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手工电弧焊安全技术

2012-04-21  周瑜的图...
  一、 手工电弧焊基本原理和安全特点

  手工电弧焊是利用焊条与工件间产生的电弧热将焊条和工件加热熔化而进行的焊接。这种焊接方法可在室内、野外、高空等各种场合下进行。它的设备简单,轻易维护,焊钳小,使用灵活,广泛适应于各种玄色金属和有色金属的焊接。

  手工电弧焊的主回路如图1所示。


  图1 手工电弧焊主回路示意图

  1―电焊机 2―软电缆 3―焊钳 4―焊条 5―电弧 6―工件 7―地线

  (一) 焊接电弧的性质

  焊接电弧是在加有一定电压的电极和焊件之间产生的一种长时间而有力的气体放电现象。电焊条和焊件就是电极,产生电弧的操纵称引弧。通常是采用接触引弧,即先将电焊条与工件接触,然后迅速分离1~3mm,电流通过接触点产生很大的电阻热,此时在高温顺电场发射等的作用下,促使两极间的气体发生剧烈电离,而形成电弧。电弧引燃后,弧柱中布满高温电离气体,发出大量的热。其发热量与焊接电压和电流的乘积成正比,即电流越大,产生的热量越多。电弧的各部位产生的热量不同,因而各部位的温度也不同,弧柱中心温度最高可达6000℃以上,两电极的温度可达2100~2300℃。焊接就是利用这些热量加热和熔化金属。

  开始引弧时,为加强气体的电离作用,电极间必须有较高的电压,以便传递具有较大动能的电子,这个电压称为空载电压,直流电焊机一般为55~90V,交流电焊机60~80V。当气隙正常地受热被电离时,所需电压就可低一些。为使电弧保持连续而稳定,两极间的电压也要保持一定,一般为16~35V,这个电压称为工作电压。

  (二) 焊接设备

  手工电弧焊的设备包括电源及控制、调节机构。

  1. 电源 供给电弧焊的电源可以是直流的,也可以是交流的。为了引燃电弧和保持电弧稳定,保证正常地焊接,电源必须满足以下基本要求:

  (1) 空载电压值应保证顺利地引燃电弧。

  (2) 焊接电流应可调,以满足焊接不同材料、厚度的工件所需要电流的大小。

  (3) 保证工作安全。

  2. 常用的电焊电源

  (1) 交流电焊机 它也叫交流电焊变压器。它的优点是结构简单,本钱低,效率高,维护方便,应用广泛。图2所示是目前使用最广泛的一种BX1-330型交流电焊机。它是一个结构特殊的降压变压器。它可将电网380V或220V的电压变为空载电压60~70V,工作电压30V,电流调节范围为50~450A。变压器的次级线圈分为图中2、3两部位,2绕在低级线圈的外部,起建立电压的作用,3绕在铁芯的另一侧,相当于电感线圈,焊接时靠它获得较高的空载电压和较低的工作电压。电流的调节分粗调和细调两档。粗调是改变次级绕组的匝数;细调是通过移动图中铁饼4,改变漏磁而实现。这类电焊机的缺点是:消耗材料较多,体积大而且重,焊接时活动铁芯有震动,同时,电流有波动。


  图2 BX1-330型交流电焊机

  a) 外形图 b)线路图 1―低级绕组 2、3―次级绕组 4―动铁芯 5―静铁芯 6―接线片

  (2) 旋转式直流电弧机 如图3所示,是常用的AX-320型旋转式直流电焊机。它是由一个三相电动机和一个结构特殊的直流发电机组成。由交流电路供电,使电动机拖动发电机电枢旋转发出直流电,供焊接使用。这种直流焊接发电机按其结构特点分为裂极式和差复极式及极间往磁式等形式。它是利用磁通和电枢反应的相互作用,获得下降式的外特性,使电焊电流可在较大范围内均匀调节,以满足焊接工艺的要求。


