yè)，由于缺乏安全、健康和環(huán)保意識，作業(yè)區(qū)通風條件較差，又沒有設置有效的排煙凈化裝置，致使作業(yè)區(qū)焊接有害物質濃度大大超過容許濃度，焊工的健康受到很大的威脅。當前，提倡以人為本，關注環(huán)境與健康，實現(xiàn)安全生產和社會經濟協(xié)調發(fā)展，已經成為人類追求生活質量提升和社會穩(wěn)定進步的新目標。繼續(xù)開展焊接與環(huán)境、焊接與健康方面的研究與探討，對推動焊接技術的清潔、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展，具有參考價值和重要意義。

      一、焊接有害物質的產生

      1． 焊接有害物質定義

      所謂焊接有害物質，是指在焊接和切割及相關工藝過程中產生的、超過容許濃度時就會危害健康的，以及可吸入的空氣污染物質。焊接有害物質的存在形式有氣態(tài)和顆粒狀態(tài)兩種。

      2． 焊接有害物質產生機理

      20世紀80年代以來，關于焊接有害物質產生機理，逐漸形成了比較相近的理論。該理論認為，在電弧高溫作用下，焊條端部的熔化物（液態(tài)金屬和熔渣）以及熔滴和熔池表面產生過熱蒸氣，在空氣中被迅速氧化凝聚成極細固態(tài)粒子，以“氣溶膠”狀態(tài)彌散在電弧周圍，形成了顆粒狀態(tài)有害物質，即焊接煙塵。與此同時，熔滴過渡區(qū)激烈的化學冶金反應，產生了大量氣態(tài)有害物質，如CO、CO2、H2、O3、氮氧化物和碳氫化物等。

      3． 有害物質的組成及形態(tài)特征

      光譜分析表明，焊接煙塵中的化學組成比較復雜，被檢測到的元素有Fe、Ca、Mg、Si、Al、Ti、K、Na、Cu、Cr等，這些元素以多種化合物形態(tài)存在。表1列出了典型焊條煙塵主要化學組成?？梢钥闯?，酸性焊條煙塵中氧化鐵含量、二氧化硅含量、氧化錳含量都比堿性焊條的高；堿性焊條煙塵中鉀、鈉氧化物和氟化物含量比酸性焊條的高?？梢杂?ldquo;熔滴過渡電弧特性”理論解釋上述結果。該理論認為，酸性焊條電弧是從焊條端部熔融金屬表面上直接發(fā)生的，致使Fe、Si、Mn的過熱蒸氣較多，煙塵中相應的氧化物含量較高；而堿性焊條電弧是從粘附在焊條端部熔融金屬表面的熔渣上發(fā)生的。由于堿性渣的電導率比酸性渣高，且氟化物的增加也使電導率上升，因此堿性焊條的電弧很容易通過懸垂于焊條端部的熔渣而發(fā)生，以致于堿性焊條熔渣中的鉀、鈉幾乎全部蒸發(fā)，煙塵中氟化物較多，而Fe、Si、Mn的氧化物較少。

用電子顯微鏡觀察，焊接過程中生成的一次煙塵粒子的基本形態(tài)呈球狀，直徑較細在0.01～0.3mm范圍內變動，以0.1mm左右的居多。懸浮在空氣中的一次粒子在靜電和磁性作用下迅速聚集在一起，形成直徑較大的二次粒子。酸性焊條煙塵的二次粒子一般呈絮狀形態(tài)，粒徑大都>1mm。堿性焊條煙塵的二次粒子一般呈碎片狀形態(tài)，粒徑大都在1mm左右。CO2氣體保護焊的煙塵則聯(lián)接成片，粒徑1mm左右的煙塵粒      子，可以進入呼吸道并在肺泡上沉積。

       二、焊接有害物質發(fā)塵量的影響因素

      1．焊接材料特性的影響               

      有資料顯示，在各類焊接材料有害物質（煙塵）的發(fā)塵量中，以埋弧焊絲發(fā)塵量最小，自保護藥芯焊絲發(fā)塵量最高；在各種類型藥皮焊條中，鈦鈣型焊條發(fā)塵量較小，其次是鈦型、鈦鐵礦型，堿性渣系焊條的發(fā)塵量較多。在各類氣保護焊絲中，藥芯焊絲產生的煙塵比實芯焊絲要大。

