Cerca de 95% das partículas emitidas nos processos de soldagem a arco sob gás de proteção, efetuados em materiais não revestidos, são provenientes do eletrodo em fio; somente 5% são provenientes do metal-base(1). As partículas, em sua maior parte, são esféricas e com tamanho inferior a 0,4 mícron(2). Os fumos de soldagem consistem, a princípio, em partículas (isoladas) e aglomerados ou cadeias(3).

As taxas de geração de fumos dos processos de soldagem a arco sob gás de proteção normalmente encontram-se na faixa entre 2 e 25 mg/s. Em comparação, processos de soldagem TIG e com arco submerso, por sua vez, emitem menos do que 1 mg/s. De acordo com Matthes e outros(4), a concentração máxima recomendada

de fumos (mg/m3) é excedida em quase todos os processos. Consequentemente, ainda há muito a ser feito para reduzir as emissões de fumos.

Os processos de soldagem com arco pulsante emitem uma quantidade significativamente menor de fumo do que os que usam arcos curtos ou aspergidos. Estudos anteriores também mostraram que, na brasagem controlada com arco curto, as emissões de fumos podem ser reduzidas por um fator de três(4). Qimby e outros(6) destacaram que ocorre um máximo local na taxa de geração de fumos dentro da faixa de valores de voltagem da ordem de 25 Volts para o conjunto específico de parâmetros de processo que foi usado no trabalho. Tal resultado é consistente com os obtidos por Gray e Hewitt(7), conforme mostrado na figura 1. Este máximo local corresponde à faixa em que ocorre transferência globular, a qual apresenta comportamento muito instável. Eichhorn e outros(5) desenvolveram estudos sobre arcos aspergidos, os quais mostram que as emissões geradas pela soldagem aumentam até uma corrente igual a 250 A, e passam a cair quando se trabalha com valores mais altos de corrente, para o conjunto específico de parâmetros de processo que foi usado nesse trabalho. Isso pode ser atribuído à crescente penetração que ocorre na peça que está sendo processada.

Eichhorn e outros(5) investigaram a influência de diferentes composições de gases de proteção usados nos processos de soldagem a arco: 100% de gás carbônico, 82% de argônio mais 18% de gás carbônico; 97,5% de argônio mais 2,5% de gás carbônico e 98% de argônio mais 2% de oxigênio. Foi verificado que a taxa máxima de geração de fumos foi obtida para 100% de gás carbônico, seguindo-se 82% de argônio mais 18% de gás carbônico. No caso de misturas com 2% de oxigênio, foi constatada menor geração de fumos do que quando foram usadas misturas com 2% de gás

Fig. 1 – Relação esquemática entre a voltagem e a taxa de emissão de fumos

 

carbônico. Concluiu-se a partir daí que maiores frações de gás ativo levam a níveis mais altos de emissões. Recentemente, Carpenter e outros(8) apresentaram um estudo envolvendo treze diferentes composições de gás de proteção usadas na soldagem a arco aspergido. Contudo, neste caso em particular, não foram constatadas diferenças significativas de níveis de emissão entre as misturas em que se incorporou gás carbônico ou oxigênio.

 

Fig. 2 – À esquerda: caixa de fumos. À direita: fonte de potência multiprocessada “alpha Q”, fabricada pela EWM, para processos de soldagem MIG/MAG com arco curto, arco aspergido e os processos ColdArc e ForceArc.

 

Arranjo experimental

 

Os testes de soldagem foram feitos utilizando fontes de potência “Phoenix 521” e “alpha Q”, ambas fabricadas pela EWM, mostradas na parte direita da figura 2. As investigações incluíram os seguintes processos de soldagem: arco curto, arco curto com energia reduzida (“ColdArc”), arco pulsante, arco aspergido e arco aspergido forçado (“ForceArc”). Todos os experimentos foram executados em chapas de aço com baixo carbono, S235 JR, com 10 mm de espessura e eletrodo em fio do tipo G2Si1, com diâmetro de 1,2 mm. Ambos os materiais foram extraídos de um mesmo lote.

