STANOWISKO PRACY SPAWACZA - Widmo emisji UV podczas spawania źródło: opracowanie "Charakterystyka zagrożeń promieniowaniem optycznym w środowisku pracy spawacza", dr inż. Agnieszka Wolska, mgr inż. Andrzej Pawlak - CIOP-PIB

 Promieniowanie nadfioletowe występujące przy procesach spawalniczych obejmuje zakres fal od 200 do 280 nm ( nadfiolet UV-C), od 280 do 315 nm ( nadfiolet UV-B) oraz od 315 do 400 nm ( nadfiolet UV-A). Z obszaru promieniowania widzialnego procesy spawalnicze są źródłem światła niebieskiego (400 - 480 nm), natomiast promieniowanie podczerwone występuje w zakresie bliskiej i środkowej podczerwieni.

  Rozkład widmowy natężenia napromienienia emitowanego przy spawaniu elektrycznym zależy od metody spawania, materiału spawanego, zastosowanej elektrody (materiał, otulina, średnica) oraz parametrów spawania takich jak długość łuku i prąd spawania. Zmiana parametrów spawania w istotny sposób wpływa na udział w emitowanym widmie promieniowania poszczególnych podzakresów promieniowania nadfioletowego. Największą skutecznością biologiczną charakteryzuje się promieniowanie UV-C i UV-B, którego intensywna emisja przez łuk stanowi o dużym zagrożeniu skóry oraz rogówki oka, podczas gdy intensywna emisja z zakresu UV-A będzie stanowić o dużym zagrożeniu soczewki oka.(Link: patrz rozdział Skutki biologiczne oddziaływania promieniowania optycznego na organizm człowieka). Każdy łuk elektryczny emituje wystarczającą do spowodowania skutków szkodliwych ilość nadfioletu, ale intensywność tego promieniowania jest różna w zależności od metody i parametrów spawania elektrycznego. Przykłady rozkładów widmowych promieniowania optycznego występujących przy rożnych parametrach spawania elektrycznego wyznaczonych na podstawie pomiarów spektroradiometrycznych przedstawiono na kilku wykresach (link do wykresów).
 
Wykresy gęstości widmowej natężenia napromienienia przy różnych parametrach spawania elektrycznego

Spawanie elektrodami otulonymi

  Najczęściej stosowanymi metodami spawania elektrycznego wykonywanego ręcznie są: spawanie elektrodami otulonymi i spawanie w osłonie gazów. Dla tych metod wykonano pomiary rozkładu widmowego natężenia napromienienia przy różnych parametrach spawania tak, aby porównać różnice w emisji promieniowania nadfioletowego. Na rys. 1 a) i b) oraz 2 przedstawiono przykładowe wykresy gęstości widmowej natężenia napromienienia otrzymane przy spawaniu elektrycznym stali St 3S przy zastosowaniu różnych elektrod oraz różnych parametrach spawania, tj, średnicy elektrody i prądzie spawania.  

  Rys. 1. Wykres gęstości widmowej natężenia napromieniania otrzymany przy spawaniu elektrycznym stali St3S elektrodą otuloną zasadową Eb 150:
a) przy parametrach: średnica elektrody = 3,25 mm,I = 150 A,długość łuku = 3mm, b) przy parametrach: średnica elektrody =4 mm, I= 170 A, długość łuku = 3 mm

  Przy niezmiennej długości łuku spawania elektrycznego tego samego rodzaju materiału za pomocą elektrody wykonanej z tego samego materiału, lecz o różnych średnicach i różnym prądzie spawania można zauważyć znaczące różnice w widmie emisji promieniowania nadfioletowego. Przy większym prądzie spawania i średnicy elektrody znacząco rośnie emisja nadfioletu w zakresie UV-A a zwłaszcza dla długości fal 350-400 nm natomiast maleje w zakresie UV-C tj między 200-260 nm (Link: patrz rys. 1).


Rys. 2. Wykres gęstości widmowej natężenia napromieniania otrzymany przy spawaniu elektrycznym stali St3S elektrodą otuloną rutylową ER 246 (F = 3,25 mm, I = 150 A, długość łuku = 5 mm)

  Zmiana materiału elektrody na rutylową i zwiększenie długości łuku przy spawaniu stali ma również swe odzwierciedlenie w znacząco większej ilości emitowanego promieniowania nadfioletowego (około 10-krotnie więcej) i jego odmiennym rozkładzie widmowym (rys. 2), gdzie występuje:

• maksimum emisji dla UV-A z zakresu 320-350 nm


• znacząca ilość promieniowania z całego zakresu UV-B


• stosunkowo duża ilość promieniowania UV-C, zwłaszcza dla długości fal powyżej 250 nm.

  Na rys 3 przedstawiono przykładowy wykres gęstości widmowej natężenia napromienienia otrzymany przy spawaniu elektrycznym aluminium.


Rys. 3. Wykres gęstości widmowej natężenia napromieniania otrzymany przy spawaniu aluminium elektrodą otuloną do spawania aluminium (F = 4 mm, I = 60 A, długość łuku: 6- 7 mm)

  Porównując rozkłady widmowe promieniowania UV podczas spawania stali (rys 2) i aluminium (rys. 3) można  zauważyć:

• znacząco większą intensywność emitowanego promieniowania nadfioletowego przy spawaniu stali (ok. 10 krotnie) niż przy spawaniu aluminium


• znacząco mniejszą emisję promieniowania z zakresu UV-C i UV-B przy spawaniu aluminium


• maksimum emisji przy spawaniu aluminium występuje dla zakresu UV-A  powyżej 340 nm oraz dla długości fali 310 nm.

