Introduction
Les opérateurs sont exposés aux fumées et aux gaz lors du soudage, et les expositions varient en fonction du processus et des conditions de travail spécifiques. Les fabricants sont constamment sous pression pour réduire l'exposition des travailleurs à des substances potentiellement nocives sur le lieu de travail, y compris les fumées de soudage. Cet article abordera les points suivants:

    Comment les fumées de soudage sont générées
    Facteurs de coordination qui affectent la génération de fumées et l'exposition aux fumées, tels que la conception de soudage, le processus, l'équipement, les consommables, les gaz, le travail
       gestion et ventilation
    Points forts de la technologie d'extraction des fumées
    Le climat réglementaire américain actuel concernant les fumées de soudage
    Limites d'exposition publiées actuelles pour les composants typiques des fumées

Qu'est-ce que la fumée de soudage?
Bien que de nombreuses personnes considèrent les gaz et les vapeurs d'essence ou d'autres produits chimiques comme des «fumées», techniquement, les fumées sont constituées de très petites particules solides. Étant donné que le soudage à l'arc ne produit généralement que de faibles concentrations de gaz, l'exposition aux gaz est rarement un problème, sauf dans les zones confinées. Par conséquent, la question de la production de gaz secondaire ne sera pas spécifiquement abordée ici.

Le soudage à l'arc crée des fumées quand une partie du métal bout de la pointe de l'électrode et de la surface des gouttelettes fondues lorsqu'elles traversent l'arc. Cette vapeur de métal se combine à l'oxygène de l'air et se solidifie pour former de minuscules particules de fumée. Ces particules sont visibles en raison de leur quantité, mais chaque particule n'a qu'une taille comprise entre 0,2 et 1,0 micron. Étant donné que les fumées proviennent principalement de l'électrode, elles sont constituées d'oxydes de ses métaux, d'alliages et de composés de flux. Dans le soudage de l'acier, par conséquent, les fumées sont principalement de l'oxyde de fer et des oxydes d'alliages tels que le manganèse et le chrome. Avec les métaux plaqués ou revêtus, une partie des fumées provient également du bain de fusion. Cela ajoute des oxydes de métaux du matériau de base dans la fumée comme l'oxyde de zinc provenant du soudage des aciers galvanisés.

Une approche systémique globale
Il existe de nombreuses façons de réduire l'exposition aux fumées de soudage. Chaque solution concerne une partie du système de soudage. Chaque solution a cependant ses avantages et ses inconvénients et doit être considérée dans le contexte du système global. De même, une solution ne peut pas fonctionner sans une mise en œuvre appropriée. Les solutions les plus réussies reposent sur un effort coordonné entre les gestionnaires, les ingénieurs, les superviseurs de soudage, les fournisseurs et surtout les soudeurs eux-mêmes.

Bien que «l'extraction des fumées» puisse être la première solution qui me vient à l'esprit, d'autres options devraient également être envisagées. Les approches de contrôle des fumées de soudage se divisent en fait en deux grandes catégories:

    Réduire la génération de fumée
    Limiter l'exposition de l'opérateur aux fumées

Réduire la production de fumée
Considérations de conception de soudage
La limitation de la production de fumées de soudage commence dès la conception. Toutes choses étant égales par ailleurs, une soudure correctement dimensionnée produira la plus faible quantité de fumée de soudage pour un processus et un ensemble de procédures donnés. Le sur-soudage, par contre, augmente inutilement les fumées de soudage. Lorsque la quantité de métal de soudure augmente, la quantité de fumée augmente également. L'ingénieur soudeur doit être conscient du rôle que joue la taille de la soudure dans la création de fumée.

Sélection du processus de soudage
Des réductions significatives de la création de fumées peuvent s'accompagner d'une modification du procédé de soudage. Par conséquent, les fabricants et les superviseurs de soudage doivent être conscients de l'impact que la sélection du processus aura sur la production de fumée. Cependant, ils doivent également se rappeler que chaque procédé présente des avantages et des inconvénients spécifiques pour une application et une situation données.

