Методы анализа состава и структуры сварочного аэрозоля

К наиболее распространённым в промышленности видам сварки относятся ручная дуговая сварка штучными электродами, механизированная сварка и автоматическая сварка в защитных газах, а также под слоем флюса. При данных способах сварки выделяется значительное количество сварочного аэрозоля (СА), состав которого зависит от компонентов сварочных и свариваемых материалов, а также режима сварки.

В основном СА состоит из железа и его оксидов, а также соединений марганца, хрома, никеля, фтора, кремния, азота и др., отличающихся высокой токсичностью. Для уменьшения вредного влияния СА важно учитывать не только элементный качественный и количественный состав аэрозоля, но и его особенности химической связи, а также тип кристаллической решётки соединений, входящих в состав СА. Однако для анализа сварочных аэрозолей на промышленных предприятиях используют в основном фотометрический метод анализа, который требует затраты большого количества времени на предварительную пробоподготовку. В ходе длительного анализа могут произойти изменения структуры аэрозоля (например, известно, что Сr6+ в аэрозолях, образующихся при сварке нержавеющих сталей, по истечении 30–40 мин после сварки восстанавливается до Сr3+, который имеет меньшую токсичность). Поэтому для изучения структуры аэрозоля необходимо использовать методы, которые позволяют исследовать аэрозоль в процессе сварки или сразу после нее. Изучению структуры сварочных аэрозолей в последнее время уделяют большое внимание, предлагая использовать спектроскопические, дифракционные, резонансные методы изучения сварочного аэрозоля.

Спектроскопические методы позволяют определять типы химических связей и молекулярный состав вещества. Для установления взаимосвязи между энергетическим положением линий электронного спектра и типом химической связи атомов используют метод электронной спектроскопии. Поскольку отдельные частицы аэрозоля могут быть неоднородны по составу, их необходимо исследовать послойно.

В НАЦ ТПУ нами были проведены анализы ТССА с помощью атомно-эмиссионный спектрометр с индуктивно-связанной плазмой, что позволило определить качественный и количественный элементный состав. Установлено наличие следующих основных компонентов ТССА, полученных при сварке горношахтного оборудования: алюминий (1789,6 мг/кг), кальций (2914,3 мг/кг), хром (4511,3 мг/кг), железо (782758,6 мг/кг), марганец (14891,6 мг/кг), натрий (4350,2 мг/кг), кремний (4122,7 мг/кг)

Информацию о типах химической связи элементов можно приобрести также методом рентгеновской спектроскопии. Данный метод позволяет установить типы химической связи элементов аэрозоля в целом и таким образом дополнить информацию, получаемую при использовании других методов.

Применение метода ИК-спектроскопии показало, что Сr6+ находится в аэрозолях в виде растворимых соединений К2СrО4 и Na2CrO4. При изучении аэрозолей, образующихся при сварке горношахтного оборудования, в ИК-спектре обнаружены следующие полосы поглощения: 400–700 см-1, характерная для оксидов марганца и железа, и 900–1100 см-1, соответствующая силикатам типа Fe2SiO4 и Mn2SiО4. Расшифровка полученных нами на базе НАЦ ТПУ ИК-спектров недостаточно полна из-за отсутствия спектров необходимых эталонных соединений.

Дополняет метод ИК-спектроскопии метод спектроскопии комбинационного рассеяния (СКР), в основе которого лежит явление смещения монохроматического рассеянного частицами лазерного излучения по частоте. Хотя использование метода СКР ограничено, вследствие небольшой интенсивности линий комбинационного рассеяния, а также трудностей, возникающих при ее регистрации на общем фоне рэлеевского рассеяния, метод представляется перспективным, что подтверждает положительный опыт использования его для дистанционного контроля атмосферных загрязнений воздуха.

В ходе исследований дисперсного состава ТССА методами ультрацентрифугирования и гравитационного осаждения было установлено, что примерно 85% частиц ТССА представляет собой агрегаты в виде цепочек и кластеров размером 0,1 - 1 мкм, образовавшиеся в результате коагуляции частиц нанометрового размера (0,005 - 0,05 мкм); подавляющая часть массы ТССА составляет частицы сферической формы размером 1 - 8 мкм, количество которых не превышает 8% от общего числа исследованных частиц.

Для элементного состава фракций ТССА была использована методика электронно-зондового рентгеноструктурного микроанализа (ЕРМА). Выявлено, что мелкодисперсная фракция ТССА обогащена легкокипящими элементами и содержит относительно небольшое количество железа высокой степени окисления; крупные же частицы содержат, главным образом, оксиды железа и токсичные легирующие добавки - марганец, хром, ванадий, входящие в состав электродов.

Дифракционные методы позволяют установить размещение атомов в кристаллах и молекулах. Метод рентгеновской дифрактометрии наиболее активно используется для изучения структуры сварочных аэрозолей. В аэрозолях, образующихся при сварке углеродистых низколегированных сталей, с помощью этого метода обнаружены соединения БезС^, MnFe204, NaF, CaF2, КСаБз. Необходимо отметить, что при интерпретации данных метода рентгеновской дифрактометрии необходимо учитывать размер частиц аэрозоля, так как возможности использования метода при исследовании кристаллов малых размеров ограничены вследствие размывания дифракционных пиков. Метод электронной дифрактометрии лишен этого недостатка, и с его помощью можно определить кристаллическую структуру очень мелкодисперсных фаз (менее 50 нм). Электронная дифрактометрия позволила установить, что частицы отличаются друг от друга по составу и структуре. Крупные частицы имеют структуру магнетита и шпинели (Fe, Mn)0-Fe203, а более мелкие состоят из кристаллов сложного силиката вида К-Na-Мn-Si-О. Таким образом, результаты электронной и рентгеновской дифрактометрии дополняют друг друга.

К резонансным методам относятся электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР). В сварочных аэрозолях могут образовываться парамагнитные соединения марганца железа, свободные радикалы и др. парамагнетики. Изучение ЭПР-спектров можно проводить непосредственно в момент сварки или сразу после нее при отсасывании аэрозоля в рабочую часть спектрометра. В этом случае вероятность изменения структуры неустойчивых соединений уменьшается.

К методам изучения структуры сварочных аэрозолей можно также отнести масс-спектральный и термохимический. Однако при использовании последних в процессе исследования возможно разрушение образца и изменение его структуры, что крайне нежелательно. На базе НАЦ ТПУ были исследованы образцы сварочного аэрозоля при сварке горношахтного оборудования с помощью ТГА/ДСК/ДТА анализатора, который позволяет одновременно регистрировать изменение массы образца и процессы, сопровождающиеся выделением или поглощением тепла. Установлено, что образцы аэрозоля при повышении температуры от 50 до 1500°С претерпевают изменения, характеризующиеся потерей массы до 800°С и её дальнейшим ростом до первоначальной величины, образец при этом спекается. Механизм происходящих превращений требует подробного изучения.

Таким образом, можно утверждать, что для получения полной информации о структуре и составе сварочного аэрозоля необходимо комплексное использование различных методов анализа: электронной, атом-но-эмиссионной и ИК-спектроскопии - для изучения типов и энергии химической связи элементов, а также молекулярного состава аэрозолей, рентгеновской и электронной дифракции - для изучения типов кристаллических решеток, ЭПР- и КР-спектроскопии- для исследования соединений аэрозоля непосредственно в процессе сварки.