Направления повышения экологической составляющей дуговой сварки

Рассматривается возможность повышения экологической чистоты дуговой сварки.

Ключевые слова: плавящийся электрод, вредные вещества, низкоуглеродистые стали.

В последние десятилетия одним из основных направлений развития ведущих отраслей производства, таких как машиностроение, транспорт и энергетика, является экологический мониторинг. И эта тенденция приобретает все большее распространение в мире.

Одним из самых распространенных технологических процессов машиностроения и других отраслей производства является дуговая сварка. Это обусловлено тем, что на современном этапе экономического и технического развития ведущих отраслей производства основным конструкционным материалом остаются углеродистые стали. И хотя в последние десятилетия развиваются и другие методы сварки, такие как лазерная, электронно-пучковая, гибридные процессы, первенство принадлежит дуговой сварке, что обусловлено рядом объективных предпосылок. Для дуговой сварки присущи: достаточно высокая производительность, мобильность, простота в реализации, высокое качество сварных соединений [1, 2]. Это способствует широкому распространению дуговой сварки в различных отраслях производства. Поэтому проблема повышения экологической безопасности и чистоты чрезвычайно актуальна для дуговой сварки.

В мировой практике традиционным подходом является не повышение экологической чистоты отдельных способов сварки, а обеспечение экологической чистоты сварочного производства. Для снижения концентрации вредных веществ на рабочих местах их оснащают вентиляционными системами. Очистка выбросов от вредных веществ обеспечивается за счет оборудования вентиляционных систем фильтрами и другими очищающими средствами [4]. Эффективность очистки при помощи таких мер не ниже 0,95. Поэтому на сегодня основным направлением повышения экологической чистоты сварки является очистка вентиляционных выбросов от вредных веществ.

Однако необходимо учитывать, что значительные объемы сварочных работ выполняются в условиях открытого пространства на монтаже. К таким работам относятся строительство и ремонт металлоконструкций зданий и сооружений, трубопроводов для транспортировки нефти и газа и др. Практический опыт показывает, что в этих условиях обеспечить фильтрацию и очистку вредных веществ в зоне сварки практически невозможно.

Цель данной работы — определение направлений повышения экологической безопасности и чистоты дуговой сварки.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

− оценить и сравнить экологическую безопасность и чистоту различных способов дуговой сварки;

− проанализировать технологические возможности различных способов дуговой сварки с точки зрения их адаптации к условиям выполнения сварных соединений;

Современный этап технического и экономического развития как в мире характеризуется массовым использованием во всех отраслях производства углеродистых и легированных сталей. Массовость использования этих сталей во всех отраслях сварочного производства объясняется их неограниченной свариваемостью, которая обеспечивает простоту и сравнительно низкую трудоемкость получения и высокое качество сварных соединений. К дуговым способам сварки относятся следующие: аргонно-дуговая сварка неплавящимся электродом, сварка под флюсом, сварки плавящимся электродом в защитных газах, сварка порошковой проволокой и ручная дуговая сварка штучными электродами. Среди всех способов дуговой сварки наиболее экологически чистым является аргонно-дуговой способ [1].

Соединения типа С8 и С17 с предварительной подготовкой одной и двух кромок является оптимальным для сварки в защитных газах и ручной дуговой сварки штучными электродами [4, 5]. Экологические показатели каждого способа дуговой сварки определялись из расчета на один погонный метр шва. По методике, приведенной в [1], было определено количество наплавленного металла для каждого способа сварки. Результаты расчета приведены в таблице 1.

Таблица 1

Количество вредного вещества, которое выделяется при разных способах дуговой сварки одного погонного метра стыкового шва

Масса расплавленного сварочного материала определяется умножением массы наплавленного металла на коэффициент расхода сварочного материала [6.7], а количество вредных веществ — умножением массы расплавленного сварочного материала на удельные выделения вредных веществ [2]. Результаты этих расчетов приведены в табл. 1.

