Welding Filler Material Components for Reduction of Fumes and Hexavalent Chromium Generation from Shielded Metal Arc Welding and Flux Cored Arc Welding

Abstract

Welding generates welding fumes and hexavalent chromium, which are classified as Group 1 carcinogens by the International Agency for Research on Cancer (IARC). In particular, due to the generation of high hexavalent chromium and fumes in shielded metal arc welding (SMAW) and flux-cored arc welding (FCAW), they impose a severe health risk upon exposure. Thus, this study aims to estimate the welding filler material components that can reduce the generation of fumes and hexavalent chromium in SMAW and FCAW. In the current study, nine welding rods for SMAW and eight flux-cored wires for FCAW were tested. Each type of welding was performed under uniform conditions in a fume-hood. Collected fume samples were analyzed by gravimetric analysis to calculate fume generation rate (FGR) and ion chromatography with the ultraviolet detection (IC-UV) for hexavalent chromium generation rate (HCGR). Welding filler materials were analyzed using wavelength dispersive X-ray fluorescence spectrometer (WDXRF). After performing statistical difference tests, a correlation analysis was conducted to estimate the statistical association between the generation rate and the content of filler component in the welding material in each type of welding. Based on the results of the correlation analysis, regression models were designed and then analyzed through multiple linear regression method. Finally, based on the results of correlation and multiple linear regression analyses, the component-combination formulas were designed and correlation analysis was conducted with fume generation rate and hexavalent chromium generation rate. For nine SMAW welding rods, FGR(per welding time) was in the range of 198.0–289.3 mg/min, and HCGR(per welding time) was in the range of 5.34–7.98 mg/min. By changing the welding filler material components under the same welding conditions, the generation rate was found to be reduced by approximately 26.7% (AVG = 20%) and 24.8% (AVG = 3.4%) compared to base FGR and HCGR, respectively. In the case of eight flux-cored wires, FGR was 590.4–821.1 and HCGR was 0.34–3.31 mg/min, which could be reduced by up to 23.5% (AVG = 10%) and 89.7% (AVG = 47.1%), respectively, by changing the welding material components under the same welding conditions. The results of correlation analysis of SMAW, with different elements as filler material, suggested a statistically significant correlation of fluorine (F), potassium (K), calcium (Ca), and sodium (Na) with FGR and chromium (Cr) and titanium (Ti) with HCGR. Whereas, in the case of FCAW, fluorine (F), potassium (K), and sodium (Na) with FGR and sodium (Na), potassium (K), silicon (Si), zirconium (Zr), and fluorine (F) with HCGR showed a statistically significant correlation. In most multiple linear regression models, the multicollinearity problem arises due to the interference among independent variables. That is, some specific elements did not strongly contribute to the change in the value of the dependent variable, and several elements made complex contributions in the fume and hexavalent chromium generation rate. So, this study proposed eleven component-combination formulas showing statistically significant correlation with dependent variables for SMAW and ten for FCAW. This study suggests that it is possible to reduce FGR and HCGR without affecting the performance of welding by using different components as welding materials. In order to reduce HCGR, it is recommended to reduce the FGR for SMAW and to reduce the content of hexavalent chromium in welding fumes for FCAW. Also, it is recommended to manufacture welding materials with components that can suppress oxidation of chromium and have higher electronegativity than metal chromium and chromium compounds. Thus, by considering the oxidation ability and electronegativity of the compound, HCGR can be reduced. If welding materials with low FGR and HCGR are manufactured and widely used in the field as per the suggested change in element content presented in this study, the problem of exposure to Group 1 carcinogens is expected to be fundamentally reduced.

