Schweißrauche verstehen: Entstehung, Gefahren und Schutzmechanismen

Zusammenfassung

Schweißen ist ein weit verbreitetes Grundverfahren in verschiedenen industriellen Fertigungsbereichen. Dabei entstehen jedoch schädliche Nebenprodukte wie Lichtbogenlicht, elektromagnetische Strahlung, giftige Gase und Rauchpartikel. Diese Nebenprodukte verschmutzen nicht nur die Umwelt, sondern stellen auch eine große Gefahr für die Gesundheit der Beschäftigten dar.

Unter diesen Gefahren ist der Schweißrauch die komplexeste und am schwierigsten zu beherrschende in der Schweißproduktion. Daher ist die Durchführung von Forschungsarbeiten zur Kontrolle von Schweißrauch unerlässlich, um die Produktionsumgebung beim Schweißen zu verbessern und die Gesundheit der Mitarbeiter zu schützen.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über den Entstehungsmechanismus, die Gefahren und die Behandlungsmaßnahmen von Schweißrauch. Er analysiert auch die Herausforderungen, die bei der Behandlung von Schweißrauch in technischen Anwendungen auftreten, und zeigt die Entwicklungsrichtung der Schweißrauchbehandlung auf.

Weiterführende Lektüre: Der ultimative Leitfaden zum Schweißen

Vorwort

Dies ist ein grundlegender Prozess der modernen Fertigung, Schweißtechnik hat sich von traditionellen Einzelverbindungsmethoden zu einer multidisziplinären Warmumformungstechnologie entwickelt, die Elektrizität, Maschinen, Materialien und Computer integriert. Sie spielt eine unersetzliche Rolle in verschiedenen Bereichen wie Maschinenbau, Wasserversorgung und Wasserkraft, Schiffbau, Transportwesen, militärische Ausrüstung und anderen.

Beim Schweißen entstehen jedoch Lichtbogenstrahlung, hohe Temperaturen, Lärm, Schweißrauch und giftige Gase, die nicht nur die Umwelt belasten, sondern auch die Gesundheit der Arbeitnehmer gefährden.

Masken und Ohrstöpsel bieten zwar einen guten Schutz vor Lichtbogenlicht, hohen Temperaturen und Lärm, sind aber nicht so wirksam gegen Schweißdämpfe, die primär krebserregend sind.

Schweißrauch enthält vor allem giftige Gase und Rußpartikel. Die Rußpartikel können Asthma, Bronchitis, Lungenentzündung, Lungenödeme, akute Vergiftungen, Erkrankungen des Nervensystems und sogar Pneumokoniose, Metalldampfhitze, Veränderungen der Atemfunktion, Krebs und andere Krankheiten verursachen.

Giftige Gase wie das erstickende Gas CO, reizende Gase wie Ozon, Fluorid, Chlorid, Schwefeldioxid und nervengiftige Gase wie Stickstoffoxid und Phosgen können bei Arbeitnehmern Kopfschmerzen, Schwindel, Husten, Auswurf, Brustschmerzen, Tinnitus, Verspannungen und Angstzustände hervorrufen.

Die schlechte Qualität der Schweißumgebung aufgrund von Schweißrauch und anderen damit verbundenen Gefahren hat dazu geführt, dass die Zahl der Menschen, die bereit sind, als Schweißer zu arbeiten, von Jahr zu Jahr abnimmt. Dies ist zu einem der Hauptprobleme geworden, die die gesunde Entwicklung der Schweißindustrie behindern.

In den letzten Jahren hat sich die Arbeitsbelastung in der Schweißfertigung erheblich erhöht und die Popularität effizienter SchweißverfahrenDurch die zunehmende Verwendung von Schweißdraht und anderen stark staubbildenden Verfahren und Materialien sind die durch Schweißrauch verursachten Probleme am Arbeitsplatz immer deutlicher geworden.

In den ersten Jahren lag die zulässige Rauch- und Staubkonzentration in Werkstätten in China bei 6 mg/m3.

Derzeit hat die China Welding Association die zulässige Rauch- und Staubkonzentration auf 4mg/m3 gesenkt und klare Anforderungen an die Staubmenge festgelegt, die durch Schweißmaterialien. Angesichts der Risiken, die mit Schweißrauch verbunden sind, hat die American Welding Society ein Belüftungshandbuch entwickelt, um die Konzentration von Schweißrauch in Werkstätten zu verringern.

Um die Jahrhundertwende legte Japan einschlägige Normen zur Begrenzung der Rauch- und Staubkonzentration in Schweißwerkstätten fest und förderte aktiv die Forschung und Entwicklung neuer Schweißmaterialien.

In der tatsächlichen Produktion, insbesondere in Bereichen mit hoher Schweißintensität und relativ geschlossenen Räumen, wie z. B. in Werftwerkstätten, kann die Rußkonzentration jedoch 9-18 mg/m3 und in geschlossenen Kabinen sogar 38-312 mg/m3 erreichen, was weit über der von den Normen geforderten Mindestrußkonzentration liegt und für die menschliche Gesundheit äußerst schädlich ist.

Es ist klar, dass die Verringerung gefährlicher Stoffe in Rauch und Staub und die Verbesserung der Arbeitsumgebung für Schweißer ein dringendes Problem ist, das in der Schweißindustrie gelöst werden muss.

