CC BY
10
УДК 621.791.75:628.5
Павлов И.В.
СВЯЗЬ ИЗБИРАТЕЛЬНОГО ИСПАРЕНИЯ ЭЛЕКТРОДНОГО МЕТАЛЛА С ТОКСИЧНОСТЬЮ ДУГОВОЙ СВАРКИ
Вместе с плавлением электродного металла при дуговой сварке происходит испарение его, преимущественно на конце электрода в районе активного пятна, так как дуга здесь сжата ограниченным поперечным сечением. Количество испаряемого электродного металла не идентично его потерям на испарение. Поток газов и паров в дуге направлен преимущественно в сторону ванны, в которой часть паров конденсируется. Другая часть увлекается конвективными потоками, образуя составляющие сварочного аэрозоля (СА) в атмосфере.
Электродный металл, как правило, представляет собой многокомпонентную систему, в которой многие составляющие имеют температуру кипения ниже, чем железо. Интенсивность испарения их соответственно выше. В наибольшей мере эффект избирательного испарения сказывается при дуговой сварке высоколегированных сталей и цветных металлов;
Дуговая сварка покрытыми электродами марок ЭНГУ-3 и ЦП-11 высоколегированных хромоникелевых сталей дает общее количество твердых составляющих СА в зоне сварки: 1340+1400 мг/м3, в то же время электроды для ручной дуговой сварки углеродистых и низколегированных сталей с таким же типом покрытия выделяют пыли в 2,5 - 3 раза меньше [1] . Из общего количества твердых составляющих С А доля оксидов железа: 3,2-3,4 %, а марганца и его оксида: 1,25-1,6 %, хотя содержание марганца в электродном стержне не превышает 0,5 %. В еще большей степени избирательность испарения марганца выявляется при повышении его содержания в электродном металле. Г. Л Петров изучил состав СА при сварке электродом из высоколегированной хромоникелевой стали основного металла из стали с 20 % Мп. Содержание оксидов марганца в общем количестве пыли составило 4,0—11,9 %. Когда испытали электрод, стержень которого был из той же стали, что и основной металл (20 % Мп), содержание оксидов марганца в СА стало значительно больше: 11,3—36,9 %. [2].
Капли электродного металла покрыты жидким шлаком расплавленной обмазки, тепло дуги воздействует и на нее, вызывая диссоциацию компонентов шлака и интенсивное испарение наиболее летучих соединений. В результате диссоциации мрамора содержание оксида углерода (газовая фаза СА) в зоне дуги составляет для электродов ЭНТУ-3 и ЦЛ-11: 62,5-82,5 мг/м3, в 3-4 раза превышая его предельно-допустимую концентрацию. Для повышения качества металла шва покрытия этих электродов содержат большое количество плавикового шпата (СаР2). соответственно и концентрация фтористого водорода (вещество чрезвычайно опасное) в зоне сварки выше предельно-допустимых концентраций в десятки раз.
В еще большей степени эффект избирательного испарения проявляется во время сварки цветных металлов и сплавов. Из алюминиевого электрода вполне обосновано ожидать интенсивное испарение и выделение в СА цинка, магния, имеющих еще более низкую температуру кипения, чем марганец. По нашим данным, из электрода марки А1-1Ф1 в СА выделяется 2300 мг/м3 пыли, основа которой - оксид алюминия. Из литературы известны потери магния при дуговой сварке покрытыми электродами из сплавов АМг. Для сплава А1]У^З они составляют 57 %, из АИУ^5- 70% [3]. Следовательно, значительная часть магния, имеющего большое сродство к кислороду, окисляется. Но необходимо учитывать еще большее сродство к кислороду алюминия, составляющего основу сплава, который и должен связывать поступающий к поверхности капли кислород, образуя свой оксид. Налицо потери магния, вызванные испарением.
Компоненты покрытий алюминиевых электродов выполняют еще функцию отрыва и растворения пленки оксида алюминия на "электродном металле. Основу покрытий составляют легкоплавкие смеси хлористых солей и фтористых соединений щелочных и щелочноземельных ■элементов. В дуге составляющие покрытий легко диссоциируют и интенсивно испаряются Наиболее летучие соединения калия, натрия попадают в (Л. Данные анализа юны дуги при сварке электродами А1-1Ф1: суммарное содержание соединений натрия и калия составляет 2,48 мг/м3, в том числе высокотоксичные KF и KHF2.
При дуговой сварке меди и ее сплавов обоснованно ожидать испарения и выделения в СА очень токсичных паров цинка, свинца, имеющих низкую по сравнению с медью температуру кипения.
С целью прогнозирования токсичных выделений в СА при дуговой сварке высоколегированных сталей и цветных сплавов, разработке сварочных материалов с улучшенными санитарно-гигиеническими характеристиками, необходимо знать температуру капель при расплавлении электродного металла дугой Для ручной дуговой, сварки покрытыми электродами углеродистых сталей она определена в диапазоне 215СИ-2500 К. Наиболее высокая температура наблюдается у электродов с рудно-кислым типом покрытия [4]. Иные температура плавления и удельное электрическое сопротивление (аустенитные стали, медные и алюминиевые сплавы) этот диапазон могут существенно изменить. Поэтому целесообразно разработать математическую модель и расчетным путем определить температуру капель, а затем оценить возможность испарения составляющих различных электродов и покрытий.
Перечень ссылок
1. Олейниченко К. А., Павлов И. В., Зусин В. Я. Металлургические реакции, определяющие токсичность дуговой сварки покрытыми электродами / В сб. Intemation conference 'Welding Technologies, Equipment, Materials. MET-97.' October 16-17,1997. Riga. S.176-188
2. Петров Г. Jl. Сварочные материалы. - Л.: Машиностроение, 1972.-280 с
3. Рабкин Д. М. Металлургия сварки плавлением алюминия и его сплавов. - Киев: Наукова думка, 1986.-256 с
4. Походня И. К. Газы в сварных швах. - М.: Машиностроение, 1972. -256 с
