Оцінка складу диму, який виділяється при зварюванні виробів із легованих сталей

Оцінка складу диму, який виділяється при зварюванні виробів із легованих сталей

Вступ

зварювальний дуга аерозоль

Актуальність теми

Одним із основних сучасних способів отримання нероз’ємних з’єднань є зварювання. Електрозварювання й різання металів залишаються одними із провідних технологічних процесів у машинобудуванні, суднобудуванні й інших галузях. Це технологічний процес, за допомогою якого виготовляються всі основні конструкції гідротехнічних споруджень, парових й атомних електростанцій, автодорожні, міські й залізничні мости, вагони, надводні й підводні кораблі, будівельні металоконструкції, усілякі піднімальні крани, при виробництві металоконструкцій. Досягнутий високий рівень розвитку служить міцною базою для подальшого збільшення продуктивності праці, економії матеріалів й електроенергії в народному господарстві, а також підвищення якості й зниження собівартості звареної продукції.

Зварювання широко використовується при виготовлені вузлів вагонобудування. Модулі бічної стінки вагонів створюються за допомогою зварювальних технологій. Зараз цей процес модернізується, використовують нові матеріали, за допомогою яких можна зменшити вагу конструкції, її собівартість. Для цього використовують в основному леговані й високолеговані сталі. Високі температури, які супроводжують процес зварювання, призводять до вигоряння легуючих елементів. Тому зварник під час праці підданий впливу зварювального аерозолю, який негативно позначається на його здоров'ї.

Найбільший ризик для виникнення порушень здоров'я у зв'язку з умовами праці представляє зварювальний аерозоль (ЗА), що містить оксиди марганцю, заліза, хрому, нікелю, азоту, вуглецю, фтористі з’єднання.

Виконання зварювальних робіт у не вентильованих просторах призводить до бронхо-легеневих захворювань зварників, пневмоконіозу, професійного бронхіту і бронхіальної астми, вплив ЗА на органи дихання може підвищувати ризик розвитку онкологічних захворювань (рак).

Подальший розвиток зварювального виробництва неможливий без створення здорових і безпечних робочих умов праці, що відповідають сучасним світовим вимогам.

Для вирішення цієї проблеми необхідно прогнозувати кількість аерозолю, що виділився в робочій зоні, для створення нормальних умов праці, і у подальшому, для проектування вентиляції, а також застосовувати засоби індивідуального захисту органів дихання (ЗІЗОД) зварників.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Робота пов’язана з планами науково-дослідних робіт (НДР) СНУ ім. В. Даля, з планами кафедри «Обробка металів тиском і зварювання» і НДР ВАТ ХК «Луганськтепловоз».

Мета і задачі дослідження. Мета магістерської роботи полягає у створенні безпечних умов праці зварників шляхом дослідження та розробки методики оцінки складу диму, який виділяється при зварюванні виробів із легованих сталей (на прикладі вузлів вагонобудування).

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:

. Провести аналіз існуючих методик оцінки складу диму, який виділяється при зварюванні виробів із легованих сталей.

. Дослідити вплив зварювальних димів на здоров’я зварників.

. Розробити методику оцінки складу диму, який виділяється при зварюванні виробів із легованих сталей (на прикладі вузлів вагонобудування).

. Створення безпечних умов праці при зварюванні.

Об'єкт дослідження - зварювальний факел, що впливає на рівень запиленості у приміщенні та виникнення професійних захворювань зварників.

Предмет дослідження - дими металів зварювального факела, які утворюються при зварювані виробів із легованих сталей.

Методи дослідження - експериментальні і теоретичні.

Практичне значення отриманих результатів.

У роботі прийнятий комплексний підхід до рішення поставлених завдань: від оцінки складу диму, який виділяється при зварюванні легованих сталей, до розробки методики оцінки яка дозволяє проектувати вентиляцію і цим значно підвищити умови праці зварників.

Результати досліджень дозволили:

оцінити склад зварювального диму і розробити методику його оцінки.

Розроблена методика оцінки складу диму, який виділяється при зварюванні виробів із легованих сталей, дозволяє прогнозувати кількість шкідливих речовин у повітрі робочої зони зварників, створювати нормальні умови праці, і у подальшому, проектувати вентиляцію.

Особистий внесок здобувача. Магістерська робота є підсумком експериментальних і теоретичних досліджень, які виконувалися автором під керівництвом наукового керівника. Запропоновано методику, яка дозволяє: прогнозувати склад диму, який виділяється при зварюванні виробів із легованих сталей (на прикладі вузлів вагонобудування).

У рішенні проблем оцінки складу диму використані наукові розробки: О.Г. Левченко, А.И. Гедровича, В.В. Перемитько, Б.Д. Лебедєва, А.А. Буки, В.Л. Писаренко, М.Л. Рочинского, М.З. Брауде.

Публікації. По темі дисертації опублікована 1 стаття.

1. Особливості зварювальних дуг

.1 Види розрядів

Існують наступні види розрядів: іскровий, коронний, тліючий, дуговий. Іскровий розряд (іскра електрична) - нестаціонарна форма електричного розряду, що відбувається в газах. Такий розряд виникає звичайно при тисках порядку атмосферного й супроводжується характерним звуковим ефектом - «тріском» іскри. Температура в головному каналі іскрового розряду може досягати 10 000 К. У природі іскрові розряди часто виникають у вигляді блискавок.

Іскровий розряд звичайно відбувається, якщо потужність джерела енергії недостатня для підтримки стаціонарного дугового розряду або тліючого розряду. У цьому випадку одночасно з різким зростанням розрядного струму напруга на розрядному проміжку протягом дуже короткого часу (від кількох мікросекунд до декількох сотень мікросекунд) падає нижче напруги загасання іскрового розряду, що приводить до припинення розряду. Потім різниця потенціалів між електродами знову росте, досягає напруги запалювання й процес повторюється. В інших випадках, коли потужність джерела енергії досить велика, також спостерігається вся сукупність явищ, характерних для цього розряду, але вони є лише перехідним процесом, що веде до встановлення розряду іншого типу - найчастіше дугового. Якщо джерело струму не здатне підтримувати самостійний електричний розряд протягом тривалого часу, то спостерігається форма самостійного розряду, яка називається іскровим розрядом. Іскровий розряд являє собою пучок яскравих, швидко зникаючих або змінюючих друг друга нитковидних, часто сильно розгалужених смужок - іскрових каналів. Ці канали заповнені плазмою, до складу якої в потужному іскровому розряді входять не тільки іони вихідного газу, але й іони речовини електродів, що інтенсивно випаровується під дією розряду.

Коронний розряд - це характерна форма самостійного газового розряду, що виникає в різко неоднорідних полях. Головною особливістю цього розряду є те, що іонізаційні процеси електронами відбуваються не по всій довжині проміжку, а тільки в невеликій його частині поблизу електрода з малим радіусом кривизни (так званого короніруючого електрода). Ця зона характеризується значно більш високими значеннями напруженості поля в порівнянні із середніми значеннями для всього проміжку. Виникає при порівняно високих тисках (порядку атмосферного) у сильно неоднорідному електричному полі. Подібні поля формуються у електродів з дуже великою кривизною поверхні (вістря, тонкі дроти). Коли напруженість поля досягає граничного значення для повітря (близько 30 кВ/см), навколо електрода виникає світіння, що має вид оболонки або корони (звідси назва).

Тліючий розряд - один з видів стаціонарного самостійного електричного розряду в газах. Формується, як правило, при низькому тиску газу й малому струмі. При збільшенні струму, що проходить, перетворюється в дуговий розряд. На відміну від нестаціонарних (імпульсних) електричних розрядів у газах, основні характеристики тліючого розряду залишаються відносно стабільними в часі. Типовим прикладом тліючого розряду, знайомим більшості людей, є світіння неонової лампи.

У техніці, електрозварюванні металів, для виплавки стали (дугова сталеплавильна піч) і в освітленні (у дугових лампах) знайшла застосування електрична дуга (дуговий розряд) - фізичне явище, один з видів електричного розряду в газі. Уперше була описана в 1802 році російським ученим В.В. Петровим. Електрична дуга є поодиноким випадком четвертого форми стану речовини - плазми - і складається з іонізованого, електрично квазінейтрального газу. Присутність вільних електричних зарядів забезпечує провідність електричної дуги.

Електрична дуга між двома електродами в повітрі при атмосферному тиску утвориться в такий спосіб. При збільшенні напруги між двома електродами до певного рівня в повітрі між електродами виникає електричний пробій. Напруга електричного пробою залежить від відстані між електродами й ін. Найчастіше, для ініціювання пробою при наявній напрузі електроди наближають друг до друга. Під час пробою між електродами звичайно виникає іскровий розряд, імпульсно замикаючи електричний ланцюг.

Електрони в іскрових розрядах іонізують молекули в повітряному проміжку між електродами. При достатній потужності джерела напруги, у повітряному проміжку утвориться достатня кількість плазми для того, щоб напруга пробою (або опір повітряного проміжку) у цьому місці значно впала. При цьому іскрові розряди перетворюються в дуговий розряд - плазмовий шнур між електродами, що є плазмовим тунелем. Ця дуга є по суті провідником, і замикає електричний ланцюг між електродами, середній струм збільшується ще більше нагріваючи дугу до 5000K - 50000K. При цьому вважається, що підпалювання дуги завершено.

Взаємодія електродів із плазмою дуги приводить до їхнього нагрівання, частковому розплавленню, випару, окислюванню й іншим видам корозії. Після підпалювання, дуга може бути стійка при розведенні електричних контактів до деякої відстані. При експлуатації високовольтних електроустановок, у яких неминуча поява електричної дуги, боротьба з електричною дугою здійснюється за допомогою електромагнітних котушок, сполучених з дугогасними камерами [1].

Відповідно до класифікації, запропонованої в роботі [2], електрична дуга як фізичний процес протікання струму в газі відноситься до типу самостійних розрядів, що установились. Зварювальна дуга - тривалий електричний розряд у газі, що виділяє значну кількість енергії. Величина струму в більшості випадків дорівнює декільком сотням амперів і досягає іноді 1500-2000 А й більше. Напруга зварювальної дуги внаслідок малої її довжини й великого струму змінюється звичайно в межах 20-45 В. У просторі між електродами відбувається перетворення в теплоелектричній енергії потужністю 2-30 кВт, у результаті чого електроди сильно нагріваються, плавляться й випаровуються (при зварюванні плавким електродом). При цьому в дузі, крім потоків плазми й пари, присутні потоки крапель розплаву електродів і основного металу.

Дуга складається із трьох основних частин - анодної, катодної областей і стовпа дуги (рис. 1.1). У процесі горіння дуги на поверхні електрода й основного металу утворяться активні плями, через які проходить весь струм дуги. Активна пляма, що перебуває на катоді, називається катодною, що перебуває на аноді - анодною. Електрод 1 є катодом, а виріб 4 - анодом, і в цьому випадку відіграє роль другого електрода.

Рис. 1.1. Електрична дуга прямої дії: 1 - електрод; 2-3 катодна й анодна плями; 3 - зварювальна ванна; 4 - основний метал; 6, 8 - анодна й катодна області; 7 - стовп дуги; U_a - анодна напруга; U_к - катодна напруга; U_д - напруга дуги; U_c - напруга стовпа; L_д - довжина дуги.

Для створення й підтримки дуги необхідно іонізувати повітря або газ у дуговому проміжку. Безперервна іонізація повітря або газу забезпечується електронами, що вилітають із поверхні негативно зарядженого електрода. Ці електрони зіштовхуються з атомами або молекулами газоподібних речовин, що перебувають у просторі між електродами, збуджують або іонізують їх. У процесі горіння дуги негативно заряджені частки бомбардують анод, а позитивно заряджені - катод; при цьому кінетична енергія часток перетворюється в теплові й світлову, електрони перетворюються в електрони провідності, а іони нейтралізуються.

Стовп дуги являє собою плазму, нагріту до 6000-8000°С и, що складається із суміші електронів, нейтральних атомів, позитивних і негативних іонів. Кількість енергії, що іде у стовпі дуги на спрямоване переміщення електронів й іонізацію газів, приблизно 21%.

При високій різниці потенціалів між електродом і виробом (кілька тисяч вольт) при їхньому зближенні відбувається запалювання дуги. Під дією різниці потенціалів, високої температури й світлового випромінювання електрони рухаються з великою швидкістю, відриваючись спочатку з поверхні негативного електрода (емісія електронів). Ударяючись об атоми й молекули газу матеріалу, що випаровується, електрони додають або віднімають у них негативні заряди, перетворюючи в позитивні й негативні іони, які у свою чергу рухаються в дуговому просторі, підсилюючи його іонізацію. У такий спосіб повітря, що у звичайному стані не є провідником електрики, іонізуючись у дуговому просторі, стає провідником електричного струму, внаслідок чого досягається тривале горіння дуги.

Рух електронів й іонів у дуговому просторі відбувається при наявності двох полюсів: негативного - катода й позитивного - анода, які певною мірою впорядковують рух цих часток, тому що електрони, що мають негативний заряд, а також негативні іони, рухаються до позитивного полюса, а позитивні іони - до негативного.

У дуговому просторі розрізняють біля електродні області, що характеризуються значним спаданням напруги, викликаним витратою електричного потенціалу на утворення просторових зарядів, електронів й іонів. Це негативна катодна 6 і позитивної анодна 8 області, між якими розташований стовп дуги, що представляє собою високотемпературну плазму іонізованого газу. На поверхні катода й анода перебувають яскраві катодні 2 й анодні 3 плями, через які проходить зварювальний струм. Спадання напруги анодної області позначено на малюнку буквою U_а, стовпа дуги - U_с і катодної області - U_к. Їхня сума є спаданням напруги дуги U_д і при ручному дуговому зварюванні електродом, що плавиться, становить 16-30 В. Щільність струму найбільша в катодній плямі, з якого спочатку відриваються електрони, іонізують дуговий простір і бомбардують анодну область.

Виділення теплової й світлової енергії у зварювальній дузі відбувається нерівномірно. Електрони, що досягли анода, віддають йому свою енергію. Тут утвориться сильно нагріта анодна пляма. Позитивні іони плазми рухаються до катода й, віддаючи йому енергію, формують так звану катодну пляму. Звичайно в дузі переважає електронний компонент струму, внаслідок чого на аноді виділяється більше тепла, чим на катоді. Уважається, що на анод доводиться 43, а на катод - 36% енергії, інша розсіюється в стовпі дуги.

У дугах спостерігаються потоки часток, що виходять із активних плям. Швидкість їх коливається в широких межах і може досягати 10³ м/с. У дузі між сталевими електродами швидкість потоків становить 75-150 м/с [4].

Найбільш важливі характеристики біля електродних областей - щільність струму, спадання напруги, розміри активних плям. Точний вимір цих величин утрудняється високою температурою зварювальної дуги, малими розмірами зон, рухливістю катодної плями.

Кількість парів залежить від властивостей електродного металу, режиму й полярності зварювання. Вона визначена експериментально й розрахунковим шляхом. За даними А.В. Петрова, при зварюванні електродом, що плавиться, в інертних газах у пароподібний стан переходить від 10 до 25% електродного металу. Більшому струму відповідає більша кількість металу, що випарувався. І. Д. Кулагін й А.В. Ніколаєв знайшли, що кількість металу, що випарувався, пропорційна струму й часу горіння дуги, що в експериментах було менше, ніж час існування краплі. Коефіцієнт пропорційності для залізного електрода діаметром 5 мм при прямій полярності зварювання й струмені 100-200 А дорівнює 0,2,10-3 г./(А∙с), а в інтервалі 300-1300 А - 0,6∙10^-3 г/(А∙с). По А.А. Єрохіну відношення мас металу, що випарувався й розплавленого для наведених струмів перебуває в межах 0,05-0,15 [6]. Розрахунки для декількох способів зварювання дали значення цього відношення, що не перевищують 0,15. По розрахунках Г.И. Лєскова кількість металу, що випаровувався при струмі 200 А і прямій полярності становить 12% [4].

Наведені дані дозволяють зробити наступний висновок. Анодне спадання напруги U_а й щільність струму в плямі j_а вільно палаючих дуг мало залежать від режиму зварювання й складу сталевого електрода. Анодна пляма малорухома. Стиск дуги приводить до підвищення U_а и j_а. Катодне спадання напруги U_к і щільність струму в плямі j_к вільної дуги Fе + Fе вище, ніж U_а й j_а. Катодна пляма досить рухливо й часто ділиться на кілька плям. Зі збільшенням струму до певних значень спостерігається зниження j_к. При збільшенні струму перехід у режим стислої дуги викликає ріст значень U_к й j_к.

Зміна складу покриття електрода й наявність постійних домішок на поверхні катода приводять до значної зміни U_к й j_к. Введення іонізаторів сприяє стабілізації катодної плями, переходу до дуг без плями й зменшенню U_к й j_к.

Склад атмосфери дуги й витрата газу можуть дуже вплинути на ступінь стиску стовпа дуги й плям. Чим менше енергія дисоціації й більше теплопровідність газів, тим за інших рівних умов більше ступінь стиску стовпа й плям.

.2 Температура зварювальної дуги

Температура дуги - один з найважливіших факторів, що визначають фізико-хімічні й металургійні процеси зварювання. Від температури залежать ступінь дисоціації й іонізації газів у дузі, розчинність газів у металі, характер протікання процесів між газовою, металевою й шлаковою фазами, характер плавлення електрода й переносу металу й т.д.

Зварювальна дуга, що характеризується високим значенням струму, відрізняється й порівняно високою температурою плазми (Т≈10⁴ К). Температура дуги залежить від струму, складу покриття (газу) і електрода й інших факторів. Наприклад, усяке додаткове охолодження дуги (примусове охолодження електродів або стовпа дуги) веде до підвищення температури плазми (так званий парадокс Штеенбека). Цей ефект пов'язаний з тим, що при охолодженні зовнішніх шарів стовпа дуги електропровідність цих шарів різко падає й електричний струм починає протікати в більш вузькому каналі. При цьому в провіднику меншого перетину виділяється більше тепла й він нагрівається до більш високої температури (при колишньому струмі) [2].

При електродуговому зварюванні на нагрівання й розплавлення металу використовується 60-70% тепла. Інша кількість тепла (30-40%) розсіюється в навколишньому середовищі.

.3 Механізм приелектродних процесів

Відомі численні спроби пояснити механізм процесу горіння дуги. Термоелектронний механізм емісії (Т-механізм) запропонований раніше всіх інших й успішно використаний для опису поводження вугільної дуги [7].

Для пояснення явищ у дузі, які не укладалися в рамки термоелектронної гіпотези, привабливим виявився механізм, запропонований Ленгмюром [8]. На підставі виведеного їм рівняння струму, який обмежений об'ємним зарядом, Ленгмюр прийшов до висновку, що в катода дуги під впливом об'ємного заряду позитивних іонів може виникати електричне поле, достатнє для істотного зниження потенційного бар'єру й виникнення холодної емісії електронів (F-механізм). З'явилася так звана автоелектронна гіпотеза дуги, що одержала широке поширення, однак не стала загальноприйнятою. Багато авторів [8, 10] висловлюють обґрунтовані сумніви в застосовності механізму автоелектронної емісії до катодів дуг, що горять на металевих електродах.

Не змінюється положення справ і при переході до термоавтоелектронного (Т - F) механізму [10]. Цей механізм припускає посилення автоемісійного струму внаслідок термічного порушення електронів. Однак для катодів з низькою температурою кипіння термічне порушення електронів може бути лише незначним і прийнятний термоавтоелектронний механізм неминуче перетворюється в сумнівний автоелектронний [13].

В окремих випадках уживаються зусилля для реабілітації старих уявлень. Так, наприклад, автори роботи [10] повернулися до ідеї «гарячих електронів», запропонованої в 40-х роках Смітом. Відповідно до цієї ідеї емісія електронів з катода в умовах дугового розряду може відбуватися без участі сильного електричного поля й не потрібне нагрівання металу або газу в його поверхні. Основна роль приділяється вторинній електронній емісії, що виникає в результаті бомбардування катода швидкими електронами, що утворяться внаслідок максвелізації первинних електронів у прикатодной області. Ця схема викликає досить емоційну критику [14], однак автори [10] знаходять аргументи в захист ідеї Сміта.

Необхідно відзначити також подальший розвиток робіт на основі квантово-механічного підходу, у якому розглядається так званий I - Т - F - механізм емісії.

З метою подолання розбіжностей результатів розрахунків для щільності електронного струму й необхідних при цьому умов на катоді дуги зі значеннями, що одержано експериментально, деякі автори [15, 16] пропонують ураховувати дію індивідуальних полів іонів (іон-електронний або I - Т - F механізм). Передбачається, що іони, наближаючись до поверхні катода, своїм власним електричним полем виривають із катода електрони, які під дією зовнішнього поля, створюваного катодним падінням потенціалу, вільно йдуть у прикатодну зону, забезпечуючи електронний компонент струму в цій області дуги. Цей механізм емісії докладно розглянутий у роботах В.С. Гвоздецького і Ю.Л. Васеніна [15], виконаних в ІЕЗ ім. Є. О. Патона АН УРСР.

В.С. Гвоздецький й Ю.Л. Васенін прийшли до висновку, що іон-електронний механізм емісії в сильних електричних полях виявляється здатним забезпечити вихід до 10² електронів на кожен падаючий іон при полях, на порядок менших, чим потрібно для автоелектронної емісії (E_авт == 2 ∙10⁸ В/см). При зростанні напруженості електричного поля до значення Е_к = 2∙10⁷ В/см залежність г_е від температури слабшає й емісія здобуває зовнішні риси автоелектронної. На основі моделі, розглянутої в роботах [15], Б. Є. Патон, В.С. Гвоздецький й Ю.Л. Васенін запропонували пояснення струмопереносу на «холодному» катоді дугового розряду при випарі легкоіонізуючих добавок матеріалу катода [17]. Як й у попередніх роботах, для реалізації запропонованого механізму необхідна наявність у поверхні катода електричного поля Е_к≈10⁷ В/см. Умови утворення такої високої напруженості поля автори роботи [17] не розглядають, пояснюючи це тим, що така величина Е_к нижче, ніж загальноприйняті її значення в автоелектронній моделі. При цьому роль парких атомів матеріалу катода полягає в наступному. На невеликих відстанях l від поверхні катода до атома металу, що випарувався, його стан (атомний або іонний) нерозрізнений через інтенсивний обмін зарядом у даній системі метал - атом. У міру видалення атома від поверхні катода електронні енергетичні стани перебудовуються від зонної структури в металі до дискретних енергетичних рівнів атома (або іона). Така перебудова закінчується на деякій критичній відстані 1С від поверхні катода. Електричне поле в катода змінює потенційну енергію електрона, що надійшов на атом, так, що з'являється можливість тунельного переходу електрона зі зв'язаного стану на атомі у вільне, тобто відбувається польова іонізація. Для істотного прояву цього процесу саме й необхідно електричне поле з напруженістю Е_к≈10⁷ В/см, що забезпечує вихід електрона, що звільнився, у напрямку стовпа дуги, тобто його емісію.

На підставі викладеного автори роботи [17] прийшли до висновку, що запропонований механізм емісії електронів при випарі легкоіонізуючих атомів з поверхні катода в електричному полі катодного падіння потенціалу також може забезпечити вихід до 10² електронів на один паркий атом, а висока ефективність цього механізму дозволяє використати його для пояснення струмопереносу на «холодному» катоді дугового розряду.

У дослідженнях механізму переміщення часток у дузі значно менше уваги приділяється процесам на аноді. Пояснюється це тим, що при розгляді процесів в області катодного падіння необхідно насамперед вирішити проблему утворення носіїв електрики, з яких 99% становлять електрони [8]. Зовсім інша ситуація в анода.

