《Powder Technology》：Study on the near-field fume diffusion characteristics of overhead welding with single weld spot on large flat wall
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本研究针对顶焊过程中焊接烟尘扩散特性，通过实验与数值模拟结合的方法，揭示了不同焊接角度下烟尘扩散规律、速率及位移，提出基于粒子扩散半径的健康风险评估模型。结果表明，顶焊烟尘主要沿大平面墙横向扩散，70°-90°焊接角可有效抑制横向扩散，90°时烟尘和粒子温度在4秒内恢复至环境温度。1微米粒径粒子20秒后横向扩散半径达0.3米，并建立经验公式。与平焊对比，顶焊烟尘横向扩散半径增大1.3倍，为工业车间健康风险评估和通风系统设计提供理论依据。
任小芬|杨瑞晓|史二强|曹子豪|杨阳|张欣|李嘉兴
中国石家庄市石家庄铁道大学机械工程学院
摘要
焊接过程中产生的焊接烟雾可能对健康构成重大风险。大多数现有研究集中在平焊过程中焊接烟雾的扩散特性上，而仰焊过程中的扩散行为仍知之甚少。本研究选取了大平板的仰焊作为案例，通过实验和数值模拟方法研究了焊接烟雾的扩散模式。通过实时捕捉焊接烟雾的空间扩散轨迹，我们量化了不同焊接角度下的扩散模式、速度和位移。同时，开发了一个数值模型来分析仰焊过程中烟雾颗粒的扩散情况，使用颗粒扩散半径作为评估暴露风险的指标。研究结果表明，仰焊过程中产生的烟雾主要沿大平板水平方向各个方向扩散。70°-90°的焊接角度可以有效减少烟雾的水平扩散，在90°时，烟雾和颗粒的温度在大约4.0秒内降至环境水平。此外，20秒后，直径为1微米的颗粒的水平扩散半径（R_p）达到最大值0.3米，并提出了一个与R_p相关的经验公式。与平焊相比，仰焊过程中焊接烟雾颗粒的水平扩散半径明显更大，是平焊的1.3倍。这些发现为工业车间的健康风险评估以及设计仰焊用烟雾抽取系统提供了宝贵的参考。
引言
焊接是一种用于连接金属和非金属材料的常用加工技术，广泛应用于建筑、能源和运输等行业[[1], [2], [3]]。焊接过程会产生大量高温烟雾和细颗粒物。这些烟雾中含有金属氧化物、致癌物和其他有害化合物[[4], [5], [6]]。长期暴露于焊接烟雾中可能导致严重的职业健康问题，包括焊工尘肺病、慢性支气管炎、神经系统疾病和癌症[7,8]。因此，控制焊接烟雾排放和降低工人暴露水平是职业安全和健康研究中的关键任务[[9], [10], [11]]。在控制焊接烟雾方面，优化源头捕获和局部排气通风系统的设计是减少职业暴露的主要技术手段[[12], [13], [14]]。烟雾和颗粒物的扩散模式直接影响局部通风系统的布局和效率，了解这些特性对于开发高效的烟雾去除和净化系统至关重要。
常见的焊接技术包括平焊和仰焊，它们产生的烟雾扩散特性有显著差异。在平焊中，焊缝位于工件上表面。受热浮力作用，烟雾形成相对稳定的热羽流并垂直上升[15,16]，如图1(a)所示。而在仰焊中，焊缝位于操作员上方。在这种情况下，烟雾不仅受热浮力影响，还受到墙面的限制，导致复杂的墙面附壁循环和涡流结构，从而扩大了污染范围，如图1(b)所示。因此，仰焊烟雾的扩散特性增加了操作员的暴露风险，也给设计有效的烟雾捕获和净化系统带来了更大的挑战。
近年来，越来越多的研究关注平焊烟雾的扩散和传输特性。以往的研究探讨了其形成机制、空间分布模式以及在不同通风条件下的影响因素。例如，Ennan等人[18,19]报告称， Shielded Metal Arc Welding（SMAW）过程中产生的颗粒物大小范围为0.05至20微米。高温电弧附近产生的初级颗粒迅速发生成核和聚集，形成结构化的聚集体。粗颗粒（>1微米）来源于电弧和熔池内电极材料的喷射和破碎，初级颗粒和粗颗粒都会在整个焊接区域内扩散。Reisgen等人[20]开发了一个基于经验模型的方法，以阐明和量化工艺参数与烟雾生成之间的功能依赖性。该模型允许根据代表性工艺参数进行迭代调整，并能预测特定条件下的烟雾排放率，适用于其他产生烟雾的焊接过程。Emily等人[21]指出，烟雾形成的复杂性给准确表征带来了巨大挑战。操作参数如焊接位置、移动速度和电流显著影响气体金属弧焊（GMAW）中的烟雾生成；然而，还有其他影响工艺的因素需要进一步研究。Fatemeh等人[22]构建了一个镀锌钢室来测量污染物浓度并确定电弧焊接产生的烟雾粒径分布。他们使用计算流体-颗粒动力学模拟来模拟焊接气溶胶排放，发现烟雾浓度峰值与铁含量密切相关，表明烟雾浓度与焊接材料的铁成分之间存在强相关性。Kevin等人[23]利用预测试特征曲线评估了脉冲持续时间、脉冲频率和触发电流对金红石型药芯焊丝烟雾排放的影响，发现短脉冲、中等触发电流和中等脉冲频率与较低的烟雾排放率相关。
