EFEITO DO GÁS DE PROTEÇÃO SOBRE O TEOR DE FUMOS EM
PROCESSOS DE SOLDAGEM AO ARCO ELÉTRICO
Osenir Virlândio Vieira da Silva Neto
Universidade Federal da Paraíba, Rua Duque de Caxias 539, C. Grande, e-mail:virlandio@yahoo.com.br
Theophilo Moura Maciel
Universidade Federal da Paraíba, Rua Aprígio Veloso 882, C. Grande, e-mail: theo@dem.ufpb.br
Resumo. Neste trabalho foi avaliada a influência do tipo de arame e do gás de proteção em processos MIG/MAG (Processo ao Arco com Proteção Gasosa Inerte/Ativa) e SAT (Processo ao Arco com Arame Tubular) sobre a Taxa de Geração de Fumos variando-se os parâmetros de soldagem e o gás de proteção. Para isto, foi construído um sistema para coleta de fumos segundo norma internacional ANSI/AWS F1.2-85, através do qual foram coletadas as taxas de geração de fumos (TGF) de soldagens executadas pelo processo MAG utilizando CO2 puro e mistura de Argônio com 25 % de CO2 como gás de proteção e pelo processo SAT com proteção de CO2 e autoprotegido (sem proteção gasosa), utilizando-se diferentes valores de corrente, mantendo constante a velocidade de soldagem. Os resultados obtidos indicaram que os valores das TGFs variaram significativamente em função dos parâmetros de soldagem, e que o processo MAG utilizando como gás de proteção uma mistura de 25% de CO2 com Argônio e os processos SAT utilizando CO2 como gás de proteção, foram os que apresentaram os maiores e menores valores de TGF respectivamente
Palavras-Chave: Taxa de geração de Fumos; Processos de Soldagem ao Arco Elétrico; Gás de proteção.
1. INTRODUÇÃO
Os processos de soldagem completamente automatizados como a SAS (Soldagem ao Arco Submerso) e os processos semi-automatizados como os processos MIG/MAG (Processo ao Arco com Proteção Gasosa Inerte e Ativa), e os processos SAT (Processo ao Arco com Arame Tubular), vêm cada vez aumentando a sua utilização devido a uma série de vantagens, principalmente pela qualidade da solda obtida e por proporcionarem uma elevada taxa de deposição, Cunha (1989), Gareis (1994), Machado (1996) e Wainer (1992).
Em todos os processos de soldagem citados, à exceção do processo SAS, são criados poluentes do ar na forma de fumos e gases, Machado (1996) e Okumura & Taniguchi (1982). Os fumos consistem, principalmente, de óxidos metálicos que são formados quando o vapor de metais se condensa e oxida. Os gases são criados devido às altas temperaturas e à radiação ultravioleta do arco. Exemplos de gases perigosos formados na soldagem incluem o ozônio, dióxido de nitrogênio, óxido nítrico e monóxido de carbono. O nível de emissão de poluentes do ar e sua composição dependem de inúmeros fatores, como os parâmetros de soldagem (corrente, tensão e velocidade de soldagem) e o tipo de consumível (revestimentos de eletrodos, fluxo de arames e gás de proteção).
Um dos mais prejudiciais à saúde do soldador são aqueles causados pelo gás de proteção, mais especificamente o CO2 nos processos MAG, devido à sua decomposição de CO2 para CO.
Já o uso de misturas (CO2 + Ar) diminui a emissão de fumos e CO (0,5 a 1,0 mg/s). Estes
valores ainda melhoram quando aumentamos o teor de gases inertes.
Neste trabalho será avaliada a influência do tipo de gás de proteção sobre a Taxa de Geração de Fumos em processos MIG/MAG e SAT variando-se os parâmetros e os consumíveis de soldagem.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Para coleta dos fumos gerados nos processos de soldagem foi projetado e construído um sistema, segundo a norma internacional ANSI/AWS F1.2-85 com as dimensões exigidas pela referida norma, Society (1985). O sistema consiste de uma câmara cônica para a captação dos fumos, com duas aberturas laterais para entrada dos braços do soldador e uma abertura frontal com visor para a visualização da solda e de um exaustor para realizar a diferença de pressão entre a parte interna e externa da câmara. Essa diferença de pressão faz com que o fluxo de fumo se dê da parte interna para a parte externa, passando assim pelo filtro para captação dos fumos fixados em um suporte localizado abaixo do exaustor.
