Resumen
La soldadura es un proceso básico ampliamente utilizado en diversos campos de fabricación industrial. Sin embargo, genera subproductos nocivos como luz de arco, radiación electromagnética, gases tóxicos y partículas de humo. Estos subproductos no sólo contaminan el medio ambiente, sino que también suponen un importante riesgo para la salud de los empleados.
Entre estos peligros, los humos de soldadura son los más complejos y difíciles de controlar en la producción de soldadura. Por lo tanto, realizar investigaciones sobre el control de los humos de soldadura es esencial para mejorar el entorno de producción de soldadura y proteger la salud de los empleados.
Este artículo proporciona un resumen del mecanismo de formación, los peligros y las medidas de tratamiento de los humos de soldadura. También analiza los desafíos encontrados en el tratamiento de humos de soldadura en aplicaciones de ingeniería e identifica la dirección de desarrollo del tratamiento de humos de soldadura.
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Prefacio
Como proceso fundamental de la fabricación moderna, la tecnología de soldadura ha evolucionado desde métodos tradicionales de conexión única hasta una tecnología multidisciplinaria de conformado en caliente que integra electricidad, máquinas, materiales y computadoras. Desempeña un papel insustituible en diversos campos, como maquinaria de ingeniería, conservación de agua y energía hidroeléctrica, construcción naval, transporte, equipo militar y otros.
Sin embargo, el proceso de soldadura emite radiación de arco, alta temperatura, ruido, humos de soldadura y gases tóxicos que no sólo contaminan el medio ambiente sino que también ponen en riesgo la salud de los empleados.
Aunque las máscaras y los protectores auditivos ofrecen una buena protección contra la luz del arco, las altas temperaturas y el ruido, no son tan efectivos contra los humos de soldadura, que son carcinógenos importantes.
Los humos de soldadura contienen principalmente gases tóxicos y partículas de hollín. Las partículas de hollín pueden provocar asma, bronquitis, neumonía, edema pulmonar, intoxicaciones agudas, enfermedades del sistema nervioso e incluso neumoconiosis, calor por vapores metálicos, cambios en la función respiratoria, cáncer y otras enfermedades.
Los gases tóxicos como el gas asfixiante CO, los gases irritantes como el ozono, el fluoruro, el cloruro, el dióxido de azufre y los gases tóxicos para los nervios como el óxido de nitrógeno y el fosgeno pueden provocar dolores de cabeza, mareos, tos, esputo, dolor en el pecho, tinnitus, tensión y ansiedad. en empleados.
La mala calidad del entorno de soldadura debido al humo de soldadura y otros peligros asociados ha resultado en una disminución en el número de personas dispuestas a realizar trabajos de soldadura año tras año. Este se ha convertido en uno de los principales problemas que restringen el sano desarrollo de la industria de la soldadura.
En los últimos años, con el aumento sustancial de la carga de trabajo de fabricación de soldadura y la popularidad de los métodos de soldadura eficientes, como el alambre tubular y otros procesos y materiales que producen mucho polvo, los problemas ocupacionales causados por los humos de soldadura se han vuelto cada vez más comunes.
Al principio, la concentración permitida de humo y polvo en el aire de los talleres en China era de 6 mg/m 3 .
Actualmente, la Asociación de Soldadura de China ha reducido la concentración permitida de humo y polvo a 4 mg/m3 y ha establecido requisitos claros para la cantidad de polvo generado por los materiales de soldadura. A la luz de los riesgos asociados con los humos de soldadura, la Sociedad Estadounidense de Soldadura también ha desarrollado un manual de ventilación para reducir la concentración de humos de soldadura en los talleres.
A principios de siglo, Japón estableció normas pertinentes para restringir la concentración de humo y polvo en los talleres de soldadura y promovió activamente la investigación y el desarrollo de nuevos materiales de soldadura.
Sin embargo, en la producción real, particularmente en áreas con alta intensidad de soldadura y espacios relativamente cerrados, como talleres de astilleros, las concentraciones de hollín pueden alcanzar 9-18 mg/m3 y hasta 38-312 mg/m3 en espacios confinados seccionales, que es. muy por encima de la concentración mínima de hollín requerida por las normas y es extremadamente perjudicial para la salud humana.
Está claro que reducir las sustancias peligrosas en el humo y el polvo y mejorar el entorno de trabajo para los profesionales de la soldadura se ha convertido en una cuestión urgente que debe resolverse en la industria de la soldadura.
Actualmente, el tratamiento de humos de soldadura en el país y en el extranjero se lleva a cabo principalmente en las tres direcciones siguientes:
(1) Fortalecer la Protección Personal; (2) Optimizar los Procesos y Materiales de Soldadura; (3) Asegurar una ventilación y extracción de humos adecuadas.