Le soudage à l'arc submergé (SAW) contient la majorité des fumées (et de l'arc) sous un lit de flux, ce qui en fait un excellent choix lorsque la réduction de la génération de fumées est une préoccupation majeure. Ce processus présente cependant certaines limites. La SAW nécessite un positionnement plat ou horizontal, un nettoyage du laitier, un entretien du flux granulaire et est le plus couramment utilisé pour le soudage mécanisé de tôles d'acier relativement épaisses.

Le soudage à l'arc au gaz tungstène (GTAW) produit également très peu de fumée, car le métal d'apport ne transporte pas le courant de soudage et l'arc est très stable. Cependant, le GTAW manuel est un procédé à faible taux de dépôt nécessitant des opérateurs hautement qualifiés. En tant que tel, c'est souvent le procédé de choix pour le soudage de précision ou certaines applications spéciales. L'utilisation de GTAW pour souder des tôles épaisses ne serait pas pratique.

Les procédés de soudage à l'arc fourré (FCAW) sont généralement considérés comme les plus grands producteurs de fumée en raison de taux de dépôt généralement élevés. Cependant, de nombreuses applications sont mieux servies par FCAW précisément en raison de ses taux de dépôt élevés, en particulier dans les applications hors position. Les taux de génération de fumée varient considérablement, selon le type d'électrode, la qualité et la conception. La conception de l'électrode peut avoir un impact majeur sur la quantité de fumée qui sera générée. Plusieurs fabricants proposent des électrodes fourrées à flux de fumée réduit. La recherche indique que certaines électrodes à noyau métallique utilisées avec une source d'alimentation à courant pulsé peuvent également produire de faibles taux de génération de fumée.

Le soudage à l'arc au gaz métal (GMAW) est une option pratique pour de nombreuses applications, de la tôle mince aux tôles lourdes. La génération de fumée dans GMAW dépend des procédures, du transfert des gouttelettes, du gaz de protection et de la qualité de l'électrode utilisée. ER70S-6, par exemple, a des niveaux plus élevés de manganèse que ER70S-3. Étant donné que les niveaux de manganèse sont souvent un facteur clé dans la détermination de la conformité réglementaire, cela peut être un problème important.

Gaz de protection
Le gaz de protection affecte également la physique de l'arc et la génération de fumées. Les niveaux d'énergie nécessaires pour dissocier et ioniser les différents gaz sont liés à l'excès d'énergie disponible pour faire bouillir le métal de l'électrode et de la gouttelette fondue. En pratique, l'utilisation de 100% de CO2 nécessitera une augmentation de procédure de 1 à 2 volts par rapport aux mélanges d'argon. Cela ajoute de l'énergie à l'arc, faisant bouillir plus de métal et créant plus de fumée. Bien qu'une certaine quantité de gaz actif soit nécessaire dans le GMAW et le FCAW des aciers, des pourcentages plus élevés d'argon dans les gaz mélangés ont tendance à réduire la génération de fumée. Ces mélanges ont tendance à être plus chers que 100% CO2, en particulier en Europe et en Asie.

Waveform Control Technology ™
Une autre façon de réduire la génération de fumées consiste à utiliser l'une des diverses sources d'énergie de contrôle de forme d'onde. Avec GMAW pulsé, par exemple, moins de fumée est généralement produite qu'avec une source d'alimentation à tension constante conventionnelle. Dans ce mode, l'arc est contrôlé en pulsant le courant d'un niveau de fond à un niveau de crête à une fréquence spécifiée. Cela réduit l'énergie totale de l'arc et diminue la quantité de métal vaporisé, ce qui réduit la génération de fumée.

