МІНІСТЕРСТВО ПРАЦІ ТА СОЦІАЛЬНОЇ ПОЛІТИКИ УКРАЇНИ

Національний науково-дослідний інститут охорони праці

ЛЕВЧЕНКО

Олег Григорович

УДК 613.63:621.791

СПОСОБИ ТА ЗАСОБИ

ЛОКАЛІЗАЦІЇ І НЕЙТРАЛІЗАЦІЇ ЗВАРЮВАЛЬНИХ АЕРОЗОЛІВ

05.26.01 охорона праці

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України

Науковий консультант: доктор технічних наук, академік НАН

України Лобанов Леонід Михайлович,

ІЕЗ ім. Є. О. Патона, заступник директора

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Лапшин Олександр Єгорович,

Криворізький технічний університет,

професор кафедри

доктор технічних наук, професор

Чигарьов Валерій Васильович,

Приазовський державний технічний

університет, завідуючий кафедрою

доктор технічних наук, старший

науковий співробітник

Хвастухін Юрій Іванович, Інститут газу

НАН України, завідуючий відділом

Провідна установа: Національний технічний університет України “КПІ”

Захист відбудеться 14 травня 2002 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.802.01 Національного науково-дослідного інституту охорони праці за адресою: 04060, м. Київ-60, вул. Вавілових, 13.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного науково-дослідного інституту охорони праці.

Автореферат розісланий 5 квітня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент Ковтун І. М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Подальший розвиток зварювального виробництва неможливий без створення для робочих умов праці, що відповідають сучасним світовим вимогам. У незалежній Україні, як і в інших європейських країнах, прийнято відповідне законодавство з охорони праці, яке однозначно забороняє проведення різних видів робіт, у тому числі і зварювальних, в умовах, що не відповідають нормативним вимогам.

Особливості умов праці зварників характеризуються наявністю ряду небезпечних і шкідливих виробничих факторів, що є невід’ємним наслідком зварювального процесу. Серед них найбільшу загрозу для здоров’я зварників становить зварювальний аерозоль (ЗА), від якого до цього часу зварник захищений дуже слабко. Вплив ЗА на організм за даними В. І. Воронцової, К. В. Мигая, Л. Н. Горбаня та інших призводить до бронхо-легеневих захворювань зварників. Це – пневмоконіоз, що виявився у зварників, які відпрацювали у зварювальних цехах більше 15 років, і хронічний бронхіт, що виникає вже через 5 років праці за професією зварника. При виконанні зварювальних робіт у недоступних для вентилювання замкнених просторах період розвитку пневмоконіозу скорочується до 5 років. Крім того, є дані (R. М. Stern), які свідчать про те, що вплив ЗА на органи дихання може підвищувати ризик розвитку онкологічних захворювань (рак).

Заходи по оздоровленню умов праці зварників, що застосовувались в попередні роки, не дали помітних позитивних результатів. Проблема створення здорових і безпечних умов праці зварників залишається актуальною. Для її вирішення необхідно скористатися більш радикальним підходом, а саме, як показує світовий і вітчизняний досвід, поєднанням технологічних та санітарно-технічних заходів щодо усунення шкідливої дії ЗА, а також застосуванням засобів індивідуального захисту органів дихання (ЗІЗОД) зварників. Перший напрямок – технологічний: полягає у зниженні рівня виділення ЗА в повітря шляхом удосконалення процесу зварювання, виборі технології і способу зварювання, виду і марки зварювального матеріалу, захисного газу та режиму зварювання. Другий напрямок – санітарно-технічний: полягає в локалізації і нейтралізації ЗА шляхом застосування сучасних ефективних засобів місцевої вентиляції. Третій напрямок – застосування ЗІЗОД нового покоління, що дозволяють захищати органи дихання зварників у різних виробничих умовах. В залежності від умов праці, а також від вимог до якості зварного з’єднання необхідно користуватися комплексом цих заходів, або окремими з них.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи – розробити системи захисту органів дихання зварників на основі дослідження процесів утворення ЗА при дуговому зварюванні.

Відповідно до поставленої мети були визначені наступні задачі досліджень:

1. Дослідити вплив зварювальних матеріалів, способів і режимів дугового зварювання на інтенсивність виділення і хімічний склад ЗА.

2. Дослідити вплив режиму зварювання модульованим струмом на рівень виділень і хімічний склад ЗА при механізованому зварюванні у вуглекислому газі.

3. Розробити теоретичні основи математичного моделювання хімічного складу твердої складової зварювального аерозолю (ТСЗА) від складу зварювальних матеріалів і режиму зварювання.

4. Розробити класифікацію ЗА і способів зварювання, при яких ці ЗА утворюються, за хімічним складом і на основі цього запропонувати методи нейтралізації ЗА.

5. Дослідити сорбційно-фільтруючі властивості зернистих матеріалів для очищення повітря від ЗА і розробити нові.

6. Розвинути основи розрахунку місцевої витяжної вентиляції і створити комплекс засобів захисту органів дихання зварників та виробничого середовища для різних способів і умов дугового зварювання.

7. Розробити комп’ютерну інформаційно-пошукову систему гігієнічних характеристик ЗА і на її основі рекомендації щодо вибору та застосування засобів захисту органів дихання при зварюванні різними способами.

