EFEITO DO GÁS DE PROTEÇÃO SOBRE O TEOR DE FUMOS EM PROCESSOS DE SOLDAGEM AO ARCO ELÉTRICO

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1 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, virlandio@yahoo.com.br Theophilo Moura Maciel Universidade Federal da Paraíba, Rua Aprígio Veloso 882, C. Grande, 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 CO 2 puro e mistura de Argônio com 25 % de CO 2 como gás de proteção e pelo processo SAT com proteção de CO 2 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 CO 2 com Argônio e os processos SAT utilizando CO 2 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 CO 2 nos processos MAG, devido à sua decomposição de CO 2 para CO.

2 Já o uso de misturas (CO 2 + 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 F 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. Figura 2. Equipamento utilizado para a coleta de fumos.

3 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 CO 2 puro, para o processo MAG o CO 2 puro e uma mistura de argônio com 25% de CO 2 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 CO 2 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.

4 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 Foram utilizados três valores de corrente: máxima, média, mínima, de acordo com o tipo de arame, cuja variação foi de (100,9 A a 221,5A). A tensão utilizada variou entre (16,0V e 29,3V). Tendo 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/10 3, 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 informatizado, que forneciam e armazenava os valores destas variáveis a cada meio 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 o filtro a ser utilizado na experiência dentro do forno a uma temperatura de 100 C, por 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 posicionados no coletor, executando-se em seguida as 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= W 2 - W 1 /t, onde W 2 é o peso com fumos (peso após o teste ser completado), W 1 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 corrente e a mesma velocidade de soldagem. Os desvio-padrão da TGF estão representados em forma de barras nos gráficos e os de P estão apresentados nas respectivas tabelas.

5 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 CO 2, (MAG C/ CO 2 ) e (SAT C/ CO 2 ) para avaliar o efeito deste gás nos dois processos. 2,0 1,9 MAG-CO2 SAT-CO2 TGF (mg/s) 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 P (W) Figura 5. Variação da TGF em função de P para os processos MAG-CO 2 e SAT- CO 2. 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 CO 2 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 CO 2, com os respectivos desvios padrões de P (DP P ) e de TGF (DP TGF ). P TGF(1) TGF(2) TGF(3) TGF(4) TGF(5) TGF(m) DP P DP TGF 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 CO 2, com os respectivos desvios padrões de P (DP P ) e de TGF (DP TGF ). P TGF(1) TGF(2) TGF(3) TGF(4) TGF(5) TGF(m) DP P DP TGF 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 5,59 1,85 1,86 1,88 1,87 1,87 1,86 0,0361 0,046

6 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 CO 2 puro (MAG/CO 2 ), protegido com Argônio misturado com 25 % de CO 2 (MAG Ar/25% CO 2 ) e protegido com Argônio puro (MIG). 1,7 1,6 MAG-25% CO2+Ar MAG-CO2 MIG 1,5 TGF (mg/s) 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 P (W) Figura 6. Variação da TGF em função de P para os processos MAG-CO 2, MAG-25% CO 2 -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 CO 2 com Argônio foi o que apresentou o maior teor de fumos quando comparado aos outros, enquanto que, o processo MAG-CO 2 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 CO 2 com o próprio Argônio geraram TGF superiores àquelas geradas quando se utilizou CO 2 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 CO 2 com relação a soldagens executadas com CO 2 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% CO 2 -Ar, o seu valor médio com os respectivos desvios padrões de P (DP P ) e de TGF (DP TGF ). P TGF(1) TGF(2) TGF(3) TGF(4) TGF(5) TGF(m) DP P DP TGF 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 3,78 1,65 1,63 1,65 1,61 1,62 1,63 0,0208 0,015

7 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 (DP P ) e de TGF (DP TGF ). P TGF(1) TGF(2) TGF(3) TGF(4) TGF(5) TGF(m) DP P DP TGF 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 CO 2 e autoprotegido, SAT- CO 2 e SAT- AUT. 2,1 2,0 SAT-CO2 SAT-AUT TGF (mg/s) 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 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 P (W) Figura 7. Variação da TGF em função de P para os processo SAT com proteção de CO 2 (SAT-CO 2 ) e auto protegido (SAT-AUT). Percebe-se que o processo SAT autoprotegido proporcionou valores de TGF superiores àqueles produzidos pelo processo SAT protegido com CO 2. 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 (DP P ) e de TGF (DP TGF ). P TGF(1) TGF(2) TGF(3) TGF(4) TGF(5) TGF(m) DP P DP TGF 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 5,96 1,98 2,02 1,99 1,97 1,96 1,98 0,0361 0,035

8 A Figura 8 apresenta a variação da TGF em função de P para os processos MAG com proteção de CO 2 (MAG-CO 2 ), SAT com proteção de CO 2 (SAT-CO 2 ), MAG com proteção de uma mistura de 25 % CO 2 + Ar (MAG-25% CO 2 +Ar), MIG e SAT autoprotegido (SAT-AUT). TGF (mg/s) 2,1 2,0 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 MAG- CO2 SAT- CO2 MAG-25% Co2+ Ar MIG SAT- AUT 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 P (W) Figura 8. Variação da TGF em função de P para os processos MAG-CO 2, SAT-CO 2, MAG-25% CO 2 +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 CO 2. 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 CO 2. 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. Podese verificar também que este processo também apresentou 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 CO 2 foi o que gerou menores valores de TGF para valores intermediários de P enquanto que o processo MAG protegido com mistura de Ar com CO 2 foi o que apresentou os maiores valores desta variável para os mesmos valores de P. O processo SAT protegido com CO 2 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 CO 2 puro e com mistura deste gás com Argônio

9 O processo SAT autoprotegido apresentou menores valores de TGF do que aquelas geradas por este mesmo processo protegido com CO 2 para valores intermediários de P. Os processos SAT autoprotegido e com proteção de CO 2 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 , 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 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 virlandio@yahoo.com.br Theophilo Moura Maciel Federal University of Paraíba Rua Aprígio Veloso 882, C.Grande, Brazil theo@dem.ufpb.br

10 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, CO 2 and Argon with 25 % of CO 2 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 CO 2 presented the highest level of RGF while the FCA protected with CO 2 presented the lowest level Keywords: Welding Fumes; Rates of Fumes Generation; Shielded Metal Arc Welding Process