У цей час загальної теорії анодних явищ не існує, детально розглянуті лише окремі її питання [2]. До них ставляться дві теорії іонізації в анодній області. У першій з них передбачається, що в області анодного падіння електрони, що надходять зі стовпа, прискорюються, їхня енергія досягає величини потенціалу іонізації газу або першого потенціалу збудження: відбувається пряма або східчаста іонізація нейтральних часток (так називана Е - іонізація). У другій теорії вважається, що енергія спрямованого руху, яка одержується електронами при прискоренні в анодному просторі, перетворюється в результаті багаторазових зіткнень електронів один з одним і з важкими частками плазми в енергію неупорядкованого руху. При цьому температура електронів досягає більших значень й іонізація в анода здійснюється найбільш швидкими електронами максвелівського розподілу по швидкостях (T-іонізація).

.4 Види зварювальних дуг

По найбільш важливих технічних ознаках розрізняють наступні основні групи зварювальних дуг (табл. 1.1).

Таблиця 1.1. Групи зварювальних дуг

1	2	3	4	5	6	7
Дуги прямої дії	Дуги з плавкими електродами	Дуги в парах металів	Вільні дуги	Дуги, що установилися	Відкриті дуги	Дуги постійного струму
Дуги непрямої дії	Дуги с неплавкими електродами	Дуги в газах	Стиснені дуги	Дуги, що не установилися	Закриті дуги	Дуги змінного струму

Види зварювальних дуг, що входять в групи характеризуються наступними основними особливостями.

. У дугах прямої дії (рис. 1.2, а) метали, які підлягають нагріванню або плавленню є електродами розряду і їм передається кінетична й потенційна енергія заряджених часток. Тому електроди досить інтенсивно нагріваються й плавляться. Дуги непрямої дії (рис. 1.2, б) розташовуються у поверхонь, що підлягають нагріванню або плавленню виробів. Електродами таких дуг служать стрижні із графіту або вольфраму, не з'єднані електрично з виробами. Нагрівання й плавлення виробів відбувається лише за рахунок кінетичної енергії часток газу, що зіштовхуються з ними. Звичайно таке нагрівання мало ефективне, тому дуги непрямої дії застосовуються в тих випадках, коли потрібна порівняно невелика теплопередача від дуги до виробів. У випадку зварювання дугою непрямої дії випаровування основного металу буде мінімальне, тому що метал нагрівається тільки електродами, він не включений в електричний ланцюг.

Рис. 1.2. Типи дуг: а - прямої дії; б - непрямої дії; 1,4 - виріб, що зварюється; 2 - дуга; 3 - електрод

. У дугах з електродами, що плавляться (рис. 1.3, а), обидва електроди в процесі здійснення зварювального процесу розплавляються, поставляючи метал у загальну ванну. Якщо один з електродів, будучи тугоплавким - вольфрамовим або графітовим, не поставляє метал у загальну ванну, то дуга називається дугою з електродом, що не плавиться (рис. 1.3, б). При збільшенні струму дуги тугоплавкий електрод також може розплавитися, тому різновиду дуг цієї групи визначаються не тільки матеріалом електродів, але й режимом їхнього горіння.

Із всіх способів електродугового зварювання в середовищі захисних газів найбільш сприятливим з гігієнічної точки зору є зварювання електродом, що не плавиться, у середовищі аргону. Зміст пилу в зоні зварювання в цьому випадку не виходить за межі 2-2,5 мг/м³; концентрації окислів марганцю в 10 разів нижче гранично допустимого рівня. Окисли азоту й окис вуглецю не виявляються навіть у пробах, відібраних поблизу зварювальної дуги [5]. Концентрація пилу при зварюванні торійованими й лантанированными (вольфрамовий стрижень із 1,5% - ний присадкою лантану) електродами ще нижче.

а)                                                                                 б)

Рис. 1.3. Схема зварювання в захисних газах: а - плавким електродом; б - електродом, що не плавиться

У реальних умовах атмосфера зварювальної дуги має багатокомпонентний склад. Стовп дуги з електродом, що плавиться, заповнений парами електродного металу. Напруженість поля в стовпі дуги за інших рівних умов обумовлюється матеріалом електрода. При зварюванні електродом, що не плавиться, кількість парової фази мало й склад плазми обумовлюється лише складом захисного газу.

. Більшість електродів дуги, що плавляться, інтенсивно випаровується. Пари, рухаючись від електродів у вигляді струменя, майже повністю відтискують із області розряду інші гази. Тому пари електродів визначають основні властивості таких дуг, що й обумовило їхню назву. Коли ж використовуються вольфрамові, графітові або штучно охолоджуючі водою мідні електроди, що слабко випаровуються, склад газу розрядної області з достатньою точністю визначається її атмосферою. Останню утворять або захисні гази - аргон, гелій, водень, СО₂ й ін., які подаються в зону дуги для огородження металу від впливу повітря, або повітря при відсутності такого захисту. Однак у міру збільшення струму електроди, що слабко випаровуються, можуть випаровуватися інтенсивно, а «дуга в газах» може стати «дугою в парах», тому й у цій групі різновиду дуг також визначаються їхнім режимом.

. Дуга вважається вільною, якщо її розвиток у просторі не обмежено до меж, обумовлених природними властивостями дуги. При наявності таких обмежень дуга називається стислою. Дугу стискають, поміщаючи її у вузьких каналах і щілинах, обмежуючи розміри електродів, обдуваючи дугу струменями газів або рідин і т.д.

. Дуга вважається установленою, якщо тривалість її існування при заданих умовах помітно перевищує час протікання в ній перехідних процесів і параметри дуги вже не міняються в часі. Зміни сили струму, складу атмосфери, відстані між електродами, положення в просторі й т.д. характеризують неустановлені дуги. Однак при порівняно повільній зміні перерахованих факторів, коли кожному їхньому миттєвому значенню відповідають параметри дуги, близькі до установленим при цих миттєвих значеннях, такими змінами можна зневажити й дуги вважати установленими.

. Дуга вважається відкритою, якщо навколо її відсутні перешкоди, крім самих електродів, що виключають або утрудняють циркуляцію газу в біля дуговому просторі, або затримуючі випромінювання дуги. У випадку повного огородження дуги від навколишнього простору вона стає закритою. Прикладом такої дуги є дуга під флюсом. Її атмосфера складається тільки з пар електродів й огородження - флюсу. Циркуляція газових потоків у такій дузі обмежена, випромінювання дуги в простір не проникає. Можливі напівзакриті дуги й т.д.

. Для дуг постійного струму характерні незмінність направлення струму й, як правило, невеликі коливання його сили, обумовлені процесами в дузі. При зворотній полярності температура краплі більше висока, збільшується випар їхнього металу, знижується парціальний тиск газів на границі метал-газ. У дугах змінного струму відбуваються безперервні зміни напрямку й сили струму відповідно до змін е.д.с. джерела й процесами в дузі. Такі дуги вгасають щораз при переході струму через нуль і відновляються знову на початку кожного напівперіоду змінного струму, що живить [4].

При зварюванні змінним струмом інтенсивність виділення аерозолю періодично міняється відповідно до частоти зміни полярності струму незалежно від частоти переносу краплі. При цьому кількість аерозолю, що виділився залежить від зварювального струму; вона практично дорівнює нулю, коли миттєве значення зварювального струму близько до нуля, і досягає свого максимуму при максимальному значенні струму.

У промисловості застосування знаходить спосіб зварювання під флюсом зварювальним дротом. Але в деяких випадках зварювання й особливо наплавлення виконують стрічковими електродами. Стрічка, яка використовується для цих електродів, має товщину до 2 і ширину до 40 мм. Змінюючи форму стрічки, можна змінити й форму поперечного перерізу шва, досягаючи підвищеної глибини проплавлення пo його осі або одержуючи більш рівномірну глибину проплавлення пo всьому перетину шва. У цьому випадку великі дзеркало зварювальної ванни і ширина валіка, тому буде більше випаровуватись елементів у ЗА.

Зварювання стикових швів з обробленням крайок й кутових швів, де потрібна велика кількість наплавленого металу, виконують із порошковим присадковим металом (ППМ). Із цією же метою збільшують до 100 мм виліт електрода. Це дозволяє на 50…70% збільшити кількість наплавленого металу.

При механізованому зварюванні будь-яких типів сталей більше ЗА утвориться при зварюванні порошковим дротом (рис. 1.4, 1.5). Найбільшу токсичність мають ЗА, що утворяться при зварюванні високолегованих сталей. Це пояснюється наявністю в них шестивалентного хрому у вигляді хроматів калію й натрію, що утворяться при взаємодії хрому із з’єднаннями калію й натрію, звичайно присутніми в сердечнику дроту. Природно, при зварюванні дротом суцільного перетину хромати калію й натрію в ЗА відсутні. Тому дроти суцільного перетину мають істотні переваги перед порошковими [45]. Спалювання 1 кг порошкового дроту супроводжується утворенням і залежності від складу шихти 8-12 г. пилу, у якому утримується 0,2-0,7 г окислів марганцю, 3,8-10 г. окислів заліза, 0,2-1 г. фтористих з'єднань. У зоні подиху зварника концентрації пилу становлять за усередненим даними 10-30 мг/м³; окис вуглецю й окисли азоту в складально-зварювальних цехах не перевищують гранично допустимі концентрації. Наведені результати досліджень дозволяють зробити висновок, що умови при зварюванні порошковим дротом по характеру забруднення виробничої атмосфери близькі до умов, які спостерігаються при зварюванні електродами з рутиловим покриттям.

Рис. 1.4. Схема процесу зварювання самозахисним порошковим дротом:

- оболонка, 2 - сердечник, 3 - крапля розплавленого металу, 4 - дуга, 5 - зварювальна ванна, 6 - шлак, 7 - метал шва, 8 - шлакова кірка, 9 - газовиділення, 10 - основний метал

Рис. 1.5. Схема процесу зварювання порошковим дротом в СО₂: 1 - дріт, 2 - струмопідведення, 3 - сопло, 4 - СО₂.

При двохелектродному зварюванні (здвоєним, розщепленим електродом) живлення дуг зварювальним струмом здійснюється від одного джерела. Звичайна відстань між електродами <20 мм і дуги горять в одному газовому пухирі, утворюючи єдину зварювальну ванну.

Електроди можуть розташовуватися поперек або вздовж стику крайок або займають проміжне положення (рис. 1.6, а). При поперечному розташуванні електродів зварюють окремі шари багатошарових швів при збільшених зазорах у стику між крайками, a також виконують наплавлення. При послідовному розміщенні електродів глибина проплавлення зростає.

При двох дуговому зварюванні під флюсом кожен електрод приєднаний до окремого джерела постійного або змінного струму або дуги живляться різнорідними струмами. Дві дуги, які утворилися при малій відстані між електродами горять в одному газовому пухирі. Електроди розташовуються перпендикулярно до поверхні, що зварюється, або похило в площині, паралельній напрямку зварювання (див. рис. 1.6, б).

При відхиленні першої дуги на кут б₁ росте глибина проплавлення цією дугою; при відхиленні другої дуги на кут б₂ збільшується ширина шва, що визначається цією дугою, через що можна уникнути підрізів пo крайкам шва. При збільшеній відстані між електродами дуги направлені в роздільні зварювальні ванни. Звичайно у цьому випадку електроди розташовуються перпендикулярно до поверхні виробу.

Рис. 1.6. Схеми багато електродного (а) і багато дугового (б) зварювання під шаром флюсу й варіанти розташування електродів щодо осі стику (в)

Перша дуга виконує ніби попередній підігрів, котрий зменшує швидкість охолодження металу шва й біля шовної зони, a друга дуга частково переплавляє перший шов і термічно обробляє його. Змінюючи зварювальний струм кожної дуги й відстань між ними, можна одержувати потрібний термічний цикл зварювання й регулювати властивості металу зварного з'єднання.

В останні роки для зварювання тонколистового метала находить застосування імпульсна дуга. Основний метал розплавляється дугою, що горить періодично окремими імпульсами постійного струму (рис. 1.7, а) з певними інтервалами по часу. При великій перерві в горінні дуги t_п дуговий проміжок деіонізується, що призводить до утруднення повторного збудження дуги.

Рис. 1.7. Зміна зварювального струму і напруги при імпульсному зварюванні вольфрамовим електродом (а); І_св - зварювальний струм; І_деж - струм чергової дуги, t_п - час паузи, t_св - час зварювання (t_св + t_п = t_ц - час цикла); шви у площині (б) і поздовжньому перетині (в)

Для усунення цього недоліку постійно підтримується друга, малопотужна чергова дуга від самостійного джерела живлення. На цю дугу і накладається основна імпульсна дуга. Чергова дуга, що постійно підтримує термоелектрону емісію з електрода, забезпечує стабільне виникнення основної зварювальної дуги. Застосування імпульсних джерел струму дозволяє зменшити надлишкову енергію дуги, що викликає інтенсивне випаровування плавких матеріалів.

.5 Стабілізація дуги

Стабільність горіння дуги й перенесення електродного метала в значній мірі визначаються електрофізичними характеристиками дугового розряду, які пов'язані зі складом і масою покриття (флюсу, дроту), режимом зварювання, видом струму.

У реальних зварювальних дугах першорядного значення набувають емісійні характеристики електродних покриттів і шлаків. Покриття (шлаки), які інтенсивно емітують електрони, забезпечують більш високу стабільність дуги і стійке повторне запалювання дуги змінного струму при низьких значеннях напруги запалювання [27].

Емісія позитивних іонів необхідна для підтримки електропровідності у приелектродних областях і компенсації об'ємного негативного заряду в поверхні катода. Завдяки компенсації в підтримці електричного розряду можуть брати участь термоелектрони. Електронегативні елементи, які введені до складу зварювальних матеріалів (наприклад фтор, кисень та ін.), викликають зниження напруженості електричного поля в катода. При цьому напруженість поля в анодній області і падіння анодної напруги зростають, що приводить до збільшення глибини провару зварювання на струмі при примою полярності.

Електронегативні елементи в атмосфері дуги викликають також сильне контрагирування стовпа дугового розряду. Зниження температури на периферії струмопровідного каналу повинне приводити до збагачення цієї області негативними іонами. Зміна розмірів стовпа дуги шляхом введення електронегативних елементів до складу зварювальних матеріалів - ефективний шлях керування параметрами зварювального процесу.

Перенесення електродного металу, особливо якщо він супроводжується короткими замиканнями дугового проміжку, значно впливає на стабільність дебати дуги.

Підвищити стабільність дуги можна, якщо вводити до складу покриття (флюсу) електропозитивні елементи або нижчі оксиди металів зі змінною валентністю, виводячи фториди в зовнішній шар покриттів, знижуючи активність SіО₂ у шлаку й збільшуючи масу покриття.

Введення легкоіонізуючих елементів у покриття, сердечник порошкового дроту, флюс приводить до підвищення концентрації позитивних іонів у периферійній області дуги й зменшенню її контрагирування внаслідок компенсації дії негативних іонів, а також до зниження роботи виходу електронів з катода. У цьому випадку необхідну щільність струму електронів, що виходять із катода, можна досягти при менших значеннях напруженості електричного поля в катода [27].

Стабілізація дуги досягається посиленням іонізації дугового проміжку, виробленим обмазками. При горінні дуги разом з електродним стрижнем плавиться й випаровується також й обмазка, нанесена на поверхню електрода. Пари матеріалу обмазки, потрапляючи в стовп дуги й піддаючись дії високої температури, насамперед піддаються дисоціації, тобто розпаданню складних хімічних сполук на більше прості, аж до вільних атомів. Якщо в обмазці є речовини з низьким потенціалом іонізації, наприклад лужні й лужноземельні метали, то пари обмазки легко іонізуються й підвищують електропровідність дугового проміжку, полегшуючи горіння дуги. Теорія й досвід показують, що досить домісити до газу з високим потенціалом іонізації невелику кількість пари з низьким потенціалом іонізації, щоб понизити середній ефективний потенціал іонізації газової суміші й різко збільшити ступінь її іонізації й електропровідність. Наприклад, досить домісити до повітря (потенціал іонізації близько 15 ев) близько 1% пар калію (потенціал іонізації 4,3 ев), щоб ступінь іонізації й електропровідність суміші збільшилися в кілька разів. При зварюванні сталевими електродами в дуговому проміжку є у великій кількості пари заліза з потенціалом іонізації 7,8 ев. Тому підсилювати іонізацію дугового проміжку можуть лише елементи, що мають потенціал іонізації менш 7,8 ев, К₂СО₃ (поташ), карбонат кальцію СаСО₃ і т.д., а також крейда, мармур, вапняк, польовий шпат (ортоклаз), деякі глини, деревна зола й т. п. речовини, що містять лужні й лужноземельні метали.

З метою перевірки придатності й прийнятності різних матеріалів для електродних покриттів в ІЕЗ ім. Патона К.К. Хрєновим були виконані важливі дослідницькі роботи. Він досвідченим шляхом установив вплив різних з'єднань калію, кальцію й натрію на стійкість горіння дуги. У всіх випадках з'єднання калію (потенціал іонізації 4,3 ев) дає стійкість дуги більше високу, тобто довжину дуги після природного розриву при нерухомих електродах, чим аналогічні з'єднання натрію (потенціал іонізації 5,1 ев). Цими досвідами були виявлені елементи й з'єднання, що різко знижують стійкість горіння дуги. Хромовокислий калій, що є одним з найбільш сильних іонізаторів, підвищує стійкість дуги й дає можливість працювати на дуже малих струмах, починаючи від 20 А, що досить важливо при зварюванні тонких матеріалів.

До гасителів дуги ставиться вода, тому сирі електроди погано придатні для зварювання. Не рекомендуються також для обмазок речовини, що містять кристалічну воду або сильно гігроскопічні. Гасять дугу галоїди, особливо хлор і фтор й їхні з'єднання, борна й фосфорна кислоти і їхні з'єднання. Крейда іонізує дугу до довжини 9 мм й, як більше доступна і менш шкідлива для здоров'я робітника, колись широко застосовувалась для обмазки. Але при крейдовій обмазці процес зварювання проходить без захисту від впливу атмосферного повітря, тому механічні властивості шва невисокі [26].

1.6 Енергетичні характеристики зварювальної дуги

В електричній дузі енергія джерела живлення перетворюється в кінетичну і потенційну енергію часток плазми. Ця енергія передається зварювальним або наплавленим виробам, а також плавким електродам, які постачають у зону зварювання або наплавлення розплавлений присадковий метал.

Корисною частиною енергії, що використовується у зварювальних процесах, є лише та, яка витрачається на плавлення і потрібне технологічне нагрівання виробу і присадкового метала. Звичайно у зв'язку з неминучістю поширення тепла у виробах відбувається їхнє супутнє нагрівання, часто не потрібне технологією зварювання, а іноді перешкоджає одержанню якісних зварених з'єднань. Нагрівання виробів визначається головним чином законами теплопередачі в металі виробів і лише побічно залежить від процесів у зварювальній дузі. Оскільки воно невіддільне від основного процесу плавлення металу, затрачувану на нього енергію доводиться включати в корисну.

Метал електродів, що плавляться, з отриманої їм від дуги енергією в основному надходить у зварювальну ванну на виробі. Лише невелика частина його розприскується, вибуваючи з основного процесу зварювання. Приблизні енергетичні баланси і к.п.д. окремих дуг, отримані І.Д. Кулагіним, М.М. Рикаліним І.В. Кірдо, наведені на рис. 1.8. [4].

Проаналізуємо ці три випадки розподілу енергетичних балансів. Електрична енергія, що підводиться до зварювальної дуги частково витрачається на процеси, що протікають у дузі, частково передається навколишньому середовищу шляхом конвективної і радіаційної тепловіддачі й світлового випромінювання. Ефективні к.п.д. являють собою відношення теплової потужності даної складової теплового балансу до теплового еквіваленту електричної енергії дуги. Ефективний к.п.д. процесу нагрівання виробу зварювальною дугою залежить від умов її горіння й становить залежно від способу зварювання: під флюсом - 0,80…0,95; електродом, що плавиться, з якісним покриттям - 0,70…0,85; у вуглекислому газі - 0,58…0,72; у вуглекислому газі порошковим дротом - 0,70…0,85; в аргоні електродом, що не плавиться - 0,50…0,60; в аргоні електродом, що плавиться, - 0,70…0,80. Коефіцієнт нагрівання зменшується зі збільшенням довжини дуги й збільшується з поглибленням дуги у зварювальну ванну. На к.п.д. впливає й форма деталі в зоні зварювання - так званий геометричний фактор. Наприклад, при наплавленні валика відкритою дугою в оброблення шва значення к.п.д. на 5…10% вище, ніж при наплавленні на площину. При поглибленні дуги у зварювальну ванну к.п.д. підвищується у зв'язку з поліпшенням теплообміну між дугою й виробом, а також зі зменшенням втрат теплоти з електродним матеріалом. Для більшості відкритих дуг довжиною 3…6 мм к.п.д. дорівнює 50…65%. При повнім зануренні дуги, коли втрати на випромінювання можливі тільки через зазори між поверхнею ванни й стрижневим електродом, к.п.д. оцінюють приблизно в 75…85%.

Теплота, що затрачується дугою на нагрівання електрода, флюсу або захисного газу, багато в чому залежить від характеристики дуги, умов і режиму зварювання. Наприклад, для випадку зварювання електродом, що плавиться, під флюсом теплота, витрачена на нагрівання електрода й флюсу, бере участь потім у нагріванні основного металу, що, деякою мірою впливає на характер уведення теплоти зварювальної дуги у виріб. Схема 3 (див. рис. 1.8, в) при автоматичному зварювання під флюсом є найбільш ефективна, тому що більш повно використовується дуги. Можна припустити, що 18% енергії буде йти на випари із флюсу у крайньому випадку, а на бризки 1%, тому приблизно 19% теплоти буде сприяти випаровуванню елементів у зварювальний дим, усе інше тепло 81% буде відводитись на нагрівання електроду і основного металу.

Рис. 1.8. Енергетичні баланси й к.п.д. зварювальних дуг:

а - вугільний електрод, І_д = 1000 А, U_д = 40 В; б - плавкий

електрод у відкритій атмосфері; І_д = 150ч250 А, U_д = 20ч25 В;

в-плавкий електрод під флюсом, І_д = 1000 А, U_д = 36 В.

При зварюванні плавким електродом 20% теплоти розсіється в навколишній простір, а з ними будуть виділятися і зварювальні дими в робочу зону зварника, на нагрівання електроду 25% і на основний метал 50% теплоти, 5% йтиме на розбризкування (див. рис. 1.8, б). Таким чином ефективна потужність складатиме 75%. У випадку зварювання вугільним електродом к.п.д. буде найнижчий. При зварюванні в захисних газах теплота також використовується на дисоціацію СО₂ з утворенням у ЗА СО, також утворюється О₃, NO NO₂.

При зварюванні потужними дугами електродами з якісним покриттям або під флюсом значна частина теплоти вводиться у виріб через присадковий матеріал, шлаки або флюс (див. рис. 1.8), що приводить до істотно більш складного розподілу теплового потоку.

У кінетичних розрахунках на стадії краплі треба враховувати наступне: безперервне збільшення обсягу (маси) системи за рахунок плавлення електрода; періодичний характер процесу, що відповідає частоті переходу краплі; неповний перехід рідкого металу з електрода при відділенні крапель, що приводить до зміни концентрації реагентів у них згодом (від переходу до переходу).

Рис. 1.9. Залежність концентрації реагенту в краплі від кількості переходів

Склад капель в установленому режимі знаходиться в складній залежності від характеристик переносу. Кількість елементу в частині краплі, яка залишилась, змінюється від переходу до переходу. Автори роботи [12] провели серію експериментів і визначили, що вже на сьомому переході склад краплі відрізняється від стаціонарного складу лише на 0,2%.

