Mecanismos de formação de fumos

Kodas e Hampeden-Smith (1999) citados por Mendez, Jenkins e Eagar (2000) citam que a formação de partículas de fumos pode se dar por duas origens:

a) A partir de sólidos e líquidos por meios mecânicos, por exemplo, esmerilhamento ou atomização (as partículas formadas mecanicamente são raramente menores do que 1 µm de diâmetro e quando são menores elas estão agregadas à partículas de 1 µm ou maior); b) A partir da condensação de vapor (as partículas criadas por condensação têm de 0,01 a 0,4 µm de diâmetro). Desta forma, assumindo os tamanhos das partículas de fumos em soldagem, para Mendez, Jenkins e Eagar (2000) os fumos de soldagem são formados apenas por condensação de vapor. Portanto, a taxa de formação de fumos no processo

MIG/MAG deve ser diretamente relacionada com a taxa de vaporização da gota na soldagem. Ainda segundo esses autores, a geração de fumos está relacionada com a evaporação do líquido a partir da extremidade do eletrodo. Esta evaporação depende da temperatura da superfície e da geometria do líquido, a qual pode ser dividida em três regimes:

Regime I: A mancha anódica cobre apenas uma fração da superfície da gota. Neste regime, as forças eletromagnéticas agitam o líquido no interior da gota criando duas camadas térmicas limites (CTL) no líquido, uma na região da mancha e outra na interface líquido-sólido com o arame. Através do volume da gota, o calor é transportado por convecção (este regime corresponde ao modo de transferência globular de grandes diâmetros);

Regime II: A mancha anódica cobre também apenas uma fração da superfície da gota, mas o calor é transportado através do volume da gota por condução (este regime corresponde aos modos de transferência metálica globular de pequeno diâmetro ou spray);

Regime III: A mancha anódica cobre completamente a gota e atinge o lado do arame. Neste caso, o arame derrete formando uma fina camada de metal líquido através do qual o calor é transportado por condução. O líquido derretido se estende a partir da ponta do eletrodo formando um elongamento. As gotas são destacadas a partir da extremidade do elongamento (este regime corresponde a transferência metálica spray com elongamento).

Ainda segundo Mendez, Jenkins e Eagar (2000), o aquecimento da gota se dá essencialmente pela condensação dos elétrons (região anódica), desprezando o efeito joule e a dissipação viscosa. Esse calor é perdido por condução para dentro do arame, assim como por vaporização e parte dele fica acumulado para fundir e aquecer o metal líquido. Assim, quanto maior a parcela de calor para a evaporação, maior a geração de fumos. Esses autores demonstraram matematicamente que quando o diâmetro da gota vai ficando menor ao passar do regime I para o regime II e depois para o regime III, há pouca resistência do fluxo de calor para o arame, consequentemente maior condução para o arame e menos geração de fumos. De forma resumida, estes autores concluem que o regime III gera a menor quantidade de fumos para uma dada corrente. Neste regime pode ser facilmente obtido usando diâmetros de arames menores. Uma diminuição da extensão do elétrodo aumenta o calor através do arame, reduzindo também a geração de fumos. Tal diminuição também pode ser conseguida pela redução da velocidade de alimentação do arame. Ainda segundo os autores, pulsando a corrente antes ou depois da gota atingir o regime I, pode reduzir a geração de fumos.

Bosworth e Deam (2000), em seus estudos destinados a compreensão dos mecanismos importantes do controle da taxa de geração de fumos no processo MIG/MAG,

relataram também, em concordância com Mendez, Jenkins e Eagar (2000), que a taxa de geração de fumos aumenta com o aumento do tamanho de gotas. Porém, Dennis et al. (2001) afirmam que os fumos de soldagem podem ser formados por outros mecanismos que não a evaporação, como, por exemplo, através da ruptura das bolhas de CO (monóxido de carbono) formadas nas gotas.

Jenkins (1999), em seus estudos sobre formação de fumos em soldagem com proteção gasosa no passado, chegou à conclusão de que os fumos resultantes da soldagem são formados principalmente a partir de gotas de soldagem. O autor chegou a esta conclusão comparando os diversos processos de soldagem existentes. Por exemplo, comparando dois processos, TIG e MIG/MAG, verificou-se que o processo MIG/MAG forma uma maior quantidade de fumos (como o processo MIG/MAG forma gotas de material em fusão como modo de transferência e o TIG não, o principal fator responsável da formação de fumos é a formação de gotas). Ainda segundo o autor, um outro fator responsável pela produção de fumos são os respingos que resultam da instabilidade do arco elétrico. Ainda segundo o autor, os fumos são então formados por dois mecanismos, a partir da evaporação na gota do material em fusão e dos respingos incandescentes que resultam do processo de soldagem (Fig. 2.1). Mas como foi referido anteriormente, o principal fator que domina a formação de fumos no processo MIG/MAG é a evaporação que se dá a partir da gota (JENKINS; EAGAR, 2005).

