УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ СВАРОЧНОГО АЭРОЗОЛЯ
DEVICE FOR CAPTURING WELDING AEROSOL

Изобретение относится к устройствам по аспирации сухого аэрозоля и предназначено для использования в вентиляционной технике электросварочных работ. Более конкретно - в отборе образцов сварочного аэрозоля различных электродных покрытий при зажигании дуги для последующего анализа их морфологии и физических свойств, с использованием электронных микроскопов.
Одной из основных задач при проектировании подобных устройств является снижение воздухообмена и организация эффективного отбора проб сварочного аэрозоля.
Известен местный отсос, содержащий вытяжную камеру с перфорированными стенками и размещенное в ней технологическое сопло (авт.свид. СССР 547593, кл. F24F 7/06, 1977).
Указанное устройство имеет различного вида оголовки воздухоприемника и предполагает существенное усложнение конструкции сварочной горелки. Кроме того, устройство рассчитано на стационарный сварочный пост для сварки в защитных газах с использованием сварочной проволоки, автоматически подаваемой к сварному шву. Это исключает использование подобного вида отсосов при отборе аэрозоля различных электродных покрытий.
Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство для улавливания сварочного аэрозоля (патент РФ на изобретение №2185575 от 20.07.2002 г.), содержащее пылегазовый приемник в виде трубки, в верхней части которой вмонтирован металлический насадок (оголовок), закрепленный совместно с электродом в электрододержатель с рабочей рукояткой, через которую полость держателя соединяется с гибким шлангом. Трубка прикреплена к обмазке электрода и выполнена сгорающей в процессе испарения электрода с обмазкой, обеспечивая минимальное расстояние от очага выделения вредностей. Данное устройство принято за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - устройство для улавливания сварочного аэрозоля при ручной электросварке металла, содержащее пылегазовый приемник, выполненный в виде трубки, закрепленной совместно с электродом в электрододержателе с рабочей рукояткой, через которую полость держателя соединена с гибким шлангом.
Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является то, что оно предполагает сгорание трубки-отсоса в процессе плавления электрода. В результате сгорания трубки-приемника повышаются энергозатраты системы аспирации, аэрозоля и газов при ручной рассеянной электросварке из-за необходимости всасывания дополнительных газов от плавящегося газового приемника. Кроме того, отсутствие у прототипа средства улавливания аэрозоля для его последующего анализа, не позволяет использовать его для отбора образцов.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение технологических возможностей устройства, а именно обеспечение возможности эффективного отбора образцов аэрозоля различных электродных покрытий при зажигании дуги при снижении энергоемкости системы аспирации, аэрозоля и газов при ручной рассеянной электросварке, снижение затрат на расходные материалы.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном устройстве для улавливания сварочного аэрозоля при ручной электросварке металла, содержащем пылегазовый приемник, выполненный в виде трубки, закрепленной совместно с электродом в электрододержателе с рабочей рукояткой, через которую полость держателя соединена с гибким шлангом, согласно изобретению трубка изготовлена из металла с высокой температурой плавления, на конце которой закреплен перфорированный двухсторонний углеродный скотч, используемый в качестве материала для отбора проб, при этом трубка разнесена от электрода на расстояние 10-20 мм, а длина трубки меньше длины электрода на 30-40 мм.
В качестве металла с высокой температурой плавления могут быть использованы сталь, чугун.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - трубка изготовлена из металла с высокой температурой плавления; на конце трубки закреплен перфорированный двухсторонний углеродный скотч, используемый в качестве материала для отбора проб; трубка разнесена от электрода на расстояние 10-20 мм; длина трубки меньше длины электрода на 30-40 мм; в качестве металла с высокой температурой плавления использованы сталь, чугун.
Выполнение пылегазового приемника в виде несгораемой трубки, изготовленной из металла с высокой температурой плавления, позволит разместить перфорированный углеродистый скотч в непосредственной близости от места наплавки экспериментальных валиков, т.е. на конце трубки, что обеспечит эффективный отбор образцов аэрозоля различных электродных покрытий при зажигании дуги.