Este artículo analiza el mecanismo de generación de humos de soldadura y compara las ventajas y desventajas de las medidas convencionales actuales de control de humos. Propone un nuevo concepto de control de humos de soldadura mediante fabricación inteligente, que proporciona una referencia útil para mejorar el control de los humos de soldadura.
Debido a los riesgos físicos y químicos que los humos de soldadura representan para los empleados, es crucial proteger su salud y mantener la calidad del aire en el entorno operativo de soldadura. Esto se puede lograr comprendiendo el mecanismo de generación y los factores que influyen en los humos de soldadura, explorando el proceso de generación, crecimiento y polimerización de los humos de soldadura, y controlando y protegiendo los humos en la fuente.
Además, este enfoque establece una base teórica para las normas de admisión de humos de soldadura en la industria.
Mecanismo de formación de humos de soldadura.
Las primeras investigaciones sugirieron que el mecanismo para generar humos de soldadura era un proceso que involucraba sobrecalentamiento, evaporación, oxidación y condensación, como se ilustra en la Figura 1.
En el proceso de soldadura, la temperatura en el centro del arco es alta, provocando la evaporación tanto de sustancias metálicas líquidas como no metálicas, lo que a su vez genera vapor a alta temperatura y mantiene una determinada concentración de partículas.
A medida que el vapor de alta temperatura alcanza el área de baja temperatura en el borde del arco, se oxida y condensa rápidamente, lo que da como resultado la formación de "partículas primarias".
Estas partículas primarias son generalmente esféricas y tienen un diámetro de 0,01-0,4 µm, siendo la mayoría de 0,1 µm.
Debido a la electricidad estática y al magnetismo de las propias partículas primarias, estas se polimerizarán y formarán “partículas secundarias” a medida que la temperatura disminuya, que luego se difundirán de una manera específica.
Shi Yuxiang de la Universidad de Ciencia y Tecnología Jiaotong de Wuhan llevó a cabo un estudio en profundidad sobre el mecanismo de formación de los humos de soldadura. Propuso un mecanismo de aerosol para humos de soldadura, cuyo objetivo era explicar el proceso de transformación del vapor y el humo.
Sugirió que el mecanismo de nucleación de la soldadura de partículas de aerosol cerca del arco se divide en nucleación homogénea y nucleación heterogénea.
La distribución espectral, la morfología, la composición y las características estructurales de las partículas primarias se investigaron sistemáticamente, tanto experimental como teóricamente, mediante microscopía electrónica de muestreo directo y DMPS.
Se encontró que los cristales de Fe3O4 estaban compuestos principalmente por partículas de escala de 0,01 μm provenientes de aerosoles de soldadura, mientras que las partículas de humo de escala de 0,1 μm tenían dos tipos de estructuras cristalinas, tipo espinela y fluoruro, que se formaban por el mecanismo heterogéneo de condensación de transición de las partículas de vapor. .
Las partículas de hollín con una escala superior a 1 μm se formaron principalmente mediante el mecanismo de transición de partículas de burbujas. Adicionalmente, se propone un modelo de zona de nucleación de partículas de arco de soldadura, el cual es de gran importancia en el análisis del proceso de formación de partículas de aerosol de soldadura.
Las partículas de hollín generadas durante la soldadura crecen en el proceso de difusión mediante agregación y fusión.
Durante el proceso de fusión, varias partículas primarias se fusionan en una sola partícula grande, donde el área de superficie total de esta última es menor que la suma de las áreas de superficie de las partículas primarias y no hay límite entre ellas.
Por el contrario, el proceso de agregación se compone de docenas, o incluso cientos, de partículas primarias que se adhieren a la superficie y exhiben límites distintos entre partículas.
Independientemente de si se produce agregación o fusión de partículas, el tamaño, la forma y la concentración de las partículas en los humos de soldadura cambiarán.
Peligros de los humos de soldadura
El proceso de soldadura puede producir grandes cantidades de humo y gases tóxicos que son perjudiciales para la salud humana.
Una proporción importante del humo de soldadura está formada por partículas en suspensión que se difunden en el aire, mientras que otra parte se dispersa en forma de gas tóxico.
Las partículas de hollín producidas durante la soldadura existen principalmente como óxidos metálicos, que son de composición compleja, muy viscosos y tienen altas temperaturas, con tamaños de partículas no uniformes.
Normalmente, los soldadores tienen una capacidad respiratoria de alrededor de 20 L/min en entornos de soldadura de producción. Por tanto, su capacidad respiratoria durante un año es de aproximadamente 2.300m3.