Gegenwärtig wird die Behandlung von Schweißrauch im In- und Ausland hauptsächlich in den folgenden drei Richtungen durchgeführt:

(1) Verstärkung des persönlichen Schutzes; (2) Optimierung des Schweißprozesses und der Materialien; (3) Sicherstellung einer angemessenen Belüftung und Rauchabsaugung.

Dieser Artikel analysiert den Entstehungsmechanismus von Schweißrauch und vergleicht die Vor- und Nachteile der derzeit gängigen Maßnahmen zur Rauchkontrolle. Er schlägt ein neues Konzept der Schweißrauchkontrolle durch intelligente Fertigung vor, das eine nützliche Referenz für die Verbesserung der Schweißrauchkontrolle darstellt.

Aufgrund der physikalischen und chemischen Gefahren, die Schweißrauch für die Beschäftigten mit sich bringt, ist es von entscheidender Bedeutung, ihre Gesundheit zu schützen und die Luftqualität in der Schweißumgebung zu erhalten. Dies kann durch das Verständnis des Entstehungsmechanismus und der Einflussfaktoren von Schweißrauch, die Erforschung der Entstehung, des Wachstums und der Polymerisation von Schweißrauch erreicht werden. Schweißverfahren Abgase sowie die Kontrolle und der Schutz vor Abgasen an der Quelle.

Darüber hinaus schafft dieser Ansatz eine theoretische Grundlage für die Zulassungsnormen der Industrie für Schweißrauch.

Entstehungsmechanismus von Schweißrauchen

Frühe Forschungen legten nahe, dass der Entstehungsmechanismus von Schweißrauch ein Prozess ist, der Überhitzung, Verdampfung, Oxidation und Kondensation umfasst, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abb. 1   Schematische Darstellung des Prozesses der Rauchgasbildung

Beim Schweißen ist die Temperatur in der Mitte des Lichtbogens hoch, was zur Verdampfung von flüssigem Metall und nicht-metallisch Stoffe, die wiederum Hochtemperaturdampf erzeugen und eine bestimmte Partikelkonzentration aufrechterhalten.

Wenn der Hochtemperaturdampf den Niedertemperaturbereich am Rande des Lichtbogens erreicht, oxidiert und kondensiert er schnell, was zur Bildung von "Primärpartikeln" führt.

Diese Primärpartikel sind im Allgemeinen kugelförmig und haben einen Durchmesser von 0,01-0,4 μm, wobei die Mehrheit 0,1 μm beträgt.

Aufgrund der statischen Elektrizität und des Magnetismus der Primärteilchen selbst polymerisieren diese bei abnehmender Temperatur und bilden "Sekundärteilchen", die dann auf eine bestimmte Weise diffundieren.

Shi Yuxiang von der Wuhan Jiaotong University of Science and Technology führte eine eingehende Studie über den Entstehungsmechanismus von Schweißrauchen durch. Er schlug einen Aerosolmechanismus für Schweißrauch vor, der den Umwandlungsprozess von Dampf und Rauch erklären sollte.

Er schlug vor, dass der Keimbildungsmechanismus von Schweißaerosolpartikeln in der Nähe des Lichtbogens in homogene Keimbildung und heterogene Keimbildung unterteilt wird.

Die spektrale Verteilung, die Morphologie, die Zusammensetzung und die strukturellen Merkmale der Primärpartikel wurden systematisch sowohl experimentell als auch theoretisch mittels direkter Probenahme-Elektronenmikroskopie und DMPS untersucht.

Es wurde festgestellt, dass die Fe3O4-Kristalle hauptsächlich aus Partikeln mit einer Größe von 0,01 μm bestanden, die aus Schweißaerosolen stammten, während Rauchpartikel mit einer Größe von 0,1 μm zwei Arten von Kristallstrukturen aufwiesen, nämlich Spinell und Fluorid, die durch den heterogenen Kondensationsmechanismus des Dampfpartikelübergangs gebildet wurden.

Rußpartikel mit einer Größe von mehr als 1 μm wurden hauptsächlich durch den Mechanismus des Blasenpartikelübergangs gebildet. Darüber hinaus wird ein Modell der Keimbildungszone für Schweißlichtbogenpartikel vorgeschlagen, das für die Analyse des Entstehungsprozesses von Schweißaerosolpartikeln von großer Bedeutung ist.

Die beim Schweißen entstehenden Rußpartikel wachsen während des Diffusionsprozesses durch Aggregation und Verschmelzung.

Während des Schmelzvorgangs verschmelzen mehrere Primärteilchen zu einem einzigen großen Teilchen, dessen Gesamtoberfläche kleiner ist als die Summe der Oberflächen der Primärteilchen, und zwischen denen keine Grenze besteht.

Im Gegensatz dazu besteht der Aggregationsprozess aus Dutzenden oder sogar Hunderten von Primärpartikeln, die an der Oberfläche haften und deutliche Grenzen zwischen den Partikeln aufweisen.

Unabhängig davon, ob die Partikel aggregieren oder verschmelzen, ändern sich Größe, Form und Konzentration der Partikel im Schweißrauch.

Gefahren des Schweißrauchs

Beim Schweißen kann eine große Menge an Rauch und giftigen Gasen entstehen, die für die menschliche Gesundheit schädlich sind.

Ein erheblicher Teil des Schweißrauchs besteht aus Schwebeteilchen, die sich in der Luft verteilen, während ein anderer Teil als giftiges Gas dispergiert ist.

