CC BY
163Синяков К.А. Совершенствование технологического процесса сварки в защитных газах на ветру // Сварочное производство. - 2010. - № 1. - С. 6-13.
6. Островский О.Е., Новиков О.М. Новый метод дуговой сварки с импульсной подачей защитных газов // Сварочное производство. - 1994. -№ 11. - С. 10-12.
7. Яковлев Д.С. Анализ технологических особенностей сварки порошковой проволокой
// Вестник Южно-Уральского государственного
университета. Серия: Металлургия. - 2014. - Т. 14. -№2.
8. Chinakhov D.A., Grigorieva E.G.,
Mayorova E.I. Study of gasdynamic effet upon the weld geometry when concumable electrode welding. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 127 (2016) 012013 DOI: 10.1088/1757-899X/127/1/012013.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ № 16-38-00194 мол_а.
Сравнительные санитарно-гигиенические характеристики способов сварки плавящимся электродом в защитных газах
Н.В. Павлов, спец. по УМР, А.В. Крюков, к.т.н., доц., Н.Е. Кузнецов, ст. гр. 10А52
Юргинский технологический институт Национального исследовательского Томского политехнического университета
E-mail: pavlin123@rambler.ru
В статье рассмотрены результаты исследований сварочного аэрозоля при различных способах сварки в защитном газе.
Ключевые слова: задымленность воздуха рабочей зоны, сварочный аэрозоль, импульсная подача, смесь газов, химический состав, распределение температуры полей, ударная вязкость.
Введение
Машиностроительное производство нельзя представить без применения механизированной сварки в защитных газах. Данный способ сварки обладает высокой производительностью, легкой механизацией и обеспечивает высокие механические свойства сварного шва. Вместе с тем имеется ряд существенных недостатков, одним из которых является тяжелые санитарно-гигиенические характеристики условия труда сварщика [1] и, в частности, задымленность атмосферы воздуха рабочей зоны [2-4].
Образование газо-аэрозольной смеси химических веществ в атмосфере воздуха рабочей зоны происходит за счет охлаждения и конденсации паров металла и шлака, их рассеивание и выделение в пространство вне зоны сварки.
По механизму образования СА относится к аэрозолям конденсации и представляет собой дисперсную систему, в которой дисперсной фазой является мелкие частицы твердого вещества -твердая составляющая сварочного аэрозоля (ТССА), а дисперсионной средой - газообразная составляющая СА (ГССА) [2].
Рассмотрим более подробно каждый из элементов СА.
ГССА представляет собой газовую смесь, появляющихся при термической диссоциации газошлакообразующих компонентов, входящих в состав сварочных материалов (СО, Н^ SiF4, ^4) или в результате фотохимического действия ультрафиолетового излучения сварочной дуги на молекулы газов защитной атмосферы и окружающего дугу воздуха [2].
Образование ТССА происходит вследствие
испарения расплавленного электродного металла. Пары выделяются в нижней части столба дуги и оттесняемые потоками газа выталкиваются в атмосферу воздуха рабочей зоны, где окисляются и конденсируются в твердые частицы. При этом испарение основного металла в образовании ТССА незначительно [2, 5]. В работе [6] экспериментально было установлено, что количественный показатель выделяемого ТССА зависит от длительности периода формирования капли расплавленного электродного металла, ее размеров и длины сварочной дуги. Так при процессах с крупнокапельным переносом электродного металла наблюдается более высокое выделение ТССА, чем при процесса с мелкокапельным переносом электродного металла [6].
При процессе переноса электродного металла с короткими замыканиями интенсивность образования ТССАневелика.Происходитлишьнебольшоеиспарение металла с торца электродной проволоки и из сварочной ванны [1, 2]. Испаряющиеся пары при этом обогащены марганцем и другими летучими компонентами. Такой характер образования пара разделен на фракции. Одна из них состоит из легкокипящих компонентов, другая - из слабоиспаряющихся. Соотношение этих фракций зависит от условий их испарения [2].
Основным способом устранения вредного влияния СА на организм является применение вентиляции. Однако несомненный интерес представляет технологический способ, который заключается в выборе соответствующих режимов сварки и совершенствование сварочных технологий и материалов [7, 8].
В результате была поставлена цель работы: провести исследования выделений пыли и газов при различных способах механизированной сварки
в защитных газах, были проведены экспериментальные исследования количества пыли, образующейся при сварке, ее химический состав, содержание в пыли марганца, качественный и количественный состав дисперсионной среды, образующегося сварочного аэрозоля, содержание: окиси углерода (СО), диоксида азота (N02), хроматов (соединения шестивалентного хрома), оксид фосфора (Р205), оксид серы ^02) и марганца (Мп).
