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

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;

2) 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].

3.2 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].

3.3 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;

m₁ - маса фільтра до відбору пилу, мг;

m₂ - маса фільтра після відбору пилу, мг;

V₀ - обсяг повітря, протягненого через фільтр, наведений до нормальних умов.

, (3.2)

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

Т - температура повітря,°С,

V_t - обсяг повітря, протягненого через фільтр, м³.

Обсяг аналізованої проби визначається по формулі:

V_t= q t /100, (3.3)

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

t - 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].

3.4 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.

3.6 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

4.1 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, =1,5 мм)

Межа міцності, в, МПа	Границя текучості, т МПа	Відносне подовження, %	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	19.5-20.0	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.

1. 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.

2. 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

3. 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

5. 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.

3. 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;

F_н - площа поперечного перетину наплавленого металу за даний прохід.

V_св =8,3•78/7,8•4,5=12 м/час

4. 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

4.4 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;

F_пр - площа проплавлення;

F_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;

V_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	0,267
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):

Mn_СА = Mn_? - [Mn]=%, (5.6)

де Mn_? = Mn_пр + Mn_{осн. м} - сумарний вміст марганцю, %

Mn_пр - кількість Mn у зварювальному дроті або електроді, %

Mn_{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;

L_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

6.1 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)

n=1-г‚ (6.2)

де F_н - площа наплавлення;

F_пр - площа проплавлення;

F_шва - загальна площа шва.

г - частка участі основного металу в металі шва;

n - 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.

F_н=4,5 мм², F_пр=3,5 мм²

г=3,5/(4,5+3,5)=0,44

n=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%.

Cr_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.