Spawanie w osłonie gazów

Metoda MAG

  Na rys. 4 a) i b) przedstawiono przykładowe wykresy gęstości widmowej natężenia napromieniania otrzymane przy spawaniu stali St 3S metodą MAG przy różnych parametrach spawania drutem litym.

Rys. 4. Wykres gęstości widmowej natężenia napromieniania otrzymany przy spawaniu stali St3 metodą MAG elektrodą w postaci drutu litego:
a)  średnica drutu 1,2 mm, I = 170 A, U = 24 V, długość łuku 3 mm,
b) średnica drutu  0,8 mm, I = 184 A, U = 30,5 V, długość łuku 6 mm


  Zmniejszenie średnicy drutu przy jednoczesnym zwiększeniu długości łuku i prądu spawania przy spawaniu metodą MAG ma swe odzwierciedlenie w znacząco większej ilości emitowanego promieniowania nadfioletowego, które jest nawet około 5-krotnie większe dla długości fali 270 nm, która charakteryzuje się maksymalną skutecznością w wywoływaniu szkodliwych skutków dla skóry oraz rogówki oka..

  Na rys 5 a) i b) przedstawiono przykładowe wykresy gęstości widmowej natężenia napromieniania otrzymane przy spawaniu stali St 3S metodą MAG z drutem proszkowym przy różnych prądach spawania.


Rys. 5. Wykres gęstości widmowej natężenia napromieniania otrzymany przy spawaniu stali St3 metodą MAG elektrodą w postaci drutu proszkowego CASTOLIN
a) średnica drutu 1,6 mm, I = 350 A, U = 26 V, długość łuku = 15 mm
b) średnica drutu1,6 mm, I = 200 A, U = 26 V, długość łuku = 15 mm


  Zmniejszenie prądu spawania przy zachowaniu pozostałych parametrów spawania niezmiennych daje w efekcie mniejsze wartości intensywności emitowanego promieniowania nadfioletowego. Większy prąd spawania przyczynia się również do pojawienia się kilku wyraźnych „pików” w widmie, przy długości fali 270 nm330 nm i 380 nm.

Metoda TIG

  Przykładowe wykresy gęstości widmowej natężenia napromieniania otrzymane przy spawaniu metodą TIG stali kwasoodpornej przedstawiono na rys. 6, a aluminium na rys. 7.


Rys. 6. Wykres gęstości widmowej natężenia napromieniania otrzymany przy spawaniu stali kwasoodpornej metodą TIG (elektroda wolframowa Φ = 2,4 mm, I = 125 A, długość łuku = 3 mm)

Rys. 7 Wykres gęstości widmowej natężenia napromieniania otrzymany przy spawaniu aluminium metodą TIG (elektroda wolframowa Φ = 2,4 mm, I = 125 A, długość łuku = 8 mm,)
  Spawanie metodą TIG dwóch różnych materiałów: stali kwasoodpornej i aluminium powoduje w obu przypadkach znaczącą emisję promieniowania UV-C, natomiast w zakresie UV-B i UV-A daje się zauważyć dość duże różnice w rozkładzie widmowym. Przy spawaniu aluminium występuje spadek emisji promieniowania UV-B a następnie pewien wzrost emisji promieniowania UV-A (z maksimum przy 360 nm). Natomiast przy spawaniu stali kwasoodpornej wykres widmowy jest prawie równoenergetyczny, tzn łuk elektryczny emituje porównywalne ilości promieniowania dla poszczególnych długości fal UV i tylko nieduże „piki” występują w okolicach 270 nm i 360 nm.

Szkodliwość  emisji UV przy spawaniu

  Największe wartości skuteczne natężenia napromienienia stwierdzono podczas spawania metodą MAG, co powinno być uwzględnione przy szkoleniu spawaczy oraz przy doborze indywidualnych środków ochrony. W metodzie tej występuje również znaczący udział szkodliwego dla oczu promieniowania widzialnego. Dlatego też konieczne jest szczególne zwrócenie uwagi na sposób korzystania ze środków ochrony oczu przez spawaczy. Na przykład. niedopuszczalne jest rozpoczynanie spawania przy odsłoniętej przyłbicy spawalniczej, gdyż nawet kilkusekundowa ekspozycja oczu na promieniowanie łuku już jest wystarczająca do przekroczenia ustalonych wartości NDN. Natomiast wykonanie przy tym samym sposobie stosowania osłony oczu kilku spawów w ciągu zmiany roboczej daje w efekcie bardzo duże przekroczenia dawki promieniowania i prowadzi do dolegliwości i chorób oczu, jak np. zapalenie rogówki i spojówki czy skrzydlik a po wielokrotnych ekspozycjach może prowadzić do zaćmy, uszkodzenia rogówki i nowotworów skóry.

  Największy udział promieniowania krótkofalowego (UV-C) występuje w trakcie spawania metodą TIG, co wynika to z bardzo wysokiej temperatury łuku elektrycznego występującej podczas tego spawania.

  Świadomość zagrożeń dla zdrowia związanych z promieniowaniem optycznym na jakie narażeni są spawacze powinna być kształtowana zarówno podczas szkolenia przygotowującego do zawodu, jak również przed zatrudnieniem i w trakcie zatrudnienia. Nie wystarczy tylko zapewnić pracownikowi odpowiednie środki ochrony indywidualnej. Należy również odpowiednio go przeszkolić pod względem ich prawidłowego stosowania oraz nadzorować prawidłowe stosowanie tych ochron. Ogólna zasada postępowania w celu zapewnienia odpowiedniej ochrony przed promieniowanie optycznym emitowanym podczas spawania przedstawiona jest w Tabeli 3.