Type de document
Expertisesrevues
Année de publication
2020
Langue
Français
Résumé
Les opérations de soudage à l’arc électrique sont largement répandues dans de nombreux secteurs industriels comme ceux de la métallurgie, de la construction, de l'énergie hydroélectrique et de l’automobile. Les procédés de soudage principalement utilisés au Québec sont le soudage à l’arc sous gaz protecteur avec fil plein (Gas Metal Arc Welding, GMAW), le soudage à l’arc électrique avec fil fourré (Flux Cored Arc Welding, FCAW; Metal Cored Arc Welding, MCAW), le soudage à l’arc avec électrode enrobée (Shielded Metal Arc Welding, SMAW) et le soudage à l’arc en atmosphère inerte avec électrode de tungstène (Gas Tungsten Arc Welding, GTAW).
En raison des températures élevées atteintes au point de fusion, les opérations de soudage produisent des fumées potentiellement toxiques constituées de particules et de gaz dont la composition et la proportion varient en fonction de nombreux facteurs, dont les procédés utilisés, la position de soudage et la nature des pièces à souder. Les risques qui sont associés à ces fumées et à leurs constituants (principalement le manganèse (Mn), le chrome hexavalent (Cr(VI)) et le nickel (Ni)) incluent la cancérogénicité, les atteintes au système nerveux central et les maladies bronchopulmonaires. Les fumées de soudage ont d’ailleurs été classées cancérogènes groupe 1 (cancérogène pour l’homme) par le Centre international de recherche sur le cancer (CIRC) en 2017.
La protection des travailleurs aux fumées de soudage est d’autant plus nécessaire que le nombre de Québécois exerçant des activités de soudage est élevé, soit environ 24 000, et que les normes et les valeurs limites d’exposition des fumées et de ses constituants sont fréquemment dépassées. Actuellement, la protection des travailleurs consiste à combiner des dispositifs de captage à la source, la ventilation générale ainsi que des équipements de protection individuelle. Ces approches ne permettent toutefois pas de protéger adéquatement la zone respiratoire des travailleurs dans plusieurs situations de travail. Or, la compréhension de l’influence des paramètres de soudage, tels le type d’électrode, ses caractéristiques ou encore la composition du gaz protecteur, offre une opportunité ayant pour but ultime de réduire l’exposition des travailleurs aux fumées de soudage.
Ainsi, l’objectif de la présente recherche est de contribuer à l’avancement des connaissances sur l’influence des paramètres de soudage sur les concentrations de fumées et leurs composantes métalliques générées lors des opérations de soudage à l’arc électrique.
Pour ce faire, une recherche documentaire sous forme de revue systématique de la littérature dans les bases de données bibliographiques, dans les bases de données factuelles et dans la littérature grise a été entreprise. Dix bases de données bibliographiques et douze sources en ligne, incluant des sites Web institutionnels et ceux de groupements professionnels, ont été interrogées sur une période allant de 2000 à 2018. En tout, 1764 références ont été recensées dont quarante-sept ont été retenues. Quarante-trois d’entre elles font état de travaux menés dans des conditions expérimentales et seulement quatre exposent des travaux effectués sur le terrain. Au total, 21 paramètres de soudage ont été évalués, conduisant ainsi à 85 situations d’évaluation (une situation d’évaluation correspond à la mesure de l’influence d’un paramètre de soudage sur le niveau de fumées générées, en matière de fumées totales et de contaminants particuliers). Le gaz de protection et les caractéristiques de l’électrode ont été les paramètres les plus étudiés (chacun étant associé à environ 19 % des situations d’évaluation), suivis de la tension de courant et des procédés de soudage (respectivement 13 % et 8 % des situations d’évaluation). La majorité des situations d’évaluation étaient en lien avec le procédé GMAW (65 %), suivie du SMAW (18 %), du FCAW (11 %) et finalement du GTAW et du MCAW (3 % chacun).
Les résultats dont font état les références retenues mettent en évidence que le procédé SMAW est celui qui génère le plus de fumées alors que le procédé GTAW est celui qui en produit le moins. Pour le procédé GMAW, l’utilisation des modes pulsés et du CMT™ (variante technique du GMAW en court-circuit) génère quant à elle moins de fumées de Mn et de Cr(VI) que le procédé GMAW conventionnel. Les résultats ont toutefois montré que, bien qu’émettant plus de fumées, le procédé SMAW ne génère que peu de particules ultrafines (PUF) lorsque comparé aux procédés GMAW et GTAW.
Les résultats rapportés ont, en outre, clairement montré que l’augmentation de la fraction de gaz carbonique (CO2) dans un mélange de gaz de protection induit une augmentation des quantités de fumées générées. L’augmentation de la tension, de l’intensité du courant et du diamètre de l’électrode entraîne également une plus grande génération de fumées et il en est de même lors de l’utilisation d’un flux plus important, au cœur même de l’électrode (FCAW) ou dans son enrobage (SMAW). Quant au procédé GMAW, le mode de transfert en pulvérisation pulsée entraîne une réduction des quantités de fumées générées comparativement aux modes de transfert en court-circuit et en pulvérisation axiale.