Об’єкти дослідження процеси утворення, локалізації і нейтралізації ЗА.

Предмети дослідження хімічний склад та інтенсивність утворення ЗА, характеристики фільтруючих матеріалів, ефективність засобів місцевої вентиляції та індивідуального захисту органів дихання зварників.

Методи дослідження. Дослідження інтенсивності утворення ЗА виконувалось ваговим методом шляхом відбирання проб ЗА в процесі зварювання. Хімічний склад проб ЗА визначався фотометричними методами. Дослідження адсорбційних і фільтраційних характеристик зернистих матеріалів виконувалось шляхом пропускання ЗА через шар з фільтруючими матеріалами.

Наукова новизна одержаних результатів. Дістали подальший розвиток уявлення про формування складу ТСЗА при електродуговому зварювальному процесі як результат рівноважного та нерівноважного (нефракційного) випаровування компонентів розплаву. Вперше установлено, що коефіцієнт нефракційного випаровування елементів ТСЗА має лінійний зв’язок з потужністю дуги. Установлені закономірності покладено в основу математичного моделювання хімічного складу ТСЗА.

Вперше установлено, що за рахунок вибору режиму зварювання можна регулювати співвідношення рівноважного та нерівноважного випаровування компонентів розплаву і змінювати склад ТСЗА – знижувати в ній вміст летучого токсичного марганцю.

Вперше установлено, що зварювання модульованим струмом на відміну від зварювання неперервним (постійним) струмом дозволяє знизити інтенсивність виділення ТСЗА і вміст у ній марганцю. Показано, що зниження вмісту марганцю в ТСЗА досягається за рахунок нерівноважного випаровування металу внаслідок забезпечення переносу електродного металу з примусовими короткими замиканнями дугового проміжку, обумовленими імпульсною модуляцією струму.

Вперше одержано дані про вплив геометричних характеристик зварювальної ванни на рівень виділень ТСЗА. Показано, що при збільшенні сили зварювального струму зниження інтенсивності утворення ТСЗА відповідає різкому збільшенню глибини зварювальної ванни.

Установлено, що при зварюванні в СО2, сумішах Аr + СО2 і Аr + СО2 + О2 дротом суцільного перерізу залежності інтенсивності утворення монооксиду вуглецю й оксидів азоту від сили зварювального струму мають вид парабол з мінімумом, який відповідає максимальному зануренню дуги у зварювальну ванну. Зниження окиснювальної здатності захисного газу (введення до складу суміші аргону) призводить до зменшення рівня виділення монооксиду вуглецю і збільшення оксидів азоту. Уведення до складу захисної суміші кисню знижує виділення монооксиду вуглецю в результаті його окиснення і активізує утворення оксидів азоту.

Вперше показано, що ЗА та способи зварювання, при яких вони утворюються, можна класифікувати за хімічним складом газоподібної складової ЗА (ГСЗА) і присвоїти їм (за найбільш характерними компонентами) відповідні назви: безфтористий, фтористий, оксидовуглецевий, озоновий, фтористо-оксидовуглецевий та фтористо-озоновий. Ця класифікація дозволяє здійснювати адекватний вибір методів та засобів нейтралізації шкідливих речовин ЗА в залежності від способу зварювання.

Вперше установлено, що найбільш універсальним фільтруючим матеріалом для уловлювання шкідливих компонентів ГСЗА і ТСЗА є природний алюмосилікат – цеоліт (закарпатський кліноптилоліт). Для нейтралізації монооксиду вуглецю найбільш ефективним фільтруючим матеріалом є запропонована нова модифікація цеоліту – кадмій- і кобальт-заміщений кліноптилоліт.

Дістали подальший розвиток основи розрахунку місцевої витяжної вентиляції для робочих місць зварників. Установлено, що вміст шкідливих речовин у повітрі робочої зони зменшується пропорційно відстані до витяжного отвору місцевого вентиляційного пристрою і обернено пропорційно витраті повітря, яке видаляється. Одержані на основі цих закономірностей математичні залежності дозволяють оптимізувати дані параметри.

Практичне значення одержаних результатів. На основі проведених досліджень розроблено системи (способи, засоби та рекомендації) захисту органів дихання зварників і виробничого середовища при різних способах дугового зварювання.

Показано можливості зниження рівня виділення ЗА шляхом застосування модульованого струму, вибору відповідного режиму зварювання, застосування замість вуглекислого газу його сумішей з аргоном і зварювальних матеріалів, що забезпечують більш низький рівень виділення шкідливих речовин у повітря.

На якісно новому рівні інформаційного забезпечення розроблено комп’ютерну інформаційно-пошукову систему гігієнічних характеристик ЗА (банк даних і знань) “EСO-WELD” зі спеціальною структурою і функціональною схемою, що дозволяють одержувати інформацію про гігієнічні показники (хімічний склад і рівні виділень ЗА), розраховувати необхідний повітрообмін вентиляції, здійснювати порівняльну гігієнічну оцінку зварювальних матеріалів, оцінювати вплив на характеристики ЗА технологічних параметрів процесу зварювання, а також давати рекомендації щодо вибору засобів вентиляції й індивідуального захисту органів дихання зварників в залежності від способу зварювання і марки зварювального матеріалу. Комп’ютерна система “ECO-WELD” може використовуватися фахівцями з охорони праці на підприємствах, що використовують дугове зварювання, для проведення заходів щодо забезпечення необхідних умов праці робочих зварювальних професій.