En entornos deficientes de producción de soldadura, un trabajador puede inhalar 100 g de partículas al día y 2,5 kg de sustancias nocivas durante 25 años de trabajo.
La Tabla 1 muestra las partículas comunes de óxido metálico producidas durante la soldadura y sus peligros asociados.
Tabla 1 Peligros de partículas en humos de soldadura
| Material | Fuente | Peligro |
| óxido férrico | De material de aportación y metal base | Neumoconiosis de hierro o enfermedad por depósito de hierro causada por inhalación prolongada. |
| oxido de aluminio | Proceso de soldadura de materiales a base de aluminio. | La deposición de polvo en los pulmones causa neumoconiosis |
| óxido de manganeso | Proceso de soldadura a partir de materiales de soldadura que contienen manganeso. | Irritante para las vías respiratorias, provocando neumonía. La exposición prolongada dañará el sistema nervioso. |
| Óxido | Electrodo básico o alambre recubierto. | Irritante para la mucosa gástrica, provocando daño óseo. |
| compuesto de bario | Relleno de soldadura que contiene bario. | Toxicidad, que causa deficiencia de potasio en los tejidos humanos. |
| Óxido de níquel | Materiales de soldadura de níquel puro o aleaciones a base de níquel. | Daños a la mucosa nasal y cáncer de pulmón, carcinógeno de clase I |
Dependiendo del tamaño de las partículas, los humos de soldadura pueden causar distintos grados de daño al cuerpo humano.
El equipo dirigido por Yang Lijun de la Universidad de Tianjin realizó una investigación sobre la distribución del tamaño de las partículas de los humos de soldadura MIG y analizó el impacto de los parámetros de soldadura y la transferencia de gotas en el tamaño de las partículas de los humos. Los resultados mostraron que las partículas de hollín exhibían características de distribución casi cuantificadas, con tamaños de partículas principalmente en el rango de 0,1 a 1 μm, lo que representa más del 85 %, y tamaños de partículas inferiores a 0,1 μm, que representan aproximadamente el 10 %. Además, los procesos de soldadura, las formas de transferencia de las gotas y los parámetros de soldadura tuvieron ciertos efectos sobre el tamaño de las partículas de hollín. Específicamente, la disminución del voltaje de soldadura condujo a una reducción en el tamaño de las partículas de hollín.
Gomes JF et al. calculó que el tamaño de las partículas de los humos de soldadura generados durante el proceso de soldadura era de aproximadamente 0,5 μm.
Las investigaciones han demostrado que las partículas de humo con un diámetro de más de 10 μm en el aire se depositan en la nasofaringe, mientras que aquellas con un diámetro de menos de 10 μm pueden ser inhaladas por el cuerpo humano. Se pueden liberar partículas de humo con diámetros de 2 a 10 μm, pero aquellas con diámetros inferiores a 0,5 μm se depositarán en los pulmones y serán difíciles de eliminar.
La Tabla 2 muestra la cantidad residual de TiO2 con diferentes tamaños de partículas en tejido pulmonar de rata durante varios días (unidad: μg). Cuanto menor es el tamaño de las partículas, más penetrables son y más difíciles de eliminar del organismo. Además, las partículas de humo se dispersarán en partículas primarias más pequeñas en los alvéolos humanos, exacerbando sus efectos nocivos en el cuerpo.
Tabla 2 Contenido de diferentes tamaños de TiO 2 en tejido pulmonar de rata (μg)
| Hora del día | TiO2 -D(0,03 μm) | TiO2 -F(0,25 μm) |
| 1 | 347,7±13,1 | 324,3±6,1 |
| 29 | 202,8±23,0 | 172,8±12,1 |
| 59 | 140,9±22,6 | 128,5±16,6 |
LaurynMF et al. encontró que Fe2O3 es el único óxido metálico que promueve el cáncer de pulmón, y la tendencia de los óxidos metálicos a causar inflamación pulmonar es Fe2O3 > Cr2O3+CaCrO4 > NiO. Entre ellos, el efecto tóxico del Fe2O3 en el pulmón es continuo, mientras que el efecto tóxico del Cr2O3+CaCrO4 en el pulmón es agudo.
Roth JA et al. descubrió que la exposición prolongada a los humos de soldadura y la inhalación excesiva de manganeso pueden tener efectos adversos en la salud humana, incluidos daños a los pulmones, el hígado, los riñones y el sistema nervioso central. Los trabajadores varones corren un mayor riesgo de infertilidad.