Методы исследования
В качестве исследуемых способов сварки рассматривалась:
- механизированная сварка в защитных газах со стационарной подачей электродной проволоки (СПЭП);
- механизированная сварка в защитных газах с импульсной подачей электродной проволоки (ИПЭП);
Использование ИПЭП позволяет значительно расширить границы возможностей традиционных технологических процессов сварки и наплавки. Важно отметить, что по сравнению со стационарными способами импульсно-дуговые методы сварки обеспечивают [9]:
- управление процессами плавления, переноса и кристаллизации металла независимо от пространственного положения сварочной ванны при значительно меньших средних значениях основных технологических параметров;
- увеличение в 2-3 раза скорости кристаллизации сварочной ванны вследствие нестационарного энергетического воздействия источника нагрева на сварочную ванну, уменьшающего температуру расплавленного металла;
- уменьшение степени деформационных процессов в сварных конструкциях, наплавленных поверхностях;
- повышение качественных характеристик сварных соединений и наносимого покрытия при наплавке (улучшение формирования шва независимо от пространственного положения, повышение однородности химического состава по всему объему покрытия, измельчение структуры в сварном шве и зоне термического влияния).
В качестве защитного газа при рассматриваемых способах предлагается использовать двуокись углерода (СО2) и смесь газов (Аг+С02) (табл. 1).
Таблица 1
Состав защитной газовой среды
Способ
И
И
арки
Состав
32%
ого газа
циклическую долговечность стыковых, тавровых, угловых видов сварных соединений в 1,8...3,92 раза [10-12].
Применение при сварке с ИПЭП 70%Аг+30%С0, (табл. 1) обусловлено снижением величины потерь электродного металла на угар и разбрызгивание [13].
В состав экспериментальной установки входили: автоматическая сварочная установка МЕСОМЕ, укомплектованная механизмом импульсной подачи электродной проволоки [14], источник питания LorchS8SpeedPulse, смесительная оборудование ^ШМ-2М и система документирования данных Q-Data [15].
Для исследования, использовались пластины, из стали СтЗпс (толщиной 6мм). Сварка проводилась проволокой Св-08ГСМТ-0 (диаметром 1,2 мм).
Значение энергетических параметров для рассматриваемых способов сварки различны. Так как для достижения одинаковых геометрических размеров шва, при сварке с ИПЭП в СО2 необходимо уменьшить режимы сварки на 25-30%, а при сварке в смеси газов режимы сварки необходимо увеличить на 5-10% [13].
Отбор проб воздуха для определения уровня загрязнения воздушной среды проводился в зоне дыхания сварщика. В исследованиях были использован фотометрический метод, основанный на колориметрических реакциях отдельных металлов с органическими реагентами. Использование данного метода позволит определить твердую составляющую газо-аэрозольной смеси химических веществ. Для оценки ГССА использовался газохроматографический метод, основанный на использовании метода реакционной газовой хроматографии, включающего разделение оксида углерода и сопутствующих компонентов на колонке с молекулярными ситами, конверсию оксида углерода в метан и детектирование метана пламенно-ионизационным детектором.
В качестве оборудования использовались:
- аспиратор для отбора проб воздуха мод. 822;
- барометр-анероид БАММ-1;
- психрометр аспирационный МВ-4М;
- газоанализатор «ЭЛАН-С0-50».
Аспиратор работал 20 минут при каждом
отборе пробы, протягивая за это время 0,2 м3 воздуха. Количество образующейся при сварке пыли определяли по разности весов фильтров, через которые осуществлялось протягивание воздуха [2]:
Р=(МГМ2)^
(1)
Использование СО2 обусловлено широким применением данной защитной газовой среды на производстве, смесь Аг+С02 положительно сказывается на технологических свойствах сварочной дуги (повышая стабильность ее горения), обеспечивает лучшее формирование шва, уменьшает величину разбрызгивания электродного металла, повышает
где М1 - масса фильтра после сварки и контрольного времени, г;
М2 - исходная масса фильтра, г;
V - объем протянутого через фильтр воздуха,
м3.
Результаты исследования и их обсуждение
В ходе проведенных экспериментальных исследований установлено, что максимальный уровень выделения компонентов СА (сварочная пыль, СО и Si02) наблюдается со стационарной подачей электродной проволоки, как при сварке в двуокиси углерода, так и в смеси газов Аг+С02 (табл. 2).
2
2
Количественный химический анализ сварочного аэрозоля
Таблица 2
Наименование определяющего элемента Единица измерения Способ сварки ПДК
СПЭП 100%C02 СПЭП 82%Аг+18%СО2 ИПЭП 100%С02 ИПЭП 70%Аг+30%С02
Сварочная пыль мг/м3 4,48 2 3,57 2 2,7 2 2,1 2 -
менее 0,6 менее 0 6 менее 0,6 менее 0,6 20
2 HF менее 0,02 менее 0,02 менее 0,02 менее 0,02 0,5
Сг+6 менее 0,003 менее 0,003 менее 0,003 менее 0,003 0,03
Сг+3 менее 0,5 менее 0,5 менее 0,5 менее 0,5 3,0
Мп 0.56+0,05 0,43+0,09 0,41+0,10 0,36+0,10 0,6
СО Т6,5±Т,55; 26,8±3,2; 21,2+ 2,6 13,05±1,5; 18,34+1,5 12,4±1,7; 15,5±2,1; 16,2+2,1 11,,43±0,75; 13,31±1,5; 13,97+1,5 20,0
бЮ2 13,2+4,6 8,5±2.5 6,4±3.3 6,0
Р205 менее 0,06 менее 0,06 менее 0,06 менее 0,06 1,0
БО. менее 5,0 менее 5,0 менее 5,0 менее 5,0 10,0
Это обусловлено более высоким параметрами режима сварки (мощностью) дуги (рис. 1) и, как следствие, более интенсивным плавлением и выделением в дуговой промежуток СО, рассеивающим в окружающее пространство компоненты, находящиеся в парообразном состоянии.