Запропоновано нові конструктивні схеми засобів місцевої вентиляції й індивідуального захисту органів дихання, що дозволили створити комплекс засобів захисту від ЗА нового покоління для різних способів і умов зварювання.

Налагоджено серійний випуск ФВА “Темп-2000”, “Темп-2000М” і на їх основі стаціонарних фільтровентиляційних систем, переносних вентиляційних агрегатів (ПВА) для видалення ЗА з важкодоступних замкнутих об’ємів “Джміль-2500”, а також автономних портативних пристроїв очищення і подачі повітря в зону дихання зварника “Джміль-40”.

Удосконалено ФВА “Мрiя-1” шляхом установлення другого ступеня розробленого нового фільтра на основі кліноптилоліту, що забезпечує уловлювання ГСЗА.

Розроблено і впроваджено на київському заводі “Енергія”, Монастирищенському машинобудівному заводі та на Воткинській ГЕС (Росія) шлангову захисну маску зварника з системою очищення і подачі повітря в зону дихання.

Особистий внесок здобувача. Внесок автора в роботи, виконані в співавторстві, полягав у формуванні напрямку досліджень, постановці задач, виборі шляхів їх вирішення, постановці і проведенні експериментів, обробці, аналізі й інтерпретації отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації розглянуто на республіканському науково-технічному семінарі “Комплексная механизация рабочих мест и участков для механизации и автоматизации дуговой сварки” (Рига, 1989); 1-му міжнародному семінарі “Экологические проблемы сварочного производства” (Глівіце, Польща, 1992); 2-му міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (Львів, 1995); науково-практичному семінарі “Сварка в судоремонте, судостроении и краностроении” (Одеса, 1995); міжнародній науково-технічній конференції “Зварювання в енергетиці” (Київ, 1996); міжнародній конференції “Повышение эффективности сварочного производства” (Липецьк, 1996); міжнародній конференції “Сварка. Технологии, оборудование, материалы. МЕТ-97” (Рига, 1997); міжнародній конференції “Сварка и родственные технологии – в ХХI век” (Київ, 1998); міжнародному науково-технічному семінарі “Сварка под флюсом сегодня и завтра” (Запоріжжя, 1998); 51-му конгресі Міжнародного інституту зварювання (Гамбург, ФРН, 1998); міжнародній конференції “Сварные конструкции” (Київ, 2000).

Публікації. Основні положення і наукові результати дисертаційної роботи опубліковані в 5 брошурах, 25 наукових статтях у спеціалізованих журналах, 7 матеріалах і 4 тезах конференцій, 1 авторському свідоцтві. Розроблено 1 державний стандарт.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаної літератури (245 джерел) і додатків. Робота викладена на 283 сторінках машинописного тексту, включаючи 71 малюнок, 17 таблиць і додатки (6 стор.).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ. Обґрунтовано актуальність проблеми захисту органів дихання зварників і виробничого середовища від шкідливого впливу ЗА, сформульовано мету і задачі дослідження, показано наукову новизну і практичну цінність роботи.

Розділ 1. Аналіз умов праці зварників і перспективи їх поліпшення. На основі літературних даних розглянуто стан питань по вивченню процесів утворення ЗА, гігієнічній характеристиці способів дугового зварювання і зварювальних матеріалів; показано існуючі шляхи зниження шкідливого впливу ЗА на організм, досягнення в галузі створення технологічних способів зниження виділень шкідливих речовин, проблеми вентиляції в зварювальному виробництві та індивідуального захисту органів дихання зварників.

Огляд літератури з теорії зварювальних аерозолів показав, що у цій сфері до цього часу вивчено лише деякі питання, зокрема є відомості про вміст шкідливих речовин у повітрі робочої зони при застосуванні окремих марок зварювальних матеріалів (К. В. Мигай, 1964; І. С. Алексєєва, 1984). Отримано дані порівняльної гігієнічної оцінки деяких видів зварювальних матеріалів (Є. І. Воронцова, 1959; М. І. Ерман, 1971; Л. М. Горбань, 1977). Установлено залежності рівнів виділень шкідливих речовин від технологічних параметрів режиму зварювання і складу захисного середовища при зварюванні в захисних газах (H. Press, W. Florian, 1980) та від режиму зварювання при застосуванні електродів з покриттями деяких видів (І. К. Походня зі співавт., 1990). Запропоновано математичну модель хімічного складу ТСЗА, побудовану на теорії пружностей парів металів (А. А. Букі, 1973). Отримано загальні уявлення про механізм утворення ТСЗА (М. Kobayashi, 1979) і особливості випаровування металу при електродуговому процесі (C. N. Gray, 1982).

Разом з тим у літературі відсутні однозначні уявлення про процеси утворення ТСЗА і закономірності формування її складу. Не установлено роль нерівноважного випаровування при зварюванні та співвідношення коефіцієнтів нерівноважного і рівноважного випаровування. Відсутні теоретичні основи математичного моделювання складу ТСЗА. Немає достовірних даних про хімічний склад ГСЗА та залежності її компонентів від складу захисного середовища і параметрів режиму зварювання, відсутні пояснення цих складних залежностей. Ці обставини не дозволяють розробити конкретні рекомендації, що давали б можливість регулювати склад і знижувати рівень виділення ЗА шляхом зміни технологічних параметрів процесу зварювання.