Os experimentos com arco pulsante e arco curto foram feitos confeccionando-se juntas de cordão-sobre-chapa, com velocidade de avanço do eletrodo em fio igual a 4 m/min. Os parâmetros do arco pulsante foram definidos como se segue: frequência de 100 Hz,

 

Análise


Fig. 3 – Processo de soldagem com arco pulsante – influência do comprimento do arco e estabilidade de processo sobre as emissões de fumos. Maior voltagem implica em maior comprimento de arco.

 

 

corrente de pulso de 400 A, corrente de fundo de 40 A e corrente média de 125 A. Foram usados como gás de proteção argônio puro (I1) e diferentes misturas de gases (M13-ArO-1, M13-ArO-3, M12-ArC-3, M12-ArHeC-20 /2, M21-18ArC). Os experimentos com transferência por aspersão foram feitos sob velocidade de eletrodo em fio igual a 12,5 m/min sobre uma junta de filete. Todos os experimentos foram repetidos cinco vezes.

Foi usada uma caixa de fumos confeccionada de acordo com a norma técnica DIN EN ISO 15.011-1(9) para medir a quantidade de fumos gerados durante o processo de soldagem, a qual se encontra apresentada no lado esquerdo da figura 2 (pág. 51). Os filtros foram pesados antes e depois do ensaio de soldagem, sendo a diferença correlacionada com o tempo de soldagem. O monitoramento do processo foi feito utilizando-se câmera de alta velocidade “Photron SA4” e laser de diodo pulsante sincronizado, “Cavilux HF” (com potência de pulso igual a 500 W e comprimento de onda de 808 nm). O arco foi ocultado por meio do uso de um filtro de banda estreita, o qual era seletivo em termos de espectro (3 nm, largura plena na metade do máximo). Os valores de corrente e voltagem foram medidos de forma sincronizada com as imagens adquiridas sob alta velocidade, usando-se um dispositivo Dewe-30-8 sob taxa de amostragem de 1 MHz. A peça que estava sendo processada se movia sob uma tocha estacionária, a uma velocidade de 40 cm/min, por meio de avanço linear. Além disso, foram efetuadas análises por microscopia eletrônica de varredura e espectrometria de energia dispersiva para caracterizar os depósitos encontrados nos filtros.

 

Arco pulsante

 

A partir dos resultados obtidos em trabalhos anteriores(4,10), sabe-se que os arcos pulsantes geram pouca quantidade de fumos de solda. Estes resultados levaram a recomendações aos usuários no sentido de aplicar esse processo sempre que possível como ocorre, por exemplo, na diretriz técnica TRGS 528 para a manipulação de materiais perigosos(11).

 

Análise

Fig. 4 – Variação dos parâmetros de pulsação com velocidade constante de alimentação do eletrodo em fio e valor médio constante de corrente. Parte superior: variação da corrente do pulso; parte inferior: variação da frequência do pulso.

 

Para um melhor entendimento sobre os efeitos físicos do desenvolvimento dos fumos de solda, e também para determinar a influência de parâmetros do pulso simples, estes foram alterados para que fossem medidas as emissões de fumos. Foi constatado em todos os experimentos que a potência elétrica média e a taxa de deposição de material do eletrodo permaneceram constantes.

