Do procesów technologicznych oddziaływujących zdecydowanie niekorzystnie na środowisko pracy należą spawalnicze procesy łączenia metali, przebiegające w warunkach wysokich temperatur i przy niedostatecznych możliwościach kontrolowania procesów metalurgicznych i zjawisk fizyko-chemicznych. Spawanie metali postrzegane jest jako proces 3D: dirty - brudny, dusty - zapylony, dangerous - niebezpieczny i szkodliwy dla zdrowia. Spawanie wraz z technikami pokrewnymi jest najbardziej rozwiniętą i ugruntowaną technologią łączenia przy wytwarzaniu konstrukcji oraz wyrobów w różnych dziedzinach przemysłu. Metody spawalnicze są wykorzystywane w tysiącach przedsiębiorstw różnej wielkości, zatrudniających od kilku do kilkuset spawaczy. W Polsce grupa zawodowa pracowników wykonujących prace spawalnicze szacowana jest na około 90 tysięcy osób, wykonujący w sposób ciągły lub z dużym natężeniem spawanie różnych materiałów, konstrukcji i wyrobów. Rosnące obecnie potrzeby w zakresie wzrostu efektywności procesów spawania i jednocześnie poprawy warunków pracy są przyczyną, iż stan środowiska pracy oraz ochrona zdrowia pracowników budzi szerokie zainteresowanie.

Charakterystyka pyłu i gazów wydzielających się przy procesach spawania metali

Procesy spawania metali związane są z powstawaniem substancji niebezpiecznych, tzn. substancji stwarzających zagrożenie dla zdrowia człowieka, zaklasyfikowanych co najmniej do jednej z następujących kategorii: bardzo toksyczne, toksyczne, szkodliwe, drażniące, uczulające, rakotwórcze, mutagenne. Substancje chemiczne występujące w powietrzu przy procesach spawania są układem wielofazowym - aerozolem, a ich wchłanianie do organizmu w dużym stopniu uzależnione jest od postaci, w jakiej dana substancja występuje.
Podczas procesu spawania z materiału podstawowego, materiału dodatkowego, powłok ochronnych materiału podstawowego, gazów osłonowych i otaczającego powietrza, pod wpływem wysokiej temperatury i promieniowania łuku spawalniczego powstaje dym spawalniczy. Dym spawalniczy (aerozol dwufazowy kondensacyjny) jest mieszaniną drobno dyspersyjnych cząstek stałych (pyłu spawalniczego) oraz różnych gazów stanowiących fazę rozpraszającą. Pył spawalniczy powstający w wyniku działania plazmy łuku na materiał podstawowy i dodatkowy składa się z prostych i złożonych tlenków, krzemianów, fluorokrzemianów, fluorków, chromianów, dichromianów oraz węglanów metali. W łuku zachodzi proces topienia materiałów, ich częściowego odparowania i utleniania par metalu. W atmosferze o niższej temperaturze następuje proces kondensacji i wytworzenie cząstek stałych o różnych wymiarach. Zasadnicze znaczenie dla tworzenia się pyłu mają następujące procesy zachodzące w obszarze słupa łuku:
¨parowanie ciekłego metalu w strefie przyelektrodowej,
¨parowanie ciekłego metalu z obszaru plamki elektrodowej (katodowej lub anodowej),
¨wybuchowe parowanie metalu w obszarze odrywania się kropli metalu ( przewężenie podczas oddzielania się kropli - szyjka),
¨powstawanie bardzo drobnych, „rozpylonych" cząstek ciekłego metalu wyrzucanych przez eksplozję kropli,
¨powstawanie rozprysku,
¨parowanie ciekłego metalu z jeziorka spawalniczego i ze ściegu spoiny.