La exposición prolongada a ambientes con concentraciones de manganeso superiores a 1 mg/m3 puede aumentar el riesgo de intoxicación por manganeso, similar a la enfermedad de Parkinson.
Además de las muchas partículas de humo nocivas que se producen al soldar, también emite muchos gases nocivos, como monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno, ozono, fosgeno, fluoruro de hidrógeno y otros componentes nocivos.
La Tabla 3 enumera los peligros de los gases nocivos presentes en algunos humos de soldadura para el cuerpo humano.
Tabla 3 Gases nocivos y peligros en los humos de soldadura
| gas nocivo | Para producir | Peligro |
| Monóxido de carbono | El fundente de soldadura o gas protector se produce por la combustión y descomposición del dióxido de carbono. | Dolor de cabeza, mareos, confusión, asfixia. |
| Óxido nítrico | Se produce por la acción de los rayos ultravioleta generados por el arco eléctrico sobre el nitrógeno del aire. | Irritación de los ojos y del tracto respiratorio, que provoca congestión pulmonar. |
| Ozono | Se produce por la interacción de los rayos ultravioleta generados por el arco y el nitrógeno del aire. | El tracto respiratorio se seca, provocando dolor de cabeza, fatiga, congestión pulmonar y enfermedades pulmonares. |
| Fosgeno | Se produce por la descomposición de disolventes que contienen flúor, politetrafluoroetileno, revestimientos de superficies, etc. | Irritante para las vías respiratorias, nariz y ojos, tóxico, provocando edema pulmonar. |
| fluoruro de hidrógeno | Recubrimiento y flujo de electrodos. | Irritación en ojos, nariz, garganta, congestión pulmonar, cambios óseos. |
Protección contra humos de soldadura
Se deben tomar medidas integrales para purificar el entorno de trabajo de soldadura y proteger la salud de los empleados reduciendo las emisiones de las fuentes, fortaleciendo la protección y promoviendo la innovación tecnológica. Esto ayudará a garantizar que la concentración de sustancias nocivas generadas por la soldadura se mantenga dentro del rango permitido.
Actualmente, existen varias medidas de tratamiento comunes disponibles, como la protección personal, la optimización del proceso y los materiales de soldadura y la implementación de sistemas de ventilación y extracción de humos.
1. Protección personal
Las medidas de protección personal para los humos de soldadura implican principalmente el uso de máscaras de ventilación y eliminación de polvo, así como otros equipos de protección respiratoria, para reducir el daño causado por los humos de soldadura a los trabajadores.
La Figura 2 ilustra cuatro mecanismos de filtración de respiradores para partículas de humo y polvo de varios tamaños.
(1) Efecto de la gravedad:
A medida que el aire que contiene partículas de polvo pasa a través de la capa de fibra del material filtrante, las partículas se desplazan de la dirección del flujo de aire por su propia gravedad y se depositan sobre el material filtrante.
Normalmente, las partículas de polvo de más de 1 μm se filtran eficazmente, mientras que las partículas más pequeñas pueden ignorarse debido a su efecto mínimo sobre la gravedad en comparación con el caudal de gas y otros factores.
(2) Efecto de interceptación:
Las fibras dentro del material filtrante están apiladas y entrelazadas de forma irregular entre sí.
A medida que las partículas de humo de alta velocidad en el aire entran en contacto con el material de la fibra, se adhieren a la superficie de las fibras, lo que resulta en una intercepción efectiva de las partículas.
(3) Efecto de inercia:
Las partículas de humo se depositan en la superficie de la fibra debido al efecto de la fuerza de inercia a medida que el flujo de aire cambia de dirección con frecuencia al pasar a través del material filtrante, lo que hace que se separe de la línea de corriente. Este fenómeno es particularmente cierto para las partículas de humo con un tamaño de partícula de 0,5 ~ 1,0 μm, que son interceptadas principalmente por el efecto de inercia.
(4) Efecto de difusión:
Las partículas con un diámetro inferior a 0,1 μm a temperatura ambiente se mueven principalmente mediante movimiento browniano. Cuanto más pequeñas sean las partículas, más fácil serán eliminadas.
Las partículas mayores de 0,5 μm se encuentran principalmente en movimiento inercial. Cuanto más grandes sean las partículas, más fácil serán eliminadas.
Las partículas entre 0,1 μm y 0,5 μm no tienen efectos obvios de difusión e inercia y son difíciles de eliminar.
Durante la soldadura, el tamaño de las partículas de humo varía de 10-3 a 102 μm en cinco órdenes de magnitud, siendo las partículas de 0,1-0,5 μm las más penetrantes.
Actualmente, ningún respirador puede lograr un efecto de filtrado ideal en todas las partículas de humo.