Invertec STT II - soudage de tuyaux, application à faible taux de fumée Le nouvel onduleur STT® de Lincoln Electric est une autre source d'alimentation contrôlée par forme d'onde qui a conduit à la création d'un nouveau mode de transfert: le soudage à transfert de tension de surface (STT). Dans le transfert classique sur court-circuit, le courant monte à des niveaux élevés immédiatement avant que la gouttelette ne se détache de l'électrode, provoquant la vaporisation d'une partie de l'électrode. Cela provoque un détachement violent des gouttelettes et la création de projections et de fumées. La source d'alimentation STT est capable de contrôler le courant pendant le transfert des gouttelettes. Lorsque la gouttelette est sur le point de se détacher, le niveau de courant diminue et la gouttelette est attirée dans la flaque d'eau par les forces de tension superficielle, ce qui réduit les projections. Après détachement, le courant est alors contrôlé pour éviter la surchauffe de la pointe de l'électrode. Ce contrôle réduit considérablement les températures des gouttelettes et augmente la stabilité de l'arc. Les projections peuvent être réduites de 90% et la génération de fumées de 50%, par rapport au transfert conventionnel à arc court. STT, cependant, est limité aux applications appropriées pour le transfert de court-circuit.

Limitation de l'exposition de l'opérateur aux fumées
La deuxième grande catégorie de contrôle des fumées de soudage couvre les méthodes de limitation de l'exposition du personnel aux fumées. La direction sera chargée de prendre les décisions dans cette catégorie, tandis que les employés à différents niveaux de l'organisation devront coopérer pour assurer leur succès.

Partage d'emploi
L'approche la plus directe pour limiter l'exposition du personnel est simplement de limiter le temps qu'un opérateur passe à souder. Cela peut souvent être accompli via le partage de tâches. Par exemple, un opérateur pourrait passer une demi-journée à souder une application SAW et le reste de la journée à souder une application FCAW. Ou bien, la seconde moitié de la journée peut être consacrée à la conduite d'un chariot élévateur. Ce n'est pas une méthode gratuite; après tout, deux fois plus de personnes doivent être formées et qualifiées d'opérateurs de soudage pour une application donnée. Cependant, cela peut rapporter des dividendes en termes de productivité plus élevée, de plus grande satisfaction au travail résultant de la maîtrise d'une variété de tâches et d'une main-d'œuvre polyvalente et polyvalente. Cette approche simple mérite une réflexion approfondie de la part de la direction.

Systèmes de soudage automatisés
La robotique et d'autres systèmes de soudage automatisés constituent une autre voie pour limiter l'exposition des employés aux fumées de soudage. L'automatisation peut être une alternative viable si les dépenses d'investissement initiales peuvent être justifiées par une productivité plus élevée et une meilleure qualité. Cependant, les cellules de soudage automatisées fonctionnent généralement à des cycles de service élevés et l'exposition des employés aux fumées doit encore être évaluée.

Technologie d'extraction de fumée
La seule méthode de contrôle des fumées efficace pour presque tous les procédés de soudage est la ventilation. La zone de respiration de l'opérateur étant la zone critique, la ventilation localisée, généralement appelée «extraction des fumées», est la méthode préférée. La technologie d'extraction des fumées se divise en deux catégories: faible vide / volume élevé ou vide élevé / faible volume.

Système de vide faible / volume élevé (unité mobile) Vide faible / volume élevé
Les systèmes de ventilation ordinaires des bâtiments sont des systèmes à faible vide et à grand volume, parfois appelés «faible débit statique, haut débit». Lorsque l'industrie avait besoin de meilleures solutions de ventilation, de nombreuses entreprises ont modifié les systèmes de vide faible pour une ventilation localisée. Des flexibles de 6 à 9 pouces (160 à 200 mm) de diamètre ont été ajoutés pour plus de flexibilité et finalement des structures ont été conçues pour supporter les flexibles et faciliter leur positionnement. Les fabricants ont commencé à fabriquer ces bras avec des conceptions et des caractéristiques différentes, et ils sont encore utilisés dans de nombreuses industries, y compris l'industrie du soudage.