Программа для просмотра файлов данных
[Экспортировать в файп CSV |
■ □ Поток газа [л/мин] | ; Мощность [Вт]
Программа для просмотра файлов данных
LORCH
LORCH
Рис. 1. Параметры сварки зарегистрированные системой документирования данных Q-Data: а) СПЭП 82%Аг+18%СО2; б) ИПЭП 70%Аг+30%С02
Повышенное содержание марганца при сварке со стационарной подачей электродной проволоки вызвано увеличением времени существования капель электродного металла на торце электродной проволоки (рис. 2), упругостью паров марганца и его избирательным испарением из сварочной ванны.
СН 100mUig/|HS^5 20.0U13/
Рис. 2. Осциллограммы процесса сварки: а) СПЭП 82%Аг+18%СО2; б) ИПЭП 70%Аг+30%С02
Содержание остальных компонентов СА при рассматриваемых способах сварки не превыш установленных значений ПДК.
Выводы
В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что применение импульсной подачи электродной проволоки при механизированной сварке в защитных газах позволяет снизить компоненты сварочного аэрозоля на 20-25% в сравнении со стационарной подачей электродной проволоки. И соответственно повысить санитарно-гигиенические условия труда сварщика.
Список литературы
1. Левченко О.Г. Процессы образования сварочного аэрозоля // Автоматическая сварка. -1996.- № 4. - С. 17-22.
2. Сварочный аэрозоль: образование, исследование, локализация, применение: монография / В.М. Гришагин; Юргинский технологический институт. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - 213с.
3. Супрун В.И., Тимошина Д.П., Кучерук Т.К. Санитарно-гигиенические аспекты выполнения сварочных работ при производстве и ремонте транспортных средств // Актуальные проблемы транспортной медицины. - 2005.- №1. - С.59-64.
4. Горбань Л.Н., Лубянова И.П. Интенсификация процессов дуговой сварки и проблемы сохранения здоровья сварщика // Сварочное производство. - 1991.- №3. - С.33-34.
5. Kobayshi M, Maki S, Hashimoto V, Suga T Quelgues considerations sur le mecanisme deformation des fumes de soudage // Soudage et technigue connexes. - 1979. - №3/4. - P.124-131.
6. Эрман М.И., Потапьевский А.Г., Бучинский В.Н. Некоторые пути уменьшения пылевыделения при сварке плавящимся электродом в защитных газах // Автоматическая сварка. - 1972.-№3. - С.51-52.
7. Ющенко К.А., Булат А.В., Леченко О.Г., Безушко О.Н., Самойленко Н.Ю., Довгаль Д.И., Каховский Н.Ю. Влияние состава основного металла и электродного покрытия на гигиенические характеристики сварочных аэрозолей // Автоматическая сварка. - 2009.- №7. - С.45-50.
8. Леченко О.Г., Максимов С.Ю., Лукьяненко А.О., Лендел И.В. Сравнительная гигиеническая оценка процесса дуговой сварки с постоянной и импульсной подачей электродной проволоки // Автоматическая сварка. - 2015.- №1. -С.41-46.
9. Крюков А.В. Повышение эффективности механизированной сварки в СО2 за счет применения импульсной подачи электродной проволоки: автореф. дис. канд. тех. наук. - Барнаул , 2008, - 15с.
10. Языков Ю.Ф., Алексина И.В. Преимущества сварки в защитных газовых смесях // Сварочное производство. -2008. - №9. - С. 29-30.
11. Рощупкин Н.П., Близнец Н.А., Медведев Н.М., Свецинский Г.В., Римский С.Т. Опыт производственного применения защитных газовых смесей на основе аргона заводами В/О
Союзстальконструкция // Автоматическая сварка. -1984. - №3. -С. 51-53.
12. Сварка в защитных газовых смесях -Проспект ОАО Завод УРАЛТЕХГАЗ, 2004. - 8с.
13. 13 Павлов Н.В., Крюков А.В., Зернин Е.А. Сварка с импульсной подачей проволоки в смеси газов // Сварочное производство. - 2010. - №4. - С. 27-28.
14. Патент РФ на изобретение №2254969 Механизм импульсной подачи сварочной проволоки/ Брунов О.Г., Федько В.Т., Крюков А.В. и др. Опуб. 27.06.2005. Бюл. №18.
15. 15 Александрова Ю.С. Системы документирования и анализа данных сварочных процессов // Материалы трудов VII Всероссийской научно-практической конференции для студентов и учащейся молодежи «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении». - г.Томск - 2016, - С. 79-80.