Кроме того, выполнение пылегазового приемника в виде несгораемой трубки позволит сократить энергозатраты на всасывание дополнительных газов от плавящегося газового приемника и за счет многократного использования приспособления, независимо от типа электрода снизить затраты на расходные материалы.
Наличие перфорированного углеродного скотча в качестве поверхности оседания частиц сварочного аэрозоля обеспечит возможность эффективного отбора проб сварочного аэрозоля за счет электропроводности скотча, а следовательно, возможности применения методов электронной микроскопии при исследовании физических свойств анализируемого объекта. В результате обеспечивается максимальная эффективность измерений и до минимума сокращается время отбора проб и, следовательно, снижается энергоемкость системы аспирации, аэрозоля и газов при ручной рассеянной электросварке. Выполнение побудителя тяги в виде пылесоса создаст разрежение в зоне сварки, которое позволит уловить весь объем сварочного аэрозоля, что также повысит эффективность забора проб.
Наличие зазора между трубкой пылегазового приемника и электродом в 10-20 мм в совокупности с выполнением длины трубки меньше длины электрода на 30-40 мм обеспечивает достаточное расстояние для защиты трубки приемника и углеродного скотча от оплавления и возникновения окислов на поверхности, что позволит снизить затраты на расходные материалы за счет многократного использования. Кроме того, зазор обеспечивает защиту от электрического тока при случайном прикосновении.
При зазоре между трубкой и электродом менее 10 мм и разнице их длин менее чем 30 мм происходит оплавление углеродного скотча. Наличие между трубкой и электродом зазора более 20 мм и разницы их длин более чем 40 мм нецелесообразно из-за того, что часть сварочного аэрозоля не засасывается в область воздухоприемника.
Отличительные признаки в совокупности с известными обеспечивают возможность эффективного отбора образцов аэрозоля различных электродных покрытий при зажигании дуги при снижении энергоемкости системы аспирации, аэрозоля и газов при ручной рассеянной электросварке. Кроме того, за счет многократного использования пылегазового приемника снижаются затраты на расходные материалы. Благодаря этому расширяются технологические возможности устройства и достигается высокая экономическая эффективность его использования.
Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков устройство для улавливания сварочного аэрозоля с получением указанного технического результата.
Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-5.
На фиг. 1 представлено схематическое решение заявленного устройства.
На фиг. 2 показан оригинал изображения частиц твердой составляющей сварочного аэрозоля (ТССА), использованные для оценки гранулометрического состава при сварке электродами ОК-46.
На фиг. 3 показаны обработанные изображения частиц ТССА в программе ImageJ-FiJi при сварке электродами ОК-46.
На фиг. 4 показан оригинал изображения частиц ТССА, использованных для оценки гранулометрического состава при сварке электродами 13/55.
На фиг. 5 показаны обработанные изображения частиц ТССА в программе ImageJ-FiJi при сварке электродами УОНИИ 13/55.
Устройство содержит пылегазовый приемник, выполненный в виде несгораемой трубки 1, изготовленной из металла с высокой температурой плавления. В качестве металла с высокой температурой плавления могут быть использованы сталь, чугун. Трубка 1 закреплена совместно с электродом 2 в электрододержателе 3 с рабочей рукояткой 4, через которую полость держателя соединяется с гибким шлангом 5.
На конце трубки 1 установлен перфорированный углеродный скотч 6, на который осаждаются частицы сварочного аэрозоля при всасывании воздуха в трубку 1, с помощью побудителя тяги в виде пылесоса 7. Пылесос 7 соединен со сборным коллектором 8, в который попадает поток запыленного газа по гибкому шлангу 5.