A Figura 1 apresenta o esquema da cuba utilizada para a coleta de fumos.
Figura 1. Esquema da cuba para a coleta de fumo segundo documento da AWS.
A Figura 2 apresenta a fotografia do equipamento construído.
A Figura 3 apresenta o detalhe do suporte para a colocação do filtro, e as duas aberturas laterais para colocação dos braços do soldador e a abertura frontal para a visualização da solda.
Figura 3. Detalhe do apoio para o suporte do filtro para a coleta de fumo na cuba. Os processos de soldagem utilizados foram os processos MIG/MAG e o processo SAT. Os gases de proteção utilizados foram: para o processo SAT o CO2 puro, para o processo MAG
o CO2 puro e uma mistura de argônio com 25% de CO2 e para o processo MIG o argônio puro.
Os arames utilizados nos processos de soldagem foram: para o processo MIG/MAG o arame AWS E 70S-6 com diâmetro de 0,8 mm, para o processo SAT com proteção de CO2 o arame AWS
E 71 T1 com diâmetro de 1.20mm e para o processo SAT autoprotegido o arame AWS E 71 T-11. O metal de base utilizado como corpo de provas foram chapas de aço com: 30 cm de comprimento, 5 cm de largura e 5 mm de espessura.
Para se obter uma melhor reprodutibilidade dos resultados foi realizada automatização do movimento horizontal, fixando-se desta forma a velocidade de soldagem. Para a automatização do movimento da chapa foi necessário adaptar o "carrinho" (tartaruga) utilizado para a execução de cortes automáticos de chapas de aço por processo oxi-acetilênico. A esse "carrinho" foi acoplada uma plataforma cuja principal função é a de transportar o corpo de prova ao longo do espaço útil de solda, na cuba para a captação dos fumos.
A Figura 4 apresenta o sistema desenvolvido para a automatização da velocidade de soldagem.
Figura 4. Sistema desenvolvido para a automatização do processo de soldagem.
Depois de vários testes determinou-se a velocidade ideal para a execução das soldas testes que foi de 200 mm/min.
O tempo de cada soldagem ficou em torno de 70 s, a velocidade do arame utilizada foi de 10m/min e a vazão do gás de 12 l/ min
21 A). A tensão utilizada variou entre (16,0V e 29,3V). Ten
zado, que forneciam e armazenava os valores destas variáveis a cada me
o filtro a ser utilizado na experiência dentro do forno a uma temperatura de 100°C, por
icionados no coletor, executando-se em seguida as
nte e a mesma velocidade de soldagem. Os des
Foram utilizados três valores de corrente: máxima, média, mínima, de acordo com o tipo de arame, cuja variação foi de (100,9 A a 2 ,5
do em vista o processo ser semi-automático, não pode ser mantido constante o comprimento do arco, cuja variação proporcionou pequenas alterações nos valores das voltagens. Como o aumento desta variável também pode gerar aumento nas taxas de fumos, utilizou-se um parâmetro (P) denominado de potência do arco definido pela expressão P= I x V/103, onde I é a corrente de
soldagem e V é a voltagem.
Para se obter os valores das correntes e tensões de soldagem, utilizou-se um sistema de aquisição de dados informati
io segundo no microcomputador e os seus valores médios e eficazes para cada soldagem executada.
Após termos calibrado todo o equipamento a ser utilizado na experiência, o processo foi iniciado colocando-se
um tempo de l h. O filtro utilizado foi de celulose com as seguintes especificações: Diâmetro = 320 mm; Porosidade = 8µm; Espessura = 0,18mm.