Les bras articulés se déplacent généralement entre 600 et 900 pieds cubes (900 - 1500 m3 / h) par minute (CFM) d'air, mais utilisent des niveaux de vide faibles (3 à 5 pouces de jauge d'eau [750 - 1250 Pa]) pour minimiser les besoins en énergie . La jauge d'eau (WG) est une mesure de la pression négative: des nombres plus élevés signifient plus de pression négative (plus «d'aspiration»). Avec ce volume de flux d'air, l'extrémité du bras peut être généralement de 10 à 15 pouces (250 à 375 mm) de l'arc et toujours capter les fumées. Les bras d'extraction de fumée articulés sont produits par un large éventail de fabricants, en utilisant des tuyaux de 6 ou 8 pouces, ou des combinaisons de tuyaux et de tubes. Les longueurs sont généralement de 7, 10 ou 13 pieds (2, 3 ou 4 m), avec des extensions de flèche disponibles. Les bras peuvent être fixés au mur, fixés à des unités mobiles ou incorporés dans un système centralisé.

Pour des distances de captage plus grandes, un plus grand volume d'air est nécessaire pour atteindre la "vitesse de capture" nécessaire et capturer les fumées. Dans la pratique, cependant, des distances de capture plus longues peuvent signifier que l'exposition de la zone respiratoire est compromise. Les hottes suspendues, par exemple, captent la majeure partie des fumées, mais seulement après qu'elles aient traversé la zone de respiration de l'opérateur.

La ventilation à tirage transversal est une variante de la technologie des hottes suspendues. Ces systèmes utilisent un plénum avec des ouvertures sur le côté de l'espace de travail, plutôt qu'au-dessus. Par conséquent, les fumées se déplacent latéralement, loin de la zone respiratoire de l'opérateur. Ces systèmes peuvent être efficaces pour les petites cabines lorsque de petites pièces sont soudées. Le CFM requis pour l'efficacité varie en fonction de la conception de l'installation, mais peut souvent être de 1000 CFM ou plus.

Il existe cependant certains inconvénients associés aux systèmes à faible vide. Par exemple, dans les systèmes intégrant des bras articulés d'extraction des fumées, l'opérateur doit s'arrêter pour repositionner le bras sur chaque zone de soudure, ce qui diminue la productivité. Ces bras ont également une portée limitée, généralement de 10 à 13 pieds. Le débit d'air élevé nécessite de gros tuyaux et des conduits allant de 8 à 36 pouces de diamètre ou plus, selon l'installation. L'évacuation de l'air à l'extérieur nécessite souvent des systèmes d'air d'appoint et des aérothermes d'appoint. Les systèmes de filtration sont volumineux en raison du volume d'air élevé traité.


Vide élevé / faible volume
Les systèmes d'extraction de fumée à vide poussé / faible volume sont beaucoup plus spécifiques aux applications ponctuelles telles que le soudage. Leur principal avantage: ils éliminent les fumées directement à la source, à quelques centimètres de l'arc. Cela signifie que les fumées sont capturées avant qu'elles ne puissent atteindre la zone de respiration de l'opérateur ou se disperser dans la pièce. En raison de la proximité de la source, l'extraction des fumées peut être obtenue avec des débits d'air plus faibles, généralement 80 à 100 CFM pour les buses d'aspiration, selon la conception, et 35 à 60 CFM pour les pistolets d'extraction de fumée intégrés. Le niveau de vide est élevé (40 à 70 pouces WG), permettant l'utilisation de tuyaux de plus grandes longueurs (10 à 25 pieds) et de plus petits diamètres (1,25 à 1,75 pouces). Les équipements à vide poussé vont des petites unités portables aux systèmes triphasés mobiles, en passant par les grands systèmes centralisés.

