DE2748417C2

DE2748417C2 - Verfahren zur Verringerung von beim Schweißen oder sonstigen Bearbeiten von Werkstücken mit einem Lichtbogen gebildeten gesundheitsschädlichen Gasen

Info

Publication number: DE2748417C2
Application number: DE2748417A
Authority: DE
Inventors: Lars Vällingby Fahlen; Lennart Balsta Selander; Ladislav Täby Sipek
Original assignee: AGA AB
Current assignee: AGA AB
Priority date: 1976-11-05
Filing date: 1977-10-28
Publication date: 1983-06-09
Also published as: BR7707459A; SE7612355L; CH634498A5; NL7712187A; JPS6051949B2; MX4519E; SE403726B; FR2369900B1; DK156702B; FI67189C; AT385702B; ATA790577A; FI67189B; DK156702C; FI773301A; NL184202C; BE860516A; AU3011777A; DE2748417A1; NZ185614A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, daß Ozon ein giftiges Gas ist. In einer Überzahl von Ländern liegen die maximal zulässigen Ozonkonzentrationen an Arbeitsplätzen zwischen 0,05 und 0,1 ppm Ozon. Ozon kann aus Sauerstoff in Luft über verschiedene Reaktionen gebildet werden, hauptsächlich durch eine fotochemische Reaktion mit Ultraviolett (UV)-Strahlung. Bei Verwendung eines offenen Lichtbogens zum Schweißen, Schneiden od. dgl. Zwecke ist die entstehende UV-Strahlung intensiv genug, um zu einem meßbaren Anstieg der Ozonbildung beizutragen, und zwar sowohl in der unmittelbaren Nachbarschaft des Bogens als auch in der weiteren Umgebung.

Normalerweise entsteht Ozon fotochemisch durch die Dissoziation von Sauerstoffmolekülen in Übereinstimmung mit der folgenden Reaktionsgleichung:

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O₂ + (hv) - O + O und O₂ + O - O₃,

die

wobei Λ = die Planck'sche Konstante und ν
Frequenz der UV-Strahlung ist.

Die Dissoziationsenergie für Sauerstoffmoleküle liegt bei 5 eV; demzufolge nimmt nur Strahlung mit einer Wellenlänge, die geringer ist als etwa 220 nm, an der fotochemischen Erzeugung des Ozons teil. Die maximale Dissoziation von Sauerstoff findet bei Wellenlängen im Bereich von 130 bis 180 nm statt. Durch den Dissoziationsprozeß wird die UV-Strahlung dieser Wellenlänge praktisch vollständig in der Luft innerhalb einer Strecke von einigen Millimetern oder Zentimetern absorbiert. Aufgrund dieser Vorgänge wird die größte Konzentration von Ozon in unmittelbarer Nachbarschaft des Lichtbogens und damit in der Atmungszone des Arbeiters erzeugt. Die Erfahrungen haben gezeigt, daß die erzeugte Ozonmenge von dem angewendeten Schweißverfahren, den Schweißparametern, wie z. B. Bogenlänge, der Schweißgeschwindigkeit und der Art des verwendeten Schutzgases sowie dem Material des Werkstückes, welches bearbeitet wird, abhängt. Nicht selten werden völlig unannehmbare Konzentrationen von Ozon gebildet, was bestimmte Gegenmaßnahmen notwendig macht. Eine übliche Lösung dieses Problems besteht in der Verdünnung des Ozons mit Hilfe der Ventilation, entweder an ausgewählten Stellen oder in dem gesamten Aufenthaltsbereich. Derartige Lösungen haben sich jedoch als unzureichend und beschwerlich erwiesen. Bei einer Ventilation an einzelnen Stellen ist es, um überhaupt eine Wirkung zu erzielen, notwendig, relativ große Mengen an Luft zuzuführen, welche mit relativ hoher Geschwindigkeit strömt. Eine solche Lösung stört den Schweißprozeß, insbesondere wenn er in einer Schutzgasatmosphäre ausgeführt wird. Ein weiterer Nachteil der Ventilation ist die Schwierigkeit einer Anpassung an sich ändernde Arbeitsbedingungen. Oft verursachen schwache Ventilationen in Verbindung mit einem Zug eine gefährliche Konzentration in der Atmungszone des Arbeiters, welche ganz ohne Ventilation nicht auftreten würde.

