Khói hàn và những hệ lụy của khói hàn (Phần 1)

Hàn hồ quang là một quá trình công nghiệp phổ biến được sử dụng để nối kim loại. Nhiệt độ hồ quang trên 4000 °C đốt nóng các miếng kim loại cơ bản được nối và dây hoặc thanh điện cực tiêu hao được đưa liên tục vào mối hàn. Hầu hết khói được tạo ra có nguồn gốc từ điện cực tiêu hao, được bốc hơi một phần trong quá trình hàn. Các kim loại hóa hơi phản ứng với không khí, tạo ra các hạt oxit kim loại. Quá trình hàn hồ quang tạo ra sol khí phức tạp bao gồm khói kim loại nguy hiểm (ví dụ: mangan (Mn), crom hóa trị sáu (Cr ⁶⁺ ), niken (Ni)) và khí (ví dụ: cacbon monoxit (CO), ozon (O ₃₎ )).

Hiệp hội hàn Hoa Kỳ đã xác định được hơn 17 quy trình nối kim loại được sử dụng cho mục đích thương mại. Bảy quá trình được phân loại dưới dạng hàn hồ quang cùng chiếm số lượng lớn nhất của kim loại hàn. Mỗi phương pháp hàn hồ quang đều có các ưu điểm riêng, đồng thời có thể tiềm ẩn nguy cơ về sức khỏe và an toàn. Các loại hàn phổ biến nhất là hồ quang kim loại thủ công có che chắn (MMA), hồ quang kim loại khí (GMA), hồ quang cored (FCA), hồ quang vonfram khí và hàn hồ quang chìm (Bảng 1). Thành phần và tốc độ tạo ra khói hàn là đặc trưng của từng quá trình hàn và có thể bị ảnh hưởng bởi dòng điện hàn, khí che chắn cũng như kỹ thuật và tay nghề của thợ hàn. Việc lựa chọn một công nghệ cụ thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm độ dày và loại kim loại cơ bản được hàn, kích thước và độ bền của mối hàn mong muốn, tốc độ hoặc khối lượng hàn, vị trí của vật liệu được hàn (ví dụ: dọc hoặc ngang), và chi phí. Tiếp xúc với các loại sol khí đa dạng được tạo ra từ các quy trình hàn khác nhau, kết hợp với sự phức tạp của môi trường làm việc, có thể làm tăng nguy cơ phơi nhiễm và các ảnh hưởng xấu liên quan đến sức khỏe.

Bảng 1: Các loại công nghệ hàn

Đặc điểm của khói hàn

Hình thái và kích thước hạt

Phân tích hiển vi điện tử (Hình 1) đã tiết lộ rằng hầu hết các hạt được tạo ra trong quá trình hàn hồ quang được sắp xếp dưới dạng kết tụ chuỗi của các hạt sơ cấp hình cầu, nhỏ hơn. Sự hình thành hạt trong quá trình hàn hồ quang trước tiên bao gồm quá trình tạo mầm, một quá trình mà hơi kim loại ở nhiệt độ cao được biến đổi thành các hạt sơ cấp, tiếp theo là đông tụ, một quá trình tăng trưởng sol khí động trong đó các hạt sơ cấp nhỏ hơn va chạm để tạo thành các kết tụ lớn hơn. Các hạt cơ bản được tạo ra trong quá trình hàn hồ quang đã được quan sát thấy có kích thước siêu mịn, <0,10 μm. Những thay đổi nhỏ nhất trong các thông số quá trình hàn (ví dụ: điện áp) có thể ảnh hưởng đến số lượng các hạt hàn siêu mịn được hình thành. Các chất kết tụ được hình thành sau sự va chạm giữa hạt sơ cấp – hạt sơ cấp, hạt sơ cấp – chất kết tụ, và chất kết tụ – kết tụ. Sau những va chạm này, các khối kết tụ được cho là được kết dính với nhau bằng lực van der Waals, tĩnh điện và từ trường. Đường kính khí động học trung bình khối lượng của hầu hết các khói hàn hồ quang nằm trong khoảng kích thước nhỏ trong khoảng 0,20–0,50 μm sau khi đạt đến vùng thở của thợ hàn.

Hình trên là hình ảnh hiển vi điện tử quét của khói hàn SS được thu thập trên bộ lọc trong quá trình hàn bằng cách sử dụng điện cực có dòng chảy. Lưu ý rằng, các kết tụ dạng chuỗi của các hạt sơ cấp hình cầu nhỏ hơn nhiều. Các mẫu khói hàn được thu thập vào bộ lọc polycarbonate Nucelpore 47 mm. Các bộ lọc được cắt thành các phần bằng nhau và gắn vào các thanh nhôm có dán bạc. Các hạt hàn lắng đọng được quan sát bằng kính hiển vị điện tử.