En la actualidad, el equipo de protección personal tiene un efecto protector débil sobre los gases tóxicos y la prevención de los gases tóxicos no se puede lograr únicamente mediante la protección personal.
2. Optimización del proceso de soldadura y materiales de soldadura.
La optimización de los procesos y materiales de soldadura pasa principalmente por controlar los humos de soldadura, reduciendo la tasa de generación de humos y el contenido de sustancias tóxicas en su interior.
Hay varios factores que afectan la cantidad de polvo de soldadura producido.
Actualmente, la investigación sobre el polvo de soldadura en entornos nacionales e internacionales se centra principalmente en dos aspectos:
El primero estudia la influencia de diversos métodos de soldadura y parámetros del proceso sobre la cantidad de polvo generado, y el segundo estudia el impacto de la composición del alambre de soldadura, el recubrimiento y el gas protector sobre la cantidad de polvo producido.
2.1 Impacto del proceso de soldadura en la emisión de polvo
La cantidad de polvo generado varía según el método de soldadura utilizado.
Cuando se utilizan los mismos parámetros de proceso, la soldadura MIG produce una tasa de generación de polvo mucho mayor que la soldadura sin MIG. Por otro lado, el humo que genera la soldadura por arco sumergido es mínimo.
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La Tabla 4 muestra la cantidad de polvo generado por varios métodos de soldadura bajo especificaciones idénticas.
En general, cuando se utiliza el mismo método de soldadura, la cantidad de polvo producido aumenta a medida que aumentan la corriente y el voltaje de soldadura.
En comparación con la soldadura CC, la soldadura CA genera una mayor cantidad de polvo, pero la cantidad de polvo disminuye a medida que aumenta la velocidad de soldadura.
Tabla 4 Tasa de generación de polvo de diferentes métodos de soldadura
| Proceso de soldadura | Tasa de generación/(mg·min -1 ) |
| FCAW | 900~1300 |
| SMAW | 300~800 |
| MIG/MAG | 200~700 |
| GTAW | 3~7 |
| CORDILLERA | 3~6 |
La generación de grandes cantidades de polvo procedente de la soldadura con hilo tubular, la soldadura por arco metálico protegido y la soldadura MIG tiene un grave impacto tanto en los soldadores como en el medio ambiente, lo que la convierte en un importante foco de investigación tanto a nivel nacional como internacional.
Shi Qian y sus colegas de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Lanzhou realizaron una investigación sobre la cantidad de polvo generado por la soldadura con alambre tubular autoprotegido bajo diferentes parámetros de proceso.
Sus hallazgos indican que en soldaduras de pequeñas especificaciones, la cantidad de polvo generado aumentó significativamente debido al aumento de las salpicaduras durante la transición del cortocircuito y la transición de la columna de escoria. En la soldadura de especificaciones grandes, la tasa de evaporación de la gota y del metal base calentado se acelera debido al aumento en el aporte de calor, lo que resulta en un aumento en la cantidad de polvo generado. El modo de transferencia de gotas tuvo poco efecto sobre la cantidad de polvo generado.
Estos resultados también fueron confirmados en la investigación de Zhang Junqiang sobre el mecanismo de generación de humo y polvo en la soldadura con alambre tubular autoprotegido. El estudio encontró que el humo y el polvo agregados generados en el área de salpicaduras de humo y polvo y en el área de gotas de humo y polvo aumentaron considerablemente la cantidad total de humo y polvo.
Yamamoto et al. Usó CO2 como gas protector al soldar con alambre con núcleo fundente al 26%.
A medida que aumenta la corriente de soldadura, la cantidad de polvo de soldadura disminuye gradualmente.
El autor también desarrolló un proceso avanzado de soldadura por arco protegido por gas de dióxido de carbono puro utilizando el método de corriente pulsada para controlar la gota.
Este método utiliza alta corriente para fundir el alambre de soldadura y luego reduce la corriente durante la transferencia de gotas. Esto garantiza que la gota pueda transferirse suavemente al baño fundido con una longitud constante, lo que da como resultado la formación y separación regular de gotas de metal y reduce la cantidad de polvo generado en un 50%.
Scotti estudió la influencia de la longitud del arco, el diámetro de las gotas y la corriente de cortocircuito en la cantidad de polvo generado por GMAW utilizando un método de control variable.
Los resultados muestran que durante la transición de cortocircuito, un aumento en el diámetro de las gotas, la corriente de cortocircuito y la longitud del arco conduce a un aumento en la cantidad de polvo generado. Una corriente de cortocircuito más alta hace que la evaporación del metal en la superficie del puente líquido sea más intensa cuando la gota ingresa al baño de soldadura, aumentando la cantidad de polvo generado. Cuando estos factores trabajan juntos, el aumento de la emisión de polvo es más notorio.