A figura 3 (pág. 52) mostra as emissões de fumos do processo pulsante com gás de proteção inerte e ativo para diferentes comprimentos de arco. Em primeiro lugar pode-se observar que as emissões de fumos variaram de forma muito intensa dependendo dos parâmetros adotados, mesmo mantendo-se uma taxa constante de alimentação do eletrodo em fio. Portanto, um processo pulsante não gera baixas emissões de forma inerente. O comprimento do arco possui importância particularmente alta, uma vez que ele influencia, em amplo grau, a ausência de curtos-circuitos. A figura 3 (pág. 52) mostra que a geração de fu-

 

Fig. 5 – Correlação esquemática entre o tamanho da gota e a emissão de fumos de solda

 

mos de um arco pulsante aumenta abruptamente com arcos com pequeno comprimento quando ocorrem curtos-circuitos. Quando se utiliza argônio (I1), a diferença entre um processo sem e com cur to - circuito é da ordem de 500%; esse valor chega a 200%, no caso da mistura M21-ArC-18. Consequentemente, um processo de soldagem pulsante somente gera baixas emissões quando ele

 

Fig. 6 – Transferência de gota no arco aquecido durante o destacamento posterior da gota

 

é isento de curtos-circuitos. Por outro lado, o aumento da taxa de geração de fumos para maiores comprimentos de arco é desprezível em comparação com o efeito negativo dos curtos-circuitos.

A análise em termos da estabilidade de processo mostrou que somente pode ser estabelecida uma comparação entre diferentes medições de geração de fumos quando se leva em conta as características do processo. Por exemplo, a evolução da voltagem ou o número/frequência de curtos-circuitos deve ser documentada. O ajuste feito por soldador experiente, conforme recomendado em trabalho anterior(9) , parece ser insuficiente como um critério objetivo para efetuar comparações.

A corrente e frequência de pulso foi alterada em experimentos adicionais. Neste caso, o critério de ausência de curtos-circuitos foi definido como sendo uma condição decisiva dentro da variação de parâmetros adotados. Foi usada a mistura de M12-ArC-3 (97,5% de argônio mais 2,5% de gás carbônico) como gás de proteção. Os resultados obtidos encontram-se resumidos na figura 4 (pág. 54). Além da taxa de geração de fumos, mostrada como uma barra azul, a

 

Análise

 

potência elétrica foi indicada aqui como um ponto vermelho em cada caso. Deve-se notar que esses resultados somente mostram correlações na forma de tendências – os valores apresentados aqui são válidos apenas para uma aplicação específica, na qual a velocidade de avanço do eletrodo em fio foi igual a 4 m/min e se processou aço de baixo carbono. Os parâmetros aqui definidos (por exemplo, o valor “ótimo” de corrente de pulso, que foi igual a 450 A) não podem ser transferidos de forma direta para outros processos com baixas emissões.

Os processos com gotejamento estável e transferência de material em ritmo de uma gota por pulso emitem pequena quantidade de fumos de solda. Uma vez que os parâmetros padronizados da fonte de potência EWM para viabilizar tais processos estabilizados já se encontram definidos, fica claro que o ajuste dos processos de emissão encontra-se muito próximo daquelas características padronizadas da fonte de potência. A interpretação física dos resultados é muito difícil, uma vez que a modificação dos processos também leva a alterações nas características de transferência do metal.

Contudo, pode-se observar uma relação entre as características de transferência da gota e as emissões de fumos pela análise das imagens obtidas sob alta velocidade. A figura 5 (pág. 55) mostra a relação básica, a qual é explicada de forma mais detalhada a seguir.

A figura apresenta as áreas onde ocorreu aumento das emissões de fumos, as

Fig. 7 – Variação nos parâmetros do pulso com velocidade constante de alimentação do eletrodo em fio e valor médio constante de corrente – variação do tempo de elevação (rampa) da corrente do pulso

 

quais se encontram marcadas com os algarismos 1 e 2. Na região 1, as emissões se elevam à medida que mais e mais gotas são necessárias para transportar o material de adição. Esse grande número de gotas pequenas possuI ampla superfície. Além disso, gotas pequenas possuem pequena capacidade calorífica volumétrica e, por isso, não conseguem conduzir muito calor para dentro da gota. Além disso, no caso de gotas menores (ou seja, sob frequências mais altas), estas ainda se encontram dentro do arco quando a gota subsequente se desprende sob valores muito altos de corrente (figura 6, pág. 55).

