焊接材料特性是影響發(fā)塵量的內在因素，焊接參數(shù)、焊接條件以及焊接方法則是外因，其發(fā)塵量最終受焊接有害物質產生機理控制。實際的焊接有害物質是多組分混合物，對健康的影響更復雜，還必須考慮有害物質的實際濃度，以及侵害時間等因素。在焊條電弧焊、氬弧焊、等離子弧焊接及切割，以及CO₂氣體保護焊等焊接方法中，由于產生有害物質種類、發(fā)塵量及濃度各不相同，所以對健康的影響各異。不銹鋼煙塵中的六價鉻化物以及鎳的氧化物等均有致癌作用，鋁及鋁合金焊接時焊工的鋁塵肺，銅及銅合金焊接時焊工的急性銅中毒癥等，是材料焊接對健康的主要影響。

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。可以看出，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。

三、焊接有害物質對健康的影響

1．氣態(tài)有害物質

表2列出了氣態(tài)有害物質對健康的影響，由此可看出：

（1）CO是一種非常有害的無味氣體 它能阻礙血的載氧能力，使細胞組織缺氧。當呼吸區(qū)的CO質量濃度達到150 mL/m3時，就會產生眩暈、疲勞和頭痛；達到700 mL/m3時，會導致昏厥、脈搏和呼吸率增加，最后失去知覺，呼吸停頓，心跳停止和死亡。

（2）氮的氧化物有NO和NO2兩種， NO是一種無色有毒氣體，NO2是棕紅色的有毒氣體。NO2的毒性比NO大得多，甚至在質量濃度相當?shù)蜁r就具有刺激作用。初期感到刺激氣體存在，呼吸困難，4～12h后逐漸出現(xiàn)惡心癥狀，最后出現(xiàn)致命的肺水腫。

（3）O3在高質量濃度下是一種帶有刺激性的強毒性深藍色氣體。它對呼吸器官和眼睛有刺激作用，能引起喉嚨刺激、呼吸困難，并可能導致肺水腫。另外還可能有潛在的致癌作用，已被列為第三類致癌物質。

（4）COCl2是一種帶有霉爛味的極毒氣體，接觸者起初（3～8h）出現(xiàn)輕微的癥狀，隨后嚴重刺激呼吸道，最后導致肺水腫。

（5）涂層材料產生的氣體， HCN是一種帶有苦杏仁味、非常弱且非常不穩(wěn)定的氫氰酸，但它是作用最強、最快的毒氣之一。它的危害類似于CO，可以極大地阻礙氧在血中的運輸。

（6）CH2O是一種帶有辛辣味的無色氣體，對粘膜具有強烈的刺激作用，能引起呼吸道的發(fā)炎并可能引起癌的誘變。

（7）TDI是甲苯基二異氰酸鹽，對呼吸道有強烈的刺激作用，能產生像氣喘病的癥狀，并有可導致支氣管氣喘病發(fā)生的敏感性。

2．顆粒狀有害物質

（1）對肺產生壓迫的物質 主要有5種（見表3）：① 鐵的氧化物（FeO、Fe2O3、Fe3O4）長期高濃度地吸入，會導致煙塵在肺中的沉積，引發(fā)鐵質沉積性肺塵病。但如果停止接觸，肺內的鐵質沉積會逐漸消散。② Al2O3會導致煙塵在肺中的沉積，在某些情況下會發(fā)生鋁土肺塵病。但停止接觸后沉積不會逐漸消散，并對呼吸道產生刺激。③K2O、Na2O、TiO2三種氧化物都會導致煙塵在肺中的沉積，故被列入對肺產生壓迫的物質。

（2）有毒物質 被列入有毒物質的主要有7種（見表3）：①錳的氧化物（MnO2、Mn2O3、Mn3O4、MnO）質量濃度高時，對呼吸道有刺激作用并導致肺炎，長期接觸能損害神經系統(tǒng)從而導致麻痹癥。②氟化物（CaF2、KF、NaF、其他）質量濃度高時，對胃粘膜和呼吸道粘膜產生刺激，長期吸入且多量時，可導致對骨的慢性損害。③鋇化物（BaCO3、BaF2）在煙塵中主要以水溶性形式存在，吸入后對人體有危害；當可溶性鋇超過MAK值時，會有少量鋇的積累，在某些情況下導致人體組織缺鉀。④氧化鉛?？赡軐е卵蜕窠浀闹卸?。⑤氧化銅、氧化鋅。吸入它們的煙塵可引起中毒性“發(fā)熱”。⑥五氧化釩。有毒并對眼睛和呼吸道有刺激作用。當質量濃度高于MAK值時，會導致肺功能的損害。