용접 시에는 IARC 지정 Group 1 발암물질인 용접 흄과 6가 크롬이 발생하며, 선행연구에 따르면 전세계의 약 11,000만명의 근로자가 작업시간 동안 용접 흄에 노출된다 밝혀진 바 있다. 이러한 용접 흄과 6가 크롬은 용접 종류, 용접 조건, 환경영향, 용접 재료 등의 다양한 요인에 의해 발생 특성이 다르다. 많은 선행연구들을 통해서는 용접의 종류별 용접 흄 및 유해인자의 발생 특성에 대해 연구된 바 있고, 용접 전류, 전압 등의 용접 조건에 따라 용접 흄과 6가 크롬의 발생의 변화에 대해 기술한 바 있다. 하지만, 작업현장 내에서는 용접 시 용접의 성능이 가장 중요하며, 이러한 용접의 성능 유지를 위해 용접 조건을 변경하지 못하는 경우들도 더러 존재한다. 하지만, 이러한 용접 재료의 화학적 성분 함량에 따라 발암물질인 용접 흄과 6가 크롬의 발생이 어떻게 변하는 지 기술한 연구는 적다. 이에 따라, 본 연구에서는 시장 점유율이 높은 피복아크 용접과 플럭스 코어드 아크 용접을 대상으로 용접재료 성분을 달리하여 제조한 용접 재료들의 용접 시 흄 및 6가 크롬 발생량을 평가하여 통계적 추정을 통해 흄, 6가 크롬 저감에 영향을 끼치는 용가재 성분을 추정하고자 한다. 자체 성능 평가 기준을 만족하는 피복아크 용접봉 9 제품, 플럭스 코어드 와이어 8 제품에 대해 용접 종류별 통일된 용접 조건 하에서 용접을 실시 후, 흄을 포집했다. 포집된 흄은 중량 분석을 통해 흄 발생량을 산출하고, IC-UV/vis로 6가 크롬 함량을, 용접 재료에 대해 XRF로 성분을 분석하였다. 용접재료 내 각 화학적 성분들의 함량, 흄 발생량, 흄 중 6가 크롬 함량 및 6가 크롬 발생량을 산출한 후, 이들의 기존 제품 대비 값의 변화에 대한 통계적으로 유의한 차이가 있는지 검정하였다. 그 뒤, 흄 발생량, 흄 중 6가 크롬 함량 및 6가 크롬 발생량을 각각 종속변수로, 용접 재료 중 특정 성분 함량을 독립변수로 상관분석을 통해 흄, 6가 크롬 발생에 영향을 끼치는 용가재 성분을 통계적으로 추정하였다. 상관분석 결과를 바탕으로, 용가재에 일정 이상의 함량으로 포함된 성분에 대해 다중회귀분석을 위한 회귀모형을 설계해 분석하였다. 마지막으로, 통계적 차이를 보인 성분들 및 선행연구들을 통해 제시된 성분들, 개별원소간 상관분석 결과와 다중회귀분석 결과들을 바탕으로 용접재료 내 성분 배합 수식을 설계해 각 종속변수와 상관분석을 진행하였다. 9 종류의 피복아크 용접 제품의 용접시간당 흄 발생량은 198.0-289.3 mg/min으로 기존 대비 최대 26.7%, 평균 20%의 저감이 가능했다. 용접시간당 6가 크롬 발생량은 5.34~7.98 mg/min으로 기존 대비 최대 24.8%, 평균 3.4%의 저감이 가능했다. 8 종류의 플럭스 코어드 아크 용접 제품의 용접 시간당 흄 발생량은 590.4~821.1 mg/min으로 기존 대비 최대 23.5%, 평균 10.8% 저감이, 6가 크롬 발생량의 경우 0.34~3.31 mg/min으로 기존 대비 최대 89.7%, 평균 47.1% 발생량 저감이 가능했다. 또한, 피복아크 용접과 플럭스 코어드 아크 용접재료의 원소 함량별 흄 발생량과의 상관분석 결과, 피복아크 용접의 경우 F, K Ca, Na가 용접시간당 흄 발생량과, Cr, Ti가 용접시간당 6가 크롬 발생량과 통계적으로 유의한 수준으로 상관성을 보이는 것을 확인할 수 있었다. FCAW의 경우 F, K, Na 함량이 용접시간당 흄 발생량과, Na, K, Si, Zr, F가 용접시간당 6가 크롬 발생량과 통계적으로 유의한 상관성을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 다중회귀분석 결과는 대부분의 회귀모형에서 독립변수 간의 간섭에 의한 다중공선성 문제가 도출되어 회귀모형의 적합도가 떨어지는 것으로 추정되었다. 이에 따라, 본 연구에서는 흄 발생량, 흄 중 6가 크롬 함량, 6가 크롬 발생량과 통계적으로 유의한 수준의 상관성을 보이는 성분 배합 수식을 피복아크 용접에 대해 11가지, 플럭스 코어드 아크 용접에 대해 10가지를 제시하였다. 종합적으로, 성분을 다르게 제조한 용접재료들에 대해 성능적 결함 없이 흄 발생량, 6가 크롬 발생량을 저감할 수 있다는 것을 증명하였다. 또한, 피복아크 용접의 경우 6가 크롬 발생량을 저감하기 위해서는 흄 발생량을 줄이는 것이, 플럭스코어드 아크 용접의 경우 6가 크롬 발생량을 줄이기 위해서는 흄 중 6가 크롬의 함량을 줄이는 것이 용이하다. 마지막으로, 용접 간 산화작용을 통해 발생되는 6가 크롬 발생을 저감하기 위해 용접 재료 제조 시 화합물들의 산화수, 전기음성도 등을 고려하여 금속 크롬 및 크롬 화합물보다 전기음성도가 높아 크롬의 산화를 억제하는 물질들로 용접재료를 제조하는 것을 권장하는 바이다. 본 연구에서 제시한 원소 함량변화에 따른 흄 발생량, 6가 크롬 발생량 식을 참고하여 흄 발생 및 6가 크롬 발생이 적은 용접 재료를 제조하여 현장에서 널리 사용된다면, 근로자의 1급 발암물질에 대한 노출 문제를 근본적으로 개선할 수 있을 것으로 기대되는 바이다.