На стадії ванни відбуваються реакції її окислення газовою фазою. Дослідження [12] окислення марганцю сумішами аргону з киснем при зварюванні неплавким електродом сталі 10Г2 показало, що зі збільшенням окислювального потенціалу газової фази зміст марганцю в наплавленому (переплавленому) металі зменшується спочатку майже лінійно, тобто з постійною швидкістю, а потім швидкість окислення зменшується (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Залежність змісту марганцю у ванні (наплавленому металі) від парціального тиску кисню в аргоні.

2. Аналіз факторів, які впливають на виділення зварювального аерозолю

.1 Утворення зварювального аерозолю

ЗА виходить головним чином внаслідок випару матеріалів електрода (покриття й стрижня) у зоні дугового розряду. Пара, що утвориться, під впливом тиску дуги й плазмових потоків переміщається в навколишній простір з більш низькою температурою й конденсується. Існує два механізми утворення ЗА. По першому механізму компоненти електродного й основного металів плавляться й випаровуються, а пари, що вийшли, конденсуються на виході їх з високотемпературної зони стовпа дуги й окисляються. Другий механізм полягає в утворенні під дією кисню - способу зварювання й складу захисних газів змінюється частка участі кожного з вищенаведених механізмів [37]. При електродуговому процесі через вплив на основний метал і матеріал електрода тепла дуги відбувається їхнє плавлення й частковий випар. Пари матеріалу електрода й зварювальної ванни, що утворилися у високотемпературній зоні, виділяються в навколишнє середовище, що має більш низьку температуру, де, конденсуючись у тверді частки, утворять у повітрі зваж дрібнодисперсних часток, які за рахунок аеродинамічних сил тривалий час можуть перебувати у зваженому стані (рис. 2.1). Таким чином, по механізму утворення ЗА відносяться до аерозолів конденсації і являють собою дисперсну систему, у якій дисперсною фазою є дрібні частки твердої речовини - тверда складова зварювального аерозолю (ТСЗА), а дисперсійним середовищем - суміш газів, або газоподібна складова ЗА (ГСЗА).

Результати кінозйомок дуги змінного струму дозволили прийти до висновку, що майже весь аерозоль утвориться в області, де високотемпературні пари попадають у навколишню атмосферу. Торець електрода має найбільш високу температуру, тому саме тут створюються умови, найбільш сприятливі для випару металу. Температура металу в активних плямах дуги на аноді доходить до 2600 К, на катоді - до 2400 К.

Рис. 2.1. Механізм утворення ТСЗА при зварюванні покритими електродами: 1 - крапля; 2 - дуга; 3 - стрижень; 4 - електрод; 5 - покриття; 6 - шлаки; 7 - метал шва; 8 - основний метал

У звичайних зварювальних дугах температура їхніх активних плям досягає крапки кипіння металу електрода. Температура крапель електродного металу й зварювальної ванни залежить від температури плавлення металу, його питомої теплоємності і перебуває в інтервалі між температурами плавлення й кипіння металу. Так, при зварюванні дротом марки Св-08Г2С у СО₂ максимальна температура крапель електродного металу становить 2860…2970 К, що трохи нижче температури кипіння низьколегованої сталі [21].

Значна частина енергії зварювальної дуги губиться на перегрів краплі і її випар. За даними А.А. Єрохіна, при зварюванні стали покритими електродами 20…30% енергії зварювальної дуги губиться на перегрів краплі й близько 20% - на випар металу. За даними А.В. Петрова, при зварюванні в аргоні у випадку струминного переносу приблизно 10…20% електродного металу переноситься з електрода в основний метал у вигляді пари. Однак втрати металу на випар визначаються не загальною кількістю паркого металу, а тільки лише тією його частиною, що не сконденсувалася у ванні через розсіювання пари у навколишнє середовище [21]. Газовий потік, спрямований звичайно з електрода на виріб, прискорює відхід пар від поверхні торця електрода.

Інтенсивність утворення ТСЗА визначається швидкістю плавлення електродного матеріалу й залежить від зварювального струму й напруги на дузі, від складу зварювальних матеріалів, основного металу й захисного середовища, а також від просторового положення шва й техніки зварювання. Установлено, що при зварюванні покритими електродами в ТСЗА переходить 1…3% маси електрода, а у випадку зварювання електродом, що плавиться, у захисних газах - 0,5…2,0% маси зварювального дроту. Хімічний склад ТСЗА на 80…90% обумовлений складом зварювальних матеріалів [21].

Газоподібна складова ЗА являє собою суміш газів, що утворяться при термічній дисоціації газошлакообразующих компонентів, що входять до складу зварювальних матеріалів (СО, СО₂, HF й ін.) або в результаті фотохімічної дії ультрафіолетового випромінювання зварювальної дуги на молекули газів захисної атмосфери й навколишню дугу повітря (СО, NO, NO₂, О₃).

При зварюванні в захисних газах склад ГСЗА визначається складом захисної суміші (рис. 2.2). До складу ГСЗА можуть входити диоксид вуглецю, монооксид вуглецю, оксиди азоту, озон й інертні гази (аргон і гелій). Основною причиною утворення токсичного монооксида вуглецю при зварюванні в СО₂ є дисоціація останнього при високій температурі зварювальної дуги [21]:

СО₂↔СО +Ѕ О₂.

При використанні зварювальних матеріалів, що містять фтористий кальцій або інші фтор утримуючі компоненти, у складі ГССА спостерігаються фтористий водень і чотирьох-фтористий кремній. Фтористий водень з'являється в газовому середовищі при температурі вище 2000°С у результаті взаємодії фтористого кальцію з водяною парою [21]:

СаF₂ + Н₂O → СаO + ₂HF.

Морфологія, склад аеродисперсних часток і газової фази залежать від складу використовуваних зварювальних матеріалів і металу, що зварюється, різновиду зварювання, а кількість - від різновиду й режиму зварювання.

Компоненти ГСЗА можна підрозділити по наступних основних ознаках:

) неорганічні з'єднання кислотного характеру (HF, SiF, NO₂, HCl, Cl₂, SO₂, SO₃,…)

) органічні сполуки (CCl₄, CCl, CHCl, COCl₂,…)

) неорганічні з'єднання з вираженими окисними (О₃), відбудовними (СО, РН₃) властивостями, а також з'єднання, що проявляють властивості залежно від умов реакційного середовища (NO, NO₂, SO₂) [38].

Рис. 2.2. Механізм утворення ГСЗА й ТСЗА при зварюванні у вуглекислому газі: СО, СО₂, N_xO_y, N₂, O₂, О₃ - компоненти ГСЗА; 1 - сопло пальника для подачі захисного газу; 2 - зварювальний дріт; 3 - захисний газ (СО₂); 4 - крапля; 5 - дуга; 6 - шлаки; 7 - метал шва; 8 - основний метал; 9 - пара; 10 - аерозоль

2.2 Фактори, що впливають на зміст зварювального аерозолю

Найбільше утворення диму доводиться на піку величини струму, напівперіод якого триває в середньому 0,01 с. Розташування факторів, які не піддаються точній оцінці, що впливають на склад ЗД, зроблено в порядку убування, і представлено у вигляді таблиці 2.1 [39].

Як видно з табл. 2.1 за результатами експертної оцінки найбільше істотно на утворення шкідливого аерозолю впливають склади: основного металу; покриття електрода; стрижня електрода; суцільного й порошкового дроту; захисної газового й газошлакового середовища й ін.

Таблиця 2.1. Фактори технологічного процесу, що впливають на склад диму

№ п/п	Фактор	Експертна оцінка ступеня впливу
1	Умови зварювання	31,5
2	Основний матеріал	15
3	Присадковий матеріал	10
4	Склад покриття	10
5	Сила струму	6
6	Нахил електрода	3,5
7	Тип металу й тип оброблення	3,5
8	Тип покриття	3
9	Захисний газ	3
10	Підготовка поверхні	3
11	Атмосферні умови	2
12	Спосіб ведення електрода	2
13	Витрата захисного газу	2
14	Напруга на дузі	1
15	Довжина дуги	1
16	Геометрія шва	1
17	Розмір шва	1
18	Підготовка електрода	0,5
19	Діаметр електрода	0,5
20	Рід і полярність струму	0,5

Примітка: Експертна оцінка проводилася анкетуванням атестованих зварників регіону. Середня оцінка по 30 респондентам.

На жаль, вплив більшості факторів на димоутворення при зварюванні неоднозначне. Ранжирування ступеня впливу факторів технологічного процесу на димоутворення при зварюванні представлене в табл. 2.2. На сьогоднішній день інформація про вплив окремих факторів або їхніх варіантів або недостатня, або відсутня взагалі.

Таблиця 2.2. Різноманіття деяких факторів технологічного процесу

п.п	Фактор	Експертна оцінка ступеня впливу
1.	Присадковий матеріал	1. Покритий електрод. 2. Голий електродний дріт. 3. Неплавкий вольфрамовий (графітовий) електрод. 4. Порошковий дріт.
2.	Тип покриття	1. Рудно-кисле, 2. Фтористо-кальцієве, 3. Рутилове
3.	Діаметр електрода	2, 3, 4,5, 6, 8
4.	Склад покриття	1. Із залізним порошком, 2. Подвійне, 3. Із введенням легуючих елементів.
5.	Підготовка електрода	1. Прожарений, 2. Мокрий.
6.	Умови зварювання	1. Тип шва (стиковий, кутовий, прорізний, переривчастий, безперервний). 2. Тип з'єднання (стикове, кутове, таврове, нахлесточное, впритул). 3. Положення шва в просторі (нижнє, стельове, на вертикальній площині, проміжне). 4. Вид конструкції (балка, рама, ферма, листова конструкція). 5. Розмір конструкції (габаритна, негабаритна). 6. Місце зварювання (у цеху, на монтажі, на постійному робочому місці, на непостійному робочому місці, у закритій ємності). 7. Положення зварника (сидячи, стоячи, з опорою на коліно, з опорою на руку, лежачи)
7.	Рід струму й полярність	1. Змінний. 2. Постійний (полярність пряма, зворотна). 3. Імпульсний струм.
8.	Сила струму, А	100, 200, 300, 400, 500
9.	Напруга на дузі, В	20-36
10.	Довжина дуги, мм	3-10
11.	Геометрія з'єднання	1. Замкнутий шов 2. Незамкнутий шов
12.	Спосіб ведення електрода	1. Вузький валик на прохід 2. З поперечними коливаннями. 3. З зворотно-поступальними коливаннями
13.	Атмосферні умови	1. Тепла пора року 2. Холодна пора року 3. Температура і швидкість переміщення повітряних потоків на робочому місці змінні
14.	Основний метал (тип)	Маловуглецева сталь, маловуглецева низьколегована сталь, середньолегована сталь, високолегована сталь, кольоровий метал, різнорідні сталі і сплави.
15.	Товщина металу й тип оброблення	1. V - образне, 2. К - образне, 3. X - образне. 4. Зварювання у вузький зазор.
16.	Розмір шва	1. Ширина шва, 2. Катет шва.
17.	Підготовка поверхні	Підігріта, з окалиною, очищена до металевого блиску, оцинкована, ґрунтована
18.	Геометрія шва	Прямолінійний, криволінійний, круговий, кільцевий
19.	Захисний газ	1. Активний (СО, СО2 + O2) 2. Нейтральний (Аr + Не, Аr + Не) 3. Суміш газів (Аr + О2, Нe + О2)
20.	Витрата захисного газу, л/хв	6-12

2.3 Залежність інтенсивності виділення ЗА від характеру переносу електродного металу

Хімічний склад й інтенсивність виділення зварювального аерозолю залежать від характеру переносу електродного металу у зварювальну ванну. Розглянемо наступні види переносу електродного металу: перенос із короткими замиканнями, крупнокапельний і струменевий.

Перенос із короткими замиканнями характеризується чергуванням періодів горіння дуги з періодами короткого замикання, під час якого інтенсивність утворення ТСЗА невелика. Відбувається лише деякий випар металу нагрітого зварювального дроту й зварювальної ванни. Пара ця збагачена летучими компонентами, наприклад марганцем. Такий характер утворення пари називають фракційним, тому що пара, що утвориться, розділена на фракції. Одна з них складається з легких-киплячих компонентів, інша - зі слабовипаруючихся. Співвідношення цих фракцій залежить від умов випару. Склад пари значно відрізняється від складу металу. При наступному окислюванні й конденсації цієї пари утвориться аерозоль, зміст якого можна розрахувати на основі обліку парціального тиску компонентів сплаву.

Наприкінці періоду короткого замикання відбувається руйнування й вибуховий випар перемички (шейки) металу, що утворилася, між електродом й основним металом; разом з тим викидається струмінь розплавленого металу. Такий характер випару приводить до утворення пари, склад якої подібний до складу металу присадкового дроту. Аерозоль, який отриманий при цьому називають нефракційним. Краплі, викинуті при вибуху перемички, також можуть виділяти ТСЗА. Загальна площа поверхні випару при цьому значно збільшується. Частина металу у вигляді бризів викидається із зони захисного газу й попадає в навколишню атмосферу, у якій відбувається його посилений випар і згоряння, що супроводжується інтенсивним виділенням ТСЗА. Швидкість випару металу в активній плямі дуги може бути настільки великий, що це приводить до ерозії верхніх шарів поверхні металу електрода. При цьому утвориться нефракційний аерозоль [21].

Крупнокрапельний перенос, при такому виді переносу крапля розплавленого металу росте на кінці зварювального дроту доти, поки її діаметр не перевищить діаметра дроту. Потім вона відокремлюється від електрода й падає у зварювальну ванну. Утворення аерозолю при цьому може відбуватися внаслідок випару металу з кінця електрода, зі зварювальної ванни й із крапель електродного металу. Випар елементів зі зварювальної ванни й із крапель у дузі приводить до утворення аерозолю, розділеного на фракції. У міру відділення кожної краплі від зварювального дроту вибуховий випар стислої шийки приводить до подальшого нефракційного утворення ТСЗА. Крупнокрапельний перенос при зварюванні в СО₂ нерідко супроводжується підвищеним розбризкуванням металу, що також сприяє утворенню аерозолю.

Струменевий перенос. У цьому випадку випар також відбувається з кінця зварювального дроту, зварювальної ванни й краплі розплавленого металу. При випарі зі зварювальної ванни й крапель переносимого металу утвориться фракціонований аерозоль. У той же час більше інтенсивний випар з активних плям дуги, імовірно, приводить до появи нефракційних ТСЗА. Розбризкування металу при цьому невелике, так що більша частина пари утвориться в області дуги.

М.И. Ерман й А.Г. Потап’євський експериментально довели [21], що утворення аерозолю при зварюванні залежить від тривалості формування краплі розплавленого металу, її розмірів і довжини зварювальної дуги. При крупнокапельному переносі металу у випадку зварювання в СО₂ спостерігається більше пилоутворення, чим при дрібнокапельному переносі (зварювання в суміші вуглекислого газу з 5% О₂). При імпульсно-дуговому зварюванні в аргоні також замічено менш інтенсивне, у порівнянні зі звичайним зварюванням, утворення аерозолю через мінімальний час перебування краплі в дузі.

Виходячи зі сказаного, можна зробити висновок, що для прогнозування складу й кількості аерозолю, що виділиться при зварюванні в захисному газі необхідно використати поняття фракційного й нефракційного випару, а також брати до уваги його залежність від типу переносу електродного металу [21].

.4 Випаровування матеріалу під дією зварювального джерела

Під дією високотемпературних концентрованих джерел теплоти (дуги, електронного променя, лучачи лазера й інших) оброблюваний матеріал плавиться, частково випаровується або сублімує і несеться в навколишнє середовище. Для мало амперних дуг у різних дослідженнях отримані наступні значення питомої швидкості б_н випару металу в області катодної плями [8]:

б_и, г/(А∙г)

Мідь (тверда)........................... 0,0252-0,054

Більші значення б_и І. Г. Кесаєв вважає завищеними в результаті недостатньо повного виключення розбризкування із втрат на випаровування.

Для багатоамперної дуги І. Д. Кулагін й А.В. Ніколаєв, визначаючи швидкість випару по різниці мас залізного електроду діаметром 5 мм при імпульсному впливі (час горіння дуги становив 0,01-0,7 з і у всіх випадках було менше часу існування краплі на електроді), знайшли, що швидкість випаровування при I > 250 А пропорційна силі струму (б_и≈const); а при I < 250 А б_и збільшується зі зростанням сили струму (рис. 2.3). Значення с% у цьому досліді становили 0,2 - 0,6 мг/(Ас). Відносна кількість металу, що випаровується, можна знайти зі співвідношення швидкостей випару й плавлення:

g_и/g_p=б_и/б_р (2.1)

На жаль, коефіцієнт розплавлення дроту, використаний у цих дослідах, невідомий. Якщо взяти для голого дроту б_р = 12ч14 г./(А∙ч) при зазначених значеннях б_и, відношення g_и/g_p складе 0,06-0,17 (6-17%).

А.В. Петров, порівнюючи при аргонодуговому зварюванні дротом Св-Х18Н9Т масу розплавленого за деякий проміжок часу електродного металу й масу краплі, що перейшли за цей час у ванну, знайшов, що в пароподібному стані з електрода переноситься 10-25% металу (більші значення відповідають більшій силі струму). Масу крапель визначали по їх геометричним розмірах на кадрах швидкісної кінозйомки (по двох проекціях).

Рис. 2.3. Питома (віднесена до 1 А) швидкість випару металу залізного електрода діаметром 5 мм: а - електрод-катод; б - електрод-анод

У той же час Д. Хоуден, розплавляючи невеликі (1 см³) зразки металу в мідній водо охолоджуючій формі в захисній (аргон або аргон + 5-10% водню) атмосфері, одержав швидкості випару, які не тільки значно менше швидкостей, отриманих у досвідах І. Д. Кулагіна й А.В. Ніколаєва, але й швидкостей у випадку малоамперной дуги:

б_и, мг/(А∙с)

Для заліза (при 300А)............................. 0,0016

Для міді (при 300А)................................ 0,0002

Для олова (при 80 А).............................. 0,0060

Випаровування визначали тільки для анода при силі струму 100 - 300 А; відзначене збільшення б_и зі зростанням сили струму [19].

Значна розбіжність дослідних даних пояснюється, видимо, не тільки розходженнями в методиках експериментів (насамперед різним ступенем поділу втрат на випаровування і розбризкування металу дрібними краплями), але й різними фізичними умовами на поверхні, що випаровується (умовами теплоотвода, концентрацією теплового потоку й т.д.). Ці умови більше сприяють випару на торці електрода, що плавиться внаслідок скрутності опорної плями дуги й відповідно більшої щільності потоку енергії, гірших умов теплоотвода й, головне, наявності газового потоку, спрямованого звичайно з електрода на вироби й прискорювальне видалення пар з поверхні. Про ролі напрямку газового потоку можна судити по зміні швидкості випару на катоді малоамперной дуги, що, як відомо, швидко збільшується зі зниженням тиску. Інша картина на поверхні ванни. Падаючий на неї газовий потік з електрода повинен гальмувати пароутворення. Це, видимо, і є причиною невеликих значень б_и отриманих Д. Хоуденом [12].

.5 Випаровування електродного матеріалу й утворення зварювального аерозолю

Установлено, що при зварюванні покритими електродами випаровується 1-3% електродного матеріалу [8]. Інтенсивність випару металевого й шлакового розплавів, що утворяться при плавленні електрода й основного металу, залежить від режимів зварювання, техніки зварювання, просторового положення зварювання, складів електродного покриття, основного й присадкового металів. Ці ж фактори дуже впливають і на склад зварювального аерозолю.

Швидкість випару однофазного розплаву визначається площею його вільної поверхні й тиском насиченої пари. Залежність тиску насиченої пари чистої речовини від температури виражається відомим рівнянням Клаузіуса - Клапейрона:

lg р = - ∆H/4,575Т + const, (2.2)

де р - тиск пари над рідиною; ∆H - теплота випару, прийнята спрощено постійної. Чим менше теплота випару речовини й більше температура його нагрівання, тим інтенсивніше йде процес випару.

При зварюванні, як правило, розплавляються не чисті метали, а сплави складного складу. У цих випадках пар являє собою суміш парів компонентів сплаву, причому елементи з більше низькою теплотою випару будуть становити відносно більшу частину (тиск) парів. Вибірковість є найважливішою особливістю випару багатокомпонентних систем. Наприклад, з залізомарганцевих розплавів випаровується при нагріванні, насамперед марганець [19], причому цей процес розвивається тим інтенсивніше, чим вище зміст марганцю в розплаві. Нижче дані приклади виборчого випару елементів з більше низькими значеннями температури кипіння й теплоти випару, чим залізо (хімічний склад в% по масі).

Fе                                Мn

Електрод       98       1,13

Продукти конденсації пари 45      6,2

При зварюванні електродом, що плавиться, метал проходить послідовно стадії краплі й ванни. Для стадії краплі характерні висока питома поверхня, яка на порядок перевищує питому поверхонь зварювальної ванни [6], і більш високий рівень перегріву. У момент відриву від торця електрода середня температура краплі, як відзначалося вище, може досягати 2500 К, причому в зонах активних плям вона може досягати значень, рівних температурі кипіння [4]. У випадку зварювання покритими електродами крім металевого розплаву зазначені стадії проходить і шлакова фаза. Оскільки на стадії краплі двофазна система металевий розплав - шлак характеризується більш високими значеннями питомої поверхні й температури, то можна думати, що тут умови випару більше сприятливі, чим на стадії ванни. Наявність великого градієнта температур у зоні дугового розряду створює сприятливі умови для конвективного масоперенесення продуктів випару в зону більш низьких температур, де відбувається конденсація парової фази й окислювання продуктів конденсації. Дослідження механізму утворення зварювального аерозолю, виконані М. Кобаяши зі співавторами [21], показали, що аерозоль утворюється головним чином внаслідок випару матеріалів електрода (покриття й стрижня). Частка розплаву на стадії ванни в утворенні аерозолю істотно менше (див. рис. 2.2).

Пара, що утвориться головним чином при випарі складових покриття й стрижня електрода, під впливом плазмових потоків і тиску дуги витісняється з нижньої зони стовпа дуги в навколишній простір з більше низькою температурою. Тут відбувається конденсація парової фази й окислювання деяких продуктів конденсації (металів і нижчих оксидів).

У процесі зварювання в парову фазу може попадати багато елементів, що входять до складу електрода й металу, що зварюється. У результаті конденсації пари утворяться тверді частки складного складу. До складу ТСЗА, що утвориться при зварюванні покритими електродами, входять основні (Mn, Fе, Sі, К, Na, Са, Мg, Ті, Аl, Сr, Nі, F) і примесні (Аs, Сu, Rb, Sn, Zr, Sr, Nb, Мо, Аg, Sb, Ва, Рb) елементи. У результаті окислювання й конденсації цих елементів утворяться тверді частки складного складу. Однак дослідження структури й виду хімічних сполук (фазового складу) ТСЗА за допомогою сучасних фізичних методів (інфрачервоної спектроскопії, рентгенофазової й електронної дифрактометрії) дозволили встановити, що крім оксидів до складу ТСЗА входять також шпінелі, силікати, фториди й інші складні з'єднання (наприклад, Fе₃O₄, Мn₃O₄, МnFе₂O₄, Mn₂SiO₄, Fe₂SiO₄, Сr₂O₃∙FеO, (Fе, Mn) O∙Fe₂O₃, K₂CrO₇, Na₂CrO₇, NaF, CaF₂) [21].

Зміст основних елементів коливається від декількох десятих відсотка до десятків відсотків залежно від типу зварювального матеріалу. Через складність з'єднань, що утворяться при конденсації пари, склад ТСЗА в літературних джерелах приводять у вигляді масової частки елементів або оксидів. Розміри окремих часток коливаються від сотих до десятих часток мкм. Більші частки скупчуються в кластери розміром 1-2 мкм (рис. 2.4, a), а дрібні більш схильні до утворення ланцюжків (рис. 2.4, б).