（3）致癌物質 被列入致癌物質的主要有5種：①六價鉻化物。鉻酸鹽形式的六價鉻化物和 CrO3對人體有致癌作用，尤其對呼吸器官致癌較敏感。六價鉻化物對粘膜也有刺激和腐蝕作用。②氧化鎳（NiO、NiO2、Ni2O3）。對呼吸道有致癌作用。③氧化鎘（CdO）。它有強烈的刺激作用，類似于亞硝酸氣體，可導致嚴重的肺水腫。④氧化鈹（BeO）。通常有強毒性，含有Be的煙塵對上呼吸道有嚴重的刺激作用，出現(xiàn)急性金屬煙塵中毒性發(fā)熱，可導致慢性呼吸道發(fā)炎。⑤氧化鈷（CoO）。當質量濃度較高時，對呼吸系統(tǒng)有危害。

（4）放射性物質 二氧化釷（ThO2）是一種放射性物質。吸入含有ThO2的煙塵，導致人體的內輻射。ThO2沉積在骨骼內產生對支氣管和肺的輻射，從而造成危害。

在分析上述焊接有害物質對健康影響的基礎上，應當思考以下幾個問題：① 上述分析的是有害物質單組分的影響。實際上有害物質不是以單一組分出現(xiàn)，而是表現(xiàn)為多組分的混合物。多組分混合物對健康的影響可能更加復雜，其影響程度更難預測。② 上述有害物質對健康的影響，還與有害物達到的實際濃度（即文中所謂的質量濃度）有關。當有害物的濃度超過容許濃度時，才會對健康有影響。不同工藝、材料以及作業(yè)環(huán)境條件，產生的有害物種類、濃度不同，其對健康的影響各異。③ 部分有害物質對健康的影響，是長期吸入超過容許濃度的有害物質后，對器官慢性綜合損害導致病變的結果，如電焊塵肺等。

四、焊接工方法對健康的影響

1．焊條電弧焊

健康影響調查表明，焊條電弧焊有害物質引起的典型健康損害主要有以下三種：

（1）電焊工塵肺 X射線形態(tài)學和病理組織學研究成果證實，電焊工塵肺既不是鐵末沉著癥，也與矽肺不同，而是焊工吸入以氧化鐵為主，同時混有氧化錳、二氧化硅和氟化物等混合煙塵和氣體，長期慢性綜合作用所致的一種混合性塵肺。電焊工塵肺對肺器官產生輕度損害，肺部形成的纖維化組織是一種不可逆病變。電焊工塵肺的發(fā)病比較緩慢，發(fā)病工齡大都在15～20年以上，但也有5年以下的發(fā)病者。電焊工塵肺臨床癥狀一般較輕，主要表現(xiàn)為胸悶、胸痛、氣短、咳嗽和咳痰等；嚴重者可因肺氣腫或支氣管擴張而咯血。在患者胸部X光照片上，呈網織結節(jié)狀陰影，個別病例晚期出現(xiàn)塊狀陰影，胸膜改變較小，并發(fā)肺結核較少，約為2％～3％。

（2）氟中毒和電焊煙熱 氟中毒是長期吸入含氟量很高的煙塵所引起的一種骨質硬化的病變，也就是通常所說的氟骨癥。長期使用堿性焊條，吸入可溶性氟化物煙塵，還會出現(xiàn)上呼吸道刺激癥狀，最初的癥狀是口渴、咽喉痛；嚴重時午夜前后身體發(fā)熱，下半夜體溫恢復正常，第二天四肢無力，出現(xiàn)所謂電焊煙塵熱。

（3）錳中毒 在一些使用高錳堆焊焊條的作業(yè)中，長期吸入高濃度錳的煙塵，可發(fā)生錳中毒。錳中毒一般呈慢性過程，初期癥狀為頭暈、頭痛、失眠、記憶力減退、疲乏無力及關節(jié)酸痛等，嚴重時四肢不靈、走路艱難、書寫困難等。