Таким чином, огляд літератури свідчить, що процеси утворення ЗА при дуговому зварюванні вивчено недостатньо, а рекомендації для зниження шкідливих виділень, які випливають з цього, далеко не досконалі.

Відсутня класифікація ЗА і способів зварювання, при яких вони утворюються, за хімічним складом, що не дозволяє здійснювати адекватний вибір відповідних

методів та засобів нейтралізації ЗА.

Літературний огляд, а також існуюче становище речей щодо розробки засобів місцевої вентиляції свідчить про те, що існуюче вітчизняне вентиляційне обладнання має малу ефективність видалення забрудненого аерозолем повітря із зони зварювання, а фільтруючі матеріали, які в ньому використовуються, не очищують повітря від шкідливих компонентів ГСЗА. Відсутні ефективні і зручні в роботі пальники з відсмоктуванням аерозолю для зварювальних напівавтоматів.

З практики застосування наявних засобів місцевої вентиляції стає зрозумілим, що вони розраховані наближеними методами. Для уточненого розрахунку їхньої оптимальної продуктивності, що необхідно з метою ефективного уловлювання ЗА при раціональній витраті видаленого повітря, необхідно створити нові основи розрахунку місцевих витяжних пристроїв, які б відповідали сучасним уявленням про механізм уловлювання ЗА із зони зварювання і враховували інтенсивність виділення шкідливих речовин. Для цього необхідні дані (банк даних) про хімічний склад і рівні виділень ЗА, що утворюються при застосуванні різних видів і марок зварювальних матеріалів.

З літератури і практики застосування сучасних ЗІЗОД (маски зварника з примусовою подачею очищеного повітря в зону дихання) стає зрозумілим, що для більш надійного захисту органів дихання необхідні ЗІЗОД нового покоління. Вони повинні забезпечувати ефективний захист органів дихання при мінімальній витраті повітря, що надходить в зону дихання, і яка відповідає циклу дихання людини (30...40 дм3/хв). Відсутні також ефективні шлангові й автономні маски зварника з примусовою подачею чистого повітря під щиток зварника.

На підставі викладеного були визначені основні задачі роботи.

Розділ 2. Методики досліджень. Представлено існуючі і розроблені за участю автора методики дослідження рівнів виділень ЗА, характеристик фільтруючих матеріалів для нейтралізації шкідливих речовин ЗА та випробувань пальників з місцевим витяжним пристроєм для зварювальних напівавтоматів. Зазначено об’єкти й обсяг досліджень.

Дослідження рівнів виділення ТСЗА (інтенсивність і питоме виділення) здійснювалось методом повного уловлювання, а ГСЗА – методом часткового уловлювання на основі загальноприйнятих методичних вказівок з гігієнічної оцінки зварювальних матеріалів і способів зварювання, наплавлення та різання металів № 1924-78 (1980 р.), удосконалених нами стосовно до конкретних способів зварювання. Для цього було розроблено і виготовлено спеціальні стенди для відбирання проб ЗА. Крім того, для визначення рівнів виділення ТСЗА, а також для установлення залежностей їх виділень від параметрів режиму зварювання за участю автора розроблено нову прискорену комп’ютерну методику, що дозволяє істотно скоротити трудомісткість роботи.

Дослідження хімічного складу ЗА виконувалось відповідно до методичних вказівок для визначення шкідливих речовин у ЗА № 4945-88 (1990 р.).

Вивчення адсорбційних і фільтраційних характеристик зернистих фільтруючих матеріалів з метою вибору оптимальних для очищення повітря від ЗА здійснювалось за розробленою методикою на спеціальних стендах шляхом пропускання компонентів ГСЗА, а також усього ЗА, що утворюється при зварюванні, через шар з досліджуваним фільтруючим матеріалом.

Випробування пальників з витяжним пристроєм для зварювальних напівавтоматів виконувалось за спеціально розробленою методикою разом з Фізико-хімічним інститутом захисту навколишнього середовища і людини (ФХІЗНСіЛ) Міністерства освіти і науки та НАН України.

Розділ 3. Дослідження впливу технологічних параметрів процесу зварювання на виділення зварювальних аерозолів. Викладено результати досліджень впливу технологічних параметрів процесу зварювання на виділення ЗА, у тому числі з використанням комп’ютеризованої методики. Показано особливості утворення ЗА при зварюванні модульованим струмом і гігієнічні переваги цього способу зварювання. На основі дослідження закономірностей випаровування при дуговому процесі запропоновано основи математичного моделювання хімічного складу ТСЗА. Наведено результати досліджень хімічного складу ГСЗА і показано механізм утворення її компонентів. Запропоновано нові технологічні способи зниження рівнів виділень ЗА.