Die Entfernung von Luft aus der Schweißzone durch Absaugen zu entlegenen Stellen hat in gewisser Beziehung ebenfalls Nachteile. Auch in diesem Fall darf die Absaugleitung nicht übermäßig hoch sein, so daß der Schweißprozeß nicht gestört wird. Dies trifft insbesondere beim Schweißen mit Schutzgasatmosphäre zu. Darüber hinaus beeinträchtigt das Absaugen die Bewegung des Brenners, was insbesondere beim Schweißen von Hand nachteilig ist. Das Absaugen führt darüber hinaus zu weiteren technischen Problemen. Eine weitere nachteilige Folge der Anwendung des Absaugens der Luft zu entlegenen Stellen erweist sich beim Schweißen mit abschmelzenden Elektroden oder beschichteten Elektroden. Bei derartigen Verfahren ist die Ozonkonzentration verglichen mit den Schweißverfahren, bei welchen nicht-abschmelzende Elektroden verwendet werden, etwas geringer. Ein Grund für diese geringere Ozonkonzentration ist der Schutzeffekt gegen die Ozonbildung, der aufgrund der Rauchbildung eintritt. Der Rauch absorbiert nämlich UV-Strahlung, die sonst Ozon erzeugen würde. Außerdem wird die Ozonkonzentration chemisch durch Rauchteilchen verringert. Durch Entfernen des Rauchs geht dessen Schutzeffekt in bezug auf Ozon verloren.

Neben der Rekombination von Ozon entsprechend der folgenden Formen:

O₃ + (M) - O₂ + O und O₃ + O - 2 O₂

kann eine Reaktion zwischen Ozon und Stickstoffoxiden entsprechend der folgenden Formeln stattfinden:

55 NO + O₃-NO₂ + O -

NO₂ -I- O₂ NO + O₂

Das resultierende Ergebnis dieser Reaktionen ist die Rekombination von Ozon zu Sauerstoff:

O₃ + O -* 2 O₂.

Diese Reaktionen können zur Verringerung von unerwünscht gebildetem Ozon genutzt werden. Hierin besteht der Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Aus der DE-AS 10 39 675 ist ein Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahren der eingangs genannten Art

bekannt, bei dem Kohlendioxid als Schutzgas in einem inneren Ringstrom und ein anderes Gas bzw. Gasgemisch in einem konzentrischen äußeren Ringstrom zugeführt wird und zur Oxidierung des Restbestandteiles an Kohlenmonoxid der äußere Ringstrom in an sich bekannter Weise aus einem oxidierenden Gas bzw. Gasgemisch besteht.

Aus DVS, Band 37 »Physik und Technologie des Plasmastrahls in der Schweiß-, Schneid- und Spritztechnik«, 1975, Seiten 65 bis 71 ist es bekannt, daß beim Plasmaschneiden Stickoxide und Ozon entstehen, wobei O3 mit NO reagiert und sich zu NO₂ und O₂ umsetzt, so daß sich eine sehr geringe Ozonkonzentration ergibt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das eingangs genannte Verfahren dahingehend zu verbessern, daß das Risiko der Ozonentstehung für den Arbeiter auf einfache Weise verringert wird, ohne daß der Schweiß- oder sonstige Bearbeitungsprozeß leidet oder andere gesundheitliche Gefahren entstehen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Auf diese Weise kann das beim Arbeiten mit einem offenen Lichtbogen gebildete Ozon ohne Beeinträchtigung des Schweißvorganges od. dgl. und ohne Beeinträchtigung des Arbeiters durch Stickstoffoxid verringert werden, indem das von UV-Strahlung in der Umgebungsluft des Lichtbogens gebildete Ozon katalytisch mit Stickstoffoxid zur Reaktion gebracht wird. Dabei kann das Stickstoffoxid durch chemische Reaktion oder thermischen oder fotochemischen Zerfall dafür geeigneter Substanzen oder Verbindungen in einem Konverter, der mit der Gaszuführungsleitung verbunden ist, gebildet werden.

Das Stickstoffoxid bringt in der erfindungsgemäßen Konzentration für den Schweißprozeß selbst und seine Umgebung keine nachteiligen Folgen und ist nur in unerheblichem Maße überhaupt feststellbar.

Das Verfahren zur Verringerung oder Beseitigung der Bildung von Ozon in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann mit Hilfe verschiedener Vorrichtungen ausgeführt werden, je nach Art des verwendeten Schweißverfahrens oder je nach den anderen Umständen, die mit dem Schweißprozeß verbunden sind. Das Verfahren wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben.

Diese zeigt schematisch eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung. Beim Schweißen in einer Inertgasatmosphäre wird entweder eine nicht abbrennbare Wolfram-Elektrode (TIG) oder eine abbrennbare Elektrode (MIG) benutzt. Im letzteren Fall ist es manchmal üblich, auch ein aktives Gas (MAG) zu verwenden. Obgleich die Anwendung der vorliegenden Erfindung im wesentlichen unter Bezugnahme auf das TIG-Schweißen beschrieben wird, kann sie ersichtlich auch beim MIG-Schweißen oder beim MAG-Schweißen angewendet werden.