Il existe deux méthodes d'extraction sous vide poussé: des pistolets de soudage avec extraction intégrée ou des buses d'aspiration séparées de différentes conceptions. (Photo.) Les buses d'aspiration sont positionnées près de la soudure, généralement avec des aimants, et utilisent généralement des distances de capture de moins de quatre pouces. Les pistolets d'extraction de fumée utilisent des buses de capture de fumée intégrées dans le tube et la poignée du pistolet. Par conséquent, aucun repositionnement n'est nécessaire, car l'aspiration suit automatiquement l'arc.

L'extraction sous vide poussé, comme d'autres solutions, a ses limites. Bien que les fabricants aient considérablement amélioré leurs conceptions, les pistolets d'extraction de fumée sont plus gros que les pistolets de soudage ordinaires. De plus, les pistolets à fumée ne contrôlent pas les fumées et fumées résiduelles, car le pistolet est éloigné immédiatement après la fin du soudage. Enfin, à moins qu'ils ne soient installés dans des montages de soudage, les buses d'aspiration à vide poussé nécessitent également un repositionnement.

Néanmoins, les méthodes d'extraction des fumées sous vide poussé / faible volume offrent des avantages significatifs aux soudeurs. L'élimination des fumées directement à leur source, avant qu'elles n'atteignent la zone respiratoire de l'opérateur, est d'une importance capitale. Comme les pistolets à fumée éliminent le repositionnement requis par les bras articulés ou les buses d'aspiration, la productivité n'est pas directement réduite.

De nombreux autres avantages proviennent de la réduction de la quantité totale de flux d'air requise. Un volume d'air plus faible signifie des conduits plus petits, des tuyaux plus petits, des systèmes de filtration beaucoup plus petits et moins de pression sur les systèmes d'air d'appoint si l'air est évacué à l'extérieur. Cela se traduit par une réduction des coûts de matériel, d'installation et de maintenance. Un système à faible vide typique pour vingt stations, par exemple, peut nécessiter un débit d'air de 12 000 CFM, tandis qu'un système à vide poussé desservant la même installation pourrait nécessiter un débit d'air aussi bas que 1 200 CFM.

Une fois les fumées éliminées de la source, elles sont soit évacuées directement dans l'atmosphère, soit passées à travers un filtre électrostatique ou à cartouche. Les filtres électrostatiques perdant de leur efficacité s'ils ne sont pas lavés fréquemment, l'industrie du soudage utilise principalement des filtres à cartouche plus faciles à entretenir. La plupart des filtres à cartouche ont un niveau d'efficacité élevé, généralement de 98% ou plus. Bien que les cartouches classées «HEPA» aient une efficacité extrêmement élevée lorsqu'elles sont neuves, elles sont coûteuses et ont une durée de vie plus courte. Les filtres HEPA ne sont normalement pas nécessaires dans les équipements d'extraction des fumées, car l'efficacité de la capture a un impact beaucoup plus grand sur l'exposition de la zone respiratoire que l'efficacité de la filtration.

Organismes de réglementation
Deux grands types d'organisations étudient et réglementent l'exposition aux fumées de soudage et autres particules sur le lieu de travail: les organisations de santé industrielle et les agences de réglementation gouvernementales. Aux États-Unis, deux grandes organisations de santé industrielle sont la Conférence américaine des hygiénistes gouvernementaux et industriels (ACGIH) et le National Institute of Occupational Safety and Health (NIOSH). Ils fixent des limites d'exposition pour une variété de matériaux, y compris ceux trouvés dans les fumées de soudage. L'ACGIH appelle leur limite la valeur limite de seuil (TLV). Le TLV est influent dans l'industrie et est une norme suivie par la plupart des compagnies d'assurance. Aussi important que soit le TLV, il n'est pas exécutoire par la loi. L'Occupational Safety and Health Administration (OSHA) est la seule organisation qui peut établir des limites légalement exécutoires pour l'exposition aux produits chimiques sur le lieu de travail. Aux niveaux national et fédéral, les limites d'exposition permises (PEL) obligatoires de l'OSHA imposent de fortes exigences à l'industrie du soudage.