评估焊接烟雾颗粒暴露相关的健康风险一直是职业安全和公共卫生研究的重点。因此，大量研究致力于研究平焊烟雾颗粒在气流场中的迁移特性。Liu等人[24]采用氧化电位分析和美国环保署（EPA）的健康风险评估方法，定量评估了粉尘颗粒大小和元素组成对职业健康的影响，从而阐明了粉尘特性与工人健康之间的关系。在相同浓度条件下，焊接粉尘和抛光粉尘的氧化电位存在显著差异。风险分析显示，锰（Mn）和钡（Ba）具有较高的危险系数，表明存在值得关注的非致癌风险。Duan等人[25,26]基于高温颗粒在气流场中的运动行为，开发了一个动态热传递模型。他们得出结论，高温颗粒的空气动力阻力较低，上升速度较高，导致在流场中的停留时间较长。Zhuang等人[17,27]应用雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型与离散相模型（DPM）相结合，研究了颗粒传输模式和运动机制。他们的结果表明，颗粒运动特性和相关暴露风险取决于总热交换量和颗粒大小。此外，当颗粒去除效率超过某个阈值时，过高的空气供应率和新鲜空气比例会显著降低能量效率比。在平焊烟雾和颗粒研究的基础上，一些学者对其控制技术进行了广泛研究。Peter等人[12]比较了三种常见焊接烟雾控制措施在四种焊接任务中的有效性，发现局部排气罩方法将焊工呼吸区的焊接烟雾浓度降低了约九倍，而枪式抽取方法则降低了十二倍。Song等人[28]使用数值模拟研究了焊接烟雾颗粒在静电除尘器（ESP）中的沉积特性。结果表明，收集板之间的间距越小，颗粒收集效率越高。颗粒浓度对收集效率的影响较小，而施加的电压越高，不同大小颗粒的效率差异越明显。总体而言，关于平焊烟雾扩散特性的研究较为系统，为有效控制提供了理论支持。
总之，尽管平焊烟雾的扩散特性已得到系统研究，但受上边界限制的仰焊烟雾表现出更复杂的独特气流附着效应和颗粒动力学机制。然而，现有研究很少探讨影响仰焊烟雾气流场和颗粒运动的因素，导致对扩散机制、污染物颗粒轨迹以及这些排放的近场动态特性的理解存在很大空白。因此，仰焊烟雾颗粒的暴露风险仍然很大程度上未得到量化，阻碍了高效除尘系统的科学设计。这正是本研究旨在解决的核心问题。
为了解决这些限制，构建了一个大型平板仰焊单点焊接测试平台。采用高速成像系统和先进的图像处理技术获取和分析高分辨率实验数据，从而能够捕捉烟雾扩散的瞬态演变过程。同时，开发了一个数值模型来研究烟雾扩散和颗粒物迁移的关键影响因素和根本机制，并评估相关暴露风险。本研究的结果为开发有效的仰焊烟雾捕获系统和保护工人健康提供了坚实的理论支持。
实验设计
在研究无机械通风的大空间内污染物的分布特性时，由于空气交换率极低，可以忽略房间气密性对污染物扩散的影响。为了准确描述大平板焊接表面下方的焊接烟雾的扩散模式、位移和速度，本研究在足够宽敞的实验空间内建立了一个焊接实验平台。
不同焊接方向下焊接烟雾的扩散模式
实验结果揭示了不同焊接方向下的焊接烟雾扩散模式，如图8所示。从右侧焊接时，图8(a)显示左侧较低的气流阻力促进了烟雾向该方向的扩散。相反，从左侧焊接时，烟雾会向右侧扩散，如图8(b)所示。在垂直焊接过程中，烟雾从焊接点同时向两侧扩散，形成涡流。
结论
本研究通过结合实验测量和数值模拟，系统研究了仰焊过程中产生的焊接烟雾和高温颗粒的近场扩散特性。基于牛顿第二定律和能量守恒原理分析了两相流的动态行为。对焊接烟雾的扩散半径和速度以及温度和速度进行了定量评估。
CRediT作者贡献声明
任小芬：撰写——初稿，验证，监督，正式分析，数据管理，概念构思。杨瑞晓：撰写——初稿，研究，数据管理，概念构思。史二强：研究，数据管理，概念构思。曹子豪：研究，数据管理，概念构思。杨阳：验证，资金获取，概念构思。张欣：软件，方法论，研究。李嘉兴：撰写——初稿，可视化，数据
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