Posteriormente o filtro era pesado em uma balança eletrônica com aproximação de 0,001g. Logo após a secagem e pesagem dos filtros estes eram pos
soldagens. Foram executadas 3 soldagens para cada condição (aproximadamente o mesmo valor de P), realizando-se em seguida 5 pesagens dos filtros impregnados com fumos em cada caso, calculando-se em seguida o peso médio. A utilização desse artifício foi para que pudéssemos minimizar o erro durante a pesagem do filtro. Após a soldagem, esperava-se aproximadamente 30 segundos para a câmara ficar limpa e então desligava-se o exaustor e cuidadosamente removia-se o filtro, executando-se em seguida a pesagem dos mesmos. A diferença entre pesos dos filtros antes e depois da soldagem fornecia o valor da Taxa de Geração de Fumos (TGF) em mg/s. Ou seja, TGF= W2- W1/t, onde W2 é o peso com fumos (peso após o teste ser completado), W1 é o peso sem fumos
(antes de iniciarmos o teste) e t é o tempo de soldagem.
Os valores da TGF apresentados nos gráficos representam a média de 5 pesagens e cada valor de P a média de 3 medidas, utilizando-se a mesma corre
vio-padrão da TGF estão representados em forma de barras nos gráficos e os de P estão apresentados nas respectivas tabelas.
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
A Figura 5 e as Tabelas 1 e 2 apresentam os valores da TGF em função de P para os processos MAG e SAT, ambos protegidos com CO2, (MAG C/ CO2) e (SAT C/ CO2) para avaliar o efeito
deste gás nos dois processos.
1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 MAG-CO2 SAT-CO2 TG F ( m g/ s) P (W)
Figura 5. Variação da TGF em função de P para os processos MAG-CO2 e SAT- CO2.
Observa-se que a produção da TGF no processo MAG foi superior à do processo SAT, mesmo utilizando-se valores inferiores de P. Ou seja, a utilização de CO2 com arame nu proporcionou
maior geração de fumos do que quando se utilizou este gás junto com o fluxo interno do arame tubular. Provavelmente reações deste gás com os componentes do fluxo interno do arame proporcionaram uma menor geração de fumos.
Tabela 1. Valores das TGFs em função de P (valor médio) no processo MAG com proteção de CO2, com os respectivos desvios padrões de P (DPP) e de TGF (DPTGF).
P TGF(1) TGF(2) TGF(3) TGF(4) TGF(5) TGF(m) DPP DPTGF
W mg/s mg/s mg/s mg/s mg/s mg/s
1,96 1,07 1,05 1,05 1,05 1,02 1,05 0,0208 0,0153
2,45 1,19 1,22 1,25 1,24 1,26 1,24 0,0153 0,0153
3,84 1,46 1,45 1,49 1,50 1,47 1,48 0,0208 0,0153
Tabela 2. Valores das TGFs em função de P (valor médio) no processo SAT com proteção de CO2, com os respectivos desvios padrões de P (DPP) e de TGF (DPTGF).
P TGF(1) TGF(2) TGF(3) TGF(4) TGF(5) TGF(m) DPP DPTGF
W mg/s mg/s mg/s mg/s mg/s mg/s
3,81 1,18 1,33 1,11 1,14 1,13 1,18 0,0208 0,010
4,62 1,33 1,31 1,29 1,31 1,30 1,31 0,0153 0,020
A Figura 6 e as Tabelas 1, 3 e 4 apresentam os valores da TGF em função de P para os processo MAG protegido com CO2 puro (MAG/CO2), protegido com Argônio misturado com 25 % de CO2
(MAG – Ar/25% CO2) e protegido com Argônio puro (MIG).
2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 M AG -25% CO 2+Ar M AG -CO 2 M IG TG F ( m g/ s) P (W )
Figura 6. Variação da TGF em função de P para os processos MAG-CO2, MAG-25% CO2-Ar.
Percebe-se que para valores de P similares, o processo MIG utilizando o argônio como gás de proteção foi o que apresentou o menor valor de TGF quando comparado aos outros processos, enquanto que, o processo MAG utilizando como gás de proteção uma mistura de 25% de CO2 com
Argônio foi o que apresentou o maior teor de fumos quando comparado aos outros, enquanto que, o processo MAG-CO2 apresentou uma TGF intermediária entre os outros processos. Estes resultados
evidenciam a vantagem da utilização de gases inertes na redução da TGF em processos de soldagem ao arco elétrico. Por outro lado percebe-se que a mistura de CO2 com o próprio Argônio geraram
TGF superiores àquelas geradas quando se utilizou CO2 puro. Este resultado de certa forma não
esperado pode ser atribuído novamente a alguma reação deste gás com Ar que pode ter proporcionado uma maior geração de fumos. Entretanto resultados similares, ou seja, de uma geração maior de peso de fumos para soldagem com mistura de Ar com CO2 com relação a
soldagens executadas com CO2 puro também foram verificados em relatórios da AWS, AWS.