Les limites d'exposition
Les limites d'exposition aux fumées fixées par l'OSHA et d'autres sont mesurées en milligrammes de particules par mètre cube d'air (mg / m3). La quantité totale de fumée produite n'est pas limitée, mais la concentration de fumée est plutôt limitée. Pendant les essais en installation, un dispositif d'échantillonnage est placé dans la zone de respiration de l'opérateur (p. Ex., La hotte de soudage, et non sur le revers). À la fin du quart de travail de l'opérateur, un nombre est calculé qui reflète une moyenne pondérée dans le temps (TWA) sur 8 heures de la concentration de fumée dans la zone respiratoire de l'opérateur, en mg / m3.

Étant donné que cette méthode se concentre sur l'exposition à la zone de respiration, les résultats sont hautement imprévisibles, même lorsque le processus, la procédure et d'autres influences sont cohérents. Par conséquent, pour garantir le respect des limites d'exposition, les entreprises devraient tester leurs propres opérateurs pendant qu'elles soudent dans des applications quotidiennes pour obtenir une valeur de concentration précise. Les résultats peuvent alors être comparés à des benchmarks tels que le TLV ou le PEL. Si le nombre est supérieur à la norme, alors cette entreprise n'est pas conforme.

Le tableau 1 répertorie les limites actuelles d'exposition aux fumées de soudage telles que spécifiées par l'OSHA et l'ACGIH. Notez que le tableau ne contient pas de PEL pour les fumées de soudage totales. La PEL de 5 mg / m3 établie en 1989 a été contestée dans le cadre d'un procès et n'est plus appliquée.

(1) Valeur limite de seuil fixée par l'ACGIH (American Conference of Governmental Industrial Hygenists) basée sur 8 heures TWA (Time Weighted Average), au 9/98.
(2) Limite d'exposition autorisée OSHA basée sur 8 heures TWA, en date du 9/98.
(3) La limite d'exposition à court terme (STEL) pour le manganèse, basée sur une TWA de 15 minutes, est de 3 mg / m3
(c) Concentration maximale d'exposition: à ne dépasser à aucun moment (pas une TWA).
NIC - Avis des changements prévus



Le manganèse et le chrome sont deux exemples de matériaux qui ont également des limites d'exposition de temps strictes. Lorsque les limites sont mesurées sur une TWA de 8 heures, un exploitant peut être exposé à des concentrations élevées le matin, mais l'installation peut encore être conforme si les concentrations sont plus faibles l'après-midi. Les limites pour certaines formes de chrome sont des «plafonds», ce qui signifie que toute surexposition pendant la journée entraînera un échec de conformité de l'installation.

Étant donné que le climat réglementaire américain concernant les fumées de soudage dépend grandement de l'état spécifique, les régulateurs locaux doivent toujours être contactés pour obtenir des informations pertinentes. Les entreprises doivent vérifier la fiche de données de sécurité (FDS) de l'électrode de soudage qu'elles utilisent. Le rapport MSDS montrera non seulement la composition de l'électrode, mais également les composants de la fumée de soudage qui peuvent être créés par le processus de soudage. Le rapport montre également le TLV et le PEL pour chaque élément, et donne des informations précieuses sur les risques pour la santé et d'autres données de référence. Cependant, le seul moyen d'obtenir une image claire de la situation d'une entreprise consiste à tester les opérateurs pendant qu'ils soudent dans les installations réelles de l'entreprise.

Conclusion
Bien que l'exposition aux fumées puisse être un problème dans n'importe quelle application de soudage, aucune solution n'est la meilleure pour toutes. Chaque solution ne concerne qu'une partie du système de soudage et a ses avantages et ses inconvénients. La meilleure solution sera trouvée lorsque les gestionnaires, les ingénieurs, les superviseurs de soudage, les fournisseurs et les soudeurs travailleront ensemble pour répondre aux besoins de l'entreprise avec une approche systémique totale.