Рис. 2.4. Електронно-мікроскопічне зображення часток ТСЗА, що утворяться при зварюванні електродами АНО-4 з покриттям рутилового виду (Ч200 000): а - скупчення часток у кластери, б - скупчення часток у вигляді ланцюжків

Крім того, у ТСЗА зустрічається невелике число сферичних часток діаметром 5-10 мкм. Більшість дрібних часток складається з ядра й оболонки (рис. 2.5). Ядро збагачене з'єднаннями заліза й марганцю, а оболонка містить з'єднання кремнію, калію й натрію.

Товщина оболонки залежить від температури, окисного потенціалу атмосфери дуги й збільшується з підвищенням змісту відзначених вище елементів у покритті електрода. Неоднорідність структури характерна для аерозолів конденсації складного складу.

Один і той же елемент може входити до складу декількох з'єднань. Наприклад, калій утворить з'єднання К₂СО₃, КFеО₂, К_m(SiO)_n, КСаF₃, фтор - СаF₂, NaF, FеF₃, МnF₂. Зміст тієї або іншої фази ТССА залежить від складу зварювального матеріалу, температури й окисного потенціалу атмосфери дуги, тиску пари елементів й їхніх з'єднань при температурі плавлення зварювального дроту або електрода [8].

Рис. 2.5. Типова будова частки ТСЗА, що складається з ядра і оболонки

Неоднорідність фазового складу часток аерозолів пов'язана з тим, що високотемпературна пара має складний склад й окремі його складові конденсуються при різній температурі. У першу чергу відбувається конденсація елементів з більше низьким тиском пари ( = 0,215 Па,  = 0,148∙10^-5 Па), а потім елементів з більше високим тиском пари ( = 31,02∙10⁶Па,  = 30,9∙10⁵ Па) [4]. Кремній присутній у високотемпературній парі в широкому температурному інтервалі (1500-3000 К) у вигляді й характеризується при цих температурах більш високим тиском пари, чим марганець і залізо [8], тому кремній конденсується разом з низькотемпературними оксидами натрію й калію, утворюючи силікати. Центрами конденсації пара можуть бути як самі атоми елементів, так і дрібні бризи металу, що виносять із зони дуги.

Для характеристики процесу утворення аерозолю при різних способах дугового зварювання у вітчизняній і закордонній практиці найчастіше використовують наступні показники: D - питоме виділення твердої складової зварювального аерозолю, що утвориться при розплавлюванні 1 кг електрода (г/кг або мг/кг); G - інтенсивність виділення твердої складової зварювального аерозолю, тобто кількість ТСЗА, що виділяється при розплавлюванні електрода в одиницю часу (г/ч або г/хв).

.6 Випаровування металевого й шлакового розплавів й утворення зварювального аерозолю

Існує мало інформації про внесок металевої й шлакової фаз в утворення зварювального аерозолю. У роботі японських дослідників [8] відзначається, що в ТСЗА в помітних кількостях надходять зі шлаків з'єднання кремнію, калію, натрію, кальцію й фтору. При зварюванні низьководневими електродами, коли утворюються високоосновні фтор утримуючі шлаки, до складу зварювального аерозолю надходить більша кількість з'єднань лужних і лужноземельних металів, чим при зварюванні електродами з рутиловим, ільменітовим, кислим і целюлозним видами покриттів. Оксиди титану, алюмінію, магнію, марганцю надходять зі шлаку у зварювальний аерозоль у незначних кількостях.

Основою зварювального аерозолю, що утворюється при зварюванні всіма видами покритих електродів, є залізо (з'єднання заліза). Найчастіше процеси випару заліза визначають кількість аерозолю, що утворюється.

При зварюванні конструкцій з вуглецевих сталей електродами з рутиловим, ільменітовим і целюлозним покриттями в складі ТСЗА поряд із з'єднаннями заліза в значних кількостях присутні з'єднання марганцю. При використанні зазначених вище електродів концентрація марганцю в розплавленому металі (на стадіях краплі й ванни) значно нижче, ніж у розплаві шлаків. Однак пружність пари марганцю над рідким металом, що містить розчинений марганець, за інших рівних умов значно вище, ніж пружність пари марганцю над шлаковим розплавом, у якому присутні оксиди марганцю [8]. Ця обставина значною мірою визначає підвищену концентрацію марганцю у зварювальному аерозолі.

У роботі [8] випаровування марганцю й заліза з металевих і шлакових розплавів вивчали за допомогою установки, що складається із часопрогіного мас-спектрометра МСХ-4 і спеціально виготовленої камери з високотемпературним осередком. Після проведення серії досвідів були зроблені наступні висновки. Інтенсивність випару марганцю з шлакового розплаву, що містить 10,8-11,6% Мn (14-15% МnО), приблизно така ж, як інтенсивність випару з металевого розплаву, що містить 0,6-1,1% Мn. Варто очікувати, що зниження концентрації марганцю в шлаку до рівня його змісту в металевому розплаві істотно зменшить інтенсивність випару марганцю. У зв'язку із цим можна припустити, що шлаки з низьким змістом оксидів марганцю можуть бути використані як захисний шар, що перешкоджає випару марганцю з рідкого металу.

Інтенсивність випару заліза з поверхні шлакового розплаву в кілька разів менше, ніж з поверхні розплавленого металу, і практично не залежить від основності шлаків.

Подовження дуги, збільшення питомої поверхні випару при здрібнюванні крапель веде до більше інтенсивного випару марганцю. Основним джерелом надходження марганцю й заліза у зварювальний аерозоль є металевий розплав. Наявність на його поверхні плівки шлаків перешкоджає випару заліза й марганцю. Інтенсивність випару марганцю з розплавлених шлаків збільшується з ростом основності й змісту оксидів марганцю, досягаючи значень, які характерні для металевого розплаву. Інтенсивність випару заліза з шлакового розплаву практично не залежить від основності шлаків й істотно менше відповідного показника для розплавленого металу.

Поряд з марганцем і залізом помітний внесок в утворення тієї частки зварювального аерозолю, що формується при випарі складових металевого розплаву, може вносити хром. Установлено, що найбільший перехід хрому в ТСЗА має місце в тих випадках, коли він входить до складу електродного дроту. Перехід хрому з основного металу або електродного покриття до складу ТСЗА в кілька разів менше [22]. При застосуванні електродів, стрижні яких виготовлені з нержавіючої сталі, зміст хрому в ТСЗА може досягати 6-8%. Результати розглянутих експериментальних даних свідчать про те, що металевий розплав - основне джерело випару заліза, марганцю й хрому.

З'єднання лужних і лужноземельних металів, кремнію й фтору випаровуються з шлакового розплаву. Згідно даним роботи [23], сумарний зміст оксидів лужних і лужноземельних металів у складі ТСЗА порівняно із сумарним змістом оксидів заліза й марганцю (табл. 2.3). Отже, інтенсивність випару зазначених елементів повинна дуже впливати на показники валових виділень ТСЗА при зварюванні покритими електродами. Тому вивчення особливостей випару лужних і лужноземельних металів поряд з аналізом закономірностей випару заліза й марганцю з оксидних і металевих розплавів представляє великий практичний інтерес.

Таблиця 2.3. Зміст оксидів натрію, калію, магнію й кальцію в ТСЗА [22], % (по масі)

Зварювальний матеріал	Na2O и K2O	MgO и CaO	Fe2O3 и Mn2O3
Електроди з покриттям:
основним	20-38	5,3-17,8	17,7-44,4
рутиловим	15-32	-	40-74,8
Порошкові дроти:
для зварювання в СО2	-	1,3-23,1	47,2-78,6
самозахисні	-	5,2-68,5	18,9-73,9

Також у роботі [23] досліджувались особливості випару лужних (натрій, калій) і лужноземельних (магній, кальцій) елементів зі зварювальних шлаків й їхній зв'язок з виділенням ТСЗА при зварюванні електродами з покриттям рутилового виду різної основности.

Досліди проводили за допомогою часопрогіного мас-спектрометра МСХ-4 за методикою з використанням шлаків двох серій. У шлаках серії ОК основність змінювалась варіюванням співвідношення змістів ТiО₂ і СаО, у шлаках серії ОМ - змістів ТiO₂ і МgO.

Результати досліджень показали, що збільшення основности шлаків сприяє більш інтенсивному випару калію, натрію, магнію й кальцію, причому початок цього процесу зміщається в область більше низьких температур. Це можна пояснити ростом активності зазначених елементів, обумовленим структурними змінами в рідкому шлаку [8], що знижують енергію активації дифузії.

Слід зазначити, що випар магнію й кальцію зі шлаків з низькою основностью (ОК-З й ОМ-З), що відповідають реальним шлакам електродів з покриттям рутилового виду, практично не спостерігається, у той час як калій і натрій випаровуються досить інтенсивно. Зіставлення даних, наведених на рис. 143 [8], показує, що зі шлаків, що характеризуються однакової основністю (наприклад, ОК-2 й ОМ-1), у міру зростання температури випаровуються калій і натрій, а потім магній і кальції.

З отриманих експериментальних даних видно, що інтенсивність випару калію, натрію, магнію й кальцію дуже впливає на валові виділення й хімічний склад ТСЗА. Установлено, що збільшення основности електродного покриття приводить до значного зростання в складі ТСЗА змісту з'єднань калію й натрію, причому цей приріст по абсолютній величині найбільший у калію. Що стосується змісту в ТСЗА лужноземельних елементів, то тут зберігається виявлена при дослідженні шлаків закономірність, причому зміст магнію в ТСЗА (серія ОМ) істотно вище, ніж кальцію (серія ОК). Таким чином, закономірності, установлені при зварюванні досвідченими електродами, збігаються із закономірностями, виявленими при вивченні особливостей випару шлаків. В основному весь приріст валових виділень ТСЗА обумовлений випаром лужних металів.

2.7 Взаємозв'язок валових виділень, хімічного складу зварювального аерозолю й умов зварювання

Випар електродного й основного матеріалів при зварюванні, у результаті якого утвориться зварювальний аерозоль, значною мірою залежить від температурних умов у зоні дугового розряду. Останні залежать від режимів зварювання: зварювального струму, полярності й напруги. Установлено [8], що незалежно від типу застосовуваних електродів зростання зварювального струму приводить до росту валових виділень зварювального аерозолю. Це обумовлено підвищенням температури краплі металу на торці електрода, що приводить до інтенсифікації процесів випаровування. На рис. 2.6 показана типова залежність валових виділень ТСЗА від величини зварювального струму при зварюванні електродами діаметром 3,2-8 мм із покриттям ільменітового виду.

За даними роботи М. Кобаяши [8] залежність інтенсивності виділення ТСЗА від сили зварювального струму має параболічний характер й описується рівнянням

G=AIⁿ,    (2.3)

де G - у мг/хв; А и n - емпіричні постійні, величина яких залежить від виду покриття: А = 0,0361 для електродів з ільменітовим покриттям, А = 0,4519 для електродів з рутиловим покриттям, А = 0,0697 для електродів з основним покриттям, показник п відповідно дорівнює 1,73; 1,17 й 1,65.

Необхідно відзначити, що електрод меншого діаметра виділяє більше ТСЗА, чим електрод більшого діаметра, якщо зварювання виконується на струмі однакової величини. Очевидно, це обумовлено тим, що при однаковому зварювальному струмі щільність його на меншому діаметрі електрода (а отже, і температура нагрівання краплі на торці електрода) вище, ніж на електроді більшого діаметра. Це і є причиною більшої інтенсивності випару розплаву й виділення аерозолю електродом меншого діаметра.

Рис. 2.6. Залежність питомих виділень ТСЗА (штрихові криві) і їхньої інтенсивності (суцільні криві) від величини зварювального струму при зварюванні електродами з ільменітовим покриттям діаметром 3,2-8 мм

Збільшення струму супроводжується, як правило, ростом номінальної напруги на дузі, тобто потужність зварювальної дуги росте не тільки через ріст струму, але й у результаті збільшення напруги дуги. Спостерігається пропорційна залежність інтенсивності виділення ТСЗА від потужності дуги.

Установлено, що великий вплив на валові виділення ТСЗА робить напруга дуги [8]. Її збільшення внаслідок подовження дуги викликає істотне збільшення валових виділень ТСЗА. Це обумовлено, по-перше, погіршенням умов захисту розплавленого металу на торці електрода від кисню навколишнього повітря, тобто збільшенням окисного потенціалу атмосфери дуги, що, інтенсифікує процес виділення зварювального аерозолю. По-друге, приріст потужності дуги, викликаний ростом напруги через її подовження, даремно витрачається на випромінювання в навколишній простір, практично не збільшуючи швидкість плавлення електрода. У результаті обидва показники, що характеризують валові виділення зварювального аерозолю - інтенсивність G і питоме виділення D ТСЗА, - ростуть при подовженні дуги.

Якщо збільшення напруги дуги обумовлено її стисканням, воно також викликає ріст валових виділень ТСЗА, але в меншій мірі, чим подовження дуги, тому що при стисканні дуги умови захисту зони плавлення електрода від навколишнього повітря не погіршуються.

Відомості про вплив роду струму й полярності на валові виділення ТСЗА суперечливі. У більшості робіт відзначається, що за інших рівних умов найбільша інтенсивність виділення ТСЗА спостерігається при зварюванні постійним струмом зворотної полярності. Цей факт добре погодиться з експериментальними даними про більш високу температуру крапель на торці електрода при зварюванні на зворотній полярності. Однак у деяких роботах [8] відзначається, що при зварюванні високопродуктивними електродами з рутиловим і кислим покриттями найбільша інтенсивність виділення ТСЗА має місце при зварюванні на прямій полярності. При зварюванні змінним струмом інтенсивність виділення ТСЗА, як правило, нижче, ніж при зварюванні постійним струмом. Таку залежність можна пояснити періодичним зниженням зварювального струму до нульового значення (на відміну від постійного струму), що спричиняє відповідні температурні зміни нагрівання металу на торці електрода й інтенсивності випару електродного матеріалу, що плавиться [21].

Під час ведення процесу зварник звичайно переміщує електрод не менш чим у двох напрямках. По-перше, він подає електрод уздовж його осі в дугу, підтримуючи необхідну в залежності від швидкості плавлення електрода довжину дуги. По-друге, переміщає електрод у напрямку наплавлення або зварювання для утворення шва.

При правильно обраному діаметрі електрода й силі зварювального струму швидкість переміщення дуги має велике значення для якості шва. При підвищеній швидкості дуга розплавляє основний метал на малу глибину й можливе утворення непроварів. Дослідження форми проплавлення основного металу за допомогою макрошліфів дозволили встановити, що мінімальне виділення ТСЗА відповідає максимальній глибині зварювальної ванни, тобто максимальному зануренню дуги в основний метал [3].

Положення електроду відносно поверхні виробу і просторове положення зварювання впливає на форму шва й проплавлення основною металу. При зварюванні кутом назад поліпшуються умови відтискування з-під дуги рідкого металу, товщина прошарку якого зменшується. При цьому поліпшуються умови теплопередачі від дуги до вогненного металу й росте глибина його проплавлення. Те ж спостерігається при зварюванні шва на підйом на похилій або вертикальній площині. При зварюванні кутом уперед або на спуск розплавлений метал зварювальної ванни, підтікаючи під дугу, погіршує теплопередачу від її до основного металу - глибина проплавлення зменшується, а ширина шва зростає (перетини швів на рис. 2.7). При зварюванні нахиленим електродом збільшується інтенсивність утворення ТСЗА, тому що збільшується площа електроду, який знаходиться в зоні зварювання.

Рис. 2.7. Способи виконання зварювання: а - кут назад; б - кутом вперед; в-на підйом; г - на спуск

При стельовому положенні шва в просторі (рис. 2.8, б), зварник виявляється в зоні впливу меншої кількості шкідливих елементів, які важчі повітря й тому будуть осідати вниз, а значна кількість ЗА буде підніматися нагору (не впливаючи на організм зварника). Але зварювання швів у стельовому положенні найбільш складні і його при можливості варто уникати. При зварюванні цих швів погіршені умові виділення з розплавленого металу зварювальної ванни шлаків і газів.

Коли зварювання ведеться в нижнім положенні, конвективне тепло, що віддає дуга й нагріта деталь навколишньому повітрю, сприяє виникненню вгорі забрудненого струменя - зварювального смолоскипа, що підіймається.

При зварюванні здійснюється нагрівання до високих температур і тому більше легші, чим навколишнє повітря, пари металу, компонентів зварених матеріалів піднімаються над постом зварювання й попадають у зону температур одного порядку з навколишнім повітрям, тому швидко конденсуються й твердішають. Зварювання вертикальних швів можна виконати нa підйом (знизу нагору, рис. 2.8, а) або на спуск.

Рис. 2.8. Положення електроду при зварюванні швів: а - вертикальних; б - стельових; в-горизонтальних

При зварюванні на підйом нижчий метал шва, що закристалізувався допомагає удержати розплавлений метал зварювальної ванни. При цьому способі полегшується можливість провару кореня шва й крайок, тому що розплавлений метал стікає з них у зварювальну ванну, поліпшуючи умови теплопередачі від дуги до основного металу [28].

При зварюванні на спуск одержати якісний провар важко: шлаки й розплавлений метал підтікають під дугу й від подальшого стікання втримуються тільки силами тиску дуги й поверхневого натягу. При зварюванні на вертикальній площині виділення ЗД займає проміжне положення між двома попередніми (рис. 2.8, а) [5].

Автори робіт [40, 42] досліджували впливи кута нахилу електрода (при РДЗ) на виділення зварювального аерозолю (ТСЗА). Відхилення положення електрода від вертикалі приводить до невеликого збільшення інтенсивності утворення ТСЗА [8]. Очевидно, ріст виділення аерозолю в цьому випадку (рис. 2.9) обумовлений деяким погіршенням захисту зони плавлення електрода від кисню навколишнього повітря.

Рис. 2.9. Схема процесу зварювання

Виконуючи зварювання виробу зі швами різним образом орієнтування в просторі зварник змінює кут нахилу електрода до виробу. Кутові шви, що з'єднують елементи тавра або внахлест, виконується в основному при розташуванні електрода під кутом. Така обставина має місце при зварюванні горизонтального шва на вертикальній площині, що з'єднує кузов і раму вагона электро - і дизельпоїздів. Ці шви найбільше важко виконувані. Досліджували активності виділення ТСЗА при зміні кута б уздовж шва й кута в поперек шва. У першій серії досліджень змінюють кут нахилу електрода уздовж лінії зварювання.

Досліджували нахилення електродів від 35 до 90°. Установлено, що зі збільшенням відхилення електрода від вертикального положення приводить до збільшення інтенсивності утворення ТСЗА (рис. 2.10).

Пояснити таку залежність можна по двох напрямках: перше - погіршення захисту зони плавлення електрода від кисню навколишнього повітря; друге - збільшення площі поперечного перерізу поверхні, з якої відбувається випар металу, збільшення обсягу розплавленого металу (рис. 2.9). При нахилі електрода площа плавлення зростає (рис. 2.11), а відношення площ залежить від кута нахилу б.

Рис. 2.10. Залежність інтенсивності виділення ТСЗА від кута нахилу електрода

Рис. 2.11. Вплив кута нахилу електрода на збільшення площі випару

Втрати металу на випаровування визначають не загальною кількістю металу, що випаровується, а тільки лише тією його частиною, що не сконденсувалася у ванні через зміну напрямку потоку пар, що йдуть на ванну. Підтвердженням цього можуть бути досліди з імпульсним зварюванням [24]. Втрати на випар зменшувалися зі збільшенням частоти проходження імпульсів, що можна пояснити меншими при імпульсному режимі відхиленнями потоку газів і пари від напрямку по осі електрода. При зварюванні в аргоні загальні втрати становлять близько 1%; більше половини цих втрат становлять втрати на розбризкування. Таким чином, втрати електродного металу на випар при нормальному протіканні процесу можна прийняти меншими або рівними 0,5% [12].

Говорячи про випар металу, доречно згадати про вплив виборчого випару на втрати марганцю й інших хімічних елементів при зварюванні. Як відомо, склад пари над розчином відрізняється від складу розчину, пара збагачена компонентами, що мають більшу пружність пари при даній темпері-турі. Ґрунтуючись на цьому, часто пояснюють підвищене вигоряння деяких компонентів електродного металу їх виборчим випаром. Однак виборчий випар навряд чи дуже впливає на втрати елементів при зварюванні.

Досліди показують, що втрати кремнію при зварюванні бувають більшими, ніж втрати марганцю, хоча тиск насиченої пари для кремнію на кілька порядків менше, ніж цей же тиск для марганцю.

Відомо також, що втрат марганцю (і інших елементів) при зварюванні в аргоні, коли метал захищений від окислювання, практично немає або вони не носять виборчого характеру. Останнє підтверджується наступним дослідом. Дугою із електродом, що не плавиться (вольфрамовим), в аргоні розплавляли електродні дроти різного складу (Св-20ХГСА, Х18Н10Т, Св-10Г2С, Св-Х20Н10Г6 и Св-Х14Г14НЗТ), а також пластини (накладення швів) зі сталі Г13Л.

Зіставлення вихідного змісту марганцю з його змістом у наплавленому металі показало, що марганець практично не випаровується (рис. 2.12), хоча при виборчому випаровуванні втрати його повинні були б із зі зростанням концентрації. Власне кажучи єдиним дослідом, як би підтверджуючим наявність виборчого випару, є досвід А.А. Алова, що одержав значну кількість марганцю в осаді після пропущення через водяну пастку газів, які відсмоктувались із зони дуги [12]. Однак цей осад є скоріше результатом сублімації й розпилення окислів, що утворюються при зварюванні, чим випару металу.

Отже, втрати марганцю, як й інших елементів при зварюванні, варто віднести в основному за рахунок окислювання.

Рис. 2.12. Залежність змісту марганцю в наплавленні від його вихідного змісту

Проте, виборчий випар при зварюванні можливо й має місце. Це підтверджує дослід, у якому були зафіксовані помітні втрати марганцю при аргнодуговому зварюванні дротом Св-08Г2С, хоча зміст кремнію не змінювався [25]. У досвіді дуга й потік газів були спрямовані убік від ванни (дуга горіла на мідну трубку, розташовану збоку, а краплі електродного металу падали вниз, в виливницю). У звичайному ж процесі потік пари спрямований на ванну, де вона конденсується. Таким чином, навіть при наявності виборчого випару склад металу, якщо, звичайно, немає окислювання, практично не повинен змінюватися. Роль виборчого випару може проявлятися лише в особливих випадках. Звичайно ж електродний метал переноситься у ванну повністю (якщо не вважати розбризкування, що свідомо не носить виборчого характеру). Поняття пружності пари над розплавом (і інших фізичних властивостей) у зоні опорної плями дуги (де в основному й відбувається випар металу) певною мірою губить свій зміст, тому що умови на поверхні металу в плямі дуги настільки відмінні від умов, у яких визначають пружність пари й інші константи матеріалів, що застосування цих констант стає скрутним [9].

3. Аналіз існуючих методів виміру параметрів пилу

Дугове зварювання плавленням широко застосовується в багатьох галузях господарської діяльності. Для нього характерне високотемпературне нагрівання, що супроводжується випаром деякої частини основного й електродного матеріалів.

Тривалий вплив підвищених концентрацій пилу приводить до важких професійних захворювань органів подиху - пневмоконіозам і пиловим бронхітам. Нозологічна форма пневмоконіозів (від латинських слів pneumo-легені й conіo - пил) визначається речовинним складом аерозолів.