 

Fig. 8 – Comparação das emissões de fumos de um processo convencional com arco curto, processo de arco curto com energia reduzida (ColdArc) e processo com arco pulsante.

 

Mas as emissões de fumos também aumentarão se as gotas se tornarem grandes demais, conforme mostrado na área 2 da figura 5 (pág. 55). Nesse caso, a contração da gota não será tão fácil. Isso pode levar a um processo em que não mais ocorre o desprendimento de uma gota por pulso. Consequentemente, a corrente do pulso flui duas vezes através da extremidade do eletrodo em fio, levando a uma maior evaporação. Esta, por sua vez, pode ser observada nas imagens obtidas sob alta velocidade, usando-se filtros de banda estreita para o vapor de metal ou por meio de fotodiodos sensíveis ao vapor metálico(11).

Outra possibilidade de influenciar o gotejamento está na alteração do instante em que ocorre a rampa da corrente (figura 7). Por meio de um gotejamento precoce, a gota pode alcançar a poça de fusão antes que se inicie o próximo pulso, mesmo sob arcos com maiores comprimentos. A figura 7 mostra que as emissões de fumos podem ser reduzidas de forma significativa pela adoção de um tempo muito curto de elevação da corrente. Por tanto, pode-se concluir que pode ser estabelecido um processo com arco pulsante que apresente baixa emissão de fumos da forma como se segue:

 

 

Este último ponto decorre do fato de a gota representar uma fonte-chave de vapor metálico, da mesma forma como a extremidade do eletrodo em fio. Isso está de acordo com as previsões feitas por Bosworth e outros(12). A influência da capacidade calorífica da gota sobre sua temperatura pode ser comprovada por medições da temperatura superficial das gotas durante seu voo(13). Tais medições mostram que a temperatura superficial da gota pode diminuir durante o voo, a despeito da alta temperatura reinante no ambiente do arco. Apesar do fato de a gota absorver calor de forma global, a temperatura de sua superfície somente pode diminuir se houver capacidade calorífica suficientemente alta (em relação ao volume).

Resultados experimentais anteriores, de acordo com os quais um arco aspergido emite maior quantidade de fumos de solda que um arco pulsante para taxas de deposição equivalentes, embora o valor da corrente de pico seja mais alto no processo pulsante, podem ser melhor interpretados com base nesta hipótese. A transferência de material no arco aspergido ocorre na forma de gotas finas, ou seja, elas são muito pequenas e possuem capacidade calorífica muito limitada. O plasma encontra-se continuamente aquecido, elevando permanentemente a temperatura das gotas e do eletrodo em fio. Por outro lado, em um processo com arco pulsante, as gotas são comparativamente grandes. Neste caso, elas possuem alta capacidade calorífica e sua evaporação é menor. Além disso, a temperatura no arco diminui após o pulso, devido ao baixo valor da corrente de fundo. Durante esse intervalo de tempo a gota é transferida para a poça de fusão.

Em consequência disso, as características do arco durante a transferência do material de adição são cruciais para a definição da taxa de geração de fumos pelo processo de soldagem a arco sob gás de proteção.

 

Arco curto

 

Os processos de soldagem a arco curto sob gás de proteção melhoraram significativamente nos últimos anos – atualmente, diversos processos de arco curto com “energia reduzida” (os assim chamados processos “frios”) já se encontram disponíveis no mercado. A princípio esses processos foram desenvolvidos para reduzir o aporte de calor para a soldagem de chapas finas, melhorando-se assim o controle da poça de fusão.

A comparação entre as emissões de fumos provenientes de um processo com arco curto convencional e com energia reduzida (neste caso específico, o processo ColdArc) também mostrou que o rompimento do curto-ircuito sob energia reduzida promoveu uma diminuição significativa da geração de fumos, conforme mostrado na figura 8 (pág. 56). O uso desse processo, com arco curto e energia reduzida, permite diminuir a emissão de fumos de soldagem entre 60 e 80% em relação a um processo de arco curto convencional. A figura 8 (pág. 56) também mostra que as emissões de fumos podem ser diminuídas, particularmente quando se usam gases inertes com baixos teores de oxigênio, até mesmo ao nfvel observado no caso dos processos com area pulsante.