Tabela 3. Valores da TGF para o processo MAG com proteção de uma mistura de 25% CO2-Ar, o
seu valor médio com os respectivos desvios padrões de P (DPP) e de TGF (DPTGF).
P TGF(1) TGF(2) TGF(3) TGF(4) TGF(5) TGF(m) DPP DPTGF
W mg/s mg/s mg/s mg/s mg/s mg/s
1,95 1,05 1,04 1,04 1,03 1,03 1,04 0,0115 0,015
2,41 1,23 1,25 1,28 1,25 1,20 1,24 0,1050 0,130
Tabela 4. Valores da TGF para o processo MIG com proteção de argônio puro, o seu valor médio com os respectivos desvios padrões de P (DPP) e de TGF (DPTGF).
P TGF(1) TGF(2) TGF(3) TGF(4) TGF(5) TGF(m) DPP DPTGF
W mg/s mg/s mg/s mg/s mg/s mg/s
1,95 1,07 1,10 1,03 1,04 1,05 1,06 0,0173 0,010
2,59 1,18 1,17 1,14 1,13 1,15 1,15 0,0173 0,032
3,81 1,45 1,37 1,35 1,38 1,38 1,38 0,0200 0,020
A Figura 7 e as Tabelas 2 e 5 apresentam os valores da TGF em função de P para os processos SAT protegido com CO2 e autoprotegido, SAT- CO2 e SAT- AUT.
3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 4,6 4,8 5,0 5,2 5,4 5,6 5,8 6,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 SAT-CO2 SAT-AUT TG F ( m g/ s) P (W)
Figura 7. Variação da TGF em função de P para os processo SAT com proteção de CO2 (SAT-CO2) e auto protegido (SAT-AUT).
Percebe-se que o processo SAT autoprotegido proporcionou valores de TGF superiores àqueles produzidos pelo processo SAT protegido com CO2. Este resultado pode ser atribuído ao tipo de
fluxo interno utilizado no arame para o processo autoprotegido cujos componentes devem proporcionar maiores valores de TGF.
Tabela 5. Valores da TGF para o processo SAT-AUT sem gás de proteção, o seu valor médio com os respectivos desvios padrões de P (DPP) e de TGF (DPTGF).
P TGF(1) TGF(2) TGF(3) TGF(4) TGF(5) TGF(m) DPP DPTGF
W mg/s mg/s mg/s mg/s mg/s mg/s
4,38 1,51 1,40 1,44 1,47 1,46 1,45 0,0252 0,030
4,96 1,67 1,62 1,64 1,64 1,60 1,64 0,0153 0,012
A Figura 8 apresenta a variação da TGF em função de P para os processos MAG com proteção de CO2 (MAG-CO2), SAT com proteção de CO2 (SAT-CO2), MAG com proteção de uma mistura
de 25 % CO2 + Ar (MAG-25% CO2+Ar), MIG e SAT autoprotegido (SAT-AUT).
1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0
2,1 MAG- CO2 SAT- CO2
MAG-25% Co2+ Ar MIG SAT- AUT TG F ( m g/ s) P (W )
Figura 8. Variação da TGF em função de P para os processos MAG-CO2 , SAT-CO2, MAG-25%
CO2+Ar, MIG e SAT-AUT.
A Figura 8 apresenta os valores das TGFs geradas por todos os processos de soldagem utilizados. Verifica-se que para valores intermediários de p o processo que gerou menores valores de TGF foi o processo SAT protegido com CO2. Entretanto, verifica-se também que o aumento da
TGF para este processo aumentou bruscamente para valores de p em torno de 5,5 w.
O processo que gerou maiores TGFs para valores intermediários de p foi o processo MAG protegido com mistura de Ar e 25 % de CO2. O processo SAT autoprotegido produziu valores
intermediários de TGF com relação aos outros processos para valores de p entre 3,8 e 4,5 w. Pode-se verificar também que este processo também aprePode-sentou um aumento abrupto de TGF para valores de p acima de 5 w.