При нагромадженні пилу в легенях розвивається пневмоконіоз - стадійний прогресуючий процес формування фіброзу з комплексом запальних і компенсаторно-пристосувальних реакцій у бронхах і легеневій тканині.

Результатом цих змін є дихальна, а на пізніх важких стадіях захворювання - серцева недостатність. Фактично розвиток захворювань органів подиху залежить від кількості пилу, що нагромадилася в легенях. Основними факторами, що впливають на надходження пилових часток в організм й їхню затримку в органах подиху, є концентрація пилу у вдихуваному повітрі, час її впливу, дисперсний склад часток, їхня щільність, розчинність, обсяг подиху залежно від ваги праці, а також індивідуальна чутливість організму.

Дія пилу на організм залежить в основному від хімічного складу пилу, від ступеня запилення повітря, від розмірів і форми пилових часток.

Ступінь запилення повітря виражають у міліграмах пилу на 1 м³ повітря. У чистому повітрі втримується менше 1 мг пилу в 1 м³. При великому запиленні зміст пилу в повітрі досягає сотень і навіть тисяч міліграмів в 1 м³. Природно, що зі збільшенням запилення дія пилу на організм підсилюється.

Розмір порошин впливає на тривалість перебування їх у зваженому стані в повітрі й на глибину проникнення в дихальні шляхи. Залежно від розмірів пилові частки підрозділяються на видимі (>10 мкм), мікроскопічні (0,25-10 мкм) і ультрамікроскопічні (<0,25 мкм) і аерозолі.

.1 Методи, засновані на попереднім осадженні, і методи без попереднього осадження

Вимір дисперсних параметрів пилу є важким технічним завданням, що обумовлено тим, що пил є складною багатопараметричною системою. Методи виміру параметрів пилу можна розділити на дві основні групи: методи, засновані на попереднім осадженні, і методи без попереднього осадження [30].

Основною перевагою методів першої групи є можливість виміру масової концентрації. До недоліків варто віднести циклічність виміру, високу трудомісткість, низьку чутливість, що обумовлює тривалість пробовідбору до декількох годин при вимірі малих концентрацій. Для методів першої групи використають прилади попереднього осадження, що може бути здійснене шляхом седиментації або інерційного осадження часток за допомогою термо - або електропреципітатора.

При цьому розміри часток можуть бути визначені по швидкості їхнього осадження, наприклад, оптичним методом. Якщо частки електрично заряджені, то їхня швидкість і розмір можуть бути визначені по швидкості їхнього руху в електричному полі. Визначення концентрації часток виробляється або шляхом рахунку часток візуально, або із застосуванням сучасних засобів (відеокамера, фотографія).

Основною проблемою при використанні методів, заснованих на попереднім осадженні часток, є одержання представницької проби.

Ефективність цих методів залежить від умов відбору проб і невизначеностей, внесених пробовідбірним пристроєм і пов'язаних з неминучими перекручуваннями усередині приладу. Крім того, виконання умов ізокинетичності в загальному випадку неможливо через мінливість швидкості аеродисперсного середовища. Умови ізокинетичності виконуються тільки у випадку рівності по величині й напрямку швидкості усмоктування аерозолю в прилад і зовнішньої швидкості плину. Один з перспективних методів виміру концентрації пилу - п'єзоелектричний, при якому можливі два варіанти використання: зміна частоти коливань п’єзокристала при осадженні на його поверхню пилу й за рахунок електричних імпульсів, що виникають при зіткненні часток пилу з п’єзокристалом. Застосовують також радіоізотопні й фотоелектричні методи, засновані на визначенні концентрації осілого на фільтрі пилу по зміні коефіцієнта поглинання радіаційного або оптичного випромінювання до й після осадження часток аерозолю на фільтр.

Вільними від недоліків методів виміру з попереднім осадженням часток аерозолю є прилади без попереднього осадження часток. Ці прилади використають в основному оптичні й електричні методи виміру параметрів аерозолю. У порівнянні з іншими методами, застосовуваними для цих цілей, оптичні методи володіють рядом переваг: вони швидкодіючі, не вносять перекручувань у досліджуваний об'єкт і не змінюють його властивості, дають можливість проведення дистанційних вимірів [30].

Оптичні методи виміру засновані на використанні властивостей розсіяного й поглиненого в аерозольному середовищі оптичного випромінювання. Найбільше поширення одержали: методи, засновані на вимірі поглинання оптичного випромінювання аерозолем; методи, засновані на вимірі параметрів індикатриси неуважного випромінювання; у тому числі: метод розрахунку часток по вимірі інтенсивності неуважного випромінювання.

Метод, заснований на вимірі коефіцієнта поглинання оптичного випромінювання, є найбільш простим. Застосування даного методу виміру припускає або знання дисперсного складу аерозолів, або постійності його дисперсного й фізико-хімічного складу в процесі експлуатації приладу при його попередньому калібруванні.

Для виміру малих концентрацій часток аерозолів широко використаються лічильники часток, засновані на вимірі інтенсивності розсіяного часткою світла. При цьому в момент виміру в освітлюваному обсязі лічильника перебуває тільки одна частка. Імпульси розсіяного світла реєструються фотоприймачем і надходять на амплітудний аналізатор або аналогово - цифровий перетворювач. Таким чином, визначається не тільки рахункова концентрація часток, але і їхній дисперсний склад, об'ємна концентрація. До приладів цієї серії необхідно віднести лічильники фірми Hіac-Royco (США), АЗ-5, ПК.ГТА 0,3-002, ПКЗВ-906, «Монітор-93Б» (Росія).

Параметри лічильника часток в істотному ступені залежать від кута розсіювання, під яким реєструється світло. Звичайно в лічильниках використають кути розсіювання рівні 90° або близькі до 0°. Лічильники з кутом 0° доцільно застосовувати для реєстрації часток, коефіцієнт переломлення яких змінюється в широких межах, оскільки в області малих кутів визначальну роль грає дифракційна складова, що мало залежить від матеріалу часток.

Однак лічильники аерозольних часток мають істотний недолік, пов'язаним з необхідністю відбору проби з потоку часток, що спричиняє неминучій невизначеності виміру дисперсного складу й розрахункової концентрації.

Електричні методи виміру параметрів аерозолю можна підрозділити на індукційний, контактно-електричний, ємнісної й п’єзоелектричний.

В основу індукційного методу покладене визначення наведеного на електроді камери заряду, що виникає при русі через камеру заряджених часток. Величина заряду є мірою масової концентрації часток аерозолю.

Найбільше поширення одержав метод зарядки пилових часток коронним розрядом. При цьому потік часток сигналу пропускають через зарядну камеру, що складається із циліндра й розташованої по його осі коронірующої голки або нитки, а потім направляють у вимірювальну камеру, у якій і виміряється заряд, придбаний частками. Хоча прилади, побудовані по цьому принципі, можуть мати досить просту конструкцію, однак їм властиві й недоліки, пов'язані з особливостями роботи з високовольтними апаратурами, а також погрішності, обумовлені невизначеністю значення величини заряду, придбаного частками аерозолю в неоднорідному електричному полі.

Контактно-електричний метод заснований на здатності часток аерозолю електризуватися при зіткненні із твердим тілом. При цьому основними елементами приладу є електризатор, де відбувається зарядка пилових часток, і струмоз’ємний електрод, якому частки передають свій заряд. У цьому випадку величина струму в ланцюзі струмоз’ємного електрода залежить від концентрації часток. Очевидно, що величина заряду істотно залежить від фізико-хімічного складу речовини пилу, а також вологості й температури повітря. Методу властиві також і невизначеності, обумовлені пробовідбором.

Ємкісний метод заснований на зміні ємності конденсатора при введенні часток аерозолю між його пластинами. Параметри вимірювального засобу на його основі в істотному ступені залежать від фізичних властивостей часток аерозолю - їхньої провідності й діелектричної проникності. Тому користуватися цим методом доцільно при незмінних фізичних параметрах часток аерозолю з попереднім калібруванням приладу на його основі.

П'єзоелектричний метод виміру концентрації часток аерозолю заснований на виникненні електричних імпульсів на електродах п’єзокристала при зіткненні часток аерозолю із кристалом, причому амплітуда електричних імпульсів буде залежати від маси частки, її розмірів і швидкості співударяння з п’єзокристалом. Тому прилади, побудовані по такому методі, повинні мати систему пробовідбору з усіма властивими їй недоліками, або п’єзоелемент повинен вміститися в аерозоль, що рухається з відомою швидкістю.

Для характеристики забруднення повітря пилом звичайно застосовують термін «запиленість повітря», під яким мається на увазі масова концентрація пилу (виражається в грамах або міліграмах на 1 м³ повітря при нормальних умовах).

Методи виміру запиленості можуть бути об'єднані у дві основні групи: 1) визначення пилозмісту шляхом відбору часток запиленого газового потоку із установленням маси вловленого пилу;

) непряме визначення пилозмісту на основі виміру тих або інших показників фізичних властивостей запиленого газового потоку, наприклад розсіювання світлового потоку або електростатичних зарядів пилових часток.

Для кількісної характеристики запиленості повітря в цей час використається переважно ваговий метод (гравіметрія). Метод застосовується для визначення разових і середньодобових концентрацій пилу в повітрі населених пунктів і санітарно-захисних зон у діапазоні 0,04-10 мг/м³.

Також існують методи виміру концентрацій шкідливих речовин у повітрі (фотометричні, полярографічні, атомно-абсорбційні та ін.), за допомогою яких вимірюють концентрації таких елементів, як кобальт, нікель, марганець, вольфрам, хром, ванадію, молібдену.

Відбір проб повітря для визначення рівня забруднення повітряного середовища при зварювальних, наплавочних роботах, різанні й напилюванні металів проводиться в зоні подиху працюючих під на головним або ручним щитом. Відбір проб ТСЗА здійснюється на аналітичні аерозольні фільтри АФА-ХП, АФА-ВП або АФА-ХА з об'ємною витратою 10-15 л/ хв. Тип фільтра, застосовуваного для концентрування компонентів ТСЗА, визначається ходом наступного хімічного аналізу й повинен строго дотримуватися [31].

.2 Методи дослідження концентрації пилу

Для дослідження концентрації пилу і її дисперсного складу застосовують ваговий, рахунковий, фотометричний і радіометричний методи.

Ваговий метод. При ваговому методі визначається концентрація пилу, виражена в міліграмах на 1 м³ (мг/м³). Цей метод уважається основним. Сутність способу полягає в тім, що точно обмірюваний обсяг досліджуваного повітря пропускається через фільтр, закладений у пилоприймач (алонж). Фільтри можуть бути з гігроскопічної вати, обезолені паперові фільтри, фільтри АФА-В10, АФА-В-18, АФА-В-20 й інших.

Прилади для протягання повітря через фільтр. У якості приладів широке поширення одержали ежектори, що працюють від мережі стисненого повітря, електричні повітродувки аспіраційні ежекторні прилади типу АЭР-4М и ФЭРА [35].

Розрахунковий метод. При рахунковому методі підраховується число пилових часток, що втримуються в 1 см³ досліджуваного повітря, а також визначаються їхні розміри під мікроскопом. Цей метод уважається допоміжним до вагового, він застосовується найчастіше в гігієнічних дослідженнях.

Для відбору проб користуються конденсаційно-ударним лічильником пилу №1, лічильником ТВ К, лічильником НІТРІзолото СН-2 й інші.

Фотометричний метод. За допомогою фотопиломірів, приладів, принцип дії яких заснований на вимірі фотометричним способом зміни (ослаблення) інтенсивності світлового потоку, що проходить через запилене повітря, легко й швидко визначають концентрацію пилу в повітрі. Цей метод сильно уступає в точності виміру ваговому методу.

Радіометричний метод. Принцип дії радіометричних приладів заснований на визначенні ступеня поглинання альфа-випромінювання відібраної на фільтр проби. Але похибка вимірів становить 30%.

У пильних цехах підприємств необхідно періодично проводити аналіз запиленості повітря на робочих місцях для виявлення стану повітряного середовища. Якщо в результаті цього буде встановлено, що фактична концентрація пилу перевищує ГДК, то проводиться ряд заходів технологічного, технічного й санітарно-гігієнічного порядку для створення на робочих місцях нормальних умов праці [34].

.3 Визначення масової концентрації пилу в повітрі

Ваговий метод виміру концентрації пилу заснований на виділенні пилу з пилогазового потоку й визначенні її маси шляхом зважування. При використанні цього методу відбирають пробу запиленого повітря, вимірюють її обсяг, відокремлюють пил від повітря й зважують її.

Визначення масового змісту пилу в повітрі засноване на тім, що обсяг повітря (V₀) пропускають через фільтруючий матеріал і знаходять масу цього матеріалу до (m₁) і після (m₂) запилення по формулі (3.1):

С=(m₂ - m₁)/V₀, (3.1)

де С - вагова концентрація пилу, мг/м;₁ - маса фільтра до відбору пилу, мг;₂ - маса фільтра після відбору пилу, мг;₀ - обсяг повітря, протягненого через фільтр, наведений до нормальних умов.

, (3.2)

де Р - барометричний тиск, мм. рт. ст.;

Т - температура повітря,°С,_t - обсяг повітря, протягненого через фільтр, м³.

Обсяг аналізованої проби визначається по формулі:

_t= q t /100, (3.3)

де q - об'ємна швидкість при відборі проби, л/хв;- час відбору проби, хв.

Визначення рівнів виділень ЗА (інтенсивності й питомих значень) звичайно виробляється по загальновідомих методиках [33] шляхом повного або часткового вловлювання аерозолю, що виділяється в процесі зварювання за допомогою спеціальної установки (стенда). Така установка для відбору проб ЗА складається з конусоподібного забірного сопла (укриття зони зварювання), камери фільтротримача, фільтрів із тканини ФПП, побудника тяги (аспіратора) і воздуховодов. Тверда складова, що виділяється в процесі зварювання, зварювального аерозолю (ТСЗА) уловлюється вкриттям зони зварювання, простягається аспіратором через установлений у камері фільтр й осаджується на ньому. Визначення рівнів виділення ТСЗА здійснюється ваговим методом, тобто шляхом зважування фільтра до й після зварювання. Рівні утворення ЗА характеризуються двома показниками - інтенсивністю утворення ЗА (у г на 1 хв зварювання) і питомими виділеннями (у г на 1 кг розплавленого матеріалу). Істотним недоліком такої методики є її трудомісткість, оскільки для здійснення певної кількості паралельних (повторних) вимірів валових виділень потрібне тривалий час і велика кількість зварювальних матеріалів, що витрачають. Крім того, необхідний час на підготовку й зважування фільтрів до й після зварювання. Варто врахувати також високу вартість фільтрів із тканини ФПП (фільтр И.В. Петрянова).

Всі ці недоліки затрудняють дослідження залежності валових виділень ЗА від режимів зварювання й інших технологічних параметрів.

Існує комп’ютеризована установка - аналізатор виділення аерозолів АВА-1 - призначена для виміру рівнів виділень ЗА при зварюванні, наплавленні, різанні й інших споріднених процесах, пов'язаних з утворенням аерозолів. Принцип дії установки АВА-1 заснований на вимірі сумарного електричного заряду потоку часток аерозолю [33], причому не одного певного розміру, а всіх фракцій. Електричний заряд потоку аерозолю, що виділяється, має пропорційний зв'язок з інтенсивністю його утворення. Практично це реалізовано в програмному забезпеченні (ПЗ) установки АВА-1 введенням у систему первинної обробки й відображення інформації поправочних коефіцієнтів спеціально для ТСЗА. Градуювання шкали інтенсивності утворення ТСЗА виконана шляхом зіставлення даних про інтенсивності виділення ТСЗА й електричному заряді його потоку.

Зараз існує комп'ютерна система (розрахунково-інформаційна система гігієнічних характеристик зварювальних аерозолів), яка дозволяє в простій і доступній формі одержувати інформацію про кількісні характеристики твердих і газоподібних складових зварювальних аерозолів для широкого спектра параметрів режиму зварювання й зварювальних матеріалів, а також розраховувати потрібну продуктивність вентиляції робочого місця зварника й вибирати відповідне вентиляційне встаткування або засоби індивідуального захисту органів подиху зварника. Система має вбудований редактор, що дозволяє підтримувати бази даних в актуальному стані.

Може бути використана на машинобудівних підприємствах (служби головного зварника й охорони праці) для гігієнічної оцінки процесу зварювання й проектування систем захисту зварників і навколишнього середовища від шкідливої дії зварювальних аерозолів [32].

.4 Методи виміру концентрації шкідливих речовин у повітрі

Фотометричні методи. Визначення засноване на колориметричних реакціях окремих металів з органічними реагентами. Відбір проб повітря проводиться з концентруванням на фільтр. Час підготовки проб до визначення 5-6 годин, включаючи відбір проб 20 хвилин. Час самого визначення зазначено в кожній методиці окремо. Повітря з об'ємною витратою 5-15 л/хв аспірують через фільтр АФА. Проби не слід зберігати через можливі втрати шестивалентного хрому. Для визначення перерахованих металів на рівні 1/2 ПДК варто відібрати 200 л повітря.

Вимір концентрації оксиду хрому (VІ). Визначення засноване на реакції взаємодії шестивалентного хрому з дифенілкарбазидом у кислому середовищі з утворенням з'єднання, пофарбованого в червоно-фіолетовий колір. Діапазон вимірюваних концентрацій від 0,003 до 0,06 мг/м³. Виміру не заважає марганець. Заважають залізо при змісті більше 1 мг і молібден у кількості більше 8 мг. Час виконання виміру 20-25 хв.

Вимір концентрації оксиду хрому (ІІІ). Визначення засноване на окислюванні тривалентного хрому персульфатом амонію до шестивалентного хрому. Після руйнування надлишку персульфату амонію визначення Сr (VІ) проводять по реакції з дифенілкарбазидом. Виміру не заважають супутні метали. Сумарна похибка виміру не перевищує ±25%. Час виконання виміру 3 години.

Вимір концентрації марганцю. Визначення засноване на реакції окислювання з'єднань марганцю персульфатом амонію в присутності нітрату срібла як каталізатора з утворенням марганцевої кислоти, пофарбованої в малиново-червоний колір. Діапазон вимірюваних концентрацій для марганцю від 0,05 мг/м³ до 1,25 мг/м³. Визначенню марганцю заважає залізо, вплив якого усувають додаванням ортофосфорної кислоти. Визначенню не заважає хром. Час виконання виміру 1,5 години.

Вимір концентрації заліза. Визначення засноване на реакції взаємодії іонів заліза із сульфосаліциловою кислотою в аміачному середовищі з утворенням пофарбованого з'єднання. Діапазон вимірюваних концентрацій від 1,5 до 15 мг/м³. Визначенню не заважають молібден, ванадій, хром, марганець. Заважають кобальт, нікель у кількостях більше 1,2 мг, мідь у кількостях більше 0,2 мг. Час виконання виміру 40 хвилин.

Вимір концентрації нікелю. Фотометричне визначення засноване на реакції взаємодії іона нікелю з диметілгліоксимом у лужному середовищі в присутності окислювача з утворенням комплексного з'єднання, пофарбованого в рожево-коричневий колір. Діапазон вимірюваних концентрацій від 0,025 до 1,25 мг/м³. Визначенню нікелю не заважають залізо, мідь і кобальт у кількостях менших 0,2 мг. Час виконання виміру 40-45 хвилин.

Вимір концентрації титану. Визначення засноване на реакції взаємодії титану з пероксидом водню в кислому середовищі. Діапазон вимірюваних концентрацій у повітрі від 6 до 62 мг/м³. Визначенню титану не заважають залізо, марганець, хром. Визначенню заважає ванадій, що відокремлюють у процесі аналізу. Сумарна похибка виміру не перевищує ±25%. Час виконання виміру 20-25 хвилин.

Полярографічні методи засновані на відновленні іонів міді, нікелю на ртутно-краплинному електроді на тлі хлоридно-аміачного буферного розчину в присутності сульфіту натрію. Відбір проб повітря проводиться з концентруванням на фільтр АФА. Діапазон вимірюваних концентрацій у повітрі для міді від 0,02 до 7,0 мг/м³, нікелю від 0,02 до 8,0 мг/м³.

Визначенню не заважає алюміній, свинець, срібло, кремній. Залізо не заважає в кількості до 20 мкг у полярографічному обсязі проби. Сумарна похибка виміру не перевищує ±25%. Час виконання виміру 4 години, включаючи відбір проби повітря 10 хвилин.

Вимір концентрації молібдену. Метод заснований на відновленні іонів молібдену на ртутно-краплинному електроді на тлі суміші розчинів сірчаної кислоти, хлорату калію й мигдальної кислоти. Відбір проб повітря проводиться з концентруванням на фільтр. Діапазон вимірюваних концентрацій у повітрі від 0,5 до 25 мг/м³. Визначенню молібдену заважають титан і вольфрам. Сумарна похибка виміру не перевищує ±20%. Час виконання виміру близько 2,5 годин, включаючи відбір проби 2 хвилини.

Вимір концентрації вольфраму. Метод заснований на відновленні вольфраматів-іонів на ртутно-краплинному електроді на тлі розчину, що містить хлорат калію, сірчану й мигдальну кислоти. Відбір проб повітря проводиться з концентруванням на фільтр. Діапазон вимірюваних концентрацій для вольфраму від 2,5 до 40 мг/м³.

Визначенню вольфраму не заважає присутність 100-кратних стосовно вольфраму кількостей нікелю, кобальту, заліза, хрому, титану, алюмінію. Заважає молібден. Сумарна похибка виміру не перевищує ±20%. Час виконання виміру 4,0 години, включаючи час відбору проби повітря 2 хвилини.

Іонометричні методи

Вимір концентрації фтористого водню й солей фтористоводородной кислоти. Визначення засноване на вимірі потенціалу фторидного електрода на тлі 0,1 М розчину цитрату натрію із рН 5,2-5,6.

Відбір проб проводиться з концентруванням на фільтр типу АФА, поміщений у фільтротримач (для вловлювання фторидів), і з'єднану з ним сорбційну трубку (для вловлювання фтористого водню) (метод 1) або з використанням системи двох послідовно з'єднаних фільтротримачів, в один із яких поміщений фільтр АФА (для вловлювання фторидів), а в другий - безольний фільтр «біла стрічка», імпрегнирований двозаміщеним фосфатом калію (для вловлювання фтористого водню) (метод 2).

Діапазони вимірюваних концентрацій фтористого водню від 0,1 до 5,0 мг/м³, добре розчинних фторидів від 0,25 до 12,5 мг/м³, погано розчинних від 1,0 до 50,0 мг/м³. Визначенню не заважають речовини, що є присутнім у повітрі при процесах зварювання. Сумарна похибка виміру не перевищує ±15%. Час виконання виміру 40 хвилин, включаючи відбір проби 3 хв.

Атомно-абсорбційні методи: вимір концентрації кобальту, нікелю, кадмію, заліза, марганцю, молібдену, вольфраму, оксиду ванадію й оксидів хрому.

Метод заснований на вимірі абсорбції атомами досліджуваного елемента резонансного випромінювання з відповідною довжиною хвилі. Атомизація здійснюється в полум'ї. Відбір проб виробляється з концентруванням на фільтр. Вимір концентрації кожного металу специфічно в присутності інших при використанні моноелементних ламп із порожнім катодом.

У присутності щодо високих концентрацій заліза через спектральні накладення останнє заважає визначенню ряду металів, зокрема кобальту й нікелю. У цих випадках необхідно встановлювати концентрацію заліза й уводити його в градуйовані розчини для визначення зазначених металів у тих же кількостях. Сумарна похибка вимірів не вище ±20%. Час виконання вимірів (за умови визначення всіх елементів з однієї проби) 5-6 годин, включаючи відбір проби 10-15 хвилин.