Для вивчення процесів утворення ЗА з метою розробки рекомендацій по зниженню рівнів їх виділення в повітря робочої зони технологічними і санітарно-технічними шляхами досліджували вплив режиму зварювання і геометричних характеристик зварювальної ванни на виділення ЗА, залежності рівнів виділення ТСЗА від режиму зварювання неперервним і модульованим струмом, хімічний склад ГСЗА і його залежність від режиму зварювання, а також вивчали хімічний склад ТСЗА з використанням методу математичного моделювання.

З літературних даних (H. Press, W. Florian, 1980) та результатів наших досліджень відомо, що при дуговому зварюванні в захисних газах (сумішах) залежність інтенсивності утворення ТСЗА від сили зварювального струму має складний екстремальний характер: є максимум і мінімум виділень. В якійсь мірі це пояснюється видом переносу електродного металу. Для з’ясування об’єктивних причин цієї важливої з гігієнічної точки зору закономірності проведено дослідження впливу геометричних характеристик зварювальної ванни (її форми) на процес виділення ЗА. Вивчення макрошліфів показало, що на всіх зразках (у тому числі і наплавлених на режимі, що забезпечує мінімальне виділення ТСЗА) мають місце сприятливі геометричні параметри шва. Це дозволяє шляхом вибору параметрів режиму зварювання забезпечити допустиме поєднання необхідних геометричних параметрів шва і мінімальне виділення аерозолю. З підвищенням зварювального струму і напруги на дузі глибина і ширина проплавлення, а також опуклість шва збільшуються. При підвищенні напруги на дузі ширина проплавлення збільшується по лінійній залежності (рис. 1) і це супроводжується відповідним збільшенням площі поверхні випаровування зварювальної ванни. Однак залежність інтенсивності утворення ТСЗА від ширини проплавлення має складний вид з максимумом і мінімумом виділень. Залежність інтенсивності виділень ТСЗА від глибини проплавлення має аналогічний вид, що пояснюється впливом зварювального струму на глибину проплавлення. Різке зниження інтенсивності виділення ТСЗА при підвищенні струму від 400 до 440 А відповідає різкому збільшенню глибини проплавлення металу (рис. 1). Це свідчить про те, що зниження інтенсивності утворення ТСЗА зумовлено зануренням дуги в зварювальну ванну в результаті проплавлення основного металу. Таким чином, хоча рівень випару металу і залежить від площі поверхні зварювальної ванни, кількість викидів парів за межі дуги визначається головним чином глибиною її занурення в зварювальну ванну, що залежить від глибини проплавлення основного металу. Глибина проплавлення, у свою чергу, залежить від тиску на поверхню зварювальної ванни плазмових потоків і потоків парів металу, що витискують рідкий метал з-під основи стовпа дуги. Зі зростанням зварювального струму підвищується тиск дуги і збільшується глибина проплавлення. При цьому зварювальна дуга заглиблюється у ванну; пари металу переносяться з електрода на основний метал через дуговий проміжок, заповнений парами металу, і здебільшого конденсуються на основному металі. Незначна частина парів виноситься з ванни через проміжок між електродом і ванною в навколишню атмосферу. Установлено, що інтенсивне проплавлення основного металу починається при потужності дуги приблизно 12,3 кВт і закінчується при 14,4 кВт. Подальше підвищення потужності зануреної дуги сприяє вже збільшенню об’єму проплавлення внаслідок кращого контакту дуги з основним металом і високій тепловіддачі цьому металу, а отже, – і виходу парів із плавильного простору в повітря. При цьому інтенсивність виділення ТСЗА знову починає трохи збільшуватися (рис. 1). Для дроту діаметром 1,6...2,0 мм мінімальні виділення відбуваються при потужності дуги 14,0...16,0 кВт.

Рис. 1. Залежність інтенсивності Va, питомого виділення Ga ТСЗА та глибини проплавлення h від величини зварювального струму Iзв при зварюванні у вуглекислому газі дротом Св-08Г2С діаметром 2,0 мм

Таким чином, істотний вплив на інтенсивність утворення ТСЗА створює форма зварювальної ванни (глибина проплавлення основного металу), що визначає рівень розсіювання парів металу. Це необхідно враховувати при оптимізації технологічних параметрів режиму зварювання з метою зниження рівня виділень ТСЗА.

Аналогічні залежності, отримані при зварюванні покритими електродами, також мають складний вид, наприклад (рис. 2). Це пояснюється впливом сукупності усіх факторів на рівень утворення ТСЗА, таких, як хімічний склад покриття електродів, їх діаметр, режим зварювання, характер переносу електродного металу, потужність і проплавляюча здатність зварювальної дуги, а також залежні від перерахованих факторів геометричні характеристики зварювальної ванни, довжина дуги і глибина її занурення в основний метал.

Рис. 2. Залежність інтенсивності утворення ТСЗА від величини зварювального струму при застосуванні електродів УОНИ-13/55 діаметрами: ^ 4 мм; ¦ 5 мм

З результатів експериментів випливає, що вибір режиму зварювання, який забезпечує мінімальне виділення ТСЗА, дозволяє знижувати рівень забруднення повітря робочої зони приблизно в 1,5...3,0 (в середньому у 2) рази при застосуванні електродів АНО-4, АНО-6, АНО-12 діаметрами 3...5 мм, і в 1,5 рази при використанні електродів УОНИ-13/55 діаметрами 4 і 5 мм. Це дозволяє поліпшити умови праці зварників, а також досягти економічного ефекту за рахунок зменшення необхідних обсягів повітрообміну вентиляції.

