Entendendo a fumaça de soldagem: Formação, perigos e mecanismos de proteção

Resumo

A soldagem é um processo básico amplamente utilizado em vários campos de fabricação industrial. No entanto, ela gera subprodutos nocivos, como luz de arco, radiação eletromagnética, gás tóxico e partículas de fumaça. Esses subprodutos não apenas poluem o meio ambiente, mas também representam um grande risco para a saúde dos funcionários.

Entre esses perigos, os fumos de soldagem são os mais complexos e difíceis de controlar na produção de soldagem. Portanto, a realização de pesquisas sobre o controle de fumaça de soldagem é essencial para melhorar o ambiente de produção de soldagem e proteger a saúde dos funcionários.

Este artigo apresenta um resumo do mecanismo de formação, dos riscos e das medidas de tratamento da fumaça de soldagem. Também analisa os desafios encontrados no tratamento de fumaça de soldagem em aplicações de engenharia e identifica a direção do desenvolvimento do tratamento de fumaça de soldagem.

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Prefácio

Como um processo fundamental da fabricação moderna, tecnologia de soldagem evoluiu dos métodos tradicionais de conexão única para uma tecnologia multidisciplinar de formação a quente que integra eletricidade, maquinário, materiais e computadores. Ela desempenha um papel insubstituível em vários campos, como máquinas de engenharia, conservação de água e energia hidrelétrica, construção naval, transporte, equipamentos militares e outros.

No entanto, o processo de soldagem emite radiação de arco, alta temperatura, ruído, fumaça de soldagem e gases tóxicos que não apenas poluem o meio ambiente, mas também colocam em risco a saúde dos funcionários.

Embora as máscaras e os protetores auriculares ofereçam boa proteção contra a luz do arco, a alta temperatura e o ruído, eles não são tão eficazes contra os vapores de soldagem, que são carcinógenos primários.

Os fumos de soldagem contêm principalmente gases tóxicos e partículas de fuligem. As partículas de fuligem podem causar asma, bronquite, pneumonia, edema pulmonar, envenenamento agudo, doenças do sistema nervoso e até mesmo pneumoconiose, calor de fumaça de metal, alterações na função respiratória, câncer e outras doenças.

Gases tóxicos, como o gás asfixiante CO, gases irritantes, como ozônio, fluoreto, cloreto, dióxido de enxofre e gases tóxicos para os nervos, como óxido de nitrogênio e fosgênio, podem causar dores de cabeça, tontura, tosse, expectoração, dor no peito, zumbido, tensão e ansiedade nos funcionários.

A má qualidade do ambiente de soldagem devido à fumaça de soldagem e a outros riscos associados resultou em um declínio no número de pessoas dispostas a se envolver em trabalhos de soldagem ano após ano. Isso se tornou um dos principais problemas que restringem o desenvolvimento saudável do setor de soldagem.

Nos últimos anos, com o aumento substancial da carga de trabalho de fabricação de soldagem e a popularidade de produtos eficientes, a métodos de soldagemEm um ambiente de trabalho com alta concentração de fumaça de soldagem, como arame tubular e outros processos e materiais com alta produção de poeira, os problemas ocupacionais causados pela fumaça de soldagem têm se tornado cada vez mais proeminentes.

Nos primeiros dias, a concentração permitida de fumaça e poeira no ar das oficinas na China era de 6mg/m_³.

Atualmente, a Associação de Soldagem da China diminuiu a concentração permitida de fumaça e poeira para 4mg/m3 e definiu requisitos claros para a quantidade de poeira gerada por materiais de soldagem. Em vista dos riscos associados aos fumos de soldagem, a American Welding Society também desenvolveu um manual de ventilação para reduzir a concentração de fumos de soldagem em oficinas.

Na virada do século, o Japão estabeleceu padrões relevantes para restringir a concentração de fumaça e poeira nas oficinas de soldagem e promoveu ativamente a pesquisa e o desenvolvimento de novos materiais de soldagem.

No entanto, na produção real, especialmente em áreas com alta intensidade de soldagem e espaços relativamente fechados, como oficinas de estaleiros, a concentração de fuligem pode atingir de 9 a 18 mg/m3 e até mesmo de 38 a 312 mg/m3 em espaços confinados com seção de cabine, o que está bem acima da concentração mínima de fuligem exigida pelas normas e é extremamente prejudicial à saúde humana.

Está claro que a redução de substâncias perigosas na fumaça e na poeira e a melhoria do ambiente de trabalho para os profissionais de soldagem se tornaram uma questão urgente que precisa ser resolvida no setor de soldagem.

Atualmente, o tratamento de fumaça de soldagem no país e no exterior é realizado principalmente nas três direções a seguir:

(1) Reforçar a proteção pessoal; (2) Otimizar o processo e os materiais de soldagem; (3) Garantir a ventilação adequada e a exaustão da fumaça.

Este artigo analisa o mecanismo de geração de fumaça de soldagem e compara as vantagens e desvantagens das principais medidas de controle de fumaça atuais. Ele propõe um novo conceito de controle de fumaça de soldagem por meio da fabricação inteligente, que fornece uma referência útil para melhorar o controle de fumaça de soldagem.

Devido aos riscos físicos e químicos dos fumos de soldagem para os funcionários, é fundamental proteger a saúde deles e manter a qualidade do ar no ambiente da operação de soldagem. Para isso, é preciso entender o mecanismo de geração e os fatores de influência dos fumos de soldagem, explorando a geração, o crescimento e a polimerização processo de soldagem fumaça, além de controlar e proteger a fumaça na fonte.

Além disso, essa abordagem estabelece uma base teórica para os padrões de admissão do setor para fumaça de soldagem.

Mecanismo de formação de fumaça de soldagem

As primeiras pesquisas sugeriam que o mecanismo de geração de fumaça de soldagem era um processo que envolvia superaquecimento, evaporação, oxidação e condensação, conforme ilustrado na Figura 1.

No processo de soldagem, a temperatura no centro do arco é alta, causando a evaporação do metal líquido e do não metálico que, por sua vez, gera vapor de alta temperatura e mantém uma determinada concentração de partículas.

Quando o vapor de alta temperatura atinge a área de baixa temperatura na borda do arco, ele se oxida e condensa rapidamente, resultando na formação de "partículas primárias".

Essas partículas primárias são geralmente esféricas e têm um diâmetro de 0,01 a 0,4 μm, sendo a maioria de 0,1 μm.

Devido à eletricidade estática e ao magnetismo das próprias partículas primárias, elas se polimerizarão e formarão "partículas secundárias" à medida que a temperatura diminuir, que então se difundirão de uma maneira específica.

Shi Yuxiang, da Universidade de Ciência e Tecnologia de Wuhan Jiaotong, realizou um estudo aprofundado sobre o mecanismo de formação de fumaça de soldagem. Ele propôs um mecanismo de aerossol para fumaça de soldagem, com o objetivo de explicar o processo de transformação de vapor e fumaça.

Ele sugeriu que o mecanismo de nucleação de partículas de aerossol de soldagem perto do arco é dividido em nucleação homogênea e nucleação heterogênea.

A distribuição espectral, a morfologia, a composição e as características estruturais das partículas primárias foram sistematicamente investigadas de forma experimental e teórica por meio de microscopia eletrônica de amostragem direta e DMPS.

Descobriu-se que os cristais de Fe3O4 eram compostos principalmente de partículas de 0,01 μm em escala, originadas de aerossóis de soldagem, enquanto as partículas de fumaça de 0,1 μm em escala tinham dois tipos de estruturas cristalinas, tipo espinélio e tipo fluoreto, que foram formadas pelo mecanismo de condensação heterogênea da transição de partículas de vapor.

As partículas de fuligem acima de 1μm em escala foram formadas principalmente pelo mecanismo de transição de partículas de bolha. Além disso, é proposto um modelo da zona de nucleação de partículas do arco de soldagem, que é de grande importância na análise do processo de formação de partículas de aerossol de soldagem.

As partículas de fuligem geradas durante a soldagem sofrem crescimento no processo de difusão por meio de agregação e fusão.

Durante o processo de fusão, várias partículas primárias se fundem em uma única partícula grande, em que a área total da superfície dessa última é menor do que a soma das áreas de superfície das partículas primárias, e não há limites entre elas.

Em contrapartida, o processo de agregação é composto por dezenas, ou até centenas, de partículas primárias que aderem à superfície, exibindo limites distintos entre as partículas.

Independentemente da ocorrência de agregação ou fusão de partículas, o tamanho, a forma e a concentração das partículas na fumaça de soldagem sofrerão alterações.

Perigos da fumaça de soldagem

O processo de soldagem pode produzir uma grande quantidade de fumaça e gases tóxicos que são prejudiciais à saúde humana.

Uma proporção significativa da fumaça de soldagem consiste em partículas suspensas que se difundem no ar, enquanto outra parte se dispersa como gás tóxico.

As partículas de fuligem produzidas durante a soldagem existem principalmente como óxidos metálicos, que são complexos em sua composição, altamente viscosos e têm altas temperaturas, com tamanhos de partículas não uniformes.

Normalmente, os soldadores têm uma capacidade de respiração de cerca de 20 L/min em ambientes de produção de soldagem. Portanto, sua capacidade de respiração durante um ano é de aproximadamente 2300m3.

Em soldagem ruim Em ambientes de produção, um trabalhador pode inalar 100 g de partículas por dia e 2,5 kg de substâncias nocivas em 25 anos de trabalho.

A Tabela 1 mostra as partículas comuns de óxido metálico produzidas durante a soldagem e os riscos associados a elas.

Tabela 1 Perigos de partículas em fumaça de solda

De acordo com o tamanho das partículas, os gases de soldagem podem causar vários graus de danos ao corpo humano.

A equipe liderada por Yang Lijun, da Universidade de Tianjin, realizou uma pesquisa sobre a distribuição do tamanho das partículas de fumaça de soldagem MIG e analisou o impacto dos parâmetros de soldagem e da transferência de gotículas no tamanho das partículas de fumaça. Os resultados mostraram que as partículas de fuligem exibiram características de distribuição quase quantificadas, com tamanhos de partículas que se enquadram principalmente na faixa de 0,1 a 1 μm, representando mais de 85%, e tamanhos de partículas inferiores a 0,1 μm representando cerca de 10%. Além disso, processos de soldagem, formas de transferência de gotículas e parâmetros de soldagem todos tiveram certos efeitos sobre o tamanho das partículas de fuligem. Especificamente, a diminuição da tensão de soldagem levou a uma redução no tamanho das partículas de fuligem.

Gomes JF et al. calcularam que o tamanho das partículas dos fumos de soldagem gerados durante o processo de soldagem era de aproximadamente 0,5 μm.

Pesquisas demonstraram que as partículas de fumaça com diâmetros superiores a 10 μm no ar são depositadas na nasofaringe, enquanto aquelas com diâmetros inferiores a 10 μm podem ser inaladas pelo corpo humano. As partículas de fumaça com diâmetros de 2 a 10 μm podem ser expelidas, mas aquelas com diâmetros inferiores a 0,5 μm serão depositadas nos pulmões e são difíceis de remover.

A Tabela 2 mostra a quantidade residual de TiO2 com diferentes tamanhos de partículas no tecido pulmonar de ratos durante vários dias (unidade: μg). Quanto menor o tamanho da partícula, mais penetrável ela é e mais difícil é sua eliminação do corpo. Além disso, as partículas de fumaça se dispersarão em partículas primárias menores nos alvéolos humanos, exacerbando seus efeitos nocivos sobre o corpo.

Tabela 2 Conteúdo de diferentes tamanhos de TiO₂ no tecido pulmonar de ratos （μg）

Lauryn M. F. et al. descobriram que o Fe2O3 é o único óxido metálico que promove o câncer de pulmão, e a tendência dos óxidos metálicos que causam inflamação pulmonar é Fe2O3 > Cr2O3+CaCrO4 > NiO. Entre eles, o efeito tóxico do Fe2O3 sobre o pulmão é contínuo, enquanto o efeito tóxico do Cr2O3+CaCrO4 sobre o pulmão é agudo.

Roth J. A. et al. descobriram que a exposição prolongada a fumaça de solda e a inalação excessiva de manganês podem ter efeitos adversos na saúde humana, incluindo danos aos pulmões, fígado, rins e sistema nervoso central. Os trabalhadores do sexo masculino correm um risco maior de infertilidade.

A exposição de longo prazo a ambientes com concentrações de manganês superiores a 1 mg/m3 pode aumentar o risco de envenenamento por manganês, semelhante ao mal de Parkinson.

Além das muitas partículas de fumaça nocivas produzidas pela soldagem, ela também emite muitos gases nocivos, incluindo monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio, ozônio, fosgênio, fluoreto de hidrogênio e outros componentes nocivos.

A Tabela 3 lista os perigos dos gases nocivos ao corpo humano contidos em alguns fumos de soldagem.

Tabela 3 Gases nocivos e perigos nos fumos de soldagem

Proteção contra fumaça de soldagem

Medidas abrangentes devem ser tomadas para purificar o ambiente de trabalho de soldagem e proteger a saúde dos funcionários, reduzindo as emissões da fonte, fortalecendo a proteção e promovendo a inovação tecnológica. Isso ajudará a garantir que a concentração de substâncias nocivas geradas pela soldagem permaneça dentro da faixa permitida.

Atualmente, há várias medidas comuns de tratamento disponíveis, como proteção pessoal, otimização do processo e dos materiais de soldagem e implementação de sistemas de ventilação e exaustão de fumaça.

1. Proteção pessoal

As medidas de proteção pessoal para fumaça de soldagem envolvem principalmente o uso de máscaras de ventilação e de remoção de poeira, bem como outros equipamentos de proteção respiratória, para reduzir os danos causados pela fumaça de soldagem aos trabalhadores.

A Figura 2 ilustra quatro mecanismos de filtragem de respiradores para partículas de fumaça e poeira de vários tamanhos.

(1) Efeito da gravidade:

À medida que o ar contendo partículas de poeira passa pela camada de fibra do material do filtro, as partículas são deslocadas da direção do fluxo de ar por sua própria gravidade e são depositadas no material do filtro.

Normalmente, as partículas de poeira com tamanho superior a 1μm são filtradas com eficiência, enquanto as partículas menores podem ser ignoradas devido ao seu efeito mínimo sobre a gravidade em comparação com a taxa de fluxo de gás e outros fatores.

(2) Efeito de interceptação:

As fibras dentro do material do filtro são empilhadas irregularmente e entrelaçadas umas com as outras.

À medida que as partículas de fumaça de alta velocidade no ar entram em contato com o material da fibra, elas se unem à superfície das fibras, resultando em uma interceptação eficaz das partículas.

(3) Efeito de inércia:

As partículas de fumaça são depositadas na superfície da fibra devido ao efeito da força inercial, uma vez que o fluxo de ar muda de direção com frequência ao passar pelo material do filtro, fazendo com que elas se afastem da linha de fluxo. Esse fenômeno é particularmente verdadeiro para partículas de fumaça com tamanho de 0,5 a 1,0 μm, que são interceptadas principalmente pelo efeito inercial.

(4) Efeito de difusão:

As partículas com diâmetro inferior a 0,1 μm em temperatura ambiente movem-se principalmente por meio de movimento browniano. Quanto menores forem as partículas, mais fácil será removê-las.

As partículas maiores que 0,5 μm estão principalmente em movimento inercial. Quanto maiores forem as partículas, mais fácil será removê-las.

As partículas entre 0,1 μm e 0,5 μm não têm efeitos óbvios de difusão e inércia e são difíceis de remover.

Durante a soldagem, o tamanho das partículas de fumaça varia de 10-3 a 102 μm em cinco ordens de magnitude, sendo que as partículas de 0,1-0,5 μm são as mais penetrantes.

Atualmente, nenhum respirador consegue atingir um efeito de filtragem ideal em todas as partículas de fumaça.

Atualmente, os equipamentos de proteção individual têm um efeito protetor fraco contra gases tóxicos, e a prevenção de gases tóxicos não pode ser obtida somente por meio da proteção individual.

2. Otimização do processo de soldagem e dos materiais de soldagem

A otimização de processos e materiais de soldagem envolve principalmente o controle de fumaça de soldagem, reduzindo a taxa de geração de fumaça e o conteúdo de substâncias tóxicas dentro dela.

Há vários fatores que afetam a quantidade de poeira de soldagem produzida.

Atualmente, a pesquisa sobre poeira de soldagem em ambientes nacionais e internacionais concentra-se principalmente em dois aspectos:

O primeiro está estudando a influência de vários métodos de soldagem e parâmetros de processo sobre a quantidade de poeira gerada, e o segundo está estudando o impacto da composição do arame de soldagem, do revestimento e do gás de proteção sobre a quantidade de poeira produzida.

2.1 Impacto do processo de soldagem na emissão de poeira

A quantidade de poeira gerada varia de acordo com o método de soldagem utilizado.

Quando os mesmos parâmetros de processo são usados, a soldagem MIG produz uma taxa de geração de poeira muito maior do que a soldagem não MIG. Por outro lado, a fumaça gerada pela soldagem por arco submerso é mínima.

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A Tabela 4 mostra a quantidade de poeira gerada por vários métodos de soldagem sob especificações idênticas.

Em geral, ao usar o mesmo método de soldagem, a quantidade de poeira produzida aumenta à medida que a corrente e tensão de soldagem aumento.

Em comparação com a soldagem de corrente contínua, a soldagem de corrente alternada gera uma quantidade maior de poeira, mas a quantidade de poeira diminui à medida que a velocidade de soldagem aumentos.

Tabela 4 Taxa de geração de poeira de diferentes métodos de soldagem

A geração de grandes quantidades de poeira na soldagem com arame tubular, na soldagem com revestimento arco metálico A soldagem MIG tem um sério impacto sobre os soldadores e o meio ambiente, o que a torna um importante foco de pesquisa nacional e internacional.

Shi Qian e seus colegas da Universidade de Ciência e Tecnologia de Lanzhou realizaram uma pesquisa sobre a quantidade de poeira gerada pela soldagem com arame tubular autoprotegido sob diferentes parâmetros de processo.

Suas descobertas indicam que, na soldagem de pequena especificação, a quantidade de poeira gerada aumentou significativamente devido ao aumento de respingos durante a transição de curto-circuito e a transição da coluna de escória. Na soldagem com especificações grandes, a taxa de evaporação da gota e do metal de base aquecido é acelerada devido ao aumento da entrada de calor, resultando em um aumento na quantidade de poeira gerada. O modo de transferência da gota teve pouco efeito sobre a quantidade de poeira gerada.

Esses resultados também foram confirmados na pesquisa de Zhang Junqiang sobre o mecanismo de geração de fumaça e poeira da soldagem com fio fluxado autoprotegido. O estudo constatou que a fumaça e a poeira agregadas geradas na área de respingos de fumaça e poeira e na área de gotículas de fumaça e poeira aumentaram muito a quantidade total de fumaça e poeira.

Yamamoto et al. usaram CO2 como gás de proteção ao soldar com arame tubular 26%.

Com o aumento da corrente de soldagem, a quantidade de pó de soldagem diminui gradualmente.

O autor também desenvolveu um processo avançado de soldagem a arco com proteção de gás de dióxido de carbono puro usando o método de corrente de pulso para controlar a gota.

Esse método usa alta corrente para derreter o arame de solda e, em seguida, reduz a corrente durante a transferência de gotículas. Isso garante que a gota possa ser transferida suavemente para a poça de fusão com um comprimento constante, resultando em formação e separação regulares de gotas de metal e reduzindo a quantidade de poeira gerada pelo 50%.

Scotti estudou a influência do comprimento do arco, do diâmetro da gota e da corrente de curto-circuito na quantidade de poeira gerada pelo GMAW usando um método de variável de controle.

Os resultados mostram que, durante a transição de curto-circuito, um aumento no diâmetro da gota, na corrente de curto-circuito e no comprimento do arco leva a um aumento na quantidade de poeira gerada. A corrente de curto-circuito mais alