آلودگی هوا در اثر جوشکاری و علل رخداد آن

مطابق تعریف برخی از محققان، “پدیده آلودگی هوا شامل دنباله ای از وقایع است: تولید آلاینده ها و انتشار آنها از یک منبع. انتقال آن ها و دگرگونی آنها و خارج شدن از جو؛ و تأثیرات آنها بر روی انسان ، مواد و اکوسیستم “. آلودگی هوا آلودگی داخلی یا خارجی توسط ذرات ، مولکول های بیولوژیکی یا سایر مواد مضر است که خصوصیات طبیعی جو زمین را تغییر می دهد. وسایل احتراق خانگی ، وسایل نقلیه موتوری ، آتش سوزی جنگل ها و فرایندهای صنعتی، منابع مشترک آلودگی هوا هستند. منابع عمده صنعتی آلودگی هوا، شامل فلزات ، محصولات معدنی ، نفت و صنایع شیمیایی است. آلودگی هوا در اثر جوشکاری تهدیدی برای سلامتی انسان و همچنین اکوسیستم زمین محسوب می شود. براساس گزارش WHO ، حدود 7 میلیون نفر در سراسر جهان به دلیل آلودگی هوا در سال 2012 جان خود را از دست دادند. جوشکاری به عنوان یک عمل مهم در اکثر صنایع ، می تواند باعث آلودگی هوا شود. در کلیه انواع فرآیند جوشکاری ، دود و گازها به عنوان آلاینده هوا تشکیل می شوند. به دلیل دمای زیاد در طی فرآیند جوشکاری ، مواد مختلفی در اثر قوس الکتریکی تبخیر می شوند. سپس بخار در تماس با هوا متراکم و اکسیده می شود و منجر به تشکیل دود می شود. ذرات دود بسیار کوچک هستند و می توانند به باریکترین راه های هوایی دستگاه تنفسی (برونشیول های تنفسی) برسند. برخی پارامترها مانند نوع جوش و مواد مصرفی (فلز پرکننده و پوشش سطح) نوع و میزان ذرات و گازهای تولید شده را تعیین می کنند.

ترکیب دودهای جوشکاری و میزان تولید آنها تابعی از پارامترهای مختلف است. ذرات دود جوش در اندازه قابل ملاحظه (كمتر از 2.5 میكرومتر) تا  کم تر از 100 نانومتر هستند و می توانند در نواحی آلوئول ریه ها نفوذ كنند. تولید دود بستگی به موارد زیر دارد:

-آمپر ، ولتاژ ، دمای گاز و قوس و ورودی گرما و فرآیند جوشکاری

-مواد مصرفی مثل الکترود

-متریال ها

-مدت زمان جوشکاری .

متداول ترین گازهای ساطع شده در هنگام جوشکاری ازن ، گازهای نیتروژن و مونواکسید کربن هستند. فسفین و فسژن گازهای دیگری هستند که ممکن است در حین جوش تولید شوند. گازها به دلیل دمای زیاد و اشعه ماوراء بنفش (UV) از قوس ایجاد می شوند. برخی از فاکتورها مانند دود می توانند بر انتشار گازها در طی فرآیند جوشکاری تأثیر بگذارند. به عنوان مثال ، تشکیل ازن در هنگام جوش بستگی به نوع فرآیند ، مواد مورد استفاده و گازهای محافظ دارد. گازهای جوشکاری همچنین می توانند در صورت تماس پوشش سطح یا آلودگی، با سطوح گرم یا اشعه ماوراء بنفش ایجاد شوند.

در کنار آسیب رساندن به سلامتی انسان ، آلودگی هوا ممکن است منجر به اثرات مختلف محیطی شود. آلودگی هوا در اثر جوشکاری از بسیاری جهات می تواند اثرات منفی بر جو و محیط طبیعی ایجاد کند. جوشکاری به عنوان یک فرایند صنعتی بسته به نحوه انجام آن و تجهیزات مورد استفاده در آن ، تأثیرات جدی بر محیط می زند. آلودگی محیط زیست در فرآیند جوشکاری نتیجه برخی از پارامترها ، از جمله درصد بالای گرما است که در محیط آزاد می شود و همچنین در اثر موادی از جمله مقدار زیاد گاز و دود است که در محیط آزاد می شود. برخی از عوامل مورد نیاز برای انجام عملیات جوشکاری عبارتند از: انرژی ، مواد معدنی یا مواد آلی (گازهای محافظ ، آب خنک کننده ، روغن ها ، گریس و مواد محافظ و غیره). این مواد مصرفی می توانند برای محیط زیست مضر باشند. علاوه بر این ، زباله های تولید شده در طی فرآیندهای جوشکاری ، تأثیر نامطلوب بر کار یا محیط طبیعی می گذارد. برای محافظت از منطقه جوشکاری و جلوگیری از اکسیداسیون از گازهای بی اثر مانند دی اکسید کربن و آرگون به دلیل در دسترس بودن و هزینه کم استفاده می شود. آنها به عنوان گازهای محافظ استفاده می شوند و تأثیرات نامطلوبی بر محیط زیست دارند. برای حفاظت از محیط زیست و نگهداری منابع برای آینده ، باید در مصرف انرژی صرفه جویی کرد و به کاهش انتشار گازهای گلخانه ای توجه کرد. از این نظر ، میانگین میزان مصرف ، میزان استفاده و خلوص محصولات و مواد مصرفی از عوامل مهم هستند .

تولید دود و گازها مستقیماً با فرایند جوش ارتباط دارد. بخارهای ساطع شده هنگام جوشکاری قوس فلزی دستی (MMA) و جوشکاری MIG یکسان است. در برخی شرایط ، سطح دود حاصل از جوشکاری MIG (با سیم جامد) در مقایسه با دودهای تولید شده توسط MMA ممکن است بسیار پایین باشد. در جوشکاری TIG ، سطح کمتری از دود در مقایسه با جوش MMA و MIG منتشر می شود. ترکیب دود مستقیماً با ترکیب سیم استفاده شده در ارتباط است. جوش MMA به دلیل تشکیل کروم شش ضلعی (Cr (VI)) در فرآیند باعث ایجاد عوارض جانبی بر سلامتی فرد می شود. علاوه بر این ، ترکیبات سمی زیادی در طی فرایند جوشکاری MMA-SS تولید می شود. در حین جوشکاری TIG ، دود بسیار کمی تولید می شود. دودهای جوشکاری ممکن است از اکسیدهای کروم ، نیکل و مس تشکیل شده باشد. در ارزیابی میزان سمی بودن دود باید ویژگی های مربوط به خود عنصر و همچنین اثر هم افزایی آنها در نظر گرفته شود. در طول فرایند جوشکاری TIG، ازن و اکسیدهای نیتروژن پایین تری نسبت به جوشکاری MIG/MAG تولید می شود.  میزان گازهای ذکر شده در هنگام جوشکاری TIG به جریان ، طول قوس و جریان و نوع گاز محافظ بستگی دارد. جریان الکتریکی بالا باعث ایجاد سطح قابل توجهی ازن ، اکسید نیتریک و دی اکسید نیتروژن می شود. در حین جوشکاری MIG ، سطح قابل توجهی ازن و اکسیدهای ازت به دلیل سطح شدید جریان تولید می شود.

اطلاعات کمی در مورد انتشار در هنگام جوشکاری قوس پلاسما (PAW) وجود دارد. به دلیل شباهت تکنیک های جوشکاری TIG و PAW ، احتمالاً ممکن است آلاینده های هوا را با همان بزرگی منتشر کنند. جوشکاری MIG آلومینیوم مقادیر بیشتری ازن از جوشکاری TIG آلومینیوم تولید می کند. تشکیل اکسیدهای نیتروژن بیشتر در فرآیند دوم باعث کاهش سطح ازن ساطع شده می شود . طی خروجی های حاصل از یک سری مطالعات نشان داده شد كه جوشكاران كه MIG و SMAW را انجام مي دهند نسبت به جوشكارهاي انجام دهنده TIG در معرض غلظت دود بالاتری قرار دارند. طبق مطالعه ذکر شده ، قرار گرفتن در معرض منگنز در طول جوشکاری MIG به ترتیب نزدیک به دو و ده برابر بیشتر از SMAW و TIG بوده است. در حقیقت ، عدم استفاده از الکترود مصرفی در حین جوشکاری TIG باعث قرار گرفتن در معرض دود کمتر می شود.

فرآیندهای مختلف جوشکاری ، ذرات را در اندازه های مختلف تولید می کنند. ذرات تولید شده در طول جوشکاری MMAW ، MAG ، MIG و لیزر از نظر اندازه کاملاً مشابه هستند. جوشکاری نقطه مقاومت (RSW) و جوشکاری TIG یک ساختار کاملاً متفاوت برای توزیع اندازه ذرات دارند. این تکنیک ها ذرات کوچکتر از 100 نانومتر تولید می کنند ، که در آن ها حداقل 90٪ از 50 نانومتر کوچکتر هستند. ذراتی که در طی فرآیندهای دارای میزان انتشار جرم زیاد (MMAW ، MAG ، MIG و لیزر) ایجاد می شوند دارای قطرهایی در حدود 100-200 نانومتر هستند و بین آنها ذرات نانوذرات کمی وجود دارد. فرآیندهای دارای میزان انتشار جرم کم (TIG و RSW) به طور انحصاری ذرات کوچکتر از 50 نانومتر تولید می کنند. با این حال ، غلظت تعداد ذرات در این تکنیک ها مشابه سایر موارد است. اگرچه ، انواع جوشکاری با میزان انتشار جرم کم “تکنیکهای تمیز” نامیده می شوند ، اما خصوصیات سمی و اثرات سوء سلامتی آنها در اثر قرار گرفتن در معرض ذرات نانوذرات باید بیشتر مورد بررسی قرار گیرد.

ذرات موجود در هوا با قطر کوچکتر از 100 نانومتر به عنوان نانوذرات یا ذرات فرافین شناخته می شوند. طبق تحقیقات انجام شده ، نانوذرات بیش از ذرات بزرگتر برای سلامتی انسان مضر هستند. آن ها می توانند به عمق داخلی سیستم تنفسی نفوذ کرده و سپس وارد جریان خون شوند. علاوه بر انتشار ذرات ریز با قطر کمتر از 10 میکرومتر ، نانوذرات ممکن است در طول عملیات جوشکاری منتشر شوند. برخی مطالعات نشان داده اند که بالاترین مقادیر نانوذرات مربوط به فرآیندهای جوشکاری MAG و TIG هنگام اعمال بالاترین شدت جریان هستند.

همانطور که بیان شد ، انتشار نانوذرات در حین عملیات جوشکاری با افزایش پارامترهای جوشکاری مانند شدت جریان افزایش می یابد. جوشکاری با حالت اتصال کوتاه باعث کاهش نانوذرات می شود ، زیرا شدت و مقدار جریان کم آن باعث ایجاد قوس الکتریکی با درجه حرارت پایین تر و در نتیجه مقادیر کمتری از عناصر می شود. همچنین مقدار بالای نانوذرات توسط جوش فولاد ضدزنگ ایجاد می شود که این امر می تواند مربوط به حضور هلیوم در مخلوط گاز جوش باشد. هلیوم به دلیل انرژی یونیزاسیون زیاد باعث ایجاد قوس الکتریکی با دمای بالا می شود که مقادیر بیشتری از نانوذرات را تولید می کند. علاوه بر این ، مطالعه مواد پایه مختلف نشان داد که مقادیر بیشتری از ذرات نانوذرات برای فولاد ضد زنگ نسبت به فولاد کربن بوجود می آید. در کل ، تمام مراحل جوشکاری می تواند منجر به رسوب غلظت قابل توجهی از ذرات نانو در ریه های جوشکارهایی شود که مستقیما در این حررفه مشغول به کار هستند.

آلودگی هوا در اثر جوشکاری به دلیل آلاینده های ذره ای

اکسید آهن: این ناشی از مواد افزودنی و مواد اولیه در هنگام جوشکاری و برش مواد فولادی است.

فلوراید: در صورت استفاده از روکش های آهک یا شارهای حاوی فلوراید ، از پوشش مورد استفاده در الکترودهای میله یا پر کردن سیم های محصور شده ناشی می شود.

ترکیبات کروم (VI): این ترکیبات در هنگام استفاده از الکترودهای میله با روکش آلیاژی بالا هنگام جوشکاری قوس دستی بوجود می آیند. علاوه بر این ، آن ها همچنین در هنگام جوشکاری با سیم های با آلیاژ بالا حاوی کروم تشکیل می شوند. آنها همچنین در طول جوشکاری پوشش های تولیدی حاوی روی-کروم (جوشکاری تعمیر) تشکیل می شوند.

اکسید نیکل: این اکسیدها عمدتاً هنگام جوشکاری با مواد نیکل خالص و مبتنی بر نیکل یا هنگام برش پلاسما از فولادهای آلیاژی بالا حاوی نیکل از مواد اصلی تشکیل می شوند.

اکسید توریم: این آلاینده در طی جوشکاری TIG از الکترودهای تنگستن حاوی اکسید توریم – خصوصاً در مورد مواد آلومینیومی – تشکیل می شود.

آلودگی هوا در اثر جوشکاری به دلیل آلاینده های گازی

مونوکسید کربن: این آلاینده عمدتا در طی جوشکاری گاز فعال فلزی با استفاده از دی اکسید کربن (MAGC) یا جوشکاری گاز فعال فلزی با استفاده از گازهای مختلط تشکیل می شود. دی اکسید کربن در طی فرآیند از نظر حرارتی تجزیه می شود.

دی اکسید نیتروژن: این گاز در طی فرایندهای مختلفی مانند جوشکاری اکسیاستیلن تولید می شود و با اکسیداسیون نیتروژن جوی در لبه شعله یا قوس تشکیل می شود.

ازن: این گاز از اکسیژن موجود در هوا توسط اشعه ماوراء بنفش تشکیل می شود. این امر به ویژه در جوشکاری گاز بی اثر از مواد منعکس کننده اشعه مانند آلومینیوم و آلومینیوم سیلیسیوم آلیاژ به وجود می آید.

از اینکه در این مقاله با ما همراه بودید متشکریم. منتظر نظرات و پیشنهادات شما هستیم.

منابع : intechopen – welding