Газохроматографічні методи

Вимір концентрації оксиду вуглецю заснований на використанні методу реакційної газової хроматографії, що включає поділ оксиду вуглецю й супутніх компонентів на колонку з молекулярними ситами, конверсію оксиду вуглецю в метан і детектирування метану полум'яно-іонізаційним детектором.

Відбір проб проводиться без концентрування. Діапазон вимірюваних концентрацій оксиду вуглецю в повітрі від 0,5 до 500 мг/м. Визначенню не заважають двоокис вуглецю, метан й інші вуглеводні. Сумарна похибка виміру не перевищує ±4%. Час виміру 10 хвилин, включаючи відбір проби [31].

3.5 Нормування концентрацій шкідливих речовин у повітрі

Відомо, що зварювальні процеси із застосуванням електричної дуги сильно впливають на здоров'я зварників [40, 41]. Найбільшу погрозу представляє зварювальний аерозоль (ЗА), від якого зварник захищений дуже слабко. Основним компонентом (по кількості) аерозолю є окисли заліза (45 - 65%). Однак залежно від застосовуваних електродів в аерозолях утримуються окисли марганцю, хрому, кадмію, ванадію, цинку, свинцю, двоокис кремнію й фтористі з'єднання. Зміст цих речовин у порівнянні з окислами заліза відносно невеликий, але внаслідок своєї токсичності вони можуть мати вирішальне значення при визначенні ступеня шкідливості пилу [3].

Одним з факторів науково-технічного прогресу є ріст застосування вже існуючих і впровадження нових способів і матеріалів для зварювання металів. Особливо це актуально при застосуванні високолегованих сталей у промисловості як добре вивчених (наприклад, Х17Н15В2Б), так і знову розроблювальних (наприклад, 10Х13Г18ДУ) [42, 43].У повітряному середовищі виробничих приміщень при даних способах обробки металів з'являється зварювальний аерозоль (ЗА). Цей аерозоль представляє головну професійну небезпеку праці зварника, тому що володіє фіброгенною дією, а також при тривалому виконанні робіт сприяє розвитку електрозварювального пневмоконіоза. Якщо ЗА містить значну кількість марганцю, то цей надзвичайно токсичний елемент може викликати марганцеву інтоксикацію, при якій відбуваються необоротні зміни в ЦНС. Інші компоненти ЗА, маючи сильну дратівну дію, здатні викликати хронічний бронхіт. В останні роки встановлено, що багато компонентів зварювального аерозолю, не викликаючи специфічних професійних хвороб, при тривалому впливі збільшують ризик виникнення серцево-судинних й онкологічних захворювань, а також зменшують тривалість життя [37].

Найбільше зустрічаються такі шкідливі речовини, що утворюються при обробці металів й у зварювальних процесах: хром, мідь, марганець, кремній, оксиди заліза, нікель, ванадій, озон, оксид вуглецю й ін.

При влученні димів металів у респіраторний тракт людини симптоми, що нагадують простудне захворювання, можуть з'явитися протягом 24 годин. Хоча такі симптоми звичайно швидкоплинні з наступним повним видужанням, постійний вплив димів металів може привести до таких довгострокових захворювань, як бронхіт, набряк легенів і навіть захворювання кісткових тканин.

З огляду на ступінь токсичності, фізико-хімічні властивості, шляхи проникнення речовини в організм, відповідно до вимог санітарії в повітрі робочої зони виробничих приміщень установлюються гранично допустимі концентрації (ГДК) шкідливих речовин, затверджені Міністерством охорони здоров'я, перевищення яких не допускається.

Гранично допустимими концентраціями шкідливих речовин у повітрі робочої зони є такі концентрації, які при щоденній восьмигодинній роботі протягом усього робочого стажу не можуть викликати в працюючих захворювань або відхилень в стані здоров'я, що виявляють сучасними методами дослідження безпосередньо в процесі роботи або у віддалений термін. Гранично допустимі концентрації шкідливих речовин нормуються в повітрі робочої зони. Робочою зоною варто вважати простір висотою до 2 м над рівнем підлоги або площі, на якій перебувають місця постійного або тимчасового перебування працюючих. По ступені впливу на організм людини шкідливі речовини підрозділяють на чотири класи: клас 1 - речовини надзвичайно небезпечні; клас 2 - речовини високо небезпечні; клас 3 - речовини помірковано небезпечні; клас 4 - речовини мало небезпечні. У табл. 3.1 дані витяги зі СН 245-71.

Таблиця 3.1. Гранично допустимі концентрації шкідливих речовин у повітрі робочої зони зварювальних цехів

Найменування речовини	ПДК, мг/м3	Клас небезпеки	Агрегатний стан (а - аерозоль, п - пари)	Примітки
Зміст марганцю у зварювальних аерозолях, мас.%
До20	0,20	2	а
До 20-30	0,10	2	а
Хромати, біхромати	0,01	1	а	у перерахуванні на CrО3
Оксид хрому (Cr2O3)	1,00	2	а
Нікель і його оксиди	0,05	1	а	у перерахуванні на Ni
Титан і його двоокис	10,00	4	а
Алюміній і його сплави	2,00	2	а
Мідь металева	1,00	2	а
Вольфрам	6,00	3	а
Двуоксид кремнію	2,00	4	а
Двуоксид азоту	2,00	2	п
Озон	0,10	1	п
Оксид вуглецю	20,00	4	п
Фтористий водень	0,05	1	п
Солі фтористоводородной кислоти:
NaF, KF	0,20	2	а	по HF
AIF2, NaAlFd	0.50	2	а	по HF

Таким чином, зварник у процесі своєї діяльності піддається шкідливому впливу зварювальних аерозолів. Тому при розробці технології зварювання конкретного виробу необхідно прогнозувати склад зварювального факела для створення оптимальних умов праці.

.6 Контроль за складом повітря

Цей контроль повинен здійснюватися постійно, у строки, установлені, санітарною інспекцією. Запиленість повітря можна визначати масовим, рахунковим, електричним і фотоелектричним методами. Масовим методом визначають масу пилу, що втримується в одиниці об'єму повітря; для цього зважують спеціальний фільтр до й після просмоктування через нього деякого обсягу запиленого повітря, а потім підраховують масу пилу (мг/м³).

Розрахунковим методом визначають число порошин, що перебувають в одному мілілітрі повітря, підраховуючи за допомогою мікроскопа порошини, обложені на предметне скло; при цьому виявляють форму й розміри порошин.

Визначення концентрації газів роблять різноманітними стандартизованими методами, заснованими на хімічних, дифузійних й електричних принципах. Найбільш швидкі з них по одержанню результатів називають експрес-методами. Експресний лінійно-колористичний метод визначення змісту шкідливих речовин у повітрі заснований на кольорових реакціях, що швидко протікають, високочутливої спеціальної поглинальної рідини або твердої речовини, наприклад силікагелю або фарфорового порошку, просоченого індикатором. Порошок, просочений індикатором, поміщають у скляну трубочку, через яку пропускають певний обсяг досліджуваного повітря. Залежно від кількості шкідливої речовини в повітрі порошок офарблюється на певну довжину, порівнюючи яку зі шкалою, установлюють зміст шкідливої речовини в повітрі [36].

Висновки. В Україні прийняте відповідне законодавство по охороні праці, категорично заборонне проведення різних видів робіт, у тому числі й зварювальних, в умовах, що не відповідають нормативним вимогам.

Як показує світовий і вітчизняний досвід, сполучення технологічних і санітарно-технічних заходів щодо усунення шкідливої дії ЗА, а також застосування засобів індивідуального захисту органів дихання (ЗІЗОД) зварників становлять основу системи заходів щодо захисту зварників і навколишнього середовища від впливу ЗА.

Перший напрямок цієї системи (технологічний) полягає в зниженні рівня виділення ЗА в повітря шляхом удосконалювання процесу, вибору технології й способу зварювання, виду й марки зварювального матеріалу, захисного газу й режиму зварювання. Другий (санітарно-технічний) складається в локалізації й нейтралізації ЗА шляхом застосування сучасних ефективних засобів місцевої вентиляції. Третій напрямок полягає в застосуванні ЗІЗОД нового покоління, що дозволяють захищати органи дихання зварників у різних виробничих умовах.

Таким чином, існує багато методів і приладів для визначення рівнів запилення повітря робочої зони. Хоча деякі з них дають непоганий результат, достовірні данні, але мають такі недоліки, як габаритні розміри устаткування, тривалі строки проведення досліджень, також, щоб провести дослідження треба зробити не менш ніж по 5 проб, не кожне підприємство може дозволити собі апаратуру, яка дорого коштує, до того ж методи оцінки складу диму можуть дати відомості не по всім елементам, які містяться в повітрі, тому розробка нової методики дуже актуальна, не треба зайвий раз проводити експерименти і витрачати купу грошей, щоб дізнатись склад диму при зварюванні, а можна просто розрахувати. Ця методика також має свої недоліки, наприклад, похибки в розрахунку, але вона дає можливість дізнатись, які елементи будуть у ЗА і приблизно у якій кількості.

4. Матеріали, прийняті для дослідження

.1 Сталі

Сучасні зварні конструкції експлуатуються у твердих умовах (підвищені температури й тиск, агресивне зовнішнє середовище, змінні навантаження й т. п.). Це вимагає застосування сталей підвищеної міцності й зі спеціальними властивостями, що забезпечують теплотривкість, корозійну стійкість, жароміцність і т.д. [40].

Високі механічні й спеціальні властивості одержують сплави на залізовуглецевій основі з добавкою легуючих елементів, таких як кремній, хром, нікель, титан, марганець й ін. Кожний з них впливає на властивості сталей і сплавів: нікель - збільшує пластичність, міцність властивості стали, подрібнює зерно, вуглець - визначає міцність, в'язкість, загартовуваність і зварюваність сталей, титан - підвищує корозійну міцність, марганець - сприяє аустенізації структури [41].

Тому що в умовах України нікель є гостродефіцитним елементом, тоді замість нього застосовують дешевий марганець. Тому металургами освоєне виробництво ряду марок сталей, що містять марганець, придатних для створення важко навантажених і відповідальних конструкцій: О9Г2С, О9Г2СЮ, 10Х13Г18Д, 10Х14АГ15, 10Х14Г14Н3, 15Х17АГ14 та ін. [41]. Зміст марганцю досягає 14% від складу і його випар при зварюванні приводить до професійних захворювань зварників.

ВАТ «ХК «Лугансктепловоз» при освоєнні випуску нових електро- й дизель-поїздів для виготовлення суцільнозварних кузовів застосував перлітні низьколеговані сталі підвищеної міцності 09Г2С, Ст20 - для каркасних елементів і метастабільну корозійностійку сталь 10Х13Г18Д - для обшивки. Дані стали застосовані завдяки їх високим механічним властивостям. Сталь 10Х13М18Д - хромомарганцева, відноситься до аустенітного класу, має підвищені механічні властивості (таблиця 4.2) і більш низьку вартість на відміну від хромонікелевої сталі 12Х18Н10Т [51]. Застосування низьколегованих сталей 09Г2С, Ст20 для каркасних елементів кузова дозволяє зменшити їхню товщину з 3,0-8,0 мм до 2,5-7,0 мм, використання нержавіючої сталі 10Х13Г18Д у холоднодеформованому стані дозволяє зменшити товщину обшивки з 2,5 мм до 1,5 мм [4].

Таблиця 4.1. Хімічний склад сталі 10Х13Г18Д, %

Масова частка елементів, %
С	Si	Mn	Cr	Ni	S	P	Cu
	Не більше			Не більше
0,08-0,12	0,70	17,0-18,5	12,5-14,0	2,0	0,030	0,035	0,3-0,6

Таблиця 4.2. Механічні властивості в стані поставки сталі 10Х13Г18Д (холоднокатаний прокат, d=1,5 мм)

Межа міцності, sв, МПа	Границя текучості, sт МПа	Відносне подовження, d%	Твердість (НRA)
870	450	29	54-55

Таблиця 4.3. Хімічний склад сталі 09Г2С, %

С	Si	Mn	Cr	Ni	Cu	P	S	As	N
Не більше			Не більше
0,12	0,5-0,8	1,3-1,7	0,30	0,30	0,30	0,035	0,04	0,08	0,008

Таблиця 4.4. Механічні властивості сталі 09Г2С (д = до 10 мм.)

ГОСТ	стан поставки	ут	ув	д, %
		МПа
		не менше
19281-73	сортовий і фасонний прокат	345	490	21

4.2 Способи зварювання і зварювальні матеріали

Для виготовлення модуля бічної стінки вагона доцільно застосовувати напівавтоматичне зварювання в суміші газів. Застосування цього способу зварювання в цьому випадку є найбільш раціональним, тому що автоматичне зварювання під шаром флюсу неможливо використати через короткі й криволінійні зварювальні шви. Зварювальний дріт, для зварювання каркаса, вибираємо найбільш близький по хімічному складу до основного металу, і пропонуємо робити зварювання дротом Св-08Г2С, по хімічному складу ідентичному до основного металу. Дріт для зварювання двошарової сталі вибираємо з міркувань наведених у [47], і пропонуємо робити зварювання в аргоні дротом Св-08Х20Н9Г7Т ГОСТ 2246-70.

У якості захисного газового середовища використаємо Ar. При зварюванні в чистому вуглекислому газі буде спостерігатися: неякісна сплавка двошарової сталі (10Х13Г18Д+09Г2С), підвищене розбризкування металу.

Таблиця 4.5. Хімічний склад дроту Св-08Х20Н9Г7Т, %

С	Mn	Si	Cr	Ni	S	P	Ti
0.05-0.11	6.8-7.1	0.7-0.95	8.5-9	≤0.02	≤0.03	1.0-1.5

Таблиця 4.6. Хімічний склад наплавленого металу%

С	Mn	Si	Cr	Ni	S	P	Cu	Ti
0.06-0.11	8-10	0.75-0.85	13-14.5	5-7	0.02-0.03	0.03-0.035	0.3-0.6	1.0-1.5

Короткі шви або постановку прихваток можна виконувати ручним дуговим зварюванням. Для вибору покритих зварювальних електродів використаємо ГОСТ 9466-60. Підберемо електроди типу ЭА-1Б марки ЦЛ -11 ГОСТ 10052-62. Виготовляються вони з використанням зварювального дроту Св-08Х19Н10Б ГОСТ 2246-70.

Автоматичне зварювання в даному випадку не застосовується, але для зварювання сталей 09Г2С и 10Х13Г18Д можна порекомендувати флюс АНФ 14 ГОСТ 9087-81 і зварювальний дріт Св - 08Х20Н9Г7Т ГОСТ 2246-70.

Таблиця 4.7. Хімічний склад електродів (%)

Масові частки елементів, % у наплавленому металі
С	Si	Mn	Cr	Ni	Nb	S	Р
0,05-0,12	< 1,3	1,0-2,5	18,0-20,0	8,0-10,5	0,7-1,3	< 0,02	< 0,03

4.3 Типи з’єднань і режими зварювання

Таблиця 4.8. Характер зварювальних з’єднань

№ шва	Тип по ГОСТ	Ескіз
		оброблення	шва
1	Т1		До = 3 b=0+0,5	4.5	50	1755
2	Н1		До = 6 b = 0+0,5	4.5	50	1755
3	С2		е = 7	4.5	50	1755
4	У3		e = 8	4.5	50	1755

Основною умовою при виборі режимів зварювання є одержання швів з оптимальними розмірами й формою, що забезпечують як високу технологічну міцність, так і високі експлуатаційні характеристики з'єднань.

Зварювання виконується при постійному струмі й зворотній полярності.

У даному розділі розраховується режим зварювання шва №2, тому що він найбільше часто зустрічається в даній конструкції.

Розрахунок режиму напівавтоматичного зварювання в суміші захисних газів

Тип шва Н1. Катет шва 3 мм. Діаметр електродного дроту 1,2 мм.

. Зварювальний струм:

 (4.1)

де - діаметр електродного дроту, 1,2 мм

і - щільність струму, 120 А/ммІ.

I_св = (3,14·1,2²)/4·120=135 А

Струм коливається в межах 130-140 А.

. Напруга дуги:

U_Д =15+0,05·I/d^0.5 (4.2)

U_Д =15+0,05·135/1,2^0.5=20 В

Напруга на дузі коливається у вузькій межі Uд = 20-22 В

. Швидкість зварювання:

                                              (4.3)

де А - розрахунковий коефіцієнт, що вибирається по таблиці 6 [52].

Приймаємо: А=5·10³,

V_св =5000/135=37 м/час

4. Швидкість подавання дроту:

V_nn=4·б_н·I_св/р∙d_эл²·г (4.4)

де г - щільність основного металу - 7,8 г/см³,

б_н - коефіцієнт наплавлення 16 г./А·ч.

V_nn =4·16·135/3,14·1,2²·7,8=244 м/ч

. Погонна енергія q_n=8,64∙I_св·U_д·з/V_св (4.5)

q_n =8,64·135·20·0,85/37=535 Дж/м

Зварювання напускного з'єднання типу Н1 виконується зварювальним напівавтоматом ВUG-O-SYSТЕМ дротом діаметром 1,2 мм марки Св-08Х20Н9Г7Т у середовищу захисних газів (Аr) електродом, що плавиться у спеціальному пристосуванні «кондукторі» для забезпечення твердості звареного з'єднання.

Рис. 4.1. Установка для зварювання різнорідної сталі 10Х13М18Д+09Г2С

Для зварювання в СО₂ дротом Св-08Х20Н9Г7Т діаметром 1,2 мм наступні режими зварювання: I_св = 40 А, Uд = 18 В, V_nn =180 м/ч, V_св =34-36 м/час.

Розрахунок режиму ручного дугового зварювання

1. Зварювальний струм:

I_св = (р·d²/4) ·i, (4.6)

де і - допустима щільність струму, А/мм².

де - діаметр електрода, 2 мм.

I_св = (3,14·2²/4) ·25=78 А

Струм коливається в межах 75-80 А.

2. Напруга на дузі коливається у вузькій межі Uд = 28-32 В або встановлюється за паспортним даними на кожну марку електрода.

. Швидкість зварювання:

V_св=б_н·I_св/ (г·F_н), (4.7)

б_н=8,3 г/А·ч - коефіцієнт наплавлення,

г=7,8 г/см³ - питома вага наплавленого металу;_н - площа поперечного перетину наплавленого металу за даний прохід.

V_св =8,3∙78/7,8∙4,5=12 м/час

. Погонна енергія

q_n=0,24∙I_св·U_д·з/V_св (4.8)

q_n =0,24·78·28·0,75/12=32,8 Дж/м.

Як електричне встаткування для РДЗ приймаємо інверторний зварювальний апарат постійного струму PІCO 230.

Рис. 4.2. Інверторний зварювальний апарат постійного струму

.4 Оцінка хімічного складу шва

Склад металу шва визначається залежно від зварювального металу, виду й умов експлуатації конструкції, термічного циклу зварювання й інших факторів.

Зробимо розрахунок змісту кожного елемента для сталі 10Х13Г18Д. Тому що склад металу шва вважається хімічно однорідним, то враховуємо частку основного металу у шві.

[X]_шва = г[X]_омe + п[X]_п + ДЧ, (4.9)

де [X]_шва - зміст елемента у шві або проході, %;

[X]_оме - зміст елемента в основному металі, %;

г - частка участі основного металу в металі шва;

п - частка участі присадкового металу в металі шва;

[X]_п - зміст елемента в присадці;

ДЧ - втрати на вигоряння і розбризкування (приймаємо =0, тому що немає даних).

г=F_пр/(F_пр+F_н)=F_пр/F_ш (4.10)

п=F_н/(F_н+F_пр)=F_н/F_ш, або п=1-г (4.11)

де F_н - площа наплавлення;_пр - площа проплавлення;_шва - загальна площа шва.

Розрахуємо складові: F_н = 4,5 мм², F_пр=3,75 мм²

г =3,75/(3,75+4,5)=0,45, п =4,5/(3,75+4,5)=0,55

Кількість елемента (у відсотках) беремо з характеристики електродної проволоки, п. 4.2: [С]=0,45·0,1+0,55·0,12+0=0,111

[Cr]= 0,45·13+0,55·20+0=16,85 [Sі]= 0,45·0,7+0,55·0,8+0=0,755

[Mn]= 0,45·18+0,55·7+0=11,95 [P]= 0,45·0,03+0,55·0,03+0=0,03

[Nі]= 0,45·2+0,55·8,5+0=5,57 [S]= 0,45·0,02+0,55·0,02+0=0,02

Вважаємо, що інші елементи (Cu) присутні у шві в кількості, що відповідає складу сталі (0.6 відповідно), а елемент Tі =1,3 відповідає складу електрода.

Зробимо розрахунок змісту кожного елемента для сталі 09Г2С. Для зварювання цієї сталі використаємо електродний дріт Св-08Г2С.

Кількість елемента (у відсотках) беремо з характеристики електродної проволоки, п. 4.2.

[С]=0,45·0,09+0,55·0,08+0=0,0845 [Sі]= 0,45·0,8+0,55·1+0=0,91

[Mn]= 0,45·1,5+0,55·2+0=1,775 [S]= 0,45·0,04+0,55·0,02+0=0,029

[P]= 0,45·0,035+0,55·0,03+0=0,032

Якщо зварювати різнорідні сталі 10Х13Г18Д і 09Г2С, тоді хімічний склад металу шва буде визначатися їх сумарним складом і складом електродного дроту Св-08Х20Н9Г7Т.

5. Розробка методики оцінки складу зварювального диму

Нагрівання, плавлення й перенос електродного (присадкового) матеріалу, а також плавлення основного металу супроводжується протіканням ряду фізико-хімічних процесів. У роботі [43] для обліку зміни складу інгредієнтів, що формують зварювальну ванну, застосовують коефіцієнти переходу.

Коефіцієнт переходу являє собою ніби коефіцієнт корисного використання елемента. Зазначений показник визначається відношенням концентрації елемента в перенесеному у ванну металі до його змісту у вихідному матеріалі. Виходячи із цього, присутність елемента Э можна представити у вигляді:

[Э] = г∙ [Э]₀∙з₀ + (1 -г)∙[Э]_Э∙з_Э, (5.1)

де з₀, з_Э - коефіцієнти переходу елемента з основного й електродного металу відповідно; [Э]₀, [Э]_Э - зміст елемента в основному металі й електроді.

Найчастіше в розрахунках величиною з₀ зневажають, уважаючи з₀≈1. Значення коефіцієнтів переходу з_Э, для деяких випадків дугового зварювання наведені в таблиці 5.1.

Таблиця 5.1. Коефіцієнт переходу з_Э деяких елементів для різних способів дугового зварювання

Спосіб зварювання	Коефіцієнти переходу по елементах
	С	Мп	Si	О
Зварювання на повітрі без захисту:
дротом Св-08А	0,3-0,4	0,39-0,56	-	-
дротом Св-18ХГСА	0,29-0,34	0,63-0,69	0,5-0,87.	0,9-0,95
Зварювання в середовищі СО2:
дротом 12X18Н9Т	-	0,78	0,78	0,94
дротом Св-18ХГСА	0,79	0,80	0,81	0,94
дротом Св-10ГС	0,71	0,55	0,37	-
Зварювання у суміші (Аг+5% О2):
дротом Св-18ХГСА	0,60	0,69	0,71	0,92
дротом Св-10ГС	0,59	0,41	0,32	-
Зварювання електродами УОНИ-13/45	-	0,45-0,55	0,14-0,27	-

Необхідно, однак, відзначити велику похибку розрахунків при використанні коефіцієнтів переходу. Це пояснюється залежністю величини з від режимів зварювання, способу введення легуючих елементів, окисних умов у зоні зварювання. В [43] указується, що при одній і тієї ж вихідної концентрації легуючого елемента його перехід буде істотно менше, якщо він уводиться в покриття, флюс, а не в дріт, або при зменшенні уведення розкислювачів.