從焊接有害物質產生機理分析：①埋弧焊的實質是電弧被焊劑覆蓋，產生的焊接煙塵被阻擋或隔離，進入空氣中的煙塵顯得較少。②自保護藥芯焊絲中含有大量造氣、造渣劑、脫氧及合金劑，其中有一些是易蒸發(fā)物質，況且是明弧、電流又較大，熔滴溫度高，焊接煙塵必然大。③電焊條中，堿性渣系藥皮中含有較多的氟石和水玻璃，它們在電弧中冶金反應生成低沸點的K2F、Na2F，導致發(fā)塵量增大。④氣保護藥芯焊絲中含有一定數(shù)量易蒸發(fā)藥芯組成物，是煙塵量比實芯焊絲大的根本原因。

      2．焊接參數(shù)及焊接條件的影響

      （1）焊接電流    隨焊接電流的增大，弧柱溫度升高，熔滴的過熱度增加，弧柱中產生的煙塵量加大。

      （2）電弧電壓    隨電弧電壓升高，電弧功率加大，工件熱輸入有所增大，弧柱溫度升高，同樣使熔滴過熱度增加，弧柱中產生的煙塵量必然加大。

      （3）電源極性    焊接電弧物理理論表明，在反極性焊接時熔滴溫度顯著高于正極，致使反極性時焊條煙塵量高于正極性。

      （4）交流電源    交流電弧對焊條（焊絲）和工件的加熱作用介于直流正接和直流反接電弧之間，因此交流焊接時熔滴溫度亦介于正接和反接電弧之間，焊條煙塵量介于二者之間。

      （5）焊條（絲）直徑    通常焊條（絲）直徑增大，使用的焊接電流也增大，熔滴溫度相應升高，焊接煙塵量增大。

      （6）焊條傾角    施焊時焊條傾角增大，意味著電弧長度增長，電弧電壓升高導致熔滴溫度升高，焊接煙塵量增大。

      （7）焊接速度    焊接速度提高，熔池相對變小，而且存在時間縮短，冶金反應激烈程度有所減弱，熔滴過熱度受限，焊接煙塵量減小。

      （8）接頭形式和焊接位置    不同的接頭形式和焊接位置，除了選用焊接參數(shù)影響熔滴過熱度之外，熔滴過渡方式也可能影響焊接煙塵量。

綜上所述不難看出，焊接參數(shù)的影響，實質上是熔滴溫度提升的結果。凡是提升熔滴溫度的焊接參數(shù)，均導致焊接煙塵的量的增大；反之亦然。

      3．焊接方法的影響

      在多種焊接方法中，埋弧焊的煙塵發(fā)生量最少，其次是氬弧焊比較少，位于第三的是焊條電弧焊；CO2氣體保護焊煙塵發(fā)生量取決于使用的焊絲，采用實芯焊絲時煙塵發(fā)生量較小，采用藥芯焊絲時煙塵發(fā)生量較大；自保護藥芯焊絲焊接煙塵發(fā)生量最大。等離子弧焊接與切割煙塵發(fā)生量也很大。

總體上看，基于發(fā)塵機理的相同性或相似形，焊接方法對發(fā)塵量的影響主要取決于電弧的能量，凡使電弧能量增大的工藝方法，均使熔滴溫度急速提升，從而導致煙塵發(fā)生量增大。

在上述影響因素中，焊接材料特性是內因，焊接參數(shù)、焊接條件以及焊接方法則是外因，外因通過內因起作用。也就是說，無論是焊接參數(shù)，還是焊接方法，其發(fā)塵量最終受焊接有害物質產生機理控制。焊接材料特性才是發(fā)塵量的核心影響因素。焊接發(fā)塵量的改變或降低，歸根結底要從焊接材料入手，研發(fā)新型低有害物質焊接材料。