Średnia wielkość średnicy aerodynamicznej cząstki pyłu spawalniczego wynosi od 0,01 do 1 mm. Pył o wymiarze cząstek poniżej 1 mm nazywany jest pyłem respirabilnym i podlega głównie ruchom Browna, tj. nieregularnym ruchom po liniach zygzakowatych. Cząstki frakcji respirabilnej (pęcherzykowej) pyłu przenikają do dróg oddechowych niepokrytych nabłonkiem migawkowym. Cząstki pyłu spawalniczego mają kształt kulisty i występują w postaci bardzo drobnych cząstek pojedynczych oraz w postaci łańcuchów i aglomeratów. W skład dymu spawalniczego wchodzą również frakcje pyłu drobnoziarnistego o cząstkach, których wymiary przekraczają 1mm, jest to pył opadający. Cząstki pyłu osiadają pod wpływem swojego ciężaru, ale mogą przez pewien czas pozostawać w zawieszeniu ( podlegają głównie siłom grawitacji i bezwładności). Dym spawalniczy jest określany jako aerozol kondensacyjny wysokodyspersyjny (cząstki pyłu o średnicach mniejszych od 0,1 mm) i średniodyspersyjny (cząstki pyłu o średnicach od 0,1 mm do1 mm).
Skład chemiczny pyłu spawalniczego jest uzależniony od rodzaju spawanych materiałów, metody i parametrów technologicznych spawania. Przy spawaniu elektrodami otulonymi oraz drutami proszkowymi pył ma bardziej złożony skład chemiczny i jest bardziej skomplikowany pod względem struktury, niż pył wydzielający się podczas spawania łukowego drutem litym w osłonie gazowej. Podstawowymi składnikami pyłu powstającego przy spawaniu stali drutami litymi jest żelazo, mangan, ditlenek krzemu, związki chromu, niklu, molibdenu i niobu. Przy spawaniu stali elektrodami otulonymi i drutami proszkowymi dodatkowo wydzielane są również związki sodu, potasu, wapnia i magnezu. Źródłem tych pierwiastków jest otulina elektrod oraz proszek topnikowy, w skład których wchodzą różne surowce mineralne (np. krzemiany, węglany, fluorki proste i złożone, tlenki metali, szkło sodowe lub potasowe) oraz składniki organiczne. Analiza zagadnień powstawania pyłu przy spawaniu drutami proszkowymi oraz badania modelowe w zakresie prognozowania koncentracji i składu chemicznego pyłu powstającego przy spawaniu drutami proszkowymi wykazały, że ich wydzielanie w łuku odbywa się poprzez topienie i częściowe odparowanie składników osłony metalowej; tą drogą do powietrza przechodzą tlenki metali (żelaza, chromu, niklu, manganu i molibdenu) oraz przez topienie i odparowanie składników rdzenia topnikowego; tą drogą do powietrza dostają się związki tytanu, wapnia, sodu, potasu, baru oraz tlenki dodatków stopowych. Głównymi źródłami emisji gazów przy spawaniu jest proces rozkładu otuliny elektrod, reakcje termiczne w atmosferze otaczającej łuk, reakcje fotochemiczne w atmosferze otaczającej łuk ( emisja promieniowania UV) oraz gaz ochronny stosowany do osłony łuku. Zanieczyszczenia gazowe tworzone są przez tlenki azotu (NOx), tlenek węgla (CO), ditlenek węgla (CO2) oraz ozon (O3).

Wpływ zanieczyszczeń wydzielających się przy procesach spawalniczych na organizm człowieka

Efektem długotrwałego narażenia spawaczy na dymy spawalnicze są różnego rodzaju schorzenia układu oddechowego. Pył do organizmu przedostaje się głównie przez drogi oddechowe. Tą drogą do ustroju mogą dostać się tylko cząsteczki bardzo małe, które stanowią największe zagrożenie dla człowieka. Szacuje się, że ilość odkładanego pyłu respirabilnego w płucach spawaczy z ciągłą ekspozycją może przekroczyć 70 mg żelaza na rok. Drobne cząsteczki pyłu, posiadając dużą powierzchnię właściwą, mogą absorbować na niej znaczne ilości substancji gazowych, które po wprowadzeniu do organizmu, uwolnieniu i wchłonięciu wywołują dodatkowe działanie toksyczne. Wspólną cechą wszystkich pyłów przemysłowych jest działanie drażniące błony śluzowe górnych dróg oddechowych, np. tlenki żelaza. Długotrwałe działanie drażniące powoduje trwałe zmiany w górnych drogach oddechowych, umożliwiając tym samym przedostanie się pyłów do pęcherzyków płucnych. Szybkość rozwoju tego procesu jest tym większa, im większe jest stężenie pyłu na stanowisku pracy. Procesy toczące się w płucach pod wpływem pyłu są uzależnione od rodzaju, agresywności i stężenia pyłu, indywidualnej wrażliwości organizmu i czasu oddziaływania, dając w efekcie różne zmiany chorobowe w płucach. Pylica płuc u spawaczy może rozwinąć się już po kilku latach pracy i występuje znacznie częściej u tych spawaczy, którzy pracują w pomieszczeniach ciasnych lub źle wentylowanych, niż u spawaczy pracujących w otwartej przestrzeni. Wśród spawaczy wzrasta również zachorowalność na astmę oraz bronchit. Oprócz dolegliwości oskrzelowo-płucnych, które w znacznym stopniu są przyczyną chorób zawodowych spawaczy, mogą wystąpić równocześnie inne schorzenia, np. choroby układu nerwowego, pokarmowego i układu krążenia. W rozwoju tych chorób istotną rolę odgrywa podwyższony stopień ogólnego nasycenia organizmu związkami toksycznymi. W składzie pyłu spawalniczego mogą znajdować się również związki o udowodnionym działaniu toksycznym, wywołujące procesy zwłóknienia tkanek, działające alergizująco i rakotwórczo. Działaniem toksycznym na narządy i/lub tkanki charakteryzuje się mangan (układ nerwowy), ołów (układ krwiotwórczy) i kadm (nerki). Międzynarodowa Agencja Badań nad Rakiem (IARC - International Agency for Research on Cancer) uznała, że dymy spawalnicze należą do grupy zanieczyszczeń prawdopodobnie kancerogennych. Udowodnione działanie kancerogenne mają takie składniki dymów spawalniczych, jak: nikiel, chrom(VI), beryl i kadm