  图3 AX-320型旋转式直流电焊机

  a)外形图 b)原理图

  这种电焊机的主要优点是:电弧稳定性较高,触电危险性小。

  (3) 硅整流式直流电焊机 这种电焊机分为单相和三相两大类。按其构造特点又分为磁饱和电抗器式、动圈式和可控硅整流式等。与旋转式直流电焊机比较,它的优点是:噪声小,空载损耗小,效率高,耗料少,本钱低,轻易制造和维修等。

  单相硅整流式直流电焊机原理,如图4所示。它由交流变压器和单相桥式硅整流线路组成。其中1是焊接变压器;2是电抗器,通过它可以得到下降外特性,并可调节电流;3是硅整流器,其中R是电阻,C是电容,通过它整流,可以把交流电变为直流电,供焊接使用;4是滤波电感,是一个串联在焊接回路内的有间隙的铁芯式电抗器,可以进一步减小输出电流的脉动程度,保证焊接电弧的稳定燃烧。此外,电焊机上还有透风装置,可使硅整流组和焊机线圈得到良好的透风冷却,以避免过热而损坏。

  图4 单相硅整流下直流电焊机线路图

  1―焊接变压器 2―电抗器 3―硅整流 4―滤波电感

  目前使用的硅整流式直流电焊机大都是三相整流式的,这类焊机供给的电流更平直稳定。

  所有电焊设备铭牌中都标有“额定暂载率”和“额定焊接电流”,这是保证电焊机安全使用的重要参数。“暂载率”是表示电焊机连续工作的参数,它是指在5min时间内焊接工作时间所占的比值,用百分数表示。如“暂载率”为60%,就是在5min内,焊接工作时间不超过3min。

  “额定焊接电流”是在额定暂载率时所答应电流值,它大于连续使用情况下的许用电流。

  在选择电焊机时,首先考虑电压种类,而后考虑电流大小及各类电焊机的性能特点。

  (三) 电焊条

  目前广泛应用的电焊条是一根外表涂有药皮的钢丝。钢丝的作用:一是传导电流,产生电弧;二是本身熔化形成焊缝中的填充金属。

  焊条药皮的作用是进步电弧燃烧的稳定性,保护焊接熔池,使焊缝金属脱氧、往硫、往磷,改善焊接工艺性能等。目前国产焊条根据熔化后渣的酸碱性分为两类:

  1. 酸性焊条 药皮中主要含有氧化铁、氧化锰、氧化钛等,它们对金属的氧化性较强。这种涂料对铁锈、油脂及水分的敏感性不大。

  2. 碱性焊条 药皮中含有较多的大理石、萤石,并有较多的铁合金作为脱氧剂和合金剂。这种药皮有足够的脱氧性。

  碱性焊条与酸性焊条相比,保护气体中含氢很少,因此又称为低氢型焊条,主要用于重要结构的焊接。

  各种型号焊接的药皮成分之间变化较大,综合起来构成药皮的矿产化工原料和金属元素主要有大理石(CaCO<sub>3<sub>)、石英(SiO<sub>2<sub>)、钛白粉(TiO<sub>2<sub>)、锰铁(FaMn)、硅铁(FeSi)、纯碱(Na<sub>2<sub>CO<sub>3<sub>)、萤石(CaF<sub>2<sub>)以及水玻璃等。焊接时各种金属元素蒸发氧化,产生出各种有害物质,如三氧化二铁、氧化锰、二氧化硅、氟化钠、氟化钙、氧化铬和氧化镍等。

  (四) 手工电弧焊的不安全因素

  1. 有触电的危险 手工电弧焊操纵者接触电的机会较多。电源是接在220V或380V的电路上,电焊机空载电压一般为60~90V左右;假如电焊设施的导线裸露、电线的尽缘损坏,电焊设备外壳就会带电;若变压器的尽缘损坏,二次线圈带电,则电焊钳、电焊条等部位都有危险因素,有发生触电事故的可能性。尤其在金属容器或管道里施焊,触电的危险性更大。

  2. 有毒气体、粉尘危害 焊接电弧温度高,在高温作用下焊丝和药皮产生气体和烟尘,有毒害的气体和烟尘有一氧化碳、二氧化碳、氮氧化合物及铝、锌、铜的氧化物等。假如透风不良,焊工接触时间长,身体就会受危害,引起职业病,特别是在管道、容器里作业危害更大。