Букі А.А при розгляді фізико-хімічних процесів, що супроводжують плавлення й вибірний випар багатокомпонентного металу, взаємодіючого з багатокомпонентними газами і шлаком, застосував функції нерівновагої термодинаміки [53]. У роботі [43] приводиться методика інженерного розрахунку хімічного складу шва, одержуваного при зварюванні дротом суцільного перетину в середовищі захисних газів.

Можливі табличний і графоаналітичний методи розрахунку. Рівняння моделі перетворені так, щоб по комплексному параметру К_т можна було розрахувати коефіцієнт переходу легуючих елементів. Комплексний параметр повинен визначатися з умов зварювання. Приймаючи в попередньому розрахунку [Э]_шi=[Э]_ш.см.i, К_т рекомендується розрахувати по формулі [53]:

 (5.2)

 (5.3)

де К_з - коефіцієнт швидкості плавлення металу, м³/(А∙с),

а_с - коефіцієнт, дорівнює ;

К₂ - коефіцієнт окисної здатності захисного газу (середовища), що залежить від парціальних тисків газів, що містять кисень;_п.п - швидкість подачі електрода, м/ч;

F_э - перетин електрода, мм²;

[С]_р - рівноважна концентрація вуглецю в металі, при рівновазі в системі метал-газ (при зварюванні СО₂ С_р=0,09%);

K_i - коефіцієнт окислення і-гo елемента;

К_с - коефіцієнт окислення вуглецю;

K₁ - коефіцієнт, що характеризує цикл зварювання;

I_ср - середній зварювальний струм, А.

Якщо зварювальний струм, напруга на дузі, витрата газу й інших парів-метрів прийняті по відповідних рекомендаціях [43], то значення К₁ й K₂ можуть бути визначені з табл. 5.2. Значення коефіцієнта K_i окислення для деяких елементів представлені в табл. 5.4.

Таблиця 5.2. Коефіцієнти для табличного методу розрахунку складу металу

захисний газ	коефіцієнти		характер переносу електрода
	К1	К2
Відкритою дугою	1,33	0,75	с коротким замиканням
СО2	1,33	0,85	те ж
у потоці повітря	1,33	1,2	те ж
в потоці пари	1,05	1,5	крупнокапельний КЗ
в аргоні	1	0,05	струминний
Аг+<20% О2	1		те ж
Аг+<5% О2+СО2, 0…30% СО2	1	те ж	те ж
СО2+О2(до 20% О2)	1,33		із КЗ

Табличний метод полягає в розрахунку комплексного параметра К_m і визначенні по таблиці коефіцієнтів переходу легуючих елементів (див. табл. 5.3), які пов'язані з К_m наступним співвідношенням

(5.4)

Тут  - коефіцієнт, чисельно дорівнює вазі кисню, необхідного для окислювання 1 кг і-го елемента.

Таблиця 5.3. Коефіцієнти переходу легуючих елементів

Кт	Коефіцієнти переходу легуючих елементів
	зTi	зAl	зSi	зМn	зV	зСг	зС
1	2	3	4	5	6	7	8
0,1	0,018	0,023	0,102	0,14	0,285	0,43	0,057
0,13	0,0235	0,03	0,129	0,174	0,34	0,49	0,073
0,17	0,0305	0,0385	0,162	0,216	0,4	0,56	0,0935
0,2	0,036	0,045	0,0185	0,244	0,44	0,605	0,108
0,28	0,049	0,062	0,24	0,322	0,525	0,68	0,145
0,4	0,069	0,086	0,31	0,392	0,61	0,75	0,195
0,5	0,085	0,105	0,36	0,446	0,662	0,79	0,232
0,6	0,1	0,124	0,404	0,49	0,705	0,82
0,7	0,115	0,141	0,44	0,53	0,735	0,84	0,3
0,8	0,128	0,16	0,476	0,565	0,76	0,86	0,327
0,9	0,143	0,175	0,505	0,59	0,78	0,87	0,353
1,0	0,156	0,19	0,53	0,615	0,795	0,885	0,38
1,4	0,206	0,25	0,61	0,695	0,845	0,915	0,46
1,6	0,228	0,28	0,64	0,72	0,86	0,925	0,49
2,0	0,27	0,32	0,695	0,76	0,885	0,935	0,55
2,4	0,307	0,36	0,73	0,79	0,905	0,95	0,59
3,0	0,356	0,415	0,77	0,83	0,92	0,96	0,645
3,4	0,386	0,445	0,79	0,845	0,93	0,96	0,77
4,0	0,424	0,485	0,82	0,865	0,94	0,965	0,705
4,4	0,45	0,51	0,83	0,875	0,945	0,965	0,73
5,0	0,48	0,54	0,85	0,89	0,95	0,97	0,75
5,4	0,5	0,56	0,86	0,9	0,955	0,97	0,765
6,0	0,527	0,585	0,87	0,905	0,96	0,975	0,785
7,0	0,565	0,62	0,89	0,92	0,965	0,98	0,81
8,0	0,597	0,65	0,9	0,93	0,97	0,985	0,83
10,00	0,65	0,7	0,92	0,94	0,975	0,99	0,86
12,00	0,69	0,74	0,93	0,95	0,98	0,99	0,88
14,0	0,72	0,77	0,94	0,96	0,98	0,99	0,895
18,0	0,77	0,81	0,955	0,985	0,985	0,99	0,915
22,0	0,8	0,87	0,96	0,97	0,99	0,995	0,93
30,0	0,85	0,88	0,97	0,98	0,99	0,995	0,95
40,0	0,88	0,9	0,98	0,985	0,995	1,0	0,96
60,0	0,92	0,935	0,985	0,99	0,995	1,0	0,975
100,0	0,95	0,96	0,99	0,995	1,0	1,0	0,98

Графоаналітичний розрахунок застосовується, коли немає високих вимог до точності розрахунку [43]. Він припускає визначення комплексного параметра К_т і знаходження коефіцієнтів переходу легуючих елементів по номограмі (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Номограма для розрахунку коефіцієнта переходу з_э

Розрахунок К_т здійснюється по формулі:

(5.5)

де К₆ - коефіцієнт, що залежить від захисного середовища.

Таблиця 5.4. Значення коефіцієнтів К_i и А_i для деяких елементів

Коефіцієнти	Значення коефіцієнтів для розрахунку концентрації в мольних частках (у вагових одиницях)
	Si	Mn	Cr	Ti	Al	C	Fe
Кi	10 (1,0)	7,6 (0,18)	2,3 (0,04)	5,3 (3,0)	6,1 (-)	18,8 (4,4)	(-)
	1 (0,88)	1 (3,44)	1 (3,25)	1 (1,8)	1 (-)	1 (0,375)	(0,0016)

Коефіцієнти переходу будемо знаходити по табличному методу. Після розрахунку коефіцієнта переходу можна визначити скільки того чи іншого елемента міститься в повітрі наступним чином.

Знаходимо присутність елемента у зварному шві з обліком коефіцієнтів переходу по 5.1. Визначаємо їхній зміст у зварювальному факелі у% (на прикладі марганцю):

_СА = Mn_∑ - [Mn]=%, (5.6)

де Mn_∑ = Mn_пр + Mn_{осн. м} - сумарний вміст марганцю, %_пр - кількість Mn у зварювальному дроті або електроді, %_{осн. м} - вміст Mn в основному металі (сталі 10Х13Г18Д і 09Г2С), %.

Потім це значення потрібно перевести мг/м³. Визначаємо вагу наплавленого металу, г:

G_н = F_ш∙L_ш∙г, (5.7)

де F_ш - площа шва, см²;_ш - довжина шву, см;

г - щільність основного металу - 7,8 г/см³.

Знаючи вагу наплавленого металу і долю елемента в ЗА, методом пропорції визначаємо кількість елементу в мг у повітрі. Приймемо для розрахунку обсяг приміщення V_пом = 25920 м² (стандартні розміри, 72х72х5 м), тоді визначаємо скільки елемента у мг міститься в 1м³. В кінці порівнюємо отримане значення з ГДК (див. табл. 3.1). Якщо отримане значення вище ГДК, то необхідно використовувати більш ефективні засоби вентиляції і індивідуального захисту органів дихання.

6. Дослідження складу диму при зварюванні однорідних та різнорідних сталей вагонобудування

.1 Ручне дугове

Загальний зміст пилу, окислів марганцю, фтористих і хромоутримуючих з'єднань у робочій зоні визначається складом металу, що зварюється, стрижня електродів й обмазки, силою зварювального струму й діаметром електродів, положенням тіла зварника щодо дуги, конфігурацією виробів, що зварюють, ефективністю застосовуваних протипилових заходів.

Ручне зварювання здійснюється електродами різних марок, що відрізняються хімічним складом дроту й покриттів, до складу яких входять: феромарганець, марганцева руда, металевий марганець, плавиковий шпат, електродний мармур, феросиліцій, кварцовий пісок й ін.

При зварюванні сталей 10Х13Г18Д и 09Г2С зварювальний дим буде визначатися хімсоставом електрода й основного металу (сталей 09Г2С и 10Х13Г18Д). Для вибору покритих зварювальних електродів використаємо ГОСТ 9466-60. Підберемо електроди типу ЭА-1Б марки ЦЛ -11 ГОСТ 10052-62. Виготовляються вони з використанням зварювального дроту Св-08Х19Н10Б ГОСТ 2246-70. Можливий склад ЗА в цьому випадку: вуглець і його з'єднання, марганець, хром, мідь, кремній, нікель, сірка, залізо, нікель, ніобій, і інші домішки. Більше детальний і кількісний склад можна одержати, провівши серію послідовних експериментів, наприклад, методом рентгенівської фотоелектронної спектроскопії.

При РДЗ токсичність ЗА визначається видом покриття електрода: максимальна токсичність зафіксована в аерозолів, що виділяються при застосуванні електродів з основним покриттям, через наявність у них фторидів, що, однак, знижується при введенні в покриття рутилу. Целюлозне покриття є джерелом великої кількості аерозолю внаслідок згоряння целюлози з виділенням чадного й вуглекислого газів, водню й пар води, що, однак, містить незначна кількість речовин, що визначають його токсичність [45].

Прогноз складу зварювального факела для сталі 10Х13Г18Д

Зробимо прогноз складу зварювального факела за коефіцієнтами засвоєння марганцю й хрому для сталі 10Х13Г18Д аустенітного класу, для цього скористаємося графічним методом. Хімічний склад сталі наведений у табл. 4.1.

Для розрахунку візьмемо зварений шов-стик аркушів даху вагона (з'єднання - стикове рис. 6.1, для товщини основного металу 1,5 мм приймаємо діаметр електрода 2 мм. Зварювання виконується відкритою дугою електродом ЭА-1Б марки ЦЛ -11 за один прохід.

а)  б)

Рис. 6.1. Характер звареного з'єднання: а) - ескіз оброблення, б) - ескіз звареного шва

Знайдемо невідомі значення для (5.1) і (5.2).

Коефіцієнти К₁=1,33, К₂=0,75 прийняті по табл. 5.2,

г= F_пр/(F_пр+F_н)= F_пр/F_ш; (6.1)=1-г‚ (6.2)

де F_н - площа наплавлення;_пр - площа проплавлення;_шва - загальна площа шва.

г - частка участі основного металу в металі шва;- частка участі присадкового металу в металі шва;

, (6.3)

де b=0, S=S₁=1,5 мм, g₁=g=1 мм, e<7 мм параметри оброблення й шва._н=4,5 мм², F_пр=3,5 мм²

г=3,5/(4,5+3,5)=0,44=1-0,45=0,56

Приймемо, що частка участі основного металу в металі шва становить 44%, доля участі електродного металу 56%.

Площа перетину електрода: F_э=р∙R²=3,14 мм.

Визначаємо комплексний параметр для марганцю:

Комплексний параметр для хрому:

Комплексний параметр для кремнію:

По табл. 5.3 знаходимо відповідні значення коефіцієнтів переходу з_Mn=0,174, з_Cr=0,52, з_Si =0,102. Таким чином, чим менше коефіцієнт переходу, тим більше зміст елемента у зварювальному факелі.

Визначимо зміст Mn, Cr, Si, Ti у шві по (5.1):

[Mn] = г∙[Mn]₀∙з₀+n∙[Mn]_Э∙з_Mn=0,44∙18+0,56∙2∙0,174= 8,12%

[Cr] = г∙ [Cr]₀∙з₀+n∙[Cr]_Э∙з_Cr=0,44∙13+0,56∙20∙0,52=11,5%.

[Si] = г∙[Si]₀∙з₀+n∙[Si]_Э∙з_Si=0,44∙0,6+0,56∙1,2∙0,1=0,33%

Визначаємо їхній зміст у зварювальному факелі у%, знаючи коефіцієнт переходу елементів: Mn_СА = Mn_∑ - [Mn]=20-8,12=11,88%.

_СА = Cr_∑ - [Cr]=33-11,5=21,5%, Si_СА = Si_∑ - [Si]=2-0,33=1,67%.

Розрахуємо по пропорції вміст елементів у зварювальному факелі в мг/м³. Отримаємо Mn≈ 0,24 мг/м³, Cr≈ 0,44 мг/м³, Si≈0,034 мг/м³. Вміст марганцю і хрому перевищує ГДК (див. табл. 3.1). Тому треба приділити увагу проектуванню вентиляції, можливо, навіть змінити її, якщо вона не в змозі забезпечити оптимальні умови праці.

Для інших елементів розрахунок, нажаль, зробити не можна, тому що не вистачає даних по коефіцієнтам окислення елементів.

Прогноз складу зварювального факела для сталі 10Х13Г18Д і 09Г2С

Зробимо прогноз складу зварювального факела за коефіцієнтами засвоєння марганцю й хрому для сталі 10Х13Г18Д аустенітного класу і 09Г2С. Хімічний склад сталі 09Г2С наведений у табл. 4.3.

Для розрахунку візьмемо зварений шов-стик аркушів даху вагона (з'єднання - стикове рис. 6.1, для товщини основного металу 1,5 мм приймаємо діаметр електрода 2 мм. Зварювання виконується відкритою дугою електродом ЭА-1Б марки ЦЛ -11 за один прохід.

Знайдемо невідомі значення для (5.1) і (5.2).

Коефіцієнти К₁=1,33, К₂=0,75 прийняті по табл. 5.2,

,_пр=3,75 мм²

г=0,45=0,55

а) б)

Рис. 6.2. Характер звареного з'єднання: а) - ескіз оброблення, б) - ескіз зварного шва

Приймемо, що частка участі основного металу в металі шва становить 45%, доля участі електродного металу 55%.

Зварювальний струм:

Швидкість подачі дроту:

Площа перетину електрода: F_э=р∙R²=3,14 мм.

Визначаємо комплексний параметр для марганцю:

Комплексний параметр для хрому:

Комплексний параметр для кремнію:

По табл. 5.3 знаходимо відповідні значення коефіцієнтів переходу з_Mn =0,14, з_Cr=0,43, з_Si =0,162. Визначимо зміст Mn и Cr у шві по (5.1):

[Mn] = г∙[Mn]₀∙з₀+n∙[Mn]_Э∙з_Mn=0,45∙(18+2)∙1+0,55∙2∙0,14=9,15%

[Cr] = г∙ [Cr]₀∙з₀+n∙[Cr]_Э∙з_Cr=0,45∙(13+0,3)∙1+0,55∙20∙0,43=10,7%.

[Si] = г∙[Si]₀∙з₀+n∙[Si]_Э∙з_Si=0,45∙(0,6+0,7)+0,55∙1,2∙0,162=0,69%

Визначаємо їхній зміст у зварювальному факелі у%, знаючи коефіцієнт переходу елементів: Mn_СА = Mn_∑ - [Mn]=22-9,15=12,85%

_СА = Cr_∑ - [Cr]=33,3-10,7=22,6%.

Si_СА = Si_∑ - [Si]=3-0,69=2,31%

Розрахуємо по пропорції вміст елементів у зварювальному факелі в мг/м³. Отримаємо Mn≈ 0,27 мг/м³, Cr≈ 0,48 мг/м³, Si≈0,049 мг/м³. Вміст марганцю і хрому перевищує ГДК (див. табл. 3.1). Тому треба приділити увагу проектуванню вентиляції, можливо, навіть змінити її, якщо вона не в змозі забезпечити оптимальні умови праці.

Ми бачимо, що у другому випадку вміст Mn, Si, у факелі більше ніж у першому, а Cr менше. Отримані результати, відрізняються тому що було змінено з’єднання і хімічний склад зварювальних сталей. Таким чином, при зміні кількості Mn і Cr треба переглянути організацію вентиляції, щоб вона забезпечувала оптимальні параметри мікроклімату в приміщені.

.2 Напівавтоматичне в Ar

Зміст пилу в зоні подиху зварника при напівавтоматичному зварюванні значно вище, ніж при автоматичному. При зварюванні електродом, що плавиться, у захисних газах у ТСЗА переходить 0,5…2,0% маси зварювального дроту. Хімічний склад що утвориться ТСЗА на 80…90% обумовлений складом зварювальних матеріалів [21].

При механізованому зварюванні в СО₂, сумішах дротом суцільного перетину основними компонентами газоподібної складової ЗА є монооксид вуглецю й оксиди азоту. Зниження окисної здатності захисного газу (введення до складу суміші аргону) приводить до зменшення інтенсивності виділення монооксида вуглецю й збільшенню оксидів азоту. Введення до складу захисної суміші кисню також знижує виділення монооксида вуглецю в результаті його окислювання й активізує утворення оксидів азоту. Зі зменшенням змісту СО₂ у захисному газі знижується зміст СО у ЗА.

Для зварювання сталей 09Г2С і 10Х13Г18Д застосовуємо дріт Св - 08Х20Н9М7Т [47] і захисному газі Ar. ЗА буде містити: оксиди азоту, марганець, монооксид вуглецю, аргон, мідь, кремній, нікель, титан.

На склад диму при напівавтоматичному зварюванні впливають: умови зварювання, сила струму, захисний газ, основний метал, присадковий метал, витрата захисного газу, підготовка поверхні, товщина металу, довжина дуги, рід і полярність струму, атмосферні умови.

Прогноз складу зварювального факела для сталі 10Х13Г18Д

Зробимо прогноз складу зварювального факела за коефіцієнтами засвоєння марганцю й хрому для сталі 10Х13Г18Д аустенітного класу, для цього скористаємося графічним методом. Хімічний склад сталі наведений у табл. 4.1.

Для розрахунку візьмемо зварений шов-стик аркушів даху вагона (з'єднання - стикове рис. 6.1, для товщини основного металу 1,5 мм приймаємо діаметр електродного дроту 1,2 мм. Зварювання виконується в захисному газі (аргон) за один прохід. Основні вимоги до зварювального дроту - одержання аустенітного шва близького по складу до сталі 10Х13Г18Д. Найбільш близький (по Mn й інших елементах) дріт Св-08Х20Н9Г7Т [47].

Знайдемо невідомі значення для (5.1) і (5.2).

Коефіцієнти К₁=1, К₂=0,05 прийняті по табл. 5.2,

г= F_пр/(F_пр+F_н)= F_пр/F_ш; n=1-г‚

,

де b=0, S=S₁=1,5 мм, g₁=g=1 мм, e<7 мм параметри оброблення й шва [11]._н=4,5 мм², F_пр=3,5 мм²

г=3,5/(4,5+3,5)=0,44=1-0,45=0,56

Приймемо, що частка участі основного металу в металі шва становить 44%, доля участі електродного металу 56%. Площа перетину електрода: F_э=р∙R²=1,13 мм.

Визначаємо комплексний параметр для марганцю:

Комплексний параметр для хрому:

Комплексний параметр для кремнію:

Комплексний параметр для титану:

По табл. 5.3 знаходимо відповідні значення коефіцієнтів переходу з_Mn =0,3, з_Cr=0,77, з_Si =0,38, з_Ti=0,09. Таким чином, чим менше коефіцієнт переходу, тим більше зміст елемента у зварювальному факелі.

Визначимо зміст Mn, Cr, Si, Ti у шві по (5.1):

[Mn] = г∙[Mn]₀∙з₀+n∙[Mn]_Э∙з_Mn=0,44∙18+0,56∙7∙0,3= 9,096%

[Cr] = г∙ [Cr]₀∙з₀+n∙[Cr]_Э∙з_Cr=0,44∙13+0,56∙20∙0,77=14,34%.

[Si] = г∙[Si]₀∙з₀+n∙[Si]_Э∙з_Si=0,44∙0,6+0,56∙0,8∙0,38=0,434%

[Ti] = г∙ [Ti]₀∙з₀+n∙[Ti]_Э∙з_Ti=0,44∙0+0,56∙1∙0,09=0,05%.

Визначаємо їхній зміст у зварювальному факелі у%, знаючи коефіцієнт переходу елементів.

_СА = Mn_∑ - [Mn]=25-9,096=15,904%._СА = Cr_∑ - [Cr]=33-14,34=18,66%.

Si_СА = Si_∑ - [Si]=1,5-0,434=1,066%.

Ti_СА = Ti_∑ - [Ti]=1-0,05=0,95%.

Розрахуємо по пропорції вміст елементів у зварювальному факелі в мг/м³. Отримаємо Mn≈ 0,32 мг/м³, Cr≈ 0,38 мг/м³, Si≈0,02 мг/м³, Ti≈0,019 мг/м³. Вміст марганцю і хрому перевищує ГДК (див. табл. 3.1). Тому треба приділити увагу проектуванню вентиляції, можливо, навіть змінити її, якщо вона не в змозі забезпечити оптимальні умови праці.

Прогноз складу зварювального факела для сталі 10Х13Г18Д і 09Г2С

Зробимо прогноз складу зварювального факела за коефіцієнтами засвоєння марганцю й хрому для сталі 10Х13Г18Д аустенітного класу і 09Г2С. Хімічний склад сталі 09Г2С наведений у табл. 4.3.

Для другого випадку візьмемо зварене з'єднання - Н1 рис. 6.2, приймаємо діаметр електродного дроту 1,2 мм. Зварювання виконується в захисному газі (аргон) за один прохід. Дріт Св-08Х20Н9Г7Т такий як і у першому випадку. Знайдемо невідомі значення для (5.1) і (5.2).

Коефіцієнти К₁=1, К₂=0,05 прийняті по табл. 5.2,

г=0,45=0,55

Приймемо, що частка участі основного металу в металі шва становить 45%, доля участі електродного металу 55%.

Зварювальний струм:

Швидкість подачі дроту:

Площа перетину електрода: F_э=р∙R²=1,13 мм.

Визначаємо комплексний параметр для марганцю:

Комплексний параметр для хрому:

Комплексний параметр для кремнію:

Комплексний параметр для титану:

По табл. 5.3 знаходимо відповідні значення коефіцієнтів переходу з_Mn =0,25, з_Cr=0,85, з_Si =0,38, з_Ti=0,095. Таким чином, чим менше коефіцієнт переходу, тим більше зміст елемента у зварювальному факелі.

Визначимо зміст Mn и Cr у шві по (5.1):

[Mn] = г∙[Mn]₀∙з₀+n∙[Mn]_Э∙з_Mn=0,45∙(18+2)∙1+0,55∙7∙0,25=9,96%

[Cr] = г∙ [Cr]₀∙з₀+n∙[Cr]_Э∙з_Cr=0,45∙(13+0,3)∙1+0,55∙20∙0,85=15,34%.

[Si] = г∙[Si]₀∙з₀+n∙[Si]_Э∙з_Si=0,45∙(0,6+0,7)+0,55∙0,8∙0,38=0,75%

[Ti] = г∙ [Ti]₀∙з₀+n∙[Ti]_Э∙з_Ti=0,45∙0+0,55∙1∙0,095=0,05%.

Визначаємо їхній зміст у зварювальному факелі у%, знаючи коефіцієнт переходу елементів.

