焊接烟尘及其对呼吸系统颗粒沉积影响的研究进展_栗卓新.pdf

第 卷 第 期 年 月北京工业大学学报 焊接烟尘及其对呼吸系统颗粒沉积影响的研究进展栗卓新，张玉林，李 红，王义朋，张 禹（北京工业大学材料与制造学部，北京；斯洛伐克国家科学研究院，布拉提斯拉法）摘 要：世界卫生组织国际癌症研究机构已将焊接烟尘归类为一类致癌物，为了进一步了解焊接烟尘的发尘、传播及对人体危害的规律，综述了焊接烟尘的发尘与传播特性及对呼吸系统影响的研究进展，总结了焊接工艺与焊材涂层成分对烟尘发尘特性的影响，归纳了扩散距离对烟尘分布的影响，分析了尺寸和浓度对烟尘粒子沉积情况的影响 结果表明：熔化极气体保护焊发尘率和发尘尺寸均较大，非熔化极气体保护焊则相反，焊材表面涂镀微纳米涂层可降低发尘率 随着扩散距离增加，烟尘浓度降低，微纳米颗粒占比增加；烟尘粒径小于 时，颗粒可直接沉积于肺泡，当粒径达到纳米级别时，可进入血液循环系统，对人生理和心理健康造成影响关键词：焊接烟尘；发尘率；烟尘粒径；颗粒沉积；职业暴露；安全防护中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；北京市自然科学基金资助项目（）；年度中国中东欧国家高校联合教育项目（）作者简介：栗卓新（），男，教授，主要从事焊接冶金与焊接材料优化设计与质量控制、轻金属精密连接、热喷涂技术方面的研究，：通信作者：李 红（），女，教授，主要从事绿色焊接及增材冶金、异种材料连接技术方面的研究，：，（，；，）：（）（），北 京 工 业 大 学 学 报 年 ，：；年，世 界 卫 生 组 织（，）属 下 的 国 际 癌 症 研 究 机 构（，）将焊接烟尘重新归类为第一类致癌物 现有的流行病学证据表明，从事焊接相关的工作人员患肺癌风险增加 年，我国职业性相关的呼吸系统疾病新增 例，其中职业性尘肺病 例，死亡 例，但由焊接烟尘引起的肺癌还暂未纳入职业病分类和目录 对于焊接烟尘的研究大致可分为 个阶段：前期致力于揭示焊接烟尘对肺部系统的损伤和引起身体炎症的机制；近些年来逐渐集中于焊接烟尘中颗粒物，尤其是微纳米颗粒物对人生理及心理健康危害的研究焊接烟尘中有害成分的类型和浓度取决于焊接材料和工艺 焊接烟尘的形成是焊材在电弧区蒸发，先形成一次粒子，在高温下某些一次粒子发生熔合或像葡萄串一样发生聚集，进而冷凝成粒径约 的二次粒子并扩散 表明超过的烟尘来源于填充金属，只有不到 的烟尘来源于母材 依据填充金属和母材的不同，焊接烟尘含有大量的铜锰铬等致癌成分 当使用镀铜焊丝和高锰钢焊丝时，会产生大量的铜尘和锰尘，锰有“神经毒素“之称，可引起神经中枢系统疾病；铜过多时容易引起金属烟雾发烧 金属烟雾发烧症状类似于感冒，表现为发烧、畏寒、肌肉疼痛等症状；不锈钢焊接会产生大量的铬尘和镍尘，六价铬及镍的氧化物是强烈的致癌物焊接烟尘的浓度计量常用质量浓度（，）来表示，这对微纳米颗粒的表征存在一定的局限性，尤其是烟尘中纳米颗粒的表征，因为纳米颗粒数量很多，但质量却很小 等发现粒径较小密度较大和粒径较大密度较小的颗粒在肺泡中沉积较多，当然颗粒的化学成分也同样重要 纳米颗粒常以数浓度（，）和表面积浓度（，）来计量部分工业发达国家的职业接触限值，如表 所示，世界上多数发达国家对电焊烟尘的职业接触限值规定为 ，我国为 ，荷兰为 ，此限值并未对烟尘的尺寸和数浓度进行限制表 中国与部分其他国家和地区的职业接触限值 名称致癌等级（来自）职业接触限值（）中国美国欧盟德国荷兰日本电焊烟尘一级铜（铜烟）.锰.（可入肺）.（可吸入）.（可入肺）.（可吸入）.六价铬一级.镍（可溶性镍化合物）一级.注：中国对铜尘的职业接触限值为 随着距焊源距离的增加，烟尘浓度降低，但很少有研究关注烟尘浓度降低时微纳米颗粒的占比变化 本文通过综述不同焊接工艺和焊材涂层材料对发尘率的影响，以及焊接烟尘尺寸和烟尘在迁移过程中粒径的变化，讨论不同尺寸和浓度的烟尘对呼吸系统沉积的影响，并对未来做出展望 焊接工艺对烟尘发尘特性的影响.