Bu Zhixiang de la Universidad Tecnológica de Hubei y otros llevaron a cabo un experimento ortogonal con soldadura de alambre de soldadura sólido con protección de gas CO2 como objeto de investigación, y utilizaron corriente de soldadura, voltaje de soldadura y velocidad de soldadura como tres factores experimentales. Consideraron la tasa y la cantidad de polvo de soldadura como indicadores experimentales.
A través del análisis de varianza y análisis de rango de datos de pruebas ortogonales, los resultados muestran que los principales factores que afectan la tasa de formación de humos de soldadura son la corriente y el voltaje de soldadura, y la velocidad de soldadura no tiene un efecto significativo en la tasa de formación de humos de soldadura. Cuando el voltaje de soldadura es de 22-24 V, la corriente de soldadura es de 290-320 A y la velocidad de soldadura es de 26 cm/min, la cantidad de polvo de soldadura es la más baja.
La cantidad de humo de soldadura no sólo está relacionada con el material de aportación, sino también estrechamente con la composición del gas de protección.
KR Carpenter et al. agregaron O2 y CO2 al gas protector GMAW y descubrieron que agregar 2% de O2 a la mezcla binaria Ar-CO2 no tuvo ningún efecto en la tasa de generación de polvo.
Cuando aumenta el O2 en la mezcla ternaria, la tasa de generación de polvo aumenta al nivel de 5% de CO2, pero no aumenta significativamente al nivel de 12% de CO2.
La cantidad de polvo generado se puede controlar ajustando la cantidad de CO2 añadido al gas mezclado, según un estudio realizado por el equipo de Li Zhuoxin de la Universidad Tecnológica de Beijing sobre el contenido de Cr (Ⅵ) en los humos de soldadura de acero inoxidable.
Sus resultados indicaron que la fracción de masa de Cr (Ⅵ) en el humo aumentó con una oxidación más fuerte del gas de protección durante la soldadura con gas de protección. Además, el Cr (Ⅵ) aumentó con corrientes eléctricas más altas (150 ~ 250 A) durante la soldadura MAG, y la relación de masa de Cr (Ⅵ) en los humos de transferencia de cortocircuito con respecto al Cr total fue mayor que la de los humos de transferencia por chorro durante GMAW.
Un informe presentado por Vishal Vats en la reunión provisional del Octavo Comité de IIW 2022 señaló que la adición de oxígeno al gas protector GMAW promovería la formación de Cr3+ y Cr6+, así como aumentaría elementos nocivos como Mn, Fe y Ni. en el humo.
Estos hallazgos sugieren que la cantidad de polvo de soldadura está influenciada por los parámetros del proceso de soldadura, y la selección de parámetros apropiados puede reducir las emisiones de polvo y promover un medio ambiente más saludable. Sin embargo, existe un efecto de acoplamiento entre el proceso de soldadura y la calidad de la soldadura que puede requerir sacrificar la calidad y la eficiencia para reducir las emisiones de humo, lo que presenta limitaciones en aplicaciones prácticas.
El uso cada vez mayor de métodos de soldadura eficientes (soldadura de doble alambre/múltiples alambres, soldadura por arco láser híbrido) en ingeniería aumenta aún más los requisitos de especificaciones de soldadura y hace que el tratamiento de los humos de soldadura sea más desafiante.
2.2 Efecto de los materiales de soldadura sobre la emisión de polvo.
Durante el proceso de soldadura, los óxidos metálicos producidos al soldar materiales a altas temperaturas se mezclan con diversos carcinógenos. Si los operadores inhalan estas partículas en exceso, pueden causar una variedad de enfermedades.
Para mitigar estos riesgos, el desarrollo de materiales de soldadura ecológicos puede controlar eficazmente los componentes dañinos del humo y el polvo en su origen.
La investigación sobre materiales de soldadura ecológicos en el país y en el extranjero se centra principalmente en tres aspectos:
(1) Modificando la composición de la película del medicamento, es posible reducir la cantidad de polvo generado por el material.
(2) Reducir el contenido de elementos metálicos pesados en el humo y el polvo de soldadura.
(3) Los humos de soldadura deben tratarse con materiales de soldadura desactivadores.
La cantidad de polvo que se genera durante la soldadura está influenciada por la composición del recubrimiento del electrodo, la composición química del polvo y la tira de acero del alambre de soldadura. Los factores que influyen son complejos.