  3. 射线辐射危害 电焊弧光中有紫外线、红外线等射线,焊工长期受辐射作用,会引起眼睛和皮肤疾病。

  4. 有发生火灾、爆炸的危险 在焊接过程中,电焊机和供电线路有毛病;作业场所有易燃易爆物品;燃料容器、管道补焊时防爆措施不当等。都可能发生火灾或爆炸事故。

  二、 焊接安全用电

  (一) 焊接触电的原因

  1. 人体碰到带电的接线头、接线柱、极板、导线及尽缘失效的电线而触电。

  2. 在更换焊条时,人体接触焊钳带电部分,而脚和其它部位以地在或金属结构之间尽缘不好。在金属容器、管道或金属结构上雨天湿润的地方焊接时,轻易发生这类触电事故。

  3. 电焊变压器的一次绕组对二次绕组之间的尽缘损坏时,人体碰到二次线路的裸导体就会发生触电事故。

  4. 电焊设备的罩壳漏电,人体碰触外壳而触电。

  电焊设备罩壳漏电的原因:

  1) 线圈受潮或雨淋使尽缘损坏而漏电。

  2) 电焊机长期超负荷使用或内部短路发热使尽缘降低而漏电。

  3) 电焊设备安装地点和安装方法不符合安全要求,受到振动、碰击而使线圈和引线的尽缘受机械性损伤,而且这些导线与铁芯、罩壳相联造成漏电。

  4) 工作场所治理混乱,铁丝、铜丝等小金属物把带电体与不带电体联通,人体接触而触电。

  5. 由于利用厂房的金属结构、管道、轨道或其它金属物体搭接作为焊接回路而发生触电事故。

  (二) 防止焊接触电事故的措施

  防止焊接触电事故的安全措施,主要是采用尽缘、屏护、间隔、自动断电及个人防护等。

  1. 尽缘 它是保证电焊设备正常工作的必要条件,也是防止触电事故的重要措施。电焊设备和线路的尽缘必须与所采用电压等级相适应,还要防止四周环境和运行条件损坏尽缘。电工尽缘材料的电阻系数一般在10<sup>9<sup>Ω·cm以上。

  2. 屏护 它是在电焊设备、线路的带电部分,假如不便于尽缘或尽缘不足以保证安全时采取的措施。主要是用遮栏、护罩、护盖、箱匣等。

  3. 间隔 它是使电焊设备、线路等带电体与人体或其它设备与带电体保持一定间隔,防止发生触电事故。

  4. 电焊机的安全自动断电装置和加强个人防护等,也都是防止人体触及带电体的重要安全措施。

  5. 接地、接零 为了防止电焊操纵时人体接触意外带电体而发生事故,一般可以采用保护接地或保护接零安全措施。

  所谓意外带电体,是指与电器设备有连接的导体,正常时是与带电部体尽缘的,由于尽缘破坏或其他原因而带电者,如电焊机外壳等。

  下面介绍几种具体安全措施。

  (1) 焊接电源的安全措施 为了防止电焊设备因漏电而造成触电事故,所有电焊机及其它焊接设备的外壳都必须接地。在三相三线制或单相制电源,应安

  装保护接地线。在三相四线制电源中性点接地系统中,应安装保护接零线。接地电阻不得超过4Ω,自然接地极电阻值超过此数值时,应采用人工接地极。

  必须留意,电焊机二次线圈一端接地或接零时,则焊件就不要接地,也不应接零。假如焊件再接地或接零,一旦电焊回路接触不良,较大的焊接电流就可能通过接地线或接零线,会将地线或零线熔断。这不但使人身安全受到威胁,而且轻易引起火灾。为此规定,凡是在有接地或接零的工件上进行焊接时,应将焊件上的接地线或接零线暂时拆除,焊接完后再恢复。在焊接与大地紧密相联的工件时,假如焊件本身接地电阻<4Ω,则应将电焊机二次线圈一真个接地线或接零线的接头暂时断开,焊接完毕后再恢复。总之,变压器二次端与焊件不应同时存在接地或接零。