A razao para as emissões significativamente reduzidas de fumos do processo ColdArc esta no ram pimento da ponte de curto-circuito sob valores de potencia reduzidos. Dessa forma, quase nao ocorre evapora<;;ao de metal de adiçõo e nem há salpicos que sao arremessados para fora do area e que poderiam evaporar. A figura 9 a presenta um exemplo de comparação entre um processo convencional e o ColdArc, usando a mistura de gases de proteção M12-ArC-3 (97,5% de arg6nio mais 2,5% de gas carb6nico). Pode-se observar o rompimento explosivo do curto-circuito e a resultante formação de microssalpicos no caso do processo convencional com area curto. Por outro lado, nao puderam ser observados evaporação ou salpicos visfveis no caso do processo ColdArc. A geração de fumos de

Fig. 9- Curvas de potencia durante o comprimento de curtos-circuitos de um processo convencional com area curto e o processo ColdArc com energia reduzida, bem coma imagens tomadas sob a/ta velocidade antes e depois do rompimento dos curtos circuitos.

 

soldagem pelo processo ColdArc ao usar a mistura de gases de proteção M12-ArC-3 diminuiu 75% em comparação com o processo de area curto convencional.

A figura 9 tambem apresenta as respectivas curvas de potencia para ambos os processos. 0 aporte de potencia e 85% menor no momenta exato do rompimento do curto-circuito no caso do processo ColdArc. No pulso de corrente subsequente (para conformar a ponta do eletrodo em fio) ocorre um aumento da potencia fornecida, alcançando entao um nfvel que difere somente um pouco do valor maxima da potencia do area curto e, as vezes, chega mesmo a ser maior. Mas essa po-

 

Análise

 

tência fornecida não leva a maiores emissões de fumos, uma vez que ela não produz evaporação. A potência é transferida para o interior do arco, onde o material não pode evaporar.

Isso mostra que, no caso de processos com arco curto, o aporte de potência no momento do rompimento do curto-circuito é o parâmetro mais relevante em relação às emissões de fumos. Contudo, a potência máxima não é um indicador das emissões de fumos e também a potência média não é um parâmetro adequado neste caso. No exemplo aqui apresentado, o aporte médio de potência do processo ColdArc foi reduzido em apenas 14%.

 

Arco aspergido

 

As comparações entre os processos que usam arco aspergido foram feitas entre uma versão convencional e outra com arco aspergido “forçado” (processo ForceArc). Podem ser conseguidos níveis mais altos de pressão de arco com o processo ForceArc, além de arcos com menores comprimentos. Isso reflete em menores valores de voltagem. Foram feitos experimentos de soldagem usando-se a mistura de gases de proteção M21-ArC-18 (82% de argônio mais 18% de gás carbônico), os quais mostraram que a voltagem diminuiu em 1,4 Volts. Portanto, com a velocidade de avanço do eletrodo em fio ajustada em

Fig. 10 – Comparação entre as emissões de fumos de um processo convencional com arco aspergido e um processo com arco aspergido “forçado” (ForceArc)

 

12,5 m/min, o aporte de potência elétrica foi reduzido em 8%. Ambos os processos foram executados imediatamente acima de seus limites de curto-circuito.

