電弧增材制造（DED-Arc）技術利用金屬惰性氣體（MIG）或氣體金屬電弧焊（GMAW）工藝，為大型鈦合金構件的制造提供了一種高效且經濟的解決方案。然而，鈦合金DED-Arc工藝在實施過程中存在顯著的安全隱患，尤其是在惰性氣體保護、密閉空間操作及鈦煙塵處理等方面。本文旨在系統探討這些安全隱患及其相應的風險控制措施。
電弧增材工藝示意圖&標準金屬惰性氣體焊槍 來源：ORNL
一、安全隱患分析
鈦合金因其優(yōu)異的比強度及耐腐蝕性能，在航空航天、醫(yī)療器械等領域得到廣泛應用。然而，鈦元素對氧具有極高的化學親和力，在高溫條件下易與氧氣發(fā)生反應，導致焊接區(qū)域氧化，進而影響焊縫質量。因此，DED-Arc工藝需采用惰性氣體（如氬氣）對焊接熔池進行保護，以防止大氣中的氧氣污染。
電弧增材鈦合金樣件 來源：克蘭菲爾德&BAE
此外，鈦合金在焊接過程中會產生微細的鈦煙塵顆粒。這些顆粒具有高度可燃性，在零件清理或設備拆卸過程中，若暴露于空氣中可能引發(fā)自燃甚至爆燃，造成嚴重的火災隱患。
MIG鈦鍍層與煙灰副產品（左）&鈦煙灰爆燃（右）來源：ORNL
二、安全防護措施
1
惰性氣體保護系統的安全控制
持續(xù)氧氣監(jiān)測：在封閉空間內外安裝氧氣傳感器，實時監(jiān)測氧氣含量。一旦氧氣水平低于安全閾值，立即觸發(fā)警報，以便工作人員及時采取措施。
通風系統：配備主動通風系統，及時排出氬氣，維持安全的呼吸環(huán)境，有效降低缺氧風險。
密閉空間規(guī)程：惰性封閉空間符合受限空間的特征，必須執(zhí)行嚴格的進入程序。包括進入前的全面檢查、通風系統的有效性驗證，以及人員進入后的持續(xù)監(jiān)測。同時，確保工作人員接受受限空間安全培訓，并制定完善的救援預案。
惰性氣體外殼 來源：ORNL
2
鈦煙塵的風險控制
此外，針對DED-Arc過程中具有自燃風險的的鈦煙灰殘留物，可采取以下措施：
煙塵收集系統：采用干式閉環(huán)煙塵去除系統，能夠高效捕獲和收集鈦煙，最大程度減少其在封閉空間內的積聚。采用干式閉環(huán)煙塵收集裝置，高效捕獲鈦煙塵顆粒，減少其在工作區(qū)域的積聚。
分步清潔程序：
· 第一步：在惰性氣體環(huán)境下，使用防爆工具（如黃銅刷）進行初步清理，同時作業(yè)人員需佩戴全面罩呼吸器等個人防護裝備（PPE）。
第二步：在恢復大氣環(huán)境后，使用接地的防爆真空吸塵器進行最終清理。
個人防護裝備：作業(yè)人員需配備完整的PPE，包括全面罩呼吸器、阻燃服及防護手套等。在手套箱等封閉操作環(huán)境中，仍需配備次級防護裝備以確保合理防護。
鈦煙塵特性分析：對收集的煙塵進行粒度分布和可燃性分析，評估其燃燒及爆炸風險，為安全操作提供數據支持。
PPE裝備展示 來源：ORNL
3
通用焊接安全規(guī)范
除上述特殊風險外，鈦合金DED-Arc作業(yè)還需遵循標準焊接安全規(guī)程：
電氣安全：確保設備接地可靠，嚴格執(zhí)行停機/掛牌程序，并定期進行設備維護，防止電氣事故。
弧光防護：作業(yè)人員需佩戴符合標準的眼部及面部防護裝備，并穿著阻燃服以抵御弧光輻射。
壓力系統安全：定期檢查氣瓶、調節(jié)器及軟管，確保壓力系統運行穩(wěn)定，防止氣體泄漏。
機械安全：為機械臂設置合理的安全限位，并安裝碰撞檢測系統，避免機械碰撞事故。
煙塵控制：即使在惰性氣體保護環(huán)境下，也需確保通風系統正常運行，特別是在清理作業(yè)時，有效控制煙塵濃度，保護作業(yè)人員呼吸系統健康。
綜上所述，鈦合金DED-Arc工藝的安全管理需綜合考慮惰性氣體保護、鈦煙塵處理及通用焊接安全等多方面因素。通過實施全面的風險控制措施，包括實時環(huán)境監(jiān)測、高效通風系統、分步清理程序及嚴格的個人防護，可有效降低作業(yè)風險，保障人員安全。這種系統化的安全管理模式不僅有助于提升生產效率，也為鈦合金DED-Arc技術的長期發(fā)展奠定了堅實基礎。