La fluorita y el silicato de sodio son los principales contribuyentes a la generación de polvo en el revestimiento del electrodo y sus productos de reacción representan más del 50% de la cantidad total de humo y polvo.
Los materiales que contienen K y Na aumentan la cantidad de polvo generado, mientras que la aleación de silicio-calcio y el polvo de magnesio pueden inhibirlo.
La investigación realizada por Jiang Jianmin y otros en la Universidad Tecnológica de Beijing encontró que reducir el contenido de polvo de hierro en el núcleo del fundente del alambre puede disminuir la cantidad de polvo generado durante la soldadura entre un 33% y un 47%.
Según un informe de Mruczek MF, un fabricante extranjero de material de soldadura ha desarrollado un alambre tubular con bajo contenido de manganeso que puede reducir eficazmente el contenido de Mn en los humos de soldadura. Sin embargo, esto puede provocar malas propiedades mecánicas de la soldadura.
North TH descubrió que agregar partículas compuestas que contienen Mn al núcleo puede reducir significativamente el contenido de Mn en los humos de soldadura, evitando la oxidación del Mn y dejando más Mn en la soldadura.
Dennis JH y cols. Se agregaron elementos activos (Zn, Al, Mg) al alambre tubular, lo que puede reducir significativamente el contenido de Cr6+ en los humos de soldadura, permitiendo que los elementos activos se oxiden preferentemente. Sin embargo, agregar Zn al alambre de soldadura de acero inoxidable puede reducir el contenido de Cr en los humos de soldadura pero acelerar la tasa de formación de humo.
Mortazavi SB et al. descubrieron que reducir el contenido de K en los materiales de soldadura y aumentar el contenido de Li puede reducir el contenido de K2CrO4 y posteriormente reducir el contenido de Cr6+ en los humos de soldadura a través del Li.
Además, Topham N et al. demostró que reducir el contenido de Na y K en materiales de soldadura de acero inoxidable austenítico y agregar un 30% de tetraetil silano (TEOS) en el gas protector puede reducir el contenido de Cr (VI) en los humos de soldadura de acero inoxidable.
Sin embargo, el método de apagado de los materiales de soldadura utilizado para reducir los componentes dañinos en los humos de soldadura puede no cumplir con los requisitos de propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión y resistencia al desgaste necesarios para las estructuras de soldadura.
Actualmente, el grado de aleación del metal base utilizado es muy elevado. Del acero con bajo contenido de carbono al acero de baja aleación y luego a la aleación de alta entropía, el nivel de aleación está aumentando.
Al mismo tiempo, agregar elementos de aleación como Mn, Cr, Ni, Mo, Co y otros a los materiales de soldadura (material base+alambre de soldadura) puede mejorar significativamente las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión de los componentes de soldadura, aumentar su vida útil y ampliar la gama de Aplicaciones de materiales metálicos.
Como resultado, a menudo resulta poco práctico tratar el humo y el polvo deteniendo los materiales de soldadura en la producción real.
3. Ventilación y extracción de humos.
La ventilación y la extracción de humos son actualmente los métodos de tratamiento más eficaces en producción, que incluyen principalmente dos tipos de métodos:
El primer método implica instalar dispositivos locales de extracción de humo o utilizar pistolas de soldar humeantes en la estación de soldadura para controlar la difusión adicional del humo de soldadura y los gases nocivos, y controlarlos desde la fuente.
El segundo método consiste en mejorar el entorno de trabajo del taller de soldadura mediante una ventilación integral y una ventilación por desplazamiento de la planta.
3.1 Extracción de humo local
Actualmente, los principales métodos para la extracción local de humo incluyen principalmente pistolas de soldar humeantes y ventilación local y eliminación de polvo.
El principio de la pistola de soldar para fumar se ilustra en la Figura 3. La boca para fumar genera succión para capturar el humo y el polvo, evitando su difusión y la contaminación ambiental.
En comparación con otros equipos de procesamiento por puntos, las pistolas de soldadura en caliente ofrecen una mayor flexibilidad en términos de posicionamiento y ajuste de ángulo, lo que permite a los soldadores operar con menos restricciones.
La ventilación local implica el uso de campanas especializadas para extraer directamente los humos de soldadura del área de soldadura y posteriormente liberar los humos recolectados al exterior después de someterse a un tratamiento de reducción de polvo. El principio de ventilación local está representado en la Figura 4.
Las investigaciones indican que la ventilación local es más eficiente que la ventilación general.
Flynn MR realizó un estudio comparando la eficacia de eliminación de polvo de un sistema de ventilación local en tres condiciones: sin ventilación interior, viento natural y ventilación mecánica. Los resultados revelaron que el ventilador combinado con el sistema de ventilación local tuvo la mayor eficiencia de eliminación de polvo.