A figura 10 mostra que as emissões de fumos podem ser diminuídas em aproximadamente 40% quando se usa o processo ForceArc. Ocorreu aumento da condensação de fumos sobre a superfície das peças que estavam sendo processadas, como resultado do menor comprimento do arco e de sua maior penetração no metal-base. Tais reduções de emissões que ocorreram devido a penetrações mais profundas já foram descritas na referência 5 no caso de processos com arco aspergido convencional. Contudo, com o processo ForceArc, a influência

 

Fig. 11 – Arco pulsante – variação na composição do gás de proteção e influência sobre as emissões de fumos

 

positiva de uma penetração mais profunda no metal-base é conseguida dentro de uma faixa de parâmetros mais ampla.

Os resultados obtidos deixaram claro que, pelo uso de novas configurações do arco, podem ser conseguidos efeitos positivos sobre as emissões dos fumos de solda também no caso dos processos com arco aspergido, os quais apresentam níveis relativamente mais altos de emissões em comparação aos processos de arco pulsante. A penetração profunda e o menor comprimento de arco podem reduzir as emissões de fumos. Mas uma pré-condição continua válida (da mesma forma como nos processos com arco pulsante): a ausência de curtos-circuitos.

 

Influência do gás de proteção ao utilizar arcos pulsantes

 

Os experimentos com diferentes misturas de gases de proteção foram feitos usando-se processos com arcos pulsantes sem curtos-circuitos. Os parâmetros foram adaptados, tendo sido feitos pequenos ajustes no controle do comprimento de arco (voltagem), de forma a obter valores similares desse parâmetro. A figura 11 (pág. 60) confirmou o fato de o uso de soldagem com gás ativo aumentar as emissões de fumos. Em particular, a mistura amplamente usada, M21-ArC-18 (82% de argônio mais 18% de gás carbônico) levou a maiores emissões de fumos em comparação com gases de proteção com adições reduzidas de gás ativo. Portanto, no tocante à redução dos fumos de soldagem, a tendência ao uso de gases de proteção com menores adições de gás ativo é considerada positiva.

Contudo, os resultados mostraram, em comparação com a figura

 

Análise

 

8 (pág. 56), que as diferenças nos níveis de emissões de fumos entre diferentes gases de proteção são menores do que as observadas entre diferentes processos, tais como arco curto, ou são mesmo inexistentes. As razões desse fato ainda não se encontram plenamente compreendidas.

Ao contrário do que já foi relatado na literatura (5) , as análises por microscopia eletrônica de varredura dos depósitos encontrados nos filtros de fumos mostraram que, ao utilizar variadas composições de gases de proteção, podem ser encontradas partículas com diferentes tamanhos. Somente puderam ser encontradas pequenas partículas – com tamanho menor que 1 mícron – quando se efetuou a soldagem com misturas ativas contendo gases inertes (excluindo-se o hélio). Contudo, também podem ser detectadas partículas maiores ao utilizar argônio e também com gases ativos de proteção contendo hélio. Esse efeito pode ser causado pelo arco menos concentrado na presença do argônio (ver figura 12) e pela alteração na

 

Fig. 12 – Distribuições de temperatura calculada e densidade de corrente de um arco de 250 A (nível igual a 1,5 mm acima da peça sob processamento para um comprimento de arco de 5 mm) sob atmosferas de argônio e argônio mais 20,2% de gás carbônico, com teores de vapor de ferro iguais a 0,1%, 1% e 5%(14).

 

formação das gotas, que passam a ser menos circulares e apresentam gotejamento mais longo. A alta condutividade térmica do hélio leva a um alargamento do arco.

Isso permite levantar a hipótese de que a concentração do arco causada pela adição de gases ativos (por exemplo, gás carbônico) pode ser compensada, ao menos parcialmente, por adições suplementares de hélio. A figura 12 mostra que a densidade de corrente no gás ativo no centro do arco é significativamente menor com pequenas quantidades de vapor de metal. Isso ocorre principalmente no início do pulso. Densidades de correntes mais altas no centro do arco podem levar à evaporação, mesmo no início do pulso(17).

Portanto, pode-se concluir que diferentes tipos de gases de proteção influenciam o arco, sua distribuição de temperaturas e, provavelmente, também os tamanhos de partícula presentes nos fumos. Assume-se que o fluxo de vapor de metal passa por menores gradientes de temperatura, formando assim maiores grupos de partículas.