Як показали результати наших досліджень, одним із шляхів удосконалення гігієнічних характеристик процесів дугового зварювання є застосування спеціальних імпульсних джерел струму, що дозволяють зменшувати надлишкову енергію дуги, ака викликає інтенсивне випаровування матеріалів при плавленні, і керувати переносом електродного металу, що також впливає на процес виділення ТСЗА. Зварювання модульованим струмом, завдяки періодичній зміні величини зварювального струму, дозволяє поліпшувати гігієнічні характеристики цього процесу в порівнянні зі зварюванням неперервним струмом.

Результати порівняльної гігієнічної оцінки зварювання неперервним і модульованим струмом показали, що при зварюванні на режимах з приблизно однаковим середнім струмом показники рівня виділення ТСЗА і вміст у ній марганцю нижче у випадку застосування модульованого струму (табл. 1).

При періодичному зниженні сили модульованого струму в паузах (при однакових неперервному струмі і струмі імпульсу) зварювання модульованим струмом забезпечує меншу інтенсивність утворення ТСЗА, крім зварювання постійним струмом на режимі 255 А (рис. 3, а). Зменшення загальної потужності дуги за рахунок пауз знижує надлишок енергії, що має місце

Таблиця 1-

Порівняльна характеристика виділень ТСЗА і вмісту в ній марганцю при зварюванні неперервним і модульованим струмом при однаковому середньому струмі

Постійний струм без модуляції

Iзв, А | Uд, В | Va, г/хв | Ga, г/кг | Mn, % мас.

50 26 0,51 15,8 8,9

Модульований струм

Iі, А | Iп, А | Uі, В | Uп, В | фі, с | фп, с | Va, г/хв | Ga,

г/кг | Mn, % мас.

220 100 26 15 0,5 0,5 0,48 12,4 5,7

при зварюванні неперервним струмом і йде на перегрівання та випаровування металу. Вміст марганцю у складі ТСЗА при застосуванні модульованого струму на різних режимах нижчий, ніж при зварюванні постійним струмом (рис. 3, б).

Рис. 3. Залежність інтенсивності утворення ТСЗА (а) і вмісту в ній марганцю (б) від зварювального струму при зварюванні постійним струмом () та модульованим з рівною тривалістю імпульсів і пауз (? - 1 с, 0 - 0,5 с, - 0,1 с)

При зварюванні модульованим струмом підвищення струму імпульсу підсилює інтенсивність утворення ТСЗА (рис. 4, а). При цьому відбувається перенос електродного металу з примусовими короткими замиканнями, а підвищення струму імпульсу приводить до посилення вибухів перемички металу в дуговому проміжку, а отже, до підвищеного викиду парів металу за межі дуги. Підвищення напруги імпульсу також призводить до посилення виділення ТСЗА (рис. 4, б). При збільшенні тривалості однакових імпульсів і пауз інтенсивність виділення ТСЗА знижується (рис. 4, в).

Дослідження впливу параметрів режиму зварювання модульованим струмом на вміст у ТСЗА марганцю (рис. 5) свідчать про те, що шляхом вибору режиму модуляції виділення марганцю можна знижувати в широких межах: наприклад, з 11,3 % до 4,4 %, тобто в 2,5

Рис. 4. Залежність інтенсивності утворення ТСЗА: а – від сили струму імпульсу при напругах імпульсу ? – 24 В, 0 – 26 В, – 30 В; б – від напруги імпульсу при струмах імпульсів ? – 150 А, 0 – 200…220 А, – 260…270 А; в – від тривалості рівних імпульсів при струмах ? – 150 А, 0 – 200…220 А, – 260…270 А

рази. Так, при зварюванні на низькій напрузі імпульсу (24 В) з підвищенням струму вміст марганцю в ТСЗА мало збільшується – з 4,4 % до 6,1 %, а при високій напрузі імпульсу (30 В) – з 7,5 % до 11,3 % (рис. 5, а, б). Зростання напруги дуги приводить до збільшення її довжини, а отже, і часу переносу та випаровування крапель електродного металу. Оскільки при зварюванні (тим більше модульованим струмом) умови випаровування в дуговому проміжку значно відрізняються від рівноважного випаровування, то вміст леткого марганцю в аерозолі також буде, в основному, визначатися особливостями випаровування при дуговому процесі. Ці умови визначаються довжиною дуги, наявністю коротких замикань, їх частотою, розміром крапель електродного металу, часом їх існування та випаровування. При зварюванні з короткими замиканнями випаровування металу має вибуховий характер і вміст леткого марганцю в парі за короткий час вибуху металевої перемички не встигає збільшитися до значення, яке б відповідало парціальному тиску. З підвищенням напруги дуги збільшується довжина дуги, розмір краплі, час її випаровування і знижується частота коротких замикань дугового проміжку, що сприяє наближенню умов випаровування до рівноважних, при яких вміст марганцю в аерозолі значно зростає (прагне до розрахункового).

