Зварювальний дим під контролем: мінімізація ризиків
Що таке зварювальний дим і як він утворюється?
Під час дугового зварювання температура дуги сягає кількох тисяч градусів. Метал випаровується, вступає в реакції та конденсується, утворюючи зварювальний дим. До його складу входять як газоподібні компоненти (зокрема озон, чадний газ, вуглекислий газ або оксиди азоту), так і тверді частинки, такі як оксиди заліза, нікелю та свинцю, марганець або сполуки хрому (VI). Водночас близько 95% викидів утворюється лише з одного джерела: присадкового матеріалу, тобто дроту, який безперервно подається в зварювальну ванну.
Зварювальний дим значною мірою є прихованою небезпекою. Оскільки більшість його частинок є наддрібними (часто менше 1 мкм, а деякі навіть менше 0,1 мкм), вони легко потрапляють до організму під час дихання. Окремі частинки можуть досягати альвеол - легеневих мішечків, у яких відбувається газообмін між кров’ю та киснем і вуглекислим газом (схема 1). Звідти вони можуть, залежно від свого складу, проникати в кровотік. Наслідки можуть бути серйозними: від хронічних захворювань органів дихання (наприклад, сидерозу, спричиненого оксидами заліза) до токсичного впливу чадного газу, оксидів азоту, озону або оксидів марганцю. Сполуки хрому (VI) та оксид нікелю також становлять канцерогенний ризик, особливо під час зварювання високолегованих сталей.
Граничні значення допомагають, але профілактика краща
Звичайно, існують нормативні вимоги, яких необхідно дотримуватися. Приміром, в Австрії розрізняють значення MAK (максимально допустима концентрація на робочому місці) та TRK (технічна контрольна концентрація). Якщо дотримання значень MAK вважається безпечним для здоров’я, то значення TRK не гарантують відсутності ризику. Вони є технічними нормативними показниками, які часто застосовуються для речовин, безпечність яких не підтверджена, зокрема для сполук хрому (VI). У цьому випадку нормативне значення становить 0,02 мг/м³.
У різних країнах діють різні гранично допустимі рівні викидів. Найсуворіші вимоги встановлені в Нідерландах, де допустима концентрація респірабельної фракції становить 1 мг/м³. У Німеччині цей показник складає 1,25 мг/м³, тоді як в Австрії (а також у Франції, Бельгії, Норвегії, США та Канаді) застосовується значення 5 мг/м³ для повітря робочої зони. Водночас важливо пам’ятати, що граничні значення, стандарти та нормативні вимоги відображають поточний стан знань і можуть змінюватися з часом. Тому компаніям слід регулярно перевіряти актуальні національні вимоги та відповідно актуалізувати оцінку ризиків.
Системний підхід: принцип STOP
Ефективне зменшення кількості зварювального диму ґрунтується на чіткій ієрархії заходів - принципі STOP. Заміна шкідливих чинників і технічні рішення належать до колективних засобів захисту, тому захищають також людей, які перебувають поблизу. Саме ці заходи мають бути пріоритетними. Якщо їх застосування неможливе, компанії повинні впроваджувати організаційні заходи, спрямовані переважно на обмеження залишкового впливу. Останнім рівнем є засоби індивідуального захисту . Оскільки вони захищають лише окрему людину, їх вважають найнижчим щаблем ієрархії STOP.
S - Substitution (Заміна) : процеси з меншим рівнем викидів (наприклад, TIG), альтернативні зварювальні дроти та захисні гази, оптимізована довжина дуги (схема 2)
T - Technical measures (Технічні заходи) : пальники з функцією видалення диму, автоматизовані комірки, витяжні пристрої
O - Organizational measures (Організаційні заходи): компоненти без залишкових забруднень, чисті та добре організовані робочі місця, скорочення часу впливу, обмеження доступу для стороннього персоналу, регулярне навчання
P - Personal measures (Засоби індивідуального захисту): засоби захисту органів дихання, якщо всі попередні заходи є недостатніми.
Ефективний інструмент знаходиться в руках тих, хто щодня займається зварюванням:
Коли вирішальне значення має дуга
Дослідження, проведене Німецькою асоціацією досліджень і технологій з’єднання (FEF) спільно з Fronius, показало, наскільки важливими є правильні налаштування зварювального апарата для зменшення викидів зварювального диму. Окрім самого процесу зварювання, параметри мають значний вплив на швидкість утворення зварювального диму (FER).
Порівняння трьох різних варіантів процесу (стандартного, з низьким рівнем розбризкування (Low Spatter Control) та імпульсної дуги) показало, що саме імпульсна дуга забезпечує найстабільніше перенесення металу та найнижчий рівень викидів. При цьому в усіх випадках параметри процесу, такі як швидкість подачі дроту, напруга та сила струму, залишалися однаковими.
Зварювання виконували дротом G-3Si1 (Ø 1,2 мм) на гарячекатаній нелегованій конструкційній сталі (S235JR) із використанням захисного газу M21 (82% Ar / 18% CO₂), у повністю механізованому режимі та за відтворюваних умов.
Що показали результати вимірювань
Стикові шви враховуючи наплавлення валиків:
Під час зварювання з використанням пальника з функцією видалення диму особливо низькі значення FER були зафіксовані при швидкості подачі дроту 5 м/хв і нейтральному положенні пальника. Неочікувано, при швидкості 11 м/хв рівень FER був нижчим, ніж при 8 м/хв (мал. 1). Причиною стала більша кількість коротких замикань при 8 м/хв, що, своєю чергою, призводило до збільшення викидів. Незмінним результатом усіх випробувань було те, що зварювання кутом назад незначно зменшувало рівень викидів за будь-якої швидкості подачі дроту.