Isso abre novas possibilidades para uma modulação controlada dos tamanhos das partículas emitidas e, desta forma, uma redução do potencial danoso dos fumos de soldagem.

 

Conclusões

 

Os estudos sobre os processos de soldagem a arco sob gás de proteção mostraram que suas emissões de fumos podem ser significativamente reduzidas por meio de ajustes seletivos dos parâmetros e pelo uso de novos processos de soldagem a arco. Contudo, ocorre que alguns desses ajustes não podem ser generalizados para todos os tipos de processos devido às complexas interações entre o arco e o eletrodo em fio. A formação dos fumos de solda é diferente para os vários tipos de arco – em particular, é necessário fazer uma distinção entre arcos com e sem curtos-circuitos.

No caso dos arcos com curtos-circuitos, pode ser observado que o aporte de potência no momento do rompimento do curto-circuito é o parâmetro mais crítico no tocante às emissões de fumos. Por sua vez, nem o valor máximo, nem o valor médio de potência são parâmetros adequados para servir como indicadores relevantes associados às emissões de fumos. Uma possível maneira de reduzir significativamente essas emissões consiste no uso dos assim chamados arcos com energia reduzida (por exemplo, o processo ColdArc), nos quais a ponte do curto-circuito é rompida sob níveis muito baixos de potência. As emissões de fumos podem ser reduzidas em até 75% com este processo em relação à variante convencional usando arco curto. Portanto, o uso desse ou de tipos similares de processos com arco curto é recomendado devido ao maior potencial para a redução das emissões.

Contudo, deve-se assegurar que não ocorrerão curtos-circuitos, de forma alguma, em processos com arco pulsante ou aspergido que devam apresentar baixas emissões. Essas são significativamente menores que as observadas para arcos com curtos-circuitos quando o arco é ajustado ligeiramente acima do limite para curtos-circuitos. Consequentemente, as recomendações para o uso de arcos pulsantes

 

Análise

 

devem ser consideradas – arcos pulsantes sem curtos-circuitos geram baixas emissões. Desse ponto de vista, pode-se deduzir que a tendência ao uso de arcos muito curtos é crítica para a emissão de fumos de solda.

As investigações sobre arcos pulsantes também mostraram a forte influência da transferência da gota sobre as emissões de fumos. Foi verificado que os ajustes adotados na fonte de potência EWM, que levavam à transferência de material ao ritmo de uma gota por pulso, estavam próximos do ponto ótimo com respeito à emissão de fumos.

Também foi verificado que a gota já deve ter sido transferida para a poça de fusão no início do próximo pulso. Isso pode ser atribuído à influência da gota sobre as emissões de fumos. Além da ponta do eletrodo em fio, também a gota constitui uma importante fonte de emissões. O tamanho da gota – e, portanto, sua capacidade calorífica – também exerce grande importância nesse sentido. Pode-se assumir que, no caso de gotas pequenas com baixa capacidade calorífica, o aporte de energia a partir do arco promove aumento da temperatura da gota e da evaporação.

Isso também pode explicar o motivo pelo qual os arcos aspergidos levam a maiores níveis de emissões para uma mesma taxa de deposição em relação aos arcos pulsantes, embora o valor de pico da corrente destes últimos seja mais alto: as gotas são muito pequenas, apresentam ampla área superficial e se movem por meio de um arco permanentemente aquecido.

As investigações sobre arcos aspergidos mostraram o maior potencial para a redução das emissões de fumos que os modernos processos de soldagem a arco possuem. O uso de arcos “forçados”,

Fig. 13 – Distribuição de temperatura calculada de um processo de soldagem a arco sob gás de proteção, levando-se em conta a alimentação de metal de adição e vapor de metal(16).