Globalement, cette recherche a permis d’observer que de nombreux paramètres de soudage influent sur la génération de fumées totales, de contaminants particuliers et de PUF, en les réduisant ou en les augmentant. Des études-terrains doivent cependant être menées pour bien évaluer l’influence des paramètres les plus prometteurs. Une attention particulière devra être accordée à la caractérisation de la taille des particules considérant leur nature chimique et leur risque potentiel pour la santé, plus spécifiquement pour les systèmes respiratoire et neurologique.
Abstract
Electric arc welding is a technique widely employed across many industries, including metallurgy, construction, hydropower and the automotive industry. The main welding processes used in Quebec are gas metal arc welding (GMAW), flux cored arc welding (FCAW), metal cored arc welding (MCAW), shielded metal arc welding (SMAW) and gas tungsten arc welding (GTAW).
Owing to the high temperatures reached at melting point, welding operations produce potentially toxic fumes consisting of particles and gases, the proportions and composition of which vary with several different factors, including the process used, the welding position and the type of pieces to be welded. The risks associated with these fumes and their constituents (primarily manganese [Mn], hexavalent chromium [Cr(VI)] and nickel [Ni]) include carcinogenicity, central nervous system damage and bronchopulmonary diseases. Welding fumes were classified as Group 1 carcinogens (carcinogenic to humans) by the International Agency for Research on Cancer (IARC) in 2017.
Protecting workers from welding fumes is particularly important in Quebec, as some 24,000 Quebecers work in welding, and the standards and permissible exposure limits for welding fumes and constituents are often exceeded. At present, worker safety measures involve a combination of extraction of welding fumes at source, general ventilation and personal protective equipment. These approaches do not, however, adequately protect workers’ breathing zones in a number of work situations. Understanding the influence of welding parameters, such as type of electrode, its characteristics and shielding gas composition, can improve our ability to reduce worker exposure to welding fumes.
The goal of this study was to contribute to the advancement of knowledge about the influence of welding parameters on fume concentrations and their metal constituents generated by electric arc welding operations.
To this end, a document search in the form of a systematic literature review was conducted in bibliographic and factual databases and in the grey literature. Ten bibliographic databases and 12 online sources, including institutional and trade association websites, were queried for the period from 2000 to 2018. In all, 1,764 references were identified, 47 of which were selected. Forty-three of these references report on work carried out under experimental conditions and only four deal with work done in the field. In total, 21 welding parameters were assessed, leading to 85 assessment situations. (One assessment situation corresponds to the measurement of the influence of one welding parameter on the level of fumes generated, with respect to total fumes and specific contaminants.) The shielding gas and the characteristics of the electrode were the parameters most studied (each being associated with approximately 19% of the assessment situations), followed by voltage and welding processes (13% and 8% of assessment situations, respectively). Most assessment situations were related to the GMAW process (65%), followed by SMAW (18%), FCAW (11%) and lastly GTAW and MCAW (3% each).
The results reported in the selected references show that the SMAW process generates the most fumes, while the GTAW process produces the least. For GMAW, using the pulsed and CMT™ (a short-circuit process that is a technical variant of GMAW) modes generates less Mn and Cr(VI) fumes than the conventional GMAW process. According to the results, however, although the SMAW process gives off more fumes, it generates fewer ultrafine particles (UFPs) than GMAW and GTAW do.
Furthermore, the reported results clearly indicate that an increase in the carbon dioxide (CO2) fraction in a shielding gas mixture causes a corresponding increase in the quantity of fumes generated. An increase in voltage, current strength or electrode diameter also leads to higher fume levels, and the same thing occurs when more flux is used, in the electrode core (FCAW) or coating (SMAW). As for GMAW, pulsed spray transfer is associated with lower fume levels than the short-circuit and axial spray transfer modes.
Overall, this study has shown that many welding parameters affect the generation of total fumes, specific contaminants and UFPs, by either reducing or increasing them. Field studies need to be conducted to arrive at an accurate assessment of the influence of what would appear to be the most important parameters. Special attention should be paid to the characterization of particle size, given the chemical nature of these particles and the potential risks to human health, especially to the respiratory and nervous systems.
ISBN
9782897971069
Mots-clés
Fumée de soudage, Welding fume, Méthode de travail et sécurité, Safe working method, Soudage et coupage à l'arc, Arc welding and cutting, Particule ultrafine, Ultrafine particle, Ultrafine particle, Risque d'atteinte à la santé, Health hazard, Méthodologie, Methodology, Québec
Numéro de projet IRSST
2017-0039
Numéro de publication IRSST
R-1085
Citation recommandée
Sarazin, P., Bakhiyi, B., Lévesque, M., Godin, C. et Zayed, J. (2020). Influence des paramètres de soudage à l'arc électrique sur les concentrations de fumées et leurs composantes métalliques : état des connaissances (Rapport n° R-1085). IRSST.