Звідси можна зробити висновок, що застосування зварювання модульованим струмом дозволяє значно знизити виділення марганцю в складі ТСЗА шляхом досягнення процесу з примусовими короткими замиканнями, збільшення частоти замикань та зменшення довжини дуги і розміру крапель. Зростання тривалості імпульсів призводить до зниження вмісту марганцю в ТСЗА (рис. 5, в), хоча середня потужність дуги не змінюється. Очевидно, це обумовлено впливом частоти імпульсів на частоту коротких замикань. Імпульси модульованого струму сприяють відриву краплі від електрода, але частота імпульсів, що накладаються, не завжди збігається з частотою переносу краплі з електрода у ванну. Зі збільшенням частоти імпульсів вміст марганцю в ТСЗА підвищується – при зварюванні неперервним струмом він максимальний (рис. 3, б).

Рис. 5. Залежність вмісту марганцю в ТСЗА: а – від сили струму імпульсу при напругах імпульсу ? – 24 В, 0 – 26 В, – 30 В; б – від напруги імпульсу при струмах імпульсів ? – 150 А, 0 – 200…220 А, – 260…270 А; в – від тривалості рівних імпульсів при струмах ? – 150 А, 0 – 200…220 А, – 260…270 А

Це свідчить про те, що при збільшенні частоти імпульсів і при переході до зварювання неперервним струмом вплив імпульсів на частоту переносу краплі електродного металу знижується і випаровування наближається до рівноважного. Тому знижувати вміст марганцю в ТСЗА можна регулюванням частоти імпульсів модульованого струму до такого значення, яке забезпечує краще відривання крапель від електрода і збільшення частоти їх переходу у ванну.

Дані щодо хімічного складу газоподібної складової ЗА нечисленні і часто суперечливі. Згідно з одними з них обов’язковими компонентами ГСЗА, що утворюються при зварюванні в середовищі захисних газів, є озон (О3), оксиди азоту (NOХ) і монооксид вуглецю (СО). Останні дані, отримані за допомогою сучасних газоаналізаторів, свідчать про те, що механізм утворення озону складний і рівень його виділення залежить від способу зварювання, основного металу, виду зварювального матеріалу, величини струму, напруги і довжини дуги та хімічного складу захисного газу. Причому відзначено, що для різних способів зварювання в захисних газах утворення озону характерно тільки для зварювання плавким і неплавким електродом в інертних газах, а монооксиду вуглецю – для зварювання плавким електродом у вуглекислому газі.

Результати наших досліджень показали, що при зварюванні плавким електродом у захисних газах у складі ГСЗА містяться монооксид вуглецю й оксиди азоту, кількість яких залежить від складу захисного газу і режиму зварювання; озон відсутній. Це пояснюється тим, що в початковий момент зварювання концентрація озону висока, проте потім він реагує з монооксидом азоту, утворюючи діоксиди азоту і кисень, а також розкладається під дією випромінювання дуги.

Установлено, що при механізованому зварюванні в СО2, сумішах Аr + СО2 і Аr + СО2 + О2 дротом суцільного перерізу основними компонентами ГСЗА є монооксид вуглецю й оксиди азоту. Зниження окиснювальної здатності захисного газу (уведення до складу суміші аргону) приводить до зменшення рівня виділення монооксиду вуглецю і збільшення оксидів азоту. Уведення до складу захисної суміші кисню також знижує виділення монооксиду вуглецю за рахунок його окиснення і підвищує інтенсивність утворення оксидів азоту.

Залежності інтенсивності утворення монооксиду вуглецю й оксидів азоту від зварювального струму при застосуванні СО2, сумішей Аr + СО2 і Аr + СО2 + О2 мають вид парабол з мінімумом (рис. 6), що відповідає режиму, при якому дуга максимально занурюється в основний метал. Таким чином, як для ТСЗА, так і для ГСЗА є режими зварювання, що забезпечують мінімальний рівень їх виділень. Так, при зварюванні струмом в 350 А інтенсивність утворення монооксиду вуглецю в 2...3 рази нижча, ніж при зварюванні мінімальною (225 А) і максимальною (450 А) силою струму. Ці закономірності необхідно враховувати при виборі оптимальних параметрів процесу зварювання (складів захисних газів і режимів зварювання) з метою поліпшення умов праці зварників.

Рис. 6. Залежність інтенсивності утворення монооксиду вуглецю VСО (а) і діоксиду азоту VNO2 (б) від зварювального струму при зварюванні дротом Св-08Г2С діаметром 1,6 мм у захисних газах: 0 – СО2, ? – Аr + СО2, ? – Аr + СО2 + О2

Дані про хімічний склад ТСЗА одержують досить трудомістким експериментальним шляхом. Тому для прогнозування її складу, що необхідно ще на стадії розробки зварювальних матеріалів і при виборі оптимальних режимів зварювання, запропоновано основи математичного моделювання складу ТСЗА.

