Электросварка в среде защитных газов
Наиболее часто в качестве защитных газов применяют углекислый газ, аргон и их смеси. Присадочным материалом и плавящимся электродом служит проволока такого же химического состава, что и свариваемый металл. Сварка с применением СО2 и специальных полуавтоматов наиболее распространена в промышленности, и на отдельных заводах составляет 70 % и более общего объема сварочных работ. Она отличается производительностью, в 2–3 раза превышающей производительность РДС.
Высокая производительность обеспечивается тепловой мощностью сварочной дуги, позволяющей применять большие скорости сварки. Стоимость сварки в СО2 в 2 раза меньше стоимости РДС. В то же время условия труда при полуавтоматической сварке плавящимся электродом в среде защитных газов, особенно СО2 или СО2+О2, весьма неблагоприятны. Подаваемый в зону сварки СО2 не ядовит, но под действием высокой температуры дуги он разлагается на кислород и окись углерода, являющуюся ядовитой. Также образуется СО (угарный газ) вследствие выгорания углерода из стали.
В процессе сварки также выделяется сварочная пыль. Состав пыли и ее количество зависят от состава защитного газа, свариваемого металла, применяемой электродной проволоки и режима сварки. Токсичность частиц пыли зависит от их состава и строения. Под действием ультрафиолетового излучения дуги вокруг нее образуется озон, а при попадании в зону сварки воздуха, загрязнений коррозионных покрытий в зоне дуги образуются окислы азота. Наиболее высока концентрация пыли и вредных газов в облаке дыма, поднимающегося из зоны сварки. Сварщик должен следить за тем, чтобы этот поток дыма не попадал за щиток в зону дыхания. Наибольшей вредностью при сварке в СО2 углеродистых сталей на токах до 400 А гигиенисты считают общее выделение пыли, а на токах более 400 А – окислы марганца. При наплавке 1 кг металла в СО2 выделяется меньше пыли и газов, чем при ручной дуговой сварке. Однако, поскольку при сварке в СО2 производительность более высокая, за 1 час выделяется примерно такое же количество дыма и пыли, как и при сварке штучными электродами.
Все виды сварки в защитных газах сопровождаются образованием озона О3 (ПДК – 0,1 мг∕м³), а также интенсивной ультрафиолетовой радиацией (температура сварочной дуги достигает 6500°С).
При автоматической сварке плавящимся электродом в среде углекислого газа на 1 кг наплавленного металла выделяется в среднем 8–15 г пыли, 0,2–1,8 г окислов марганца, 0,02–2 г окислов хрома, 0,1–0,5 г окислов никеля, 2,7 г окиси углерода, 0,062 г окислов азота.
Валовые выделения пыли и газа зависят от марки сварочной проволоки, свариваемых материалов и режимов сварки. Так, например, при полуавтоматической сварке в среде СО2 проволокой СВ08Г2С диаметром 2 мм при силе тока 250 А, средней скорости 25 м∕ч валовые выделения сварочного аэрозоля достигают 100 г∕ч, а концентрация пыли в зоне дыхания сварщика достигает 90 мг∕м³. Концентрация окиси углерода превышает допустимую в несколько раз.
Применяемые при полуавтоматической сварке и наплавке в среде СО2 защитные покрытия на деталях также вызывают увеличение концентрации вредных веществ в зоне дыхания. Установлено, что лишь покрытия КБЖ и эмульсия не ухудшают картину по сравнению со сваркой без покрытия.
При сварке алюминия и сплавов на его основе под защитой аргона плавящимся электродом образуется окись алюминия (ПДК – 2 мг∕м³) в количестве 7,6–28 г∕кг; при сварке титановых сплавов удельное выделение титана и его двуокиси (ПДК – 10 мг∕м³) составляет 4,75 г∕кг. При сварке в аргоне алюминиевых сплавов наблюдается повышенное выделение озона за счет большой ультрафиолетовой радиации.
Несмотря на то, что полуавтоматическая сварка в среде СО2 высокопроизводительна, с гигиенической точки зрения она имеет существенные недостатки. Поэтому применять ее нужно там, где другие методы сварки не применимы или можно применить надлежащие способы локализации вредных веществ.
Сварка под слоем флюса
Из способов автоматической и полуавтоматической сварки наиболее распространенным является сварка под слоем флюса. Она менее трудоемка и более экономична, чем ручная дуговая сварка, меньше утомляет сварщика.
Валовое выделение пыли при этом способе сварки во много раз ниже, чем при ручной дуговой. Концентрация аэрозоля в зоне дыхания сварщика-оператора по усредненным данным составляет 5,1–12,2 мг∕м³. Концентрация окислов марганца в зоне дыхания рабочих, обслуживающих сварочные автоматы, колеблется в интервале 0,11–0,7 мг∕м³. На повышение концентрации аэрозоля в значительной степени влияет выполнение в ручную операций по сбору и пересыпке флюса и зачистки шва. Исследования показали большую эффективность применения флюсоотсосов при автоматической сварке под слоем флюса.