焊接工艺对发尘率的影响焊接工艺对烟尘的发尘率具有显著影响 等和 等对熔化极气体保护焊（，）、非熔化极惰性气体 第 期栗卓新，等：焊接烟尘及其对呼吸系统颗粒沉积影响的研究进展保护焊（，）、手工电弧焊（，）、激光焊（，）、非熔化极惰性气体保护焊（，）、电阻点焊（，）等焊接工艺的发尘率进行测试，结果如图 所示 可见熔化极气体保护焊（、）和激光焊发尘率较大，均大于 ，烟尘浓度较高，并且药芯焊丝的发尘率远远大于实心焊丝的发尘率；和 的发尘率较小，很难超过 图 不同焊接工艺的烟尘发尘率 等研究了 常用的 种模式对不锈钢焊接发尘率 的 影 响，如 图 所 示，发 现 焊接工艺的发尘率小于 和，在 模式下更是减小了近 焊接工艺相同时，不同的熔滴过渡状态发尘率显著不同，其中颗粒过渡发尘量最大，为 ，其次是喷射过渡和短路过渡，分别为、相同电弧模式下施加脉冲电流，会降低近 的烟尘发尘率 此外，焊接烟尘的发尘率还受焊接时保护气体种类的影响，保护气的发尘率大于混合气（）焊接工艺参数也影响着焊接烟尘的发尘率，焊接电流和电压增加，烟尘颗粒的发尘率也增加，也有一些研究表明，随着焊接热输入的增加，烟尘颗粒的发尘率具有先增加、后减小的趋势.焊接工艺对烟尘尺寸的影响焊接工艺对焊接烟尘颗粒的尺寸具有显著影响 烟尘粒径小于 的粒子会随着粒子质量浓度的增加而加剧团聚，质量浓度较低时，团聚过程图 不同焊接模式下的烟尘发尘率 减慢 烟尘发尘率较大时，产生的烟尘质量浓度较大，烟尘粒径也较大；烟尘发尘率较低时，烟尘质量浓度减小，但粒子数浓度增加 等对、和 产生的烟尘粒径的分布情况进行了监测，结果如图 所示，的烟尘中值粒径约为，和激光焊为 ，为，和 小于 熔化极气体保护焊和激光焊的烟尘粒径较大，非熔化极惰性气体保护焊和电阻点焊的烟尘粒径较小 等对 名焊工的呼吸区采样并检测了不同焊接工艺下烟尘粒子的尺寸，如图 所示，、和 这 种焊接工艺产生的烟尘粒子的粒径范围集中在 ，其中 焊产生的烟尘粒径基本小于，而、和 产生的烟尘粒径较大，基本大于 此外，焊微纳米颗粒的中值数浓度最高，为.，微纳米颗粒的中值数浓度最低，为.，和 的中值数浓度分别为.、.等也有相似的结论，粒径在 的非熔化极气体保护焊烟尘颗粒的质量浓度占比显著升高，而熔化极气体保护焊则偏小，如图 所示 焊材涂层成分对焊接烟尘发尘率的影响焊材涂层成分对烟尘颗粒的质量浓度有较大的影响 等通过研究镀铜焊丝与无镀铜焊丝的发尘率发现：随着焊丝涂层中含铜量的增北 京 工 业 大 学 学 报 年图 不同焊接工艺发尘尺寸 图 不同焊接工艺烟尘粒子的尺寸分布 加，焊接烟尘的发尘量也有所增加，具体数据如表 所示 当焊丝表面涂镀纳米涂层时，可能由于其材料本身的性质或通过影响电弧稳定性的方式来降低焊接烟尘的发尘率 等采用溶胶凝胶法将纳米 涂敷至低碳钢焊丝上，使用 工艺进行焊接，发现市售焊丝产生的烟尘质量浓度为.，而涂敷纳米 之后的烟尘质量浓度最低为 ，降低近，由于电弧温度接近 ，所以涂层中的 会发生分解形成离子，在电场的作用下，已电离的离子会撞击电弧氛围内的气体分子，使其进一步电离，降低了电弧氛围内的有效电离电压，增加了电弧稳定性，减少了焊接烟尘 文献通过向焊丝涂敷纳米 涂层，降低了电弧区域气体的电离电压，进而提供了更好的 第 期栗卓新，等：焊接烟尘及其对呼吸系统颗粒沉积影响的研究进展 图 不同焊接工艺烟尘颗粒粒径的质量浓度分布 表 焊丝表面涂层成分对发尘率（量）的影响 焊丝状态发尘率（量）及单位发尘率（量）的减小百分比 焊接工艺参考文献无镀铜（）.）.镀铜（）.）.镀铜（）.）.无涂层.纳米 涂层 无涂层.涂层 无涂层.纳米 和 涂层.电弧稳定性 文献通过纳米 涂层，烟气的呼吸区质量浓度降低了，而焊接质量没有任何显著降低 文献通过添加纳米 和，发现未涂敷纳米涂层的焊丝发尘率是.，而涂敷纳米涂层的焊丝发尘率为.