Die beim Schweißen entstehenden Rußpartikel bestehen in erster Linie aus Metalloxiden, die eine komplexe Zusammensetzung, eine hohe Viskosität, hohe Temperaturen und eine ungleichmäßige Partikelgröße aufweisen.

In der Regel haben Schweißer in der Schweißproduktion eine Atemkapazität von etwa 20 l/min. Daher beträgt ihre Atemkapazität für ein Jahr etwa 2300 m3.

Unter schlechtes Schweißen Produktionsumgebungen kann ein Arbeitnehmer 100 g Partikel pro Tag und 2,5 kg Schadstoffe in 25 Arbeitsjahren einatmen.

Tabelle 1 zeigt die beim Schweißen häufig entstehenden Metalloxidpartikel und die damit verbundenen Gefahren.

Tabelle 1 Gefährdung durch Partikel in Schweißrauchen

MaterialQuelleGefährdung
EisenoxidAus Schweißzusatzwerkstoff und GrundmetallEisenpneumokoniose oder Eisenablagerungskrankheit, verursacht durch Langzeitinhalation
AluminiumoxidSchweißverfahren von Aluminium-GrundwerkstoffenStaubablagerungen in der Lunge verursachen Pneumokoniose
ManganoxidSchweißverfahren aus manganhaltigen SchweißmaterialienReizt die Atemwege und verursacht Lungenentzündung. Langfristige Exposition schädigt das Nervensystem
OxidBasische Elektrode oder umhüllter DrahtReizt die Magenschleimhaut und verursacht Knochenschäden
BariumverbindungBariumhaltiger SchweißzusatzToxizität, verursacht Kaliummangel im menschlichen Gewebe
Nickeloxid  Schweißmaterialien aus reinem Nickel oder einer NickelbasislegierungSchädigung der Nasenschleimhaut und Lungenkrebs, Karzinogen der Klasse I

Je nach Partikelgröße können Schweißdämpfe den menschlichen Körper in unterschiedlichem Maße schädigen.

Das Team unter der Leitung von Yang Lijun an der Universität Tianjin untersuchte die Partikelgrößenverteilung von MIG-Schweißrauch und analysierte die Auswirkungen der Schweißparameter und des Tröpfchentransfers auf die Partikelgröße des Rauches. Die Ergebnisse zeigten, dass die Rußpartikel eine quasi-quantisierte Verteilung aufwiesen, wobei die Partikelgrößen meist in den Bereich von 0,1 bis 1 μm fielen und mehr als 85% ausmachten, während Partikelgrößen unter 0,1 μm etwa 10% ausmachten. Darüber hinaus sind Schweißprozesse, Formen der Tröpfchenübertragung und Schweißparameter hatten alle bestimmte Auswirkungen auf die Größe der Rußpartikel. Insbesondere die Verringerung der Schweißspannung führte zu einer Verringerung der Größe der Rußpartikel.

Gomes JF et al. berechneten, dass die Partikelgröße von Schweißrauch, der während des Schweißvorgangs entsteht, etwa 0,5 μm beträgt.

Untersuchungen haben gezeigt, dass sich Rauchpartikel mit einem Durchmesser von mehr als 10 μm in der Luft im Nasen-Rachen-Raum absetzen, während solche mit einem Durchmesser von weniger als 10 μm vom menschlichen Körper eingeatmet werden können. Rauchpartikel mit einem Durchmesser von 2 bis 10 μm können abgeleitet werden, aber Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 0,5 μm lagern sich in der Lunge ab und sind schwer zu entfernen.

Tabelle 2 zeigt die Restmenge von TiO2 mit verschiedenen Partikelgrößen im Lungengewebe von Ratten über mehrere Tage (Einheit: μg). Je kleiner die Partikelgröße ist, desto durchlässiger ist sie und desto schwieriger ist es, sie aus dem Körper zu entfernen. Außerdem zerfallen die Rauchpartikel in den menschlichen Lungenbläschen in kleinere Primärpartikel, was ihre schädlichen Auswirkungen auf den Körper noch verstärkt.

Tabelle 2 Gehalt an verschiedenen Größen von TiO2 im Lungengewebe der Ratte (μg)

Uhrzeit/TagTiO2-D(0.03μm)TiO2-F(0,25μm)
1347.7±13.1324.3±6.1
29202.8±23.0172.8±12.1
59140.9±22.6128.5±16.6

Lauryn M. F. et al. fanden heraus, dass Fe2O3 das einzige Metalloxid ist, das Lungenkrebs fördert, und dass der Trend der Metalloxide, die Lungenentzündungen verursachen, Fe2O3 > Cr2O3+CaCrO4 > NiO ist. Dabei ist die toxische Wirkung von Fe2O3 auf die Lunge kontinuierlich, während die toxische Wirkung von Cr2O3+CaCrO4 auf die Lunge akut ist.

Roth J. A. et al. fanden heraus, dass eine längere Exposition gegenüber Schweißrauch und eine übermäßige Inhalation von Mangan negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben kann, einschließlich Schäden an Lunge, Leber, Nieren und zentralem Nervensystem. Für männliche Arbeitnehmer besteht ein höheres Risiko der Unfruchtbarkeit.

Langfristige Exposition in Umgebungen mit Mangankonzentrationen von mehr als 1 mg/m3 kann das Risiko einer Manganvergiftung, ähnlich der Parkinson-Krankheit, erhöhen.

Neben den vielen schädlichen Rauchpartikeln, die beim Schweißen entstehen, werden auch viele schädliche Gase freigesetzt, darunter Kohlenmonoxid, Stickoxide, Ozon, Phosgen, Fluorwasserstoff und andere schädliche Komponenten.