此外，在容器內作業(yè)時，焊接煙霧對眼睛的傷害引起焊工強烈反響。然而，焊接煙塵對眼睛的生物學作用機理如何？迄今為止未見報道。

2．氬弧焊

健康影響調查表明，氬弧焊有害物質對健康的影響，比焊條電弧焊強烈，其典型健康損害主要有以下兩種：

（1）神經衰弱癥候群與呼吸道刺激癥 氬弧焊工吸入臭氧和氮氧化物，常常出現(xiàn)頭暈、頭痛、失眠多夢、疲勞無力等神經衰弱癥候群，同時還有胸悶、胸痛、咳嗽、不思進食等呼吸道刺激癥。嚴重時可發(fā)生肺水腫和支氣管炎。

（2）氬弧焊工塵肺 長期從事鋁及鋁合金的氬弧焊工，可能遭受所謂氬弧焊工塵肺損害。這種病變主要是由鋁煙塵引起的。在X光照片上的特征與前述焊工塵肺一樣，即呈現(xiàn)網狀紋和結節(jié)陰影。

3．等離子弧焊接及切割

等離子弧的溫度比其他電弧更高（10000℃以上），產生的焊接有害物質（煙塵和有害氣體）濃度，以及電弧輻射的強度都較其他焊接方法為高，尤其在等離子弧噴焊與等離子弧切割時，產生的煙塵量更大，因此，對健康的影響，其潛在的威脅較大。其典型健康損害類型與氬弧焊接近，主要是：

（1）神經衰弱癥候群與呼吸道刺激癥。

（2）金屬煙塵熱和焊工塵肺等。

4．CO2氣體保護焊

CO2氣體保護焊有害物質引起的典型健康損害主要有以下兩種：

（1）神經衰弱癥候群 長期吸入低濃度的CO，可能出現(xiàn)頭疼、頭暈、四肢無力等神經衰弱癥候群。

（2）金屬煙熱和呼吸道刺激癥 長期吸入含錳多的煙塵，可能引起金屬煙熱和呼吸道刺激癥，甚至引起錳中毒。

五、材料焊接對健康的影響

1．不銹鋼焊接時對健康的影響

20世紀70年代國外有人揭示，不銹鋼煙塵中的六價鉻有強烈的致癌誘變作用。此后，世界主要工業(yè)發(fā)達國家對焊接有害物質（煙塵）研究和測定結果，再次對煙塵中鉻鎳的致癌作用予以證實。

2．有色金屬焊接時對健康的影響

（1）鋁及鋁合金焊接時焊工的鋁塵肺 焊工長期吸入含鋁化物為主的有害物質，如煙塵和有害氣體（臭氧、氮氧化物等），可能引起鋁塵肺。鋁塵肺的發(fā)病癥狀、病理改變以及X照片所見，與電焊工塵肺相似。

（2）銅及銅合金焊接時焊工的急性銅中毒癥 焊工吸入多量含氧化銅和氧化鋅的有害煙塵物質，會引發(fā)急性銅中毒癥。主要表現(xiàn)為盜汗、頭昏等癥狀。

此外，鋅、鉛、鎘、鈹、鈷等材料焊接時，焊工吸入過量的有害物質（有毒氣體和金屬蒸氣），必然對健康造成嚴重損害。

六、結語

（1）焊接有害物質是在電弧高溫作用下，焊條端部的熔化物以及熔滴和熔池表面生成的過熱蒸氣，被迅速氧化凝聚成細小固態(tài)粒子，以及熔滴過渡區(qū)化學冶金反應產生的大量氣態(tài)物質。

（2）焊接材料特性是影響發(fā)塵量的內在因素，焊接參數(shù)、焊接條件以及焊接方法則是外因，其發(fā)塵量最終受焊接有害物質產生機理控制。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。

（3）焊接有害物質種類較多，單組分作用對健康的影響各異。實際的有害物質是多組分混合物，對健康的影響更復雜，還必須考慮有害物質的實際濃度，以及侵害時間等因素。

（4）焊條電弧焊接方法中，對健康影響較大的是電焊塵肺；在氬弧焊方法中則是神經衰弱癥候群與呼吸道刺激癥；在等離子弧焊接及切割方法中，除了神經衰弱癥候群與呼吸道刺激癥之外，還必須注意金屬煙塵熱和焊工塵肺等問題；在 CO2氣體保護焊中主要是神經衰弱癥候群和金屬煙塵熱以及呼吸道刺激癥。

（5）不銹鋼煙塵中的六價鉻化物有強烈的致癌誘變作用，鎳的氧化物也有致癌作用，鋁及鋁合金焊接時焊工的鋁塵肺，銅及銅合金焊接時焊工的急性銅中毒癥等，是材料焊接對健康的主要影響。