 

ou seja, arcos aspergidos curtos e com profunda penetração (por exemplo, o processo ForceArc) faz com que as emissões de fumos possam ser reduzidas em 40% devido à maior deposição de fumos de solda sobre a superfície da peça que está sendo processada. Dessa forma, essas emissões não são liberadas para a atmosfera.

Também foi confirmado durante as investigações que as misturas gasosas de proteção com baixos teores de impurezas na forma de gases ativos levaram a níveis reduzidos de emissões. Portanto, a tendência ao uso de misturas gasosas inertes com baixos teores de gás ativo é considerada positiva.

 

Perspectivas

 

No futuro será necessário considerar mais cuidadosamente os níveis de emissões de fumos, os quais se tornarão um critério adicional a ser considerado no desenvolvimento das tecnologias de soldagem. Contudo, isso não se aplica somente ao processo de soldagem a arco sob gás de proteção, no qual os fumos de soldagem apresentam alto potencial de risco ocupacional, mas também a outros processos, tais como o TIG, no qual a radiação e a limitação das emissões de ozônio podem ser críticas. Além disso, o alto potencial de danos ocupacionais associados às nanopartículas deve ainda ser estudado mais detalhadamente; o tamanho da partícula tem de ser considerado na avaliação do risco ocupacional. Em outras áreas tecnológicas, tais como a indústria automotiva, a exposição às partículas é medida não apenas com base na massa da partícula, mas complementada pela definição do número máximo permissível de partículas. Essa recomendação é razoável porque, para uma mesma dose, partículas ultrafinas são mais tóxicas do que as finas (18 ) . A consideração sobre o tamanho e número de partículas também é razoável na soldagem, devido às substâncias emitidas que são potencialmente perigosas, tais como compostos contendo Cromo-VI. A avaliação atual efetuada na área de solda-

 

Análise

 

gem, baseada em massa, não parece estar devidamente atualizada.

A distribuição das temperaturas e das velocidades de fluxo no arco possuem influência significativa sobre a taxa de resfriamento do vapor de metal e, portanto, na distribuição de tamanhos de partículas presentes nos fumos de soldagem. Um exemplo de distribuição de temperaturas de um arco na soldagem sob gás de proteção está mostrado na figura 13 (pág. 64). Uma possibilidade de abordagem para as investigações futuras sobre a formação de partículas e sua distribuição de tamanhos consiste em sua simulação numérica (15 ) . Em contraste com a maioria dos experimentos, na simulação numérica podem ser estabelecidas relações causais. Por exemplo, o fluxo de corrente e o transporte de material podem ser investigados de forma separada para poder avaliar efeitos individuais, tais como o não destacamento das gotas e o resultante superaquecimento da extremidade do eletrodo em fio, sem a ocorrência de instabilidades de processo.

Os modernos modelos de arco da soldagem sob gás de proteção são capazes de descrever as interações complexas entre o gás, fixação do arco, geometria da gota e distribuição de temperaturas, conforme mostra a figura 13 (pág. 64) – ver, por exemplo, alguns autores (14,16,17). No futuro, esses métodos também poderão ser usados para reduzir as emissões de fumos de processos de soldagem e, portanto, serão usados mais intensivamente nos estudos sobre proteção ocupacional e ambiental.

 

Agradecimentos

 

Este trabalho foi feito dentro do âmbito do primeiro prêmio EWM sobre “Física da Soldagem” (2009 a 2011). O autor agradece aos apoios financeiro e técnico proporcionados a este trabalho, bem como pelas valiosas discussões com os funcionários da EWM. Os gases de proteção foram fornecidos pela Linde Gas. Finalmente, o autor agradece à DVS e.V. (Deutscher Verband für Schweiβen und verwandt Verfahren ou Associação Alemã para Soldagem e Processos Aplicados) pelas várias oportunidades oferecidas para a apresentação dos resultados deste trabalho e pelas discussões com os colegas.

 

Referências

 

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01/07/2022


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