En otro experimento, Meeker JD evaluó equipos comerciales de ventilación local y eliminación de polvo. El estudio encontró que la concentración de Mn en el humo del aire disminuyó en un 25%, las partículas en suspensión disminuyeron en un 40% y el Cr6+ disminuyó en un 68% después de usar el equipo. Por lo tanto, la ventilación local y la eliminación del polvo son un método de ventilación eficaz.
Sin embargo, cabe señalar que los equipos de extracción de humos locales sólo son adecuados para soldar piezas de pequeño tamaño y tienen una aplicación limitada en talleres de soldadura de estructuras pesadas. Esto se debe a que la estación de soldadura para estructuras pesadas es móvil y los puntos de humo y polvo cambian constantemente, lo que dificulta considerar el espacio total mediante la desempolvación local.
3.2 Ventilación general y ventilación por desplazamiento
La ventilación general, también conocida como ventilación por dilución, se refiere al proceso de diluir el aire contaminado interior con aire limpio mediante el uso de puertas, ventanas y techos. Esto se hace para reducir la concentración de sustancias nocivas en el aire interior y garantizar que el ambiente interior cumpla con los estándares de calidad del aire.
Su principio se muestra en la Fig.
La ventilación general es adecuada para entornos con bajas concentraciones de sustancias nocivas y se utiliza comúnmente como modo auxiliar para la ventilación local y la eliminación de polvo.
CE Feigley et al. estudió y discutió el factor de seguridad K en la fórmula de cálculo del volumen de aire para la ventilación por dilución y propuso un factor de mezcla Km más objetivo basado en mediciones experimentales.
Liu Siyan et al. realizaron pruebas para evaluar la concentración de peligros químicos en un taller de soldadura antes y después de implementar un tratamiento de ventilación mecánica. Después del tratamiento de ventilación, el contenido de manganeso y sus compuestos en el aire, humos de soldadura, ozono, monóxido de carbono y óxidos de nitrógeno en el taller disminuyó, observándose la reducción más significativa para el manganeso y sus compuestos con una concentración decreciente del 82%.
La ventilación por desplazamiento se desarrolla en base a la ventilación general y su principio se ilustra en la Figura 6.
Debido al calor generado durante el proceso de soldadura, se forma un gradiente de temperatura estable en el taller de soldadura, lo que reduce la velocidad del viento y provoca una diferencia de temperatura (ΔT=2~4 ℃) entre el aire fresco suministrado directamente al escritorio interno.
Como resultado, el aire más frío desciende primero bajo la influencia de la gravedad y se extiende gradualmente por el suelo, formando una capa de aire fresco. A medida que aumenta la temperatura, este aire fresco sube, eliminando continuamente el aire contaminado.
Además, se suministra continuamente aire fresco a la habitación a través del conducto de aire, mientras que la abertura de retorno de aire situada encima del taller aspira aire interior debido a múltiples factores.
El aire frío sobre el suelo en el área de trabajo se eleva lentamente, formando un flujo de aire ascendente uniforme. Esto reemplaza gradualmente el aire contaminado del taller, purificándolo.
El método de eliminación de polvo por ventilación por desplazamiento no solo ahorra consumo de energía sino que también proporciona una mayor eficiencia de purificación. R. Nienel et al. realizó un estudio sobre el sistema de ventilación por desplazamiento de grandes plantas de soldadura.
Al analizar la distribución espacial de las partículas generadas durante el proceso de soldadura, encontraron que la concentración de partículas en el área de actividad del personal en la parte inferior de la planta era significativamente menor que la concentración en la parte superior de la planta, demostrando así la efectividad de la ventilación. Desplazamiento en la descarga de partículas de la planta de soldadura.
Actualmente, la investigación sobre ventilación por desplazamiento se centra principalmente en optimizar la distribución del aire, los parámetros de suministro de aire y la posición de la salida de ventilación por desplazamiento mediante simulación numérica CFD. Esta investigación tiene como objetivo mejorar la eficiencia de la ventilación y proporcionar orientación teórica para optimizar el diseño de ventilación por desplazamiento.
Conclusión
(1) La generación y el peligro de los humos de soldadura están determinados por complejos procesos físicos y químicos y se requieren medidas integrales para su tratamiento.
(2) No se puede lograr un control completo de los humos de soldadura y otros factores peligrosos únicamente mediante protección pasiva.
(3) La innovación de los procesos de soldadura y los sistemas de soldadura inteligentes y automáticos ha abierto un nuevo camino para lograr una soldadura ecológica y eficiente y una producción limpia.