_СА = Mn_∑ - [Mn]=27-9,96=17,04%_СА = Cr_∑ - [Cr]=33,3-15,34=17,96%.

Si_СА = Si_∑ - [Si]=2,3-0,75=1,55%

Ti_СА = Ti_∑ - [Ti]=1-0,05=0,95%.

Розрахуємо по пропорції вміст елементів у зварювальному факелі в мг/м³. Отримаємо Mn≈ 0,36 мг/м³, Cr≈ 0,38 мг/м³, Si≈0,033 мг/м³, Ti≈0,02 мг/м³. Вміст марганцю и хрому перевищує ГДК (див. табл. 3.1). Тому треба приділити увагу проектуванню вентиляції, можливо, навіть змінити її, якщо вона не в змозі забезпечити оптимальні умови праці.

Ми бачимо, що у другому випадку вміст Mn, Si, Ti у факелі більше ніж у першому, а Cr так само. Отримані результати, відрізняються тому що було змінено з’єднання і хімічний склад зварювальних сталей. Таким чином, при зміні кількості Mn і Cr треба переглянути організацію вентиляції, щоб вона забезпечувала оптимальні параметри мікроклімату в приміщені.

6.3 Напівавтоматичне в СО₂

Для зварювання сталей 09Г2С і 10Х13Г18Д застосовуємо дріт Св - 08Х20Н9М7Т [47] і захисному газі СО₂. ЗА буде містити: оксиди азоту, марганець, монооксид вуглецю, аргон, мідь, кремній, нікель, титан.

На склад диму при напівавтоматичному зварюванні впливають: умови зварювання, сила струму, захисний газ, основний метал, присадковий метал, витрата захисного газу, підготовка поверхні, товщина металу, довжина дуги, рід і полярність струму, атмосферні умови.

Прогноз складу зварювального факела для сталі 10Х13Г18Д

Для розрахунку візьмемо зварений шов-стик аркушів даху вагона (з'єднання - стикове рис. 6.1, для товщини основного металу 1,5 мм приймаємо діаметр електродного дроту 1,2 мм. Зварювання виконується в захисному газі (СО₂) за один прохід дротом Св-08Х20Н9Г7Т [47].

Знайдемо невідомі значення для (5.1) і (5.2).

Коефіцієнти К₁=1, К₂=0,05 прийняті по табл. 5.2,

г= F_пр/(F_пр+F_н)= F_пр/F_ш; n=1-г‚

,

де b=0, S=S₁=1,5 мм, g₁=g=1 мм, e<7 мм параметри оброблення й шва [11]._н=4,5 мм², F_пр=3,5 мм²

г=3,5/(4,5+3,5)=0,44=1-0,45=0,56

Приймемо, що частка участі основного металу в металі шва становить 44%, доля участі електродного металу 56%. Площа перетину електрода: F_э=р∙R²=1,13 мм.

Визначаємо комплексний параметр для марганцю:

Комплексний параметр для хрому:

Комплексний параметр для кремнію:

Комплексний параметр для титану:

По табл. 5.3 знаходимо відповідні значення коефіцієнтів переходу з_Mn =0,14, з_Cr=0,49, з_Si =0,162, з_Ti=0,03. Таким чином, чим менше коефіцієнт переходу, тим більше зміст елемента у зварювальному факелі.

Визначимо зміст Mn, Cr, Si, Ti у шві по (5.1):

[Mn] = г∙[Mn]₀∙з₀+n∙[Mn]_Э∙з_Mn=0,44∙18+0,56∙7∙0,14= 7,98%

[Cr] = г∙ [Cr]₀∙з₀+n∙[Cr]_Э∙з_Cr=0,44∙13+0,56∙20∙0,49=11,21%.

[Si] = г∙[Si]₀∙з₀+n∙[Si]_Э∙з_Si=0,44∙0,6+0,56∙0,8∙0,162=0,34%

[Ti] = г∙ [Ti]₀∙з₀+n∙[Ti]_Э∙з_Ti=0,44∙0+0,56∙1∙0,03=0,017%.

Визначаємо їхній зміст у зварювальному факелі у%, знаючи коефіцієнт переходу елементів.

_СА = Mn_∑ - [Mn]=25-7,98=17,02%._СА = Cr_∑ - [Cr]=33-11,208=21,79%.

Si_СА = Si_∑ - [Si]=1,5-0,34=1,16%.

Ti_СА = Ti_∑ - [Ti]=1-0,017=0,98%.

Розрахуємо по пропорції вміст елементів у зварювальному факелі в мг/м³. Отримаємо Mn≈ 0,35 мг/м³, Cr≈ 0,45 мг/м³, Si≈0,024 мг/м³, Ti≈0,02 мг/м³. Вміст марганцю і хрому перевищує ГДК (див. табл. 3.1).

Прогноз складу зварювального факела для сталі 10Х13Г18Д і 09Г2С

Для другого випадку візьмемо зварене з'єднання - Н1 рис. 6.2, приймаємо діаметр електродного дроту 1,2 мм. Знайдемо невідомі значення для (5.1) і (5.2). Коефіцієнти К₁=1, К₂=0,05 прийняті по табл. 5.2,

,_пр=3,75 мм²

г=0,45=0,55

Приймемо, що частка участі основного металу в металі шва становить 45%, доля участі електродного металу 55%.

Площа перетину електрода: F_э=р∙R²=1,13 мм.

Визначаємо комплексний параметр для марганцю:

Комплексний параметр для хрому:

Комплексний параметр для кремнію:

Комплексний параметр для титану:

По табл. 5.3 знаходимо відповідні значення коефіцієнтів переходу з_Mn =0,14, з_Cr=0,43, з_Si =0,16, з_Ti=0,031. Таким чином, чим менше коефіцієнт переходу, тим більше зміст елемента у зварювальному факелі.

Визначимо зміст Mn и Cr у шві по (5.1):

[Mn] = г∙[Mn]₀∙з₀+n∙[Mn]_Э∙з_Mn=0,45∙(18+2)∙1+0,55∙7∙0,14=9,54%

[Cr] = г∙ [Cr]₀∙з₀+n∙[Cr]_Э∙з_Cr=0,45∙(13+0,3)∙1+0,55∙20∙0,43=10,7%.

[Si] = г∙[Si]₀∙з₀+n∙[Si]_Э∙з_Si=0,45∙(0,6+0,7)+0,55∙0,8∙0,16=0,655%

[Ti] = г∙ [Ti]₀∙з₀+n∙[Ti]_Э∙з_Ti=0,45∙0+0,55∙1∙0,031=0,017%.

Визначаємо їхній зміст у зварювальному факелі у%, знаючи коефіцієнт переходу елементів.

_СА = Mn_∑ - [Mn]=27-9,54=17,46%_СА = Cr_∑ - [Cr]=33,3-10,7=22,6%.

Si_СА = Si_∑ - [Si]=2,3-0,655=1,645%

Ti_СА = Ti_∑ - [Ti]=1-0,017=0,983%.

Розрахуємо по пропорції вміст елементів у зварювальному факелі в мг/м³. Отримаємо Mn≈ 0,37 мг/м³, Cr≈ 0,48 мг/м³, Si≈0,035 мг/м³, Ti≈0,02 мг/м³. Вміст марганцю и хрому перевищує ГДК (див. табл. 3.1). Тому треба приділити увагу проектуванню вентиляції, можливо, навіть змінити її, якщо вона не в змозі забезпечити оптимальні умови праці.

Ми бачимо, що у другому випадку вміст Mn, Si, Ti у факелі більше ніж у першому, а Cr так само. Отримані результати, відрізняються тому що було змінено з’єднання і хімічний склад зварювальних сталей. Таким чином, при зміні кількості Mn і Cr треба переглянути організацію вентиляції, щоб вона забезпечувала оптимальні параметри мікроклімату в приміщені.

.4 Механізоване зварювання

Зварювання під флюсом виконується голим дротом, що зменшує виділення шкідливих речовин, які звичайно втримуються в покритих електродах. При автоматичному наплавленні флюс перешкоджає інтенсивному вигорянню легуючих елементів, однак у повітря попадають токсичні з'єднання марганцю, хрому, титану, вольфраму, кобальту.

Зі способів автоматичного й напівавтоматичного зварювання найпоширенішим є зварювання під шаром флюсу. Валове виділення пилу при цьому способі зварювання в багато разів нижче, ніж при ручному дуговому. Концентрація аерозолю в зоні подиху зварника за усередненим даними становить 5,1-12,2 мг/м³. Концентрації окислів марганцю в зоні подиху робітників, що обслуговують зварювальні автомати, коливаються від 0,11 до 0,7 мг/м³. При автоматичному наплавленні флюс перешкоджає інтенсивному вигорянню легуючих елементів, однак у повітря попадають токсичні з'єднання марганцю, хрому, титану, вольфраму, кобальту й ін. Виділення пилу при самому зварюванні невелике. Найбільші концентрації її (до 8 мг/м³) спостерігаються на відстані 200 мм від дуги. Запиленість у зоні подиху при нормальному плині процесу й достатньої кваліфікації зварника не перевищує ГДК.

Концентрація аерозолю, окислів марганцю й інших токсичних речовин у зоні подиху зварників залежать від складу й ступеня здрібнювання флюсу, конфігурації виробів, що зварюють, напрямку повітряних потоків у приміщенні й т.д. Запиленість зони подиху зварників при застосуванні свіжого флюсу в 2-2,8 рази нижче запиленості при використанні флюсу, що був у вживанні й тим самим більше роздрібненого.

У даному випадку механізоване зварювання не буде використовуватись, тому що шви короткі і товщина металу невелика, тому флюс не буде втримуватись, але склад ЗА буде визначатися хімічним складом дроту, флюсу й основного металу. Виберемо флюс АНФ 14 ГОСТ 9087-81 і зварювальний дріт Св-08Х20Н9Г7Т ГОСТ 2246-70 для зварювання сталей 09Г2С и 10Х13Г18Д.

.5 Аналіз отриманих результатів

Після проведення досліджень, можна зробити наступні виводи. Склад диму при зварюванні залежить від великої кількості факторів технологічного процесу: складу основного металу і присадкових матеріалів, режимів зварювання (рід і полярність струму, напруга на дузі), умов зварювання (тип шва, тип з’єднання, положення шва у просторі, вид конструкції, розмір конструкції) захисного газу, способу зварювання, геометрії шва, атмосферних умов, підготовки поверхні та інш.

Зварювання вузлів вагонобудування дуже трудомісткий процес. При цьому утворюється велика кількість зварювального аерозолю, тому що конструкція габаритна і виконується багато швів. Після розрахунку бачимо, що при полу автоматичному зварюванні в захисному газі кількість аерозолів менше, ніж при ручному. Але у випадку зварювання в Аr вміст Мn=0,32 мг/м³, а при РДЗ Mn≈ 0,24 мг/м³, це пояснюється тим, що в першому випадку вміст Mn в електродах 2%, у дроті 7%. Таким чином склад присадкових матеріалів впливає на склад ЗА. При зварюванні в СО₂ виділяється найбільше ЗА.

При зварюванні різнорідних сталей вміст елементів у ЗА, як правило, збільшується, бо стає складнішим склад металу шва (див. 6.1). Таким чином, методика дає можливість наочно побачити скільки елементів містить ЗА, якщо це значення перевищує ГДК, то необхідно переглянути умови зварювання, режими, можливо навіть змінити зварювальні матеріали, а також установити чи змінити вентиляційні установки, щоб зменшити кількість шкідливих речовин у ЗА.

Таблиця 6.1. Порівняння отриманих результатів

Спосіб зварювання і сталі	Mn	ГДК	Cr	ГДК	Si	ГДК	Ti	ГДК
1. РДЗ
10Х13Г18Д	0,24	0,2	0,44	0,01	0,034	2,0	-	10,0
10Х13Г18Д і 09Г2С	0,27		0,48		0,049		-
2. п/а в Ar
10Х13Г18Д	0,32	0,2	0,38	0,01	0,02	2,0	0,019	10,0
10Х13Г18Д і 09Г2С	0,36		0,38		0,033		0,02
3. п/а в CО2
10Х13Г18Д	0,35	0,2	0,45	0,01	0,024	2,0	0,02	10,0
10Х13Г18Д і 09Г2С	0,37		0,48		0,035		0,02

Список використаних джерел

1.  Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - 2-е изд. - М.: Наука, 1992. - 536 с.

2.  Грановский В.Л. Электрический ток в газе. - М.: Наука, 1971. - 543 с.

3.  Левченко О.Г. Влияние технологических режимов сварки в СО₂ конструкционных сталей на выделение аэрозоля // Автомат. сварка. - 1992. - №9-10. - С. 31-33.

4.  Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга. - М.: Машиностроение, 1970. - 336 с.

5.  Брауде М.З., Воронцова Е.И. Охрана труда при сварке в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1978. - 144 с.

6.  Ерохин А.А. Кинетика металлургических процессов дуговой сварки. - М.: Машиностроение, 1964. - 254 с.

7.  Кесаев А.Г. Катодные процессы электрической дуги. - М.: Наука. - 1968. - 244 с.

8.  Металлургия дуговой сварки: Процессы в дуге и плавление электродов / И.К. Походня, В.Н. Горпенюк, С.С. Миличенко и др.; Под ред. И.К. Походни; АН УССР. Ин-т электросварки им. Е.О. Патона. - Киев: Наук, думка, 1990. - 224 с.

9.  Левченко О.Г. Технологические способы снижения уровня образования сварочного аэрозоля. Обзор // Сварочн. пр-во. - 1998. - №3. - С. 32-38.

10.Невский А.П., Шараховский Л.И., Ясъко О.И. Взаимодействие дуги с электродами плазмотрона. - Минск: Наука и техніка, 1982. - 152 с.

11.Интенсивность образования аэрозолей при ручной сварке модулированным током / А.П. Головатюк, В.С. Сидорук, О.Г. Левченко и др. // Автомат. сварка. - 1985. - №2. - С. 39-40.

12.Ерохин А.А. Основы сварки плавлением. - М.: Машиностроение, 1973. - 448 с.

13.Ясько О.И. Электрическая дуга в плазмотроне. - Минск: Наука и техніка, 1977. - 152 с.

14.Раховский В.И. Физические основы коммутации электрического тока в вакууме. - М.: Наука, 1970. - 536 с.

15.Гвоздецкий В. С, Васенин Ю.Л. К вопросу об ионэлектронном (I - F-Т) механизме эмиссии // Поверхность: Физика, Химия. Механика. - 1985.- №3.-С. 15-19.

16.Острецов И.И. Петросов В.А., Поротников А.А., Родневич Б.В. Влияние индивидуальных полей ионов на автотермоэмиссию (I - F - Т-эмиссия) в области сильных полей // Теплофизика высоких температур. - 1974. - 12, №4. - С. 882-883.

17.Патон Б.Е., Гвоздецкий В. С, Васенин Ю.Я. Эмиссия электронов при испарении легкоионизируемых добавок материала катода // Автомат. сварка. - 1986. - №11. - С. 1-9.

18.Лапин И.Л., Туркин П. С, Самсонов В.И. Влияние плавикового шпата на структуру дуги, горящей в атмосфере воздуха // Свароч. пр-во. - 1978. - №4. - С. 1-2.

19.Походня И.К., Горпенюк В.Н., Миличенко С.С. и др. Метод и аппаратура для исследования оперативных свойств сварочных материалов // Сб. Всесоюз. конф. по свароч. материалам. - Киев, 1982. - С. 18-24.

20.Мадэй К.; Фрумин И.И., Кондратьев И.А. Влияние марганца на перенос электродного металла при плавлении высокомарганцевой порошковой проволоки // Автомат, сварка. - 1977. - №9. - С. 18-20.

21.Левченко О.Г. Процессы образования сварочного аэрозоля // Автоматическая сварка. - 1996. - №4 (517). - C. 17-21.

22.Researches on the origin and the characteristics of chromium in stainless steel welding fumes // Jap. Wei. Eng. Soc. - IIW Doc. II-A-563. - 82.

23.Van Bemst A., Delporte R., Willi A. Beitrag zum Studium der Schweissranche und zur Bestimmung gesundei Arbeitsbedingungen // Oerlikon Schweissmitteilungem. - 1973. - 32, №6. - S. 1-22.

24.Потапьевский А.Г. и др. Перенос электродного металла при сварке в углекислом газе. - «Автоматическая сварка. - 1971, №6, с 1-4.

25.Бучинский В.Н., Потапьевский А.Г. Влияние режима импульспо-дуговой сварки на металлургические реакции в дуговом промежутке // Автоматическая сварка. - 1970. - №12, 1 с.

26.http://metalloved.com

27.Металлургия дуговой сварки конструкционных сталей и сварочные материалы. И.К. Походня // Автоматич. сварка. - 2008. - №11. - С. 63-71.

28.Акулов А.И., Бельчук Г.А. и Демянцевич В.П. Технология и оборудование сварки плавленим. Учебник для студентов вузов. М., Машиностроение, 1977. - 432 с.

29.Головатюк А.П., Левченко О.Г. Гигиена труда при сварке в защитных газах. - Киев: ИЭС им. Е.О. Патона, 1990. - 24 с. 30.

30.www.complexdoc.ru

31.Методические указания по определению вредных веществ в сварочном аэрозоле (твердая фаза и газы). А.И. Заиченко. - М.: МП «Рарог», 1992. - 215 с.

32.Технологии. Материалы. Оборудование. Каталог 2005. Сост. А.Т. Зельниченко, В.Н. Липодаев. ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины. Киев. - 2005.

33.О.Г. Левченко, В.А. Метлицкий. Ускоренная оценка уровней выделения сварочных аэрозолей. Автоматическая сварка, 1997, №4 (539)

34.Исследование запыленности воздуха в рабочих помещениях: Метод. указ. По выполнению лаб. работ по дисциплине «Основы радиационной безопасности и промышленной экологии» для студентов спец. 240601 (250900), 240603 (251700). - Томск: Изд-во ТПУ, 2004 г. - 10 с.

35.Исследование запыленности воздушной среды производственных помещений: Метод. указания /сост.: С.Н. Гладких, А.А. Шайдоров, Ю.Н. Гладких, - НовГУ, Великий Новгород, 2005. - 8 с.

36.Охрана труда: Учебн. для студ. вузов. / Князевский Б.А., Долин П.А. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Вш., 1982. - 311 с.

37.Ерёмин Л.П., Гришагин В.М., Деменкова Л.Г. Образование сварочных аэрозолей и их влияние на безопасность жизнедеятельности сварщиков // Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах: Материалы VIII Международной научно-практической конференции - т. 2 - Кемерово, КузГТУ, 12 нояб. 2009. - Кемерово: Изд-во КузГТУ, 2009. - c. 75-78 (60811433).

38.Улавливание и нейтрализация токсичных газообразных веществ в сварочном производстве / А.А. Эннан, Т.Л. Ракитская // Автомат. сварка. - 2000. - №1. - С. 49-51.

39.Гедрович А.И. и др. Анализ факторов, влияющих на содержание сварочного факела при дуговой сварке плавлением // Вестник ВНУ им. В. Даля. - 2007 Часть 1. - №7 (113). - C. 61-66.

40.Сварка в машиностроении. Том 3. Под ред. В.А. Винокурова. - М.: Машиностроение, 1979. - 567 с.

41.Левченко О.Г. Способи та засоби локалізації і нейтралізації зварювальних аерозолів: Автореф. дис. докт. техн. наук: 05.26.01 / ННДІОП. - К., 2002. - 35 с.

42.Гедрович А.И. и др. Сварка аустенитной стали 10Х13Г18ДУ (ДИ-61Х) при изготовлении дизель- и электропоездов на Х/К «Лугансктепловоз» // Сварщик. - 2002. - №6 (28). - С. 10-11.

43.Перемитько В.В., Лебедев Б.Д. Расчетные методы в сварке плавлением: Учебн. Пособие. - Днепродзержинск, 1998. - 248 с.

44.Эннан А.А. Физико-химические основы улавливания, нейтрализации и утилизации сварочных аэрозолей. // Сборник трудов 1-й Международной научно-практической конференции «Защита окружающей среды, здоровье, безопасность в сварочной производстве». - Одесса, 2002. - С. 10-37.

45.Левченко О.Г. Совершенствование методов и средств защиты от сварочных аэрозолей // Автоматическая сварка. - 2001. - №6. - C. 27-32.

46.Левченко О.Г. Образование аэрозолей при сварке в СО₂ модулированным током // Там же. - 2000. - №8. - С. 48-50.

47.А.И. Гедрович, С.А. Ткаченко, А.Н. Ткаченко. Выбор сварочной проволоки и прогнозирование химического состава металла шва при сварке разнородных сталей/ Вісник СНУ ім. В. Даля, - 2007. - №7 (113), ч. 2. - С. 69-73.

48.В.А. Метлицкий, О.Г. Левченко. Работы ИЭС им. Е.О. Патона по оздоровлению условий труда сварщиков // Автоматическая сварка. - 1994. - №5-6. - C. 41-44.

49.ГОСТ 12.3.003-86. Работы электросварочные. Требования безопасности.

50.http://www.respirator.com.ua/

51.Гедрович А.И., Ткаченко А.Н., Ткаченко С.А. Современная технология сварки узлов вагоностроения. «Сварка и родственные процессы в промышленности // Доклады 22-го научноотехнического семинара (17 апреля 2007 г., г. Киев, Украина). - К.: Экотехнология, 2007 - С. 3-7.

52.Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Сварка плавлением» (для студентов, обучающихся по направлению «Сварка»)/сост.-А.И. Гедрович. - Луганск: ВНУ им. В. Даля, - 2005. - 17 с.

53.Буки А.А. Моделирование физико-химических процессов дуговой сварки. М.: Машиностроение, 1991. 288 с.

54.Левченко О.Г., Метлицний В.А. Современные средства защиты сварщиков. - К.: Екотехнолопя, 2001. -84 с.

55.Закон України «Про охорону праці», №229-IV від 21.11.2002 р.

56.НПАОП 0.00-4.36-05 Типовое положение о порядке проведения обучения и проверке знаний по вопросам охраны труда. Утверждено приказом Гостехнадзорохрантруда от 26.01.2005 г. №15.

57.НПАОП 0.00-8.24-05 Перечень работ с повышенной опасностью. Утверждено приказом Гостехнадзорохрантруда от 26.01.2005 г. №15.

58.Закон України про загальнообов'язкове державне соціальне страхування від нещасного випадку на виробництві та професійного захворювання, які спричинили втрату працездатності №1105-XIV від 23.09.99.

59.ГОСТ 12.0.003-74. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация.

60.ДСН 3.3.6.042-99. Державні санітарні норми мікроклімату виробничих приміщень. - К.: МО України, 1999. - 19 с. Увед. 01.01.2000.

61.ДБН В.2.5-28-2006. Природне та штучне освітлення. - К.: Мінстрой, 2006. - 76 с. Чинний 10.01.2006.

62.В.Ц. Жидецький, В.С. Джигирей, О.В. Мельников. Основи охорони праці. - Вид. 2-е, стериотипне. - Львів: Афіша, 2000. - 348 с.

63.НАПБ Б.03.002-2007. Норми визначення категорій приміщень, будинків та зовнішніх установок за вибухопожежною та пожежною небезпекою. Утв. приказом МНС №833 от 03.12.2007.

64.Конспект лекций по дисциплине «Основы охраны труда» часть первая (для студентов всех направлений обучения) / Сост.: В.Н. Кожин, Т.Я. Птушкина - Луганск: изд-во Восточноукр. нац. ун-та, 2001 - 55 с.

65.Методические указания к практическому занятию «Проектный расчет местных отсосов для сварочных постов» по дисциплине / Сост. А.И. Гедрович, Т.И. Анисимова. - Луганск: изд-во ВНУ им. В. Даля, 2005. - 16 с.