In der Abbildung ist ein Gasbehälter 1 veranschaulicht, der Inertgas oder eine Mischung von Inertgasen enthält. Der Gasbehälter 2 beinhaltet Stickstoffoxid. Das Stickstoffoxid wird einer Reguliereinrichtung 3 zugeführt, die beispielsweise in der Stromquelle 4 untergebracht sein kann. Die Reguliereinrichtung 3 dient zum Mischen mit dem Schutzgas in gewünschter Konzentration. Die sich ergebende Mischung wird dem Brenner 6 zugeführt und fließt durch diesen in Richtung zu dem Werkstück 5 und dem Bereich, der den Brenner 6 umgibt, und zwar in einer Richtung, die mit Pfeilen 8 angedeutet ist. Der Bogen, welcher zwischen der Elektrode des Brenners 6 und dem Werkstück 5 brennt, erzeugt Ozon in Nachbarschaft des Brenners 6 infolge der Wechselwirkung der UV-Strahlung mit der Umgebungsluft. Das durchstrahlte Gebiet 10 ist mit gestrichelten Linien veranschaulicht. Neben dieser Bestrahlung wird die Luft normalerweise in einem gewissen Maß in diesem Bereich erhitzt; die Luft steigt daher aufwärts in die Atmungszone des Schweißers hinter dem Schweißschutz 7. Unter normalen Bedingungen atmet somit der Schweißer Luft ein, die einen relativ hohen Ozongehalt hat. Wenn nun das Schutzgas nach der Erfindung mit Stickstoffoxid vermischt wird, so strömt dieses zusammen mit dem Inertgas in die Umgebung des Brenners 6 aus. Es reagiert auf diese Weise mit dem Ozon, welches im Wege der oben geschilderten Reaktionen oder ähnlichen Reaktionen erzeugt wird. Dies führt zu einer Verringerung oder möglichen Elimination des Ozons der Luft, die aufwärts in die Atmungszone des Schweißers strömt.

Praktische Untersuchungen wurde mit Argon als Schutzgas bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 l/min ausgeführt. Eine Zugabe von lediglich 0.0025 bis 0.005% Stickstoffoxid zu dem Argon führte in der Mehrzahl der Fälle bereits zu einer beachtlichen Verringerung der Konzentration des Ozons in der Nachbarschaft des Brenners. Um das Ozon vollständig zu beseitigen, auch unter sehr ungünstigen Bedingungen, wie starkem Schweißstrom, langem Bogen, Schweißmaterial aus Aluminium, genügte es, eine Stickstoffoxidzugabe in einer Konzentration von 0,025 bis 0,075% vorzusehen.

Das Verfahren zur Reduzierung der Ozonbildung durch Zugabe von Stickstoffoxid,zu dem Schutzgas nach der Erfindung kann auch angewendet werden, wenn Helium oder bekannte Heliummischungen z. B. mit Argon, als Schutzgas verwendet werden. Die Feststellungen, die bezüglich der Konzentration für Argon getroffen wurden, treffen auch für Helium und HeliummischungeJV Mischungen aus Argon, Wasserstoff oder Stickstoff, die beim TIG-Schweißprozeß verwendet werden, zu.

Die dargestellte Apparatur zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist zwei Gasbehälter auf, einen für das Schutzgas und einen für das Stickstoffoxid. Beide Gase werden in einer Reguliereinrichtung 3 gemischt. Es kann aber auch nur ein Gasbehälter anstelle der beiden verwendet werden, wenn dieser einzelne Gasbehälter eine geeignete Mischung von Schutzgas und Stickstoffoxid enthält.

Oben wurde die Erfindung lediglich in Verbindung mit dem Schutzgas-Schweißen beschrieben. Die Erfindung kann aber auch beim Plasma-Schweißen oder Plasma-Schneiden angewendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verringerung von beim Schweißen oder sonstigen Bearbeiten von Werkstücken mit einem Lichtbogen gebildeten gesundheitsschädlichen Gasen, wobei das Schweißen oder sonstige Bearbeiten in einer Schutzgasatmosphäre ausgeführt wird und wobei während des Schweißens, oder sonstigen Bearbeitens in die unmittelbare Nachbarschaft des Bogens eine Additivsubstanz eingeleitet wird, welche Additivsubstanz zur Reaktion mit dem gesundheitsschädlichen Gas gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung von aus dem Sauerstoff in der Nachbarschaft des Bogens durch ultraviolette Strahlung gebildetem Ozon Stickstoffoxid als Additivsubstanz in einer Konzentration zwischen 0,0025% und 0,75% mit dem Schutzgas vermischt und mit diesem zusammen in der Nachbarschaft des Bogens und des als MIG-, TIG-, Plasma- oder ähnlichen Brenner ausgebildeten Brenners verteilt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stickstoffoxid durch chemische Reaktion oder thermischen oder fotochemischen Zerfall in einem Konverter, der mit der Gaszuführungsleitung verbunden ist, aus dafür geeigneten Substanzen oder Verbindungen gebildet wird.