Для ручной дуговой сварки покрытыми электродами приведены максимальные и минимальные массы вредного вещества, которые выделяются при дуговой сварке низкоуглеродистых сталей. Все зависит от марки сварочного материала, который применяется в конкретном случае. Для сварки в защитных газах проволокой сплошного сечения приведены максимальные значения выделения марганца. Это связано с тем, что основной проволокой, который применяется для сварки низкоуглеродистых сталей, является Св08Г2С. Данные, приведенные в табл. 1, свидетельствуют, что минимальные вредные выделения марганца характерны для сварки в защитных газах электродом сплошного сечения. Данный способ относится к способам сварки открытой дугой, поэтому количество вредных выделений увеличивается на порядок по сравнению с предыдущим способом. Максимальная масса выделения вредных веществ, как свидетельствуют данные табл. 1, присущая ручной дуговой сварке штучными электродами. Таким образом, минимальное количество вредных выбросов обеспечивает сварка в защитных газах проволокой сплошного сечения.

Ручная дуговая сварка благодаря своей простоте и возможности реализации во всех пространственных положениях и в условиях открытого пространства все еще остается самым массовым способом сварки на монтаже. Однако он эффективен лишь для выполнения коротких сварных соединений, так как имеет самую низкую из всех дуговых способов сварки производительность. Данные, приведенные в табл. 1 также свидетельствуют, что чем больше металла необходимо наплавить для формирования сварного соединения, тем больше масса вредных выделений. Итак, для улучшения их экологических показателей при дуговых способах сварки плавящимся электродом целесообразно уменьшать количество наплавленного металла, необходимого для образования сварного соединения. Однако низкая проплавляющая способность дуги противодействует этому и ограничивает толщины, которые свариваются без предварительного раскрытия кромок. Самым простым способом уменьшить количество наплавленного металла, необходимого для формирования сварного соединения, является сужение раскрытия кромок.

При этом, как свидетельствуют данные табл. 1, количество металла, который необходимо наплавить для образования сварного соединения и, соответственно, количество электродного металла расплавляется, почти в 2–3 раза меньше, чем при сварке традиционным способом. Соответствующим образом уменьшается (в 2–3 раза) и масса вредных выделений. Таким образом, повышение проплавляющей способности дуги при сварке проволокой сплошного сечения в защитных газах обеспечивает возможность выполнения сварных соединений сравнительно большой толщины однопроходными швами без предварительного раскрытия кромок, за счет чего уменьшается количество электродного металла, которую необходимо расплавить и наплавить для образования сварного соединения. В результате резко уменьшается масса вредных выбросов.

Сварка в защитных газах проволокой сплошного сечения, как и ручная дуговая, является одним из самых массовых способов дуговых способов, и объемы его применения постепенно растут благодаря простоте реализации, компактности оборудования, простоте механизации и автоматизации, высокому качеству сварных соединений и возможности их выполнения во всех пространственных положениях, а также благодаря высокой производительности. А в промышленно развитых странах данный способ сварки по объемам применения значительно опережает другие. Поэтому повышение показателей его экологической чистоты будет оказывать положительное влияние на экологическую чистоту тех отраслей сварочного производства, где она применяется.

Выводы

1. Максимальное количество вредных веществ выделяется при ручной дуговой сварке, и на порядок выше — по сравнению со сваркой в ​​защитных газах проволокой сплошного сечения.
2. Для уменьшения массы вредных выделений при дуговой сварке следует уменьшать количество металла, который необходимо наплавить для получения полноценного сварного соединения.
3. Благодаря активация дуги при сварке плавящимся электродом в защитных этому в 2–3 раза уменьшается количество электродного металла, который обходимо расплавить и наплавить для образования сварного соединения и, как следствие, во столько же раз уменьшается масса вредных выбросов.

1. Акулов А. И. Технология и оборудование сварки плавлением / А. И. Акулов, Г. А. Бельчук, В. П. Демянцевич. — М.: Машиностроение, 1977. — 432 с.
2. Белов С. В. Безопасность производственных процессов: справочник / С. В. Белов. — М.: Машиностроение, 1985. — 448 с.
3. Патон Б. Е. Технология электрической сварки плавлением / Б. Е. Патон. — М.: Машиностроение, 1974. — 768 с.
4. ГОСТ 5264–80 (2003) Ручная дуговая сварка. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры.
5. ГОСТ 14771–76 (2008) Дуговая сварка в защитных газах. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры.
6. Нормирование расхода покрытых электродов при ручной дуговой сварке и наплавке: справочное пособие. — Киев: Экотехнология, 2008. — 68 с.
7. Нормирование расхода сварочных материалов при сварке в углекислом газе и его смесях: справочное пособие. — Киев: Экотехнология, 2008. — 68 с.