Однак найбільший вплив мала корекція довжини дуги. Навіть помірне підвищення середньої напруги (приблизно на +0,4 В) суттєво знижувало значення FER за всіх швидкостей подачі дроту (мал. 2). Оптимальна довжина дуги мінімізує явища короткого замикання, забезпечуючи більш плавне перенесення металу, а отже, менше випаровування металу та зварювального диму
Кутові шви:
У цьому випадку рівень викидів загалом був нижчим, але спостерігалася та сама залежність (мал. 3)::
- швидкість подачі дроту 5 м/хв: приблизно 0,55 мг/с;
- швидкість подачі дроту 8 м/хв: приблизно 0,7 мг/с;
- швидкість подачі дроту 11 м/хв: приблизно 1,7 мг/с.
І тут техніка зварювання кутом назад також виявилася перевагою під час використання пальника з функцією видалення диму, особливо при високих швидкостях подачі дроту. Детальне дослідження при швидкості 11 м/хв показало мінімальне значення FER за корекції напруги -1,5 В. Якщо дугу подовжували або вкорочували, рівень викидів знову зростав, або через вищу потужність процесу, або через збільшення кількості коротких замикань.
Рекомендації для зварювального виробництва
Процес має вирішальне значення: імпульсний процес у багатьох випадках забезпечує особливо сприятливе перенесення металу.
Точно налаштовуйте довжину дуги: дуга має бути якомога коротшою, щоб процес працював із низькою, але стабільною частотою коротких замикань.
Оптимізуйте швидкість подачі дроту: під час випробувань найнижчі показники викидів були зафіксовані при швидкості подачі дроту 5 м/хв. Як правило, менша потужність дуги знижує рівень викидів навіть якщо процес зварювання залишається незмінним.
Вловлюйте зварювальний дим до того, як він пошириться
Окрім зварювального процесу та параметрів обладнання, вирішальне значення має ефективне видалення зварювального диму. Пальники з функцією видалення диму, такі як Fronius MTW 500i Exento, вловлюють зварювальний дим безпосередньо в місці його утворення - над зварювальною ванною. У поєднанні з потужною мобільною витяжною системою Fronius Exento HighVac вони дають змогу ефективно видаляти до 99% зварювального диму. Водночас важливо, щоб об’ємний розхід повітря витяжної системи перебував в оптимальному діапазоні. Недостатній розхід знижує ефективність видалення диму, тоді як надмірний може порушити газовий захист зварювальної ванни та спричинити утворення бризок або дефекти шва. Тому рекомендується регулярно перевіряти систему за допомогою відповідного вимірювального приладу.
Там, де використання пальника з функцією видалення диму неможливе (наприклад, під час MMA-зварювання), ефективною альтернативою є мобільна витяжна система Exento LowVac. Завдяки поворотному витяжному кожуху з оптимізованою аеродинамікою вона охоплює велику робочу зону. Крім того, значна площа фільтрації та мобільність роблять її ідеальним рішенням для робочих місць, які часто змінюються.
Усі системи Exento відповідають вимогам стандарту DIN EN ISO 21904‑1 щодо уловлювання та видалення зварювального диму. Цей стандарт визначає загальні вимоги до обладнання для локального уловлювання та видалення диму, включаючи конструкцію витяжних кожухів, повітропроводів, фільтрувальних установок, систем керування повітряним потоком, систем попередження та інструкцій з безпеки на робочому місці. Його мета полягає в тому, щоб забезпечити максимально повне уловлювання зварювального диму якомога ближче до місця його утворення та його надійне видалення.
Засоби індивідуального захисту: зварювальні шоломи з вентиляційно-фільтрувальним блоком
Засоби індивідуального захисту застосовуються для захисту окремих зварювальників у випадках, коли можливості локальних витяжних систем є недостатніми. Засоби захисту органів дихання з примусовою подачею очищеного повітря (PAPR) забезпечують надійний захист від найдрібніших частинок зварювального диму, безперервно подаючи в маску відфільтроване чисте повітря.
Поєднання надлишкового тиску всередині маски та високоефективних фільтрів для частинок суттєво знижує рівень впливу шкідливих речовин, особливо під час роботи в обмежених просторах, важкодоступних місцях або при використанні процесів без безпосереднього видалення диму в місці його утворення. Сучасні зварювальні маски Fronius Vizor Air з блоком примусової подачі та фільтрації повітря є яскравим прикладом ефективного засобу індивідуального захисту. Рівномірний потік повітря, зниження теплового навантаження та необмежене поле зору сприяють точній роботі навіть під час тривалих змін.
Висновок: вплив зварювального диму не є неминучим
Зварювальний дим можна контролювати. Завдяки правильному поєднанню сучасного керування процесом, точного налаштування параметрів, локального видалення диму та засобів індивідуального захисту робоче місце стає не лише безпечнішим, а й більш продуктивним і привабливим. Іншими словами, швидкість утворення зварювального диму не є незмінною величиною. Це параметр, який піддається регулюванню, і сьогодні фахівці зі зварювання вже мають у своєму розпорядженні всі необхідні інструменти, щоб ефективно тримати його під контролем.
Детальніше про безпеку зварювальників: https://www.fronius.com/en/welding-technology/world-of-welding/welding-safety