Концентрации аэрозоля, окислов марганца и других токсичных веществ в зоне дыхания сварщиков-автоматчиков зависит от состава и степени измельчения флюса, конфигурации свариваемых изделий, направления воздушных потоков в здании и т.д. Так, запыленность зоны дыхания сварщика при применении свежего флюса в 2–2,8 раза ниже запыленности при использовании флюса, бывшего в употреблении и тем самым более размельченного.
Содержание пыли в зоне дыхания оператора при сварке внутренних швов (полузамкнутые пространства) в 2,5 раза выше, чем при сварке наружных швов. На заводах, где все посты автоматической сварки расположены на открытых участках цеха, содержание аэрозоля ниже предельно допустимой концентрации. Основными вредными веществами в составе сварочного аэрозоля при автоматической сварке являются фтористые соединения (фтористый водород, четырехфтористый кремний и др.).
Исследования показали, что валовое выделение фтористых соединений особенно велико при сварке под флюсом ОСЦ-45а. Оно составляет 43–286 мг на 1 кг наплавленного металла. При сварке с применением других флюсов (АН-348А, ФЦ-9, ФЦ-6, ФЦЛ-2 и др.) валовые выделения фтористых соединений колеблются по средним данным от 30 до 40 мг на 1 кг наплавленного металла. Выделение фтористых соединений резко возрастает с увеличением содержания фтористого кальция во флюсе.
Изучение условий труда при полуавтоматической сварке под слоем флюса показало ее большую трудоемкость по сравнению автоматической сваркой. Необходимость удерживания длительное время в руке головки полуавтомата с бункером для флюса массой 2–2,5 кг утомляет к концу смены правую руку сварщика. Значительно напряжено во время работы внимание сварщика в связи с высокими требованиями к качеству шва (необходимость поддержания на постоянном уровне длины дуги, силы тока и напряжения).
Концентрации аэрозоля, окислов марганца и фтористых соединений в зоне дыхания сварщика-полуавтоматчика выше, чем в зоне дыхания рабочего при обслуживании автоматических сварочных установок. Указанное объясняется более близким расположением зоны дыхания сварщика-полуавтоматчика к электрической дуге.
Электрошлаковая сварка (ЭШС)
Электрошлаковая сварка производится с помощью автоматов при температуре 1600–1700°С. Оператор-сварщик находится на расстоянии 0,5–2 м от сварочной дуги. Трудовой процесс оператора складывается из трудоемкого этапа подготовки изделия к сварке, при котором крупные и тяжелые конструкции при помощи подъемных механизмов устанавливаются на место, и этапа сварки, при котором оператор наблюдает за процессом сварки, охлаждением медных ползунов водой, подачей проволоки и др.
Основным производственным фактором, оказывающим вредное воздействие на операторов, является повышенная интенсивность лучистой энергии, составляющей 1,39 кДж∕(м² с) на уровне рук и 2,1–2,8 кДж∕(м² с) на уровне лица; повышается и температура воздуха, что является причиной небольшого (0,5оС) повышения к концу рабочей смены температуры тела оператора. Концентрация аэрозоля в зоне дыхания по усредненным данным колеблется в пределах 4–7 мг/м3, концентрация окислов марганца – 0,25–0,43 мг/м3. Окислы азота и окись углерода определяются в виде следов. Таким образом, потенциальную опасность для оператора при электрошлаковой сварке могут составить аэрозоль и фтористые соединения. Не исключена опасность ожогов выплескивающимся из ванны металлом.
Контактная сварка
Контактная сварка легко механизируется и автоматизируется, в результате чего увеличивается производительность труда, улучшается качество сварного соединения, повышается культура производства. Этим способом сваривают малоуглеродистые и нержавеющие стали и сплавы.
Процесс контактной сварки основан на двух принципах: электрическом нагреве двух кромок металла до пластического состояния или до расплавления и затем сплавливания их. Различают три разновидности контактной сварки: стыковую оплавлением, точечную и роликовую или шовную. Наиболее неблагоприятной является сварка оплавлением, при которой образуются искры и брызги расплавленного металла, пыль, газы и наблюдается ионизация воздуха. Концентрация пыли в зоне дыхания рабочего зависят главным образом от химического состава свариваемого металла, мощности контактной сварочной машины. Сварочная машина при этом методе сварки генерирует низко- и высокочастотный шум. Величина сварочного тока во вторичной цепи контактных машин достигает десятков тысяч ампер. Вследствие этого контактные машины создают электромагнитные поля мощностью 70–1500 А/м. Электромагнитные волны рассеиваются на расстояние 1,5–3,5 м от контактной сварочной машины. Характер воздействия электромагнитных волн, образующихся при контактной сварке, на организм человека недостаточно изучен. Для улучшения условий труда рекомендуется устройство местной вытяжной вентиляции, экранирование и др.