4. CONCLUSÕES
De um modo geral todos os processos apresentaram significativos aumentos na TGF com o aumento da potencia do arco;
O processo SAT protegido com CO2 foi o que gerou menores valores de TGF para valores
intermediários de P enquanto que o processo MAG protegido com mistura de Ar com CO2 foi o que
apresentou os maiores valores desta variável para os mesmos valores de P.
O processo SAT protegido com CO2 proporcionou valores de TGF inferiores àqueles
produzidos pelo processo MAG utilizando o mesmo tipo de proteção gasosa.
O processo MIG utilizando o argônio como gás de proteção apresentou menores valores de TGF quando comparado com os valores produzidos pelos processos MAG protegidos com CO2 puro e
O processo SAT autoprotegido apresentou menores valores de TGF do que aquelas geradas por este mesmo processo protegido com CO2 para valores intermediários de P.
Os processos SAT autoprotegido e com proteção de CO2 apresentaram aumentos abruptos da
TGF para valores de P acima de 5,5 W.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a os fabricantes ESAB e a LINCOLN pelo fornecimento dos consumíveis e ao CNPq pelo apoio financeiro que permitiu o desenvolvimento desta pesquisa.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Cunha, Lélis José G. da, 1989, “SOLDA: Como, Quando e Por quê”, 2. Ed.- D.C. Luzzato, Ed., Porto Alegre, Brasil, 260 p.
Gareis, Bernardo, 1994, “A Soldagem, simples como ela é”. Ed. SACTES, Recife, Brasil, 223 p. Machado, Ivan Guerra, 1996, “Soldagem e técnicas conexas: processos”, Editado pelo autor, Porto
Alegre, Brasil, 477 p.
Okumura, Toshie, Célio Taniguchi, 1982, “Engenharia de soldagem e aplicações”, Ed. Livros Técnicos e Científicos S.A., Rio de Janeiro, Brasil, 461 p.
Propesa, Centro Técnico Aeroespacial, 1984, “Fundamentos da Tecnologia da Soldagem”, Ed. Engequal, São Paulo, Brasil.
Quites, Almir Monteiro, Jair Carlos Dutra, 1979, “Tecnologia da soldagem a arco voltaico”, Ed. Edeme, Florianópolis, Brasil, 248 p.
Society, American Welding, 1985, 550 N. W. Lejeune Road, P. O. Box 351040, Miami, FL 33135, por American Welding Society.
Society, American Welding, “Fumes and Gases in the Welding Environment”, Edited by F. Y. Speight, Manager, Safety and Health, and H. C. Campbell, Consultant, 550 N, Lejeune, Miami, Florida 33126.
Wainer, Emílio, Sérgio Duarte Brandi, Fábio Décourt Homem de Melo, 1992,
“SOLDAGEM: processos e metalurgia”, Ed. EDGARD BLÜCHER LTDA, São Paulo, Brasil, 494 p.
EFFECTS OF THE SHIELDING GAS ON THE LEVELS OF FUMES
GENERATION IN ARC WELDING PROCESS
Osenir Virlândio Vieira of Silva Neto
Federal University of Paraíba Rua Duque de Caxias 539, C. Grande- Brazil e-mail:virlandio@yahoo.com.br
Theophilo Moura Maciel
Federal University of Paraíba Rua Aprígio Veloso 882, C.Grande, Brazil e-mail: theo@dem.ufpb.br
Summary.
In this work, the influence of the shielding gas and the welding parameter on the levels of fume generation in Shielded Metal (SMA) and flux cored Arc Welding Process (FCA) was evaluated. For this, a system of fume collection was elaborated using the international standard ANSI/AWS F1.2-85, through which the rates of fumes generation (RFG) were collected. Argon, CO2 and Argon with 25 % of CO2 were used as shielding gas. In a general way, all the processes presented an significant increase in RFG with the increase of the potency of the arc welding (P) considered as the product of the current, the tension and welding time. The results obtained indicated that the process SMA protected with Ar with 25 % of CO2 presented the highest level of RGF while the FCA protected with CO2 presented the lowest level