Приемник в виде трубки 1 и сварочный электрод 2 вставляются в электрододержатель 3 и фиксируются в нем зажимами. Между трубкой 1 и сварочным электродом 2 имеется зазор в 10-20 мм, причем вылет электрода 2 на 30-40 мм больше вылета несгораемой стальной трубки 1.
Электрододержатель 3 полый, разъемный из легких материалов. Полая ручка держателя 3 электрода титановая изолированная.
В способе использован двухсторонний углеродный скотч производства ООО «ТЕСКАН» (Чехия), представленный на сайте http://tescan.ru/products/bycategory/3/74/skotch-klej-kraska.
Одна сторона скотча представляет собой слой высокодисперсного углерода (0,5-1,0 μm), нанесенный на клейкую основу. Спектрометрический анализ показал наличие 91,81-94,02% углерода, остальное - кислород, натрий и сера.
Нижняя сторона скотча, а также клейкая основа углеродсодержащего слоя представляют собой липкую поверхность, которая обычно используется в разных скотчах, например марки 3М.
В двухстороннем углеродном скотче для всасывания и пропускания воздушного потока выполнена перфорация в виде отверстий диаметром 0,1-1,0 мм, расположенных от центра радиально в шахматном порядке с шагом 2,0-3,0 мм. Перфорация позволяет пропускать воздушный поток из зоны дыхания сварщика, а липкая поверхность между отверстиями перфорации улавливает частицы ТССА. Твердые частицы сварочного аэрозоля осаждаются на углеродсодержащую вскрытую липкую поверхность скотча и за счет клейкой основы удерживаются на ней.
Устройство работает следующим образом.
Твердые частицы запыленного газа, проходя через перфорированный углеродный скотч 6, оседают на нем, а остальной поток, попадая в трубку 1, поступает в полость электрододержателя 3 и по гибкому шлангу 5 попадает в сборный коллектор 8, с помощью побудителя тяги в виде пылесоса 7. После завершения процесса отбора проб скотч 6 снимают с трубки-отсоса 1 и помещают в герметичный контейнер, трубку 1 вынимают из электрододержателя 3, повышают мощность всасывания побудителя тяги 7 и продолжают процесс сварки.
Экспериментальные испытания показали, что предлагаемое устройство обеспечивает возможность эффективного отбора образцов аэрозоля различных электродных покрытий при зажигании дуги при малой продолжительности процесса отбора проб и малых энергозатратах.
Объектом исследования являлись частицы твердой составляющей сварочного аэрозоля (ТССА), осажденные на поверхность углеродного скотча при ручной дуговой сварке двумя различными сварочными электродами ОК-46 и УОНИИ-13/55. Сварка производилась на пластине из Сталь 20, толщиной 10 мм, электродами d=3 мм на сварочном токе 90 А с использованием сварочного выпрямителя ВД-306.
Время проведения отбора проб составило в среднем 15 секунд. Энергозатраты составили 0,4 кВт⋅ч.
Для анализа частиц твердых составляющих сварочного аэрозоля (ТССА), осажденных на углеродный скотч, было использовано универсальное программное обеспечение ImageJ-FiJi.
Исследования образцов частиц ТССА, осажденных на углеродный скотч, проводилось на сканирующем электронном микроскопе высокого разрешения с рентгенофлуоресцентной приставкой S3400N «НIТАСНI» (Япония).
Для оценки проведенных исследований был взят наиболее доступный для оценки параметр - это гранулометрический состав частиц ТССА. Для этого могут использоваться неограниченное число цифровых изображений, полученных на различных увеличениях (фиг. 2-5).
Опыты определили высокую эффективность отбора проб. За время (равное 15 секундам) улавливается достаточное количество образцов для использования микроскопии и последующего анализа свойств аэрозоля.
Преимущество заявляемого устройства состоит в том, что возможность эффективного отбора образцов аэрозоля различных электродных покрытий при зажигании дуги с минимальными продолжительностью отбора и энергозатратами значительно расширяет технологические возможности устройства, существенно повышает экономическую эффективность использования заявляемого устройства.