，降低了 分析认为纳米颗粒具有较高的活性，易分解产生氧气，氧气对熔池产生了搅拌效果，增加了合金元素的沉积速率，从而降低了发尘率北 京 工 业 大 学 学 报 年 粒子扩散距离对烟尘分布的影响烟尘粒子在焊源处发尘，并发生团聚，粒子浓度降低，同时在热膨胀和电弧冲击力的作用下向四周迁移，浓度随着迁移距离的增加进一步减小，粒子团聚过程急剧减慢 文献 表明粒子数浓度为 的 粒子最多稳定 ，而相同的纳米粒子在粒子数浓度为 时最多可稳定 文献，研究了粒子扩散距离对焊接烟尘质量浓度及粒子尺寸的影响，如表 所示，焊接烟尘的质量浓度和粒子的粒子数浓度分布随着采样距离的增加而减小，但微纳米烟尘颗粒的占比却逐渐提高表 粒子扩散距离对焊接烟尘的质量及粒子数浓度的影响，焊接工艺粒径 粒子数浓度 质量浓度（）.占比 背景颗粒浓度粒子数浓度质量浓度（）参考文献.等研究了 工艺过程烟尘粒子的尺寸及采样距离对烟尘分布的影响 结果表明粒径小于 的烟尘颗粒占颗粒物总质量的.，的颗粒占总质量的.，大于 的颗粒占总质量的，但纳米颗粒的数量占烟尘颗粒总数量的.，并且烟尘的粒子数浓度和质量浓度都随着采样距离的增加而减小等使用 研究了焊接工艺参数对距离焊接点垂直高度分别为、的 个区域烟尘颗粒分布的影响，得出了相似的结论 在 处的烟尘浓度（粒子数浓度和质量浓度）比 处的大 随着采样距离的增加，粒子数浓度和粒径大小存在显著的负相关关系，但是粒子数浓度和质量浓度没有明显的相关性，具体数据如表 所示 等对 焊烟尘的颗粒物、颗粒的质量浓度和粒径大小等进行了详细的表征，并在距离焊接区 处区域和焊工防尘面罩内的呼吸区进行了监测 数据表明在距焊源 处 的颗粒粒径小于 ，并且至少 的粒径小于；在防尘面罩内，有 的颗粒在 以下，近的粒径小于 在焊接区 处颗粒的质量浓度的中位数为.，防尘面罩内质量浓度的中位数为.，略有超过此外，焊接烟尘的防护也十分重要，包括焊源处的优化控制，烟尘传播路径的综合治理和个人的综合防护 常用措施如表 所示 第 期栗卓新，等：焊接烟尘及其对呼吸系统颗粒沉积影响的研究进展表 采样位置距焊源 和 处烟尘颗粒的分布 采样位置 粒子数浓度 质量浓度（）粒径.颗粒数占比 质量占比 颗粒数占比 质量占比 .表 焊接烟尘常用防控措施 烟尘防护措施特点方式参考文献 源头控制优化工艺，促进创新，提高经济效益环保焊枪、优化焊接工艺、研发绿色焊材、提高电弧稳定性传播路径治理局部排风除尘效率较高，方便灵活移动式焊烟净化器、集中烟尘净化系统和净化工作台全面通风通风换气量大，除尘效果不佳自然通风、机械通风置换通风灵活性高，换气量低，换气质量高，热舒适性差车间底部设置置换风口送风，通过排风罩或屋顶排风机排风个人防护灵活便捷，便于操作吸气面罩、防护培训、个人防护意识与技能的提高 烟尘粒子尺寸和浓度对呼吸系统颗粒沉积的影响.烟尘尺寸对呼吸系统颗粒沉积的影响纳米颗粒尺寸较小，比表面积较大，表面常带有电荷，容易吸附暴露环境中的其他复杂成分，表面带有正电荷的颗粒物比带有负电荷的颗粒物更易使肺部活性物质失去作用，还容易引起人体自由基的产生，造成氧化应激等不良反应 自由基是与细胞凋亡有关的物质，过多的自由基的积累会对细胞中的遗传物质及一些蛋白质造成危害，使器官遭受损伤 等以 人 淋巴细胞作为模型，研究了粒径分别为、的氧化铁纳米颗粒（，）的毒性，发现随着粒子数浓度的增加，纳米颗粒的毒性增强 和 等发现纳米颗粒用表面积浓度表征其暴露量的危害可能更加适合 随着焊接烟尘的粒径减小，粒子数浓度增加，其表面积浓度增加文献研究了焊接烟尘尺寸对呼吸系统的影响，不同大小的烟尘颗粒在体内沉积位置如图 所示：焊接烟尘颗粒小于 时，就可随呼吸气流进入鼻腔和咽喉；而粒径小于 的颗粒会在中央支气管的分叉处停留较长时间，由于重力图 不同粒径大小的颗粒物沉积位置及危害 作用而沉积；当粒径小于 时，颗粒物就可进入肺泡；粒径小于.的颗粒还会由于布朗扩散和静电作用而发生大量沉积；当吸入 的纳米颗粒时，的纳米颗粒存在于肺泡中提出了烟尘颗粒在肺中沉积的模型，并与现有数据进行了对比验证 随着颗粒尺寸北 京 工 业 大 学 学