ТСЗА утворюється переважно в результаті випаровування розплавленого матеріалу на торці електрода, оскільки він має більш високу температуру, ніж основний метал. Тому хімічний склад ТСЗА на 80...90 % обумовлено складом зварювального електрода. Таким чином, у загальному виді процентний вміст компонентів у ТСЗА можна подати як функцію, що залежить від складу розплаву матеріалу електрода і від парціальних тисків компонентів, що випаровуються

Сia = f (Ciр, Pi), (1)

де Ciр – вміст i-го компонента в розплаві, %; Pi – парціальний тиск пари i-го компонента, що дорівнює добутку тиску пари чистого елемента на його молярну частку в розплаві. Разом з тим, з огляду на особливості утворення аерозолю при дуговому процесі, тобто рівноважне випаровування і нерівноважний (вибуховий) перехід компонентів розплаву в аерозоль, було запропоновано відображати склад ТСЗА у вигляді відомого правила змішування

Сia = Ciр + (1– ) Сiп, (2)

де Сiп – вміст i-го компонента в насиченій парі над розплавом, %; – коефіцієнт нерівноважного утворення аерозолю, що характеризує частку нефракційної складової при формуванні складу ТСЗА. Відповідно значення 1– вважається коефіцієнтом фракційного утворення аерозолю.

Оскільки співвідношення рівноважного і нерівноважного випаровування залежить від режиму зварювання, доцільно установити вид цієї залежності. Значення коефіцієнта визначають з рівняння (2) при відомих значеннях вмісту компонентів у зварювальному матеріалі, насиченій парі та ТСЗА

= Cia – Ciп / Сiр – Ciп. (3)

Значення Ciа визначають експериментально; Ciп – обчислюють за парціальними тисками парів елементів, що залежать від температури крапель електродного металу. Температуру крапель металу визначають по їх теплоємності в залежності від зварювального струму. Пружність парів елементів знаходять за відомими термодинамічними константами і рівняннями. За пружностями парів обчислюють вміст елементів у парі. Молярну частку елементів у парі визначають за формулою

Niп= Piп / Piп, (4)

де Pi – загальний тиск насиченої пари над розплавом. Молярна частка переводиться в масову за формулою

Сiп = Ni Ai / Ni Ai, (5)

де Ai – атомна маса елемента.

Дослідження установлених залежностей коефіцієнтів нефракційного утворення ТСЗА від потужності дуги показали, що вони мають (принаймні для зварювання низьколегованим дротом у захисних газах) лінійний вид і дозволяють виразити їх у вигляді рівняння

i = iо – ki Icв Uд, (6)

де ki – постійна, що характеризує ступінь зміни коефіцієнта нефракційного утворення ТСЗА; iо – початкове значення коефіцієнта .

Цей закономірний зв’язок полегшує моделювати хімічний склад ТСЗА в залежності від складу зварювального матеріалу і режиму зварювання. Підставивши рівняння (6) у (2), одержимо наступну математичну модель:

Cia = n {Сiр (iо – ki Icв Uд ) + Ciп 1 – (iо – ki Icв Uд )}, (7)

де n коефіцієнт перерахунку вмісту елемента в ТСЗА з урахуванням можливої кількості кисню в сполуках з елементами зварювального матеріалу.

На основі отриманої математичної моделі (7) і запропонованого алгоритму розрахунку розроблено програмну систему прогнозування рівнів виділень компонентів ТСЗА для персонального комп’ютера. Вихідними даними для розрахунку є хімічний склад зварювального матеріалу і діапазон режимів зварювання (мінімальні та максимальні значення зварювального струму і напруги дуги, величина кроку зміни режиму зварювання).

Приведені результати досліджень процесів утворення ЗА дозволяють запропонувати технологічні способи зниження рівнів шкідливих виділень шляхом вибору режиму зварювання, хімічного складу захисного газу та застосування модульованого струму. При цьому необхідно керуватися такими установленими нами закономірностями утворення ЗА:

1. Інтенсивність утворення ТСЗА залежить від потужності зварювальної дуги, характеру переносу електродного металу і ступеня його розбризкування, що також залежить від характеру переносу електродного металу. Останній, у свою чергу, визначається режимом зварювання, діаметром і складом зварювальних матеріалів, видом покриття електродів і захисного газу.

2. При зварюванні на режимах з короткими замиканнями дугового проміжку утворенню і виділенню ТСЗА в навколишню атмосферу сприяють різке підвищення тиску в зоні дуги в результаті вибуху перемички електродного металу, що є причиною розбризкування, і додаткове випаровування із бризок цього металу.

3. Збільшення інтенсивності утворення ТСЗА з підвищенням зварювального струму і напруги дуги спостерігається при переносі металу з короткими замиканнями. З переходом до краплинного переносу без замикань дугового проміжку або струменевого переносу інтенсивність утворення ТСЗА починає знижуватися і досягає мінімуму при зануренні дуги в зварювальну ванну.

4. При механізованому зварюванні в СО2, сумішах Аr + СО2 і Аr + СО2 + О2 дротом суцільного перерізу основними компонентами ГСЗА є монооксид вуглецю й оксиди азоту. Залежності інтенсивності утворення монооксиду вуглецю й оксидів азоту від зварювального струму при застосуванні СО2, сумішей Аr + СО2 і Аr + СО2 + О2 мають вид парабол з мінімумом, що відповідає режиму, при якому дуга максимально занурюється в основний метал.

5. Зниження окиснювальної здатності захисного газу (уведення до складу суміші аргону) приводить до зменшення рівня виділення монооксиду вуглецю і збільшення оксидів азоту. Уведення до складу захисної суміші кисню також знижує виділення монооксиду вуглецю за рахунок його окиснення і підвищує інтенсивність утворення оксидів азоту.

6. При