Figura 2.1 - Fatores responsáveis pela formação de fumos: 1) evaporação da ponta do eletrodo ou gota; 2) respingos incandescentes e também alguma evaporação resultante da explosão do arame (JENKINS, 1999)

Jenkins (1999) explica que existe também formação de fumos ao nível do cordão, especificamente na poça de fusão e no cordão acabado de soldar, mas a quantidade de fumos produzidos não é significativa. Já segundo a revisão de Shimichi e Manabu (2011), em soldagem a arco, a alta temperatura do vapor metálico é gerada a partir da ponta do

arame fundido, da gota e da poça de fusão. Ainda segundo os autores, este vapor metálico é resfriado rapidamente durante a difusão na vizinhança do arco e em seguida as partículas com tamanhos de 1 nm a 100 nm são formadas através da nucleação a partir do vapor metálico. Além disso, uma parte das referidas partículas se condensam e produzem partículas secundárias com tamanhos de no máximo 1nm. Ainda de acordo com os autores, as partículas formam fumaça que sobe a partir do arco e esse fenômeno é chamado de fumos em soldagem.

Shinichi e Manabu (2011) citam que, até agora, a maioria dos trabalhos mostram a composição química e a taxa de geração de fumos, em comparação com as condições de soldagem para o processo MIG/MAG por causa da elevada utilização nas indústrias de diferente fabricação em todo mundo. Por exemplo, Kobayashi et al. (1980) citados por Shinichi e Manabu (2011) observaram uma situação de geração de fumos, utilizando uma câmara de vídeo de alta velocidade. Os autores observaram através da câmara de vídeo que qualitativamente o vapor metálico que tenha sido evaporado principalmente a partir da gota foi liberado a partir da parte inferior da coluna do arco e gerou os devidos fumos para o resfriamento rápido com condensação e oxidação. Os autores, também observaram que a quantidade de vapor metálico originado a partir da gota era maior do que a partir da poça de fusão.

Shimichi e Manabu (2011) explicaram que, sobre o esclarecimento dos mecanismos de formação de fumos na soldagem, é necessário discutir os fenômenos quantitativamente com base nas interações entre o eletrodo, o arco e a poça de fusão. Infelizmente, os fenômenos no processo MIG/MAG não são completamente compreendidos, devidos aos problemas complexos representados por uma transferência metálica. Ainda segundo os autores, a abordagem de pesquisa teórica é avançada no campo da produção industrial de nano-partículas.

Muitos pesquisadores fizeram simulações numéricas para esclarecer o mecanismo de formação de fumos. Watanabe et al. (2007) citados por Shimichi e Manabu (2011) investigaram uma série de processos de evaporação de pó por plasma para a nucleação e condensação na região de arrefecimento para a produção de nano-partículas no Plasma Indutivamente Acoplado (PIA). Segundo os autores, as alterações em forma de partículas secundárias não foram consideradas porque todas as partículas que se enquadram neste modelo têm forma esférica. Shmid et al. (2006) citados por Shimichi e Manabu (2011), em seus estudos sobre mecanismos de formação de fumos, propuseram um modelo considerando mudanças na forma de partículas secundárias em processo de coagulação, mas este modelo não foi acoplado com os processos de nucleação e condensação. Eles demonstraram matematicamente através de simulações numéricas que a maior parte dos

fumos fora produzido na vizinhança do arco, proveniente do vapor metálico evaporado, principalmente a partir da gota no processo MIG/MAG com proteção gasosa de argônio. Este tipo de fumo era constituído por partículas com tamanhos de várias dezenas de nanômetros (nm). Ainda segundo os autores, se o vapor metálico nas proximidades das gotas foi difundido diretamente para as imediações do arco e não ficando sobre o fluxo do plasma, o tamanho das partículas atinge dimensões de várias centenas de nanômetros no processo MIG/MAG. Esta tendência concordou com as formas de fumos obtidos no processo MIG/MAG com o gás ativo CO2 obtidas a partir de observações experimentais.