In Tabelle 3 sind die Gefahren der schädlichen Gase in einigen Schweißdämpfen für den menschlichen Körper aufgeführt.

Tabelle 3 Schädliche Gase und Gefahren im Schweißrauch

Schädliches GasProduzieren SieGefährdung
KohlenmonoxydDas Schweißpulver oder Schutzgas wird durch die Verbrennung und Zersetzung von Kohlendioxid erzeugt.Kopfschmerzen, Schwindel, Verwirrung, Erstickung
StickstoffmonoxidEs entsteht durch die Einwirkung von ultravioletten Strahlen, die durch einen Lichtbogen auf den Stickstoff in der Luft erzeugt werdenReizt Augen und Atemwege und führt zu Lungenstauung
OzonEs entsteht durch die Wechselwirkung von ultravioletter Strahlung, die durch einen Lichtbogen und Stickstoff in der Luft erzeugt wirdDie Atemwege fühlen sich trocken an, was zu Kopfschmerzen, Müdigkeit, Lungenstauung und Lungenkrankheiten führt.
PhosgenEs wird durch Zersetzung von fluoridhaltigen Lösungsmitteln, Polytetrafluorethylen, Oberflächenbeschichtungen usw. hergestellt.Reizt die Atemwege, Nase und Augen, giftig, führt zu Lungenödemen.
FluorwasserstoffElektrodenbeschichtung und FlussmittelReizung von Augen, Nase, Rachen, Lungenverstopfung, Knochenveränderungen

Schutz vor Schweißrauchen

Es sollten umfassende Maßnahmen ergriffen werden, um die Arbeitsumgebung beim Schweißen zu reinigen und die Gesundheit der Arbeitnehmer zu schützen, indem die Emissionen an der Quelle reduziert, der Schutz verstärkt und die technologische Innovation gefördert werden. Dies wird dazu beitragen, dass die Konzentration der beim Schweißen entstehenden Schadstoffe innerhalb des zulässigen Bereichs bleibt.

Derzeit gibt es mehrere gängige Behandlungsmaßnahmen, wie z. B. persönliche Schutzmaßnahmen, die Optimierung des Schweißverfahrens und der Materialien sowie die Einrichtung von Belüftungs- und Rauchabzugssystemen.

1. Personenschutz

Zu den persönlichen Schutzmaßnahmen gegen Schweißrauch gehört vor allem das Tragen von Belüftungs- und Entstaubungsmasken sowie von anderen Atemschutzgeräten, um die Gefährdung der Arbeitnehmer durch Schweißrauch zu verringern.

Abbildung 2 zeigt vier Filtermechanismen von Atemschutzmasken für Rauch und Staubpartikel unterschiedlicher Größe.

Abb.2 Schematische Darstellung des Filtermechanismus von Masken

(1) Schwerkraft-Effekt:

Wenn staubhaltige Luft durch die Faserschicht des Filtermaterials strömt, werden die Partikel durch ihre eigene Schwerkraft aus der Luftstromrichtung verdrängt und lagern sich auf dem Filtermaterial ab.

In der Regel werden Staubpartikel mit einer Größe von mehr als 1 μm wirksam herausgefiltert, während kleinere Partikel aufgrund ihrer geringen Auswirkung auf die Schwerkraft im Vergleich zum Gasdurchsatz und anderen Faktoren vernachlässigt werden können.

(2) Abfangeffekt:

Die Fasern im Filtermaterial sind unregelmäßig gestapelt und miteinander verflochten.

Wenn Rauchpartikel mit hoher Geschwindigkeit in der Luft mit dem Fasermaterial in Berührung kommen, verbinden sie sich mit der Oberfläche der Fasern, was zu einer effektiven Partikelabscheidung führt.

(3) Trägheitseffekt:

Die Rauchpartikel lagern sich aufgrund der Trägheitskraft an der Faseroberfläche ab, da der Luftstrom beim Durchströmen des Filtermaterials häufig die Richtung ändert, wodurch sie sich von der Stromlinie lösen. Dieses Phänomen gilt insbesondere für Rauchpartikel mit einer Partikelgröße von 0,5~1,0μm, die hauptsächlich durch den Trägheitseffekt abgefangen werden.

(4) Diffusionseffekt:

Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 0,1 μm bewegen sich bei Raumtemperatur hauptsächlich durch Brownsche Bewegung. Je kleiner die Partikel sind, desto leichter sind sie zu entfernen.

Partikel, die größer als 0,5 μm sind, befinden sich hauptsächlich in Trägheitsbewegung. Je größer die Partikel sind, desto leichter sind sie zu entfernen.

Partikel zwischen 0,1 μm und 0,5 μm haben keine offensichtlichen Diffusions- und Trägheitseffekte und sind schwer zu entfernen.

Beim Schweißen reicht die Größe der Rauchpartikel von 10-3 bis 102 μm in fünf Größenordnungen, wobei die Partikel mit 0,1-0,5 μm die größte Durchschlagskraft haben.

Derzeit kann keine Atemschutzmaske eine ideale Filterwirkung für alle Rauchpartikel erzielen.

Persönliche Schutzausrüstungen haben derzeit nur eine geringe Schutzwirkung gegen toxische Gase, und die Prävention von toxischen Gasen kann nicht allein durch persönlichen Schutz erreicht werden.

2. Optimierung des Schweißprozesses und der Schweißmaterialien

Bei der Optimierung von Schweißverfahren und -werkstoffen geht es vor allem um die Beherrschung des Schweißrauchs durch Verringerung der Rauchentwicklung und des Gehalts an toxischen Stoffen in den Dämpfen.

Es gibt zahlreiche Faktoren, die die Menge des entstehenden Schweißstaubs beeinflussen.

Derzeit konzentriert sich die Forschung über Schweißstaub im In- und Ausland hauptsächlich auf zwei Aspekte:

Zum einen wird der Einfluss verschiedener Schweißverfahren und Prozessparameter auf die erzeugte Staubmenge untersucht, zum anderen der Einfluss der Zusammensetzung von Schweißdraht, Beschichtung und Schutzgas auf die erzeugte Staubmenge.

2.1 Auswirkungen des Schweißprozesses auf die Staubemission

Die Menge des erzeugten Staubs variiert je nach Schweißverfahren verwendet.

Bei gleichen Prozessparametern ist die Staubentwicklung beim MIG-Schweißen wesentlich höher als beim Nicht-MIG-Schweißen. Umgekehrt ist die Rauchentwicklung beim Unterpulverschweißen minimal.

Weiterführende Lektüre: MIG-Schweißen vs. TIG-Schweißen

Tabelle 4 zeigt die Staubmenge, die bei verschiedenen Schweißverfahren unter identischen Vorgaben entsteht.

Im Allgemeinen nimmt die Staubentwicklung bei Anwendung desselben Schweißverfahrens in dem Maße zu, wie die Schweißstrom und -spannung steigen.

Im Vergleich zum Gleichstromschweißen entsteht beim Wechselstromschweißen mehr Staub, aber die Staubmenge nimmt ab, wenn die Schweißgeschwindigkeit erhöht.

Tabelle 4 Staubentwicklung bei verschiedenen Schweißverfahren

SchweissverfahrenErzeugungsrate/(mg-min-1)
FCAW900~1300
SMAW300~800
MIG/MAG200~700
GTAW3~7
SAW3~6

Die Entstehung großer Mengen von Staub beim Fülldrahtschweißen, Schutzgasschweißen Metallbogen Schweißen und MIG-Schweißen hat schwerwiegende Auswirkungen auf die Schweißer und die Umwelt, weshalb es sowohl im Inland als auch auf internationaler Ebene ein wichtiger Forschungsschwerpunkt ist.

Shi Qian und Kollegen von der Lanzhou University of Science and Technology untersuchten die Staubentwicklung beim Schutzgas-Fülldrahtschweißen unter verschiedenen Prozessparametern.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass beim Schweißen mit kleinen Spezifikationen die Staubmenge aufgrund der Zunahme der Spritzer beim Kurzschluss- und Schlackensäulenübergang erheblich zunimmt. Beim Schweißen mit großer Spezifikation wird die Verdampfungsrate der Tropfen und des erhitzten Grundwerkstoffs aufgrund der höheren Wärmezufuhr beschleunigt, was zu einem Anstieg der erzeugten Staubmenge führt. Die Art der Tropfenübertragung hatte nur geringe Auswirkungen auf die entstehende Staubmenge.

Diese Ergebnisse wurden auch in der Studie von Zhang Junqiang über den Mechanismus der Rauch- und Staubentwicklung beim Schutzgas-Fülldrahtschweißen bestätigt. Die Studie ergab, dass die Gesamtmenge an Rauch und Staub, die im Bereich des Spritzrauchs und -staubs und im Bereich des Tröpfchenrauchs und -staubs entsteht, die Gesamtmenge an Rauch und Staub stark erhöht.

Yamamoto et al. verwendeten CO2 als Schutzgas beim Schweißen mit 26%-Fülldraht.

Mit einer Erhöhung des Schweißstroms nimmt die Menge des Schweißstaubs allmählich ab.

Der Autor hat auch ein fortschrittliches reines Kohlendioxid-Schutzgasschweißverfahren entwickelt, bei dem das Impulsstromverfahren zur Steuerung der Tropfen verwendet wird.

Bei diesem Verfahren wird der Schweißdraht mit hohem Strom zum Schmelzen gebracht und dann der Strom während der Tropfenübertragung reduziert. Dadurch wird sichergestellt, dass der Tropfen reibungslos und mit konstanter Länge in das Schmelzbad überführt werden kann, was zu einer gleichmäßigen Bildung und Abscheidung von Metalltropfen führt und die von 50% erzeugte Staubmenge reduziert.

Scotti untersuchte den Einfluss der Lichtbogenlänge, des Tröpfchendurchmessers und des Kurzschlussstroms auf die beim GMAW-Verfahren entstehende Staubmenge mit Hilfe einer Regelgrößenmethode.

Die Ergebnisse zeigen, dass während des Kurzschlussübergangs ein Anstieg des Tropfendurchmessers, des Kurzschlussstroms und der Lichtbogenlänge zu einem Anstieg der erzeugten Staubmenge führt. Ein höherer Kurzschlussstrom führt dazu, dass die Metallverdampfung an der Oberfläche der Flüssigkeitsbrücke intensiver ist, wenn der Tropfen in das Schmelzbad eintritt, wodurch die Staubmenge steigt. Wenn diese Faktoren zusammenwirken, ist der Anstieg der Staubemission deutlicher spürbar.

Bu Zhixiang von der Hubei University of Technology und andere führten ein orthogonales Experiment mit CO2 Schutzgasschweißen von massivem Schweißdraht als Forschungsgegenstand und verwendete Schweißstrom, Schweißspannung und Schweißgeschwindigkeit als die drei experimentellen Faktoren. Sie nahmen die Schweißstaubrate und -menge als experimentelle Indikatoren.

Durch Varianzanalyse und Bereichsanalyse der orthogonalen Testdaten zeigen die Ergebnisse, dass die Hauptfaktoren, die sich auf die Bildungsrate von Schweißrauch auswirken, Schweißstrom und Schweißspannung sind, und die Schweißgeschwindigkeit hat keinen signifikanten Einfluss auf die Bildungsrate von Schweißrauch. Bei einer Schweißspannung von 22-24 V, einem Schweißstrom von 290-320 A und einer Schweißgeschwindigkeit von 26 cm/min ist die Menge des Schweißstaubs am geringsten.

Die Menge des Schweißrauchs hängt nicht nur vom Schweißzusatzwerkstoff ab, sondern ist auch eng mit der Zusammensetzung des Schutzgases verbunden.

K. R. Carpenter et al. fügten dem Schutzgas beim GMAW O2 und CO2 hinzu und stellten fest, dass die Zugabe von 2% O2 in das binäre Ar-CO2-Gemisch keinen Einfluss auf die Staubbildungsrate hatte.

Wenn der O2-Gehalt im ternären Gemisch ansteigt, erhöht sich die Staubbildungsrate bei 5% CO2, steigt aber bei 12% CO2 nicht wesentlich an.

Laut einer Studie des Teams von Li Zhuoxin von der Technischen Universität Peking über den Cr (Ⅵ)-Gehalt in der Gasmischung kann die Menge des erzeugten Staubs durch Anpassung der CO2-Zugabe gesteuert werden. Schweißen von rostfreiem Stahl rauchen.

Ihre Ergebnisse zeigten, dass der Massenanteil von Cr (Ⅵ) im Rauch mit stärkerer Oxidation des Schutzgases beim Schutzgasschweißen zunahm. Darüber hinaus stieg Cr (Ⅵ) mit höheren elektrischen Strömen (150~250 A) während MAG-Schweißenund das Massenverhältnis von Cr (Ⅵ) im Kurzzeit-Transferrauch zum Gesamt-Cr war höher als das des Strahl-Transferrauchs beim MAG.

Ein von Vishal Vats auf der Zwischensitzung des Achten Ausschusses des IIW 2022 vorgelegter Bericht wies darauf hin, dass die Zugabe von Sauerstoff zum Schweißbrenner-Schutzgas die Bildung von Cr3+ und Cr6+ fördert und schädliche Elemente wie Mn, Fe und Ni im Rauch erhöht.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Menge des Schweißstaubs von den Parametern des Schweißprozesses beeinflusst wird und dass die Auswahl geeigneter Parameter die Staubemissionen verringern und eine gesündere Umwelt fördern kann. Es besteht jedoch eine Wechselwirkung zwischen dem Schweißprozess und Schweißqualität die es erforderlich machen können, Qualität und Effizienz zu opfern, um die Rauchemissionen zu reduzieren, was in der Praxis nur begrenzt möglich ist.

Der zunehmende Einsatz effizienter Schweißverfahren (Doppeldraht-/Mehrdrahtschweißen, Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen) in der Technik erhöht die Anforderungen an das Schweißen weiter und macht die Schweißrauchbehandlung zu einer größeren Herausforderung.

2.2 Einfluss der Schweißmaterialien auf die Staubemission

Während des Schweißvorgangs entstehen Metalloxide durch das Schweißen Materialien bei hohen Temperaturen mischen sich mit verschiedenen Karzinogenen. Wenn das Personal diese Partikel übermäßig einatmet, kann dies eine Reihe von Krankheiten verursachen.

Um diese Risiken zu mindern, kann die Entwicklung umweltfreundlicher Schweißmaterialien die schädlichen Bestandteile von Rauch und Staub wirksam an der Quelle bekämpfen.

Die Forschung über umweltfreundliche Schweißmaterialien im In- und Ausland konzentriert sich hauptsächlich auf drei Aspekte:

(1) Durch Änderung der Zusammensetzung der Drogenhaut kann die Staubentwicklung des Materials reduziert werden.

(2) Zur Verringerung des Gehalts an schweren Metallelemente in Schweißrauch und -staub.

(3) Schweißrauch sollte durch die Verwendung von entlastenden Schweißmaterialien behandelt werden.

Die Menge des beim Schweißen entstehenden Staubs wird durch die Beschichtungszusammensetzung der Elektrode, die chemische Zusammensetzung des Pulvers und den Schweißdraht aus Stahlband beeinflusst. Die Einflussfaktoren sind komplex.

Fluorit und Natriumsilikat sind die Hauptverursacher der Staubentwicklung bei der Elektrodenbeschichtung, und ihre Reaktionsprodukte machen mehr als 50% der Gesamtmenge an Rauch und Staub aus.

K- und Na-haltige Materialien erhöhen die Staubentwicklung, während Silizium-Calcium-Legierungen und Magnesiumpulver diese hemmen können.

Forschungen von Jiang Jianmin und anderen an der Technischen Universität Peking ergaben, dass eine Verringerung des Eisenpulveranteils in der Flussmittelseele des Drahtes die beim Schweißen entstehende Staubmenge von 33% auf 47% senken kann.

Einem Bericht von Mruczek MF zufolge hat ein ausländischer Hersteller von Schweißmaterial einen Fülldraht mit niedrigem Mangangehalt entwickelt, der den Mn-Gehalt im Schweißrauch wirksam reduzieren kann. Dies kann jedoch zu schlechten mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht führen.

North T H hat herausgefunden, dass die Zugabe von Mn-haltigen Verbundstoffpartikeln in den Kern den Mn-Gehalt im Schweißrauch erheblich reduzieren kann, indem die Mn-Oxidation verhindert wird und mehr Mn in der Schweißnaht verbleibt.

Dennis J. H. et al. fügten dem Fülldraht aktive Elemente (Zn, Al, Mg) hinzu, was den Cr6+-Gehalt im Schweißrauch erheblich reduzieren kann, da die aktiven Elemente bevorzugt oxidieren. Allerdings kann der Zusatz von Zn zu Schweißen von rostfreiem Stahl Draht kann den Cr-Gehalt im Schweißrauch reduzieren, aber die Rauchbildung beschleunigen.

Mortazavi S B et al. entdeckten, dass die Verringerung des K-Gehalts in Schweißmaterialien und die Erhöhung des Li-Gehalts den K2CrO4-Gehalt und anschließend den Cr6+-Gehalt im Schweißrauch durch Li reduzieren kann.

Außerdem wiesen Topham N et al. nach, dass eine Verringerung des Na- und K-Gehalts in austenitischen Schweißen von rostfreiem Stahl Materialien und die Zugabe von 30% Tetraethylsilan (TEOS) im Schutzgas können den Cr(VI)-Gehalt im Schweißrauch von rostfreiem Stahl reduzieren.

Die Entlegierungsmethode von Schweißwerkstoffen, die zur Verringerung schädlicher Bestandteile im Schweißrauch eingesetzt wird, erfüllt jedoch möglicherweise nicht die Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften, die Korrosionsbeständigkeit und die Verschleißfestigkeit, die für Schweißkonstruktionen erforderlich sind.

Derzeit ist der Legierungsgrad des verwendeten Grundmetalls sehr hoch. Von kohlenstoffarmem Stahl über niedrig legierten Stahl bis hin zu hochentropischen Legierungen nimmt der Legierungsgrad zu.

Gleichzeitig wird das Hinzufügen von Legierungselemente wie Mn, Cr, Ni, Mo, Co und andere zu den Schweißwerkstoffen (Grundwerkstoff+Schweißdraht) können die mechanischen Eigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit der Schweißkomponenten erheblich verbessern, ihre Lebensdauer erhöhen und den Anwendungsbereich der Metallwerkstoffe erweitern.

Aus diesem Grund ist es oft nicht praktikabel, Rauch und Staub in der Produktion durch das Entfernen von Schweißmaterial zu behandeln.

3. Belüftung und Rauchabzug

Belüftung und Rauchabzug sind derzeit die wirksamsten Behandlungsmethoden in der Produktion, die hauptsächlich zwei Arten von Methoden umfassen:

Die erste Methode besteht darin, lokale Rauchabzugsvorrichtungen zu installieren oder rauchende Schweißpistolen an der Schweißstation zu verwenden, um die weitere Ausbreitung von Schweißrauch und schädlichen Gasen zu kontrollieren und sie von der Quelle aus zu bekämpfen.

Die zweite Methode besteht in der Verbesserung des Arbeitsumfelds in der Schweißwerkstatt durch umfassende Belüftung und Verdrängungslüftung der Anlage.

3.1 Lokale Entrauchung

Zu den wichtigsten Methoden der lokalen Rauchabsaugung gehören derzeit das Rauchen von Schweißzangen sowie die lokale Belüftung und Entstaubung.

Das Prinzip der rauchenden Schweißzange ist in Abbildung 3 dargestellt. Die rauchende Öffnung erzeugt einen Sog, der Rauch und Staub auffängt und so deren Ausbreitung und Umweltverschmutzung verhindert.

Im Vergleich zu anderen Geräten für die lokale Verarbeitung bieten Rauchschweißzangen eine größere Flexibilität in Bezug auf Positionierung und Winkeleinstellung, so dass die Schweißer mit weniger Einschränkungen arbeiten können.

Abb.3 Schematische Darstellung einer Rauchfackel

Bei der lokalen Entlüftung werden spezielle Staubhauben verwendet, um den Schweißrauch direkt aus dem Schweißbereich abzusaugen und den gesammelten Rauch nach einer Entstaubungsbehandlung ins Freie zu entlassen. Das Prinzip der lokalen Lüftung ist in Abbildung 4 dargestellt.

Abb.4 Schematische Darstellung des lokalen Beatmungsgeräts

Untersuchungen zeigen, dass die lokale Belüftung effizienter ist als die allgemeine Belüftung.

Flynn MR führte eine Studie durch, in der die Wirksamkeit der Entstaubung eines lokalen Belüftungssystem unter drei Bedingungen: keine Innenraumlüftung, natürlicher Wind und mechanische Lüftung. Die Ergebnisse zeigten, dass der Ventilator in Kombination mit dem lokalen Lüftungssystem die höchste Entstaubungseffizienz aufwies.

In einem weiteren Experiment bewertete Meeker JD eine kommerzielle lokale Belüftung und Entstaubungsanlagen. Die Studie ergab, dass die Mn-Konzentration in der Rauchluft um 25%, die Feinstaubkonzentration um 40% und die Cr6+-Konzentration um 68% abnahm, nachdem das Gerät eingesetzt worden war. Die lokale Belüftung und Entstaubung ist also eine wirksame Belüftungsmethode.

Es ist jedoch zu beachten, dass lokale Rauchabzugsanlagen nur für das Schweißen von kleinen Werkstücken geeignet sind und bei schweren Werkstücken nur begrenzt einsetzbar sind. Strukturschweißen Werkstätten. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Schweißstation für schwere Konstruktionen mobil ist und sich die Stellen, an denen Rauch und Staub entstehen, ständig ändern, so dass es schwierig ist, den Gesamtraum durch lokale Entstaubung zu berücksichtigen.

3.2 Allgemeine Lüftung und Verdrängungslüftung

Allgemeine Lüftung, auch Verdünnungslüftung genannt, bezeichnet den Prozess der Verdünnung von verschmutzter Innenraumluft mit sauberer Luft durch den Einsatz von Türen, Fenstern und Dächern. Dies geschieht, um die Konzentration von Schadstoffen in der Innenraumluft zu verringern und sicherzustellen, dass die Innenraumluft den Luftqualitätsstandards entspricht.

Sein Prinzip ist in Abb. 5 dargestellt.

Abb.5 Schematische Darstellung der allgemeinen Belüftung

Die allgemeine Belüftung eignet sich für Umgebungen mit geringer Schadstoffkonzentration und wird üblicherweise als Hilfsmodus für die lokale Belüftung und Staubentfernung eingesetzt.

C. E. Feigley et al. untersuchten und diskutierten den Sicherheitsfaktor K in der Formel zur Berechnung der Luftmenge für die Verdünnungslüftung und schlugen einen objektiveren Mischungsfaktor Km auf der Grundlage experimenteller Messungen vor.

Liu Siyan et al. führten Tests durch, um die Konzentration chemischer Gefahren in einer Schweißwerkstatt vor und nach der Einführung einer mechanischen Belüftungsanlage zu bewerten. Nach der Belüftungsbehandlung sank der Luftgehalt von Mangan und seinen Verbindungen, Schweißrauch, Ozon, Kohlenmonoxid und Stickoxiden in der Werkstatt, wobei die signifikanteste Verringerung bei Mangan und seinen Verbindungen mit einer Konzentrationsabnahme von 82% festgestellt wurde.

Die Verdrängungslüftung wurde auf der Grundlage der allgemeinen Lüftung entwickelt und ihr Prinzip ist in Abbildung 6 dargestellt.

Abb.6 Schematische Darstellung der Verdrängungslüftung

Aufgrund der während des Schweißvorgangs erzeugten Wärme bildet sich in der Schweißwerkstatt ein stabiles Temperaturgefälle, das die Windgeschwindigkeit verringert und einen Temperaturunterschied (ΔT=2~4 ℃) zwischen der direkt in den Arbeitsraum zugeführten Frischluft und der Innenluft verursacht.

Dadurch sinkt die kältere Luft unter dem Einfluss der Schwerkraft zunächst nach unten und breitet sich allmählich über den Boden aus, wobei sich eine Frischluftschicht bildet. Mit zunehmender Temperatur steigt diese Frischluft nach oben und transportiert die verschmutzte Luft kontinuierlich ab.

Außerdem wird dem Raum über den Luftkanal ständig Frischluft zugeführt, während die Rückluftöffnung über der Werkstatt aufgrund mehrerer Faktoren Raumluft ansaugt.

Die frische Luft über dem Boden im Arbeitsbereich bewegt sich langsam nach oben und bildet einen gleichmäßigen Luftstrom nach oben. Dieser ersetzt nach und nach die verschmutzte Luft in der Werkstatt und reinigt die Luft.

Die Methode der Verdrängungslüftung spart nicht nur Energie, sondern bietet auch eine höhere Reinigungsleistung. R. Nienel et al. führten eine Studie über das System der Verdrängungslüftung in großen Schweißanlagen durch.

Bei der Analyse der räumlichen Verteilung der während des Schweißvorgangs entstehenden Partikel stellten sie fest, dass die Partikelkonzentration im unteren Teil der Anlage, in dem das Personal tätig ist, deutlich niedriger war als im oberen Teil der Anlage, was die Wirksamkeit der Verdrängungslüftung bei der Ableitung von Partikeln aus der Schweißanlage belegt.

Derzeit konzentriert sich die Forschung zur Verdrängungslüftung hauptsächlich auf die Optimierung der Luftverteilung, der Luftzufuhrparameter und der Auslassposition der Verdrängungslüftung mithilfe der numerischen CFD-Simulation. Diese Forschung zielt darauf ab, die Effizienz der Lüftung zu verbessern und eine theoretische Anleitung für die Optimierung des Designs der Verdrängungslüftung zu geben.

Schlussfolgerung

(1) Die Entstehung und Gefährdung durch Schweißrauch wird durch komplexe physikalische und chemische Vorgänge bestimmt, für deren Behandlung umfassende Maßnahmen erforderlich sind.

(2) Eine vollständige Kontrolle von Schweißrauch und anderen gefährlichen Faktoren kann nicht allein durch passiven Schutz erreicht werden.

(3) Die Innovation intelligenter und automatischer Schweißverfahren und Schweißsysteme hat einen neuen Weg zu umweltfreundlichem, effizientem Schweißen und sauberer Produktion eröffnet.

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Shane
Autor

Shane

Gründerin von MachineMFG

Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.

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