Tính chất hóa học của khí và khói

Nhiều loại khí được hình thành trong quá trình hàn có thể ảnh hưởng đến sức khỏe của công nhân tiếp xúc (Bảng 2). Các khí che chắn mối hàn có thể tăng cường bức xạ cực tím được tạo ra trong hồ quang, dẫn đến sự hình thành quang hóa của O ₃ và các oxit nitơ (NO, NO ₂ ). Điôxít cacbon (CO ₂ ) có thể bị khử và chuyển thành khí CO ổn định hơn về mặt hóa học nhưng có khả năng gây tử vong. Có thể tạo ra khí kích thích phổi, phosgene.

Bảng 2: Các mỗi nguy hiểm tiềm tàng đối với sức khoẻ con người liên quan đến khói hàn

Ngoài khí, hàn hồ quang tạo ra các hạt oxit kim loại phức tạp được bay hơi từ việc tiêu thụ điện cực hàn hoặc vật liệu thông lượng được thêm vào bên trong hoặc bên ngoài điện cực. Các khí che chắn; thành phần và lớp phủ kim loại cơ bản; sơn; sự hiện diện của các hóa chất tẩy dầu mỡ, tẩy rửa hoặc chống xỉ; và các thông số quá trình hàn đều có thể ảnh hưởng đến thành phần hóa học của khói tạo thành. Hầu hết các công việc hàn sử dụng thép nhẹ hoặc cacbon và hợp kim thấp. Điện cực thép nhẹ (MS) được cấu tạo chủ yếu bằng sắt (Fe) với lượng Mn thấp và khác nhau. Hàn sử dụng thép không gỉ (SS), nhôm (Al), Ni và các hợp kim khác chiếm <10% tổng số quá trình hàn được thực hiện. Các điện cực SS chứa một lượng đáng kể Cr, ngoài Fe, Mn và Ni. Tùy thuộc vào kim loại hàn và quy trình được sử dụng, các oxit và muối của nhiều nguyên tố khác có thể có trong khói.

Dựa trên việc lựa chọn quy trình hàn và vật liệu, khói tạo thành có thể khác biệt về mặt hóa học. Khói tạo ra trong quá trình hàn GMA thường không tan trong nước và gần giống với thành phần kim loại của dây hàn được tiêu thụ trong quá trình này. Do sự hiện diện của các chất trợ dung, khói hình thành trong quá trình hàn MMA đã được quan sát là phức tạp hơn về mặt vật lý và hóa học so với khói tạo ra trong quá trình hàn GMA. Do sự hiện diện của các kim loại kiềm (ví dụ: kali và natri) trong chất trợ dung, khói từ quá trình hàn MMA rất dễ tan trong nước.

Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng trạng thái oxy hóa kim loại phụ thuộc nhiều vào quá trình hàn và thành phần khí che chắn bao gồm Mn ²⁺ , Mn ³⁺ và Mn ⁴⁺ , đã được quan sát thấy trong khói sinh ra từ nhiều quá trình và tỷ lệ của các loại Mn khác nhau phụ thuộc vào quá trình hàn khác nhau. Tương tự, nồng độ Cr ⁶⁺ có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào quá trình hàn và loại khí bảo vệ. Những khác biệt này về tính hòa tan của kim loại và trạng thái hóa trị trong khói tạo ra từ các quá trình hàn khác nhau đã được chứng minh là ảnh hưởng đến tính khả dụng của kim loại sau khi lắng đọng trong đường hô hấp và cuối cùng là sự chuyển vị của kim loại tới hệ tuần hoàn và các hệ cơ quan khác trong mô hình động vật.

Sử dụng kích hoạt neutron đã chứng minh rằng các thành phần kim loại của khói hàn SS được tạo ra từ quá trình MMA và GMA được làm sạch trong các giai đoạn khác nhau. Trong giai đoạn đầu, các hạt hàn còn nguyên vẹn được đào thải khỏi cơ thể trong vòng vài ngày đến một tuần bằng cách thanh thải đại thực bào niêm mạc và phổi. Tốc độ thanh thải của mỗi phần tử của khói SS tương tự nhau trong giai đoạn đầu cho thấy rằng các phần tử bị loại bỏ đã được vận chuyển toàn bộ, không có sự phân tách của các thành phần. Ở giai đoạn sau, các phần tử khác nhau của khói cụ thể được loại bỏ ở nhiều tốc độ khác nhau với thời gian bán hủy sinh học là vài tuần, cho thấy sự hòa tan mô của hạt lắng đọng. Các nghiên cứu trước đây của các nhà khoa học đã chỉ ra rằng khói hàn SS thoát ra khỏi phổi của chuột với tốc độ chậm hơn so với khói MS. Ngoài ra, các kim loại cụ thể trong các loại khói hàn khác nhau được thải ra khỏi phổi với tốc độ khác nhau sau khi tiếp xúc. Các kim loại độc hại hơn (ví dụ, Mn, Cr) có trong một số khói hàn được phát hiện ra khỏi phổi nhanh hơn và hoàn toàn hơn so với Fe, có khả năng làm tăng sự chuyển dịch của chúng từ hệ hô hấp đến các cơ quan khác.

Xem thêm: Khói hàn và những hệ lụy của khói hàn (Phần 2)