  移动式电焊机在工作前必须接地,并且在接通电源之前接好。接地时先将接地导线接到接地线上,后将其接到设备上;拆除接地线时的顺序则相反,先拆断接地导线与设备的连接,后拆断与接地极的连线。

  电焊机的接地装置必须定期检查,保证其可靠性。

  电焊机必须尽缘良好。绕组或线包引出线穿过设备外壳时应设尽缘板。如直接引出时,应有套管加强防护。接线柱应加设尽缘套和垫圈,还应设有防护盖。

  焊机的工作负荷应遵守设计规定,不得任意长时间超载运行。

  电焊变压器的一次线圈与二次线圈之间,绕组与引线和外壳之间,尽缘电阻不小于1MΩ。

  (2) 焊接电缆的安全要求 焊接电缆是连接电焊机与焊钳等的尽缘导线,它应符合以下安全要求:

  1) 具有良好的导电能力和尽缘外层。一般是用紫铜线外包橡胶尽缘套制成。

  2) 要轻便柔软,能任意弯曲和扭转,便于操纵。一般由多股细导线组成。假如没有电缆,可用同样截面积的硬导线代替,但是在焊钳处至少用2~3m长的软线连接,否则操纵不便。

  3) 长度要适当。电焊机与电力网连接的导线,因电压较高,不仅尽缘要好,而且长度尽量短。一般不超过2~3m。假如必须用较长的导线,要采取取间隔措施,即离地面的高度在2.5m以上,沿墙或架杆布设,不得放在工作现场地面上。电焊机与焊钳连接导线的长度也不宜太长,以减少电压降。一般为20~30m适宜。

  4) 要选择公道的截面积。一般是根据焊接电流和导线长度,按规定选用较大截面的电缆,以保证不致过热而损坏尽缘。

  5) 焊机的导线最好用整根的,如需要用短线连接为长线,中间接头最多不超过2个。各接头部位应用铜导体作成,连接要牢固可靠,并保证尽缘良好。

  6) 严格禁止利用厂房的金属结构、管道、道轨或其它金属结构物搭接起来作为导线使用,返回导线要直接在焊接的工件上。

  7) 要防止电弧、焊缝或其它炽热物损坏导线的尽缘,并避免导线受碾压磨损等。

  (3) 焊钳的安全要求 焊钳的作用是传导电流,并夹持焊条。它是焊工直接操纵的工具,与安全有直接关系。

  1) 要保证对焊条夹紧、牢靠,并且更换方便。更换焊条时,不必接触导电部位,又可迅速更换。

  2) 尽缘和隔热能力良好。焊接时间长,使用大电流,电阻发热会烫手,故手柄要有良好的尽缘和隔热性。

  3) 结构要简单,轻便,易于操纵。其重量不应超过400~700g。

  4) 焊钳与导线连接简便可靠。

  5) 要及时检查,钳口要经常保护清洁,发现弹簧等部件失效时,要及时修理。

  (4) 焊接的安全操纵

  1) 焊接前要作检查。主要检查焊机、设备和工具是否正常、安全。如电焊机各接线点及外壳接地是否良好,电缆及导线的尽缘有无损坏等。

  2) 检验时要切断电源。焊机发生故障时需要修理。例如改变焊机接头,需要改变二次回路,转移工作地点,更换保险丝等,必须切断电源。

  3) 更换焊条时,必须戴尽缘手套。对于空载电压和工作电压较高的焊接以及操纵现场湿润时,还应在工作台四周地面上展上橡胶垫子。身体有汗,衣服湿润时,不要接触工作台和焊件,以免触电。

  为避免更换焊条时接触二次回线造成触电事故,可安装电焊机空载自动断电保护装置。既消除了触电危险,又可节约用电。

  图5所示为晶体管式空载自动断电装置。它利用一个晶体三级管作成开关电路控制高灵敏继电器,控制交流接触器,达到自动封闭开启电焊机的目的。


  图5 晶体管式空载自动断电装置

  BK―控制变压器  CJ―接触器 J―高灵敏继电器 DW―稳压管 D<sub>1<sub>,D<sup>2<sub>―二极管 BG―三极管 LH―交流互感器 BH―焊接变压器

  4) 触电危险性大的工作地点,必须采用专门防护措施。在油槽、气柜、管道、锅炉、金属结构及其它狭小工作场所施焊时,应采用橡胶垫或其它尽缘衬热,如戴皮手套、穿胶底鞋等防护措施,加强尽缘性。还应有两人轮换工作,或设一名监护职员,互相照顾,有危险时,立即切断电源,及时组织抢救。不答应采用无尽缘外壳的简易焊钳在以上这些场所焊接。使用于焊接照明的手提工作灯,其电压一般是12V,不应超过30V。

  5) 加强电焊工个人防护。电焊工的个人防护用品包括:工作服、尽缘手套、尽缘鞋及尽缘垫板等。焊工的手套不得短于300mm,应用较柔软的皮革或帆布制作,并保持完好、干燥。穿的鞋不应有铁钉,不易湿润。工作服必须符合规定,普通焊工穿帆布工作服。

  6) 电焊设备的安装、修理和检查须由电工承担,非电工不得擅自拆修。

  7) 发生了触电事故,要按照触电急救的要求及时抢救。

  三、 电焊弧光的防护

  (一) 弧光辐射对人体的危害

  电焊弧光辐射主要包括:红外线、紫外线和可见光线。它们是在焊接加热时产生的,属于热线谱。凡物体的温度达到1200℃以上时,辐射光谱中间即可有紫外线。它随着温度的升高波长变短,强度增大。焊接电弧温度在3000℃时波长<290nm;温度在3200℃时波长<230nm。氩弧焊、等离子焊的温度较高,其产生的紫外线波长较短。焊接弧光辐射波长见表1。

  见表

  表1 焊接弧光波长范围

  光辐射是能量的一种传播方式,辐射波长与能量成反比关系,即波长越短,传播的能量越大,即对人体的作用也越大。例如波长为4×10<sup>-7<sup>m的光辐射量子能为4.9×10<sup>-19<sup>J;波长为8×10<sup>-7<sup>m时,其量子能降为2.45×10<sup>-19<sup>J,减少了近一倍。

  光辐射作用到人体上,被机体组织吸收,会引起热作用、光化学作用或电离作用,使人体组织发生急性或慢性的损伤。

  1. 紫外线 它可分为长波(400~320nm)、中波(320~275nm)和短波(275~180nm)。中波和短波紫外线,具有明显的生物学作用,尤其是波长为290~180nm的紫外线有更强烈的作用。

  手工电弧焊、氩弧焊、等离子弧焊等三种电弧焊的紫外线强度不同,见表2。在波长290nm以下,等离子弧焊的紫外线强度最强,氩弧焊次之,手工电弧焊最小。另外,手工电弧焊、等离子弧焊的紫外线强度随着波长的变化而有明显的变化,而且氩弧焊较稳定。

  见表

  表2 手工电弧焊、氩弧焊和离子等弧焊的紫外线相对强度

  紫外线对人体的危害主要是光化学作用,使皮肤和眼睛受损害。

  (1) 对皮肤的作用 紫外线的波长不同,对皮肤的作用也不同。波长为220以下几乎全部被角质层吸收;波长为220~300nm为深部组织真皮吸收;波长为297~298的紫外线对皮肤作用最强,可为波长366nm的1千倍。

  皮肤受紫外线照射的反应随波长不同而异。受强烈紫外线作用,可引起皮炎,弥慢性红斑,有时出现小水泡,渗出液和浮肿,有发痒、烧灼感。波长较长的,通常是经6~8h后出现红斑,持续24~30h慢慢消失,并有长期不退的色素沉积。波长较短时,红斑的出现和消失都快,疼痛较重,几乎不留色素沉积。作用强烈时会出现全身症状;头痛、头晕、易疲惫、神经兴奋、发热、失眠等。

  (2) 电光性眼炎 紫外线对人体过度照射,可引起眼睛急性角膜结膜炎,称为电光性眼炎。这是明弧焊工人的一种职业病。波长很短的紫外线,尤其是320nm以下的,能损害结膜和角膜,有时甚至侵及虹膜和网膜。

  焊接时眼睛受紫外线损害的主要原因:

  1) 几部焊机联合作业或相距太近,焊工轻易受邻近弧光的照射;

  2) 点弧前未戴好面罩,或熄弧前过早揭开面罩;

  3) 焊接辅助工配合不协调,在焊工引燃电弧后尚未作好防护,导致光照射;

  4) 防护镜片破损漏光;

  5) 工作地点照明不良,看不清焊缝,先引弧后戴面罩等。

  紫外线损害眼睛的程度与受照射时间成正比,与照射源间隔的平方成反比,并且与光线的投射角有关,光线与角膜成直角时作用最大。

  强烈的紫外线照射,即使时间短也可使眼睛致病。多数是照射后4~12h发病。首先出现两眼高度羞明、流泪、异物感、刺痛、眼睑红肿痉挛,并伴有头痛和视物模糊。一般经过治疗和护理,数日后即恢复,不致造成永久性损伤。

  (3) 对纤维的破坏 紫外线辐射以对纤维的破坏力最强,其中对棉织品损坏最甚。

  2. 红外线 它对人体的危害主要是引起组织的热作用。波长较长的红外线被皮肤吸收后产生热的感觉。短波的红外线被人体组织吸收后使血液和深部组织灼伤。眼部受强烈的红外线辐射,立即感到强烈的灼伤和灼痛,发生闪光幻觉。长期接触红外线可造成白内障,视力减退,严重者能失明。有的还造成视网膜灼伤。

  氩弧焊时的红外线强度约为手工电弧焊的1.5~2倍,而等离子弧焊又大于氩弧焊。

  3. 可见光线 焊接时的可见光线的光度比眼睛承受正常光度约大一万倍,被照射后眼睛有疼痛,看不清东西,通常叫“晃眼”。

  (二) 弧光的防护措施

  1. 眼睛防护 焊工作业是必须使用镶有滤光镜片的面罩。滤光片为分吸收式、反射式和自动调光式三种。我国常用的是吸收式滤光镜片,它是按焊接电流强度选择的,见表3所列。这种面罩既可观察电弧,又可吸收紫外线、红外线和强可见光,能保护眼睛和皮肤。为了保护镜片,可在外层再装上一层普通透明玻璃片。

  见表

  表3 国产护目玻璃的牌号及用途

  反射式防护镜片,它能将有害弧光反射出往,达到保护眼睛的目的。这种镜片的缺点是目前价格较高。

  能自动调光的焊工防护镜,无电弧时可充分透光,有电弧时可遮光,不需要把防护镜多次戴上摘下。这种防护镜的镜片用 调质的铅锆钛酸盐制成,置进带有交叉偏振面的两个偏振片之间,通过电极调节偏振角。电极的电压是由光电二级管受电弧光的作用控制的。从而随着电弧光强度的变化镜片透光度也变化。

  密闭排烟罩观

  察窗的防护玻璃。它是由三层玻璃叠合在一起而制成。第一层是吸收式反射紫外线玻璃;第二层是吸收式反射红外线玻璃;第三层是适度的黑玻璃。使用时第一、二层玻璃放进观察窗框内,第三层玻璃装在另一框内,焊接时与第一、二层玻璃重合,起到保护作用。当灭弧后,旋开第三层黑玻璃,可看清焊缝。

  面罩用暗色的钢纸板制成。钢纸板可用涂以玄色耐火漆的薄胶合板代替。禁止用其它玻璃代替滤光片。

  一般在小件焊接的固定场所,要设防护屏。它的作用是防止焊接时其它工作职员的眼睛受电焊弧光的危害。防护屏一般用布料涂上灰色或玄色油漆。接近施焊处要用耐火材料(如石棉板、薄铁板等)作屏面。高度约1.8m,屏底边间隔地在应为250~300mm,以便空气流通。

  2. 防止皮肤受伤害 焊工操纵时必须穿工作服,戴手套、鞋盖。工作服应用表面平整、反射系数大的纺织品制做。决不能穿短袖衣、卷起袖口或敝开衣领等。裤子要有足够的长度,蹲下工作时,脚腕处不能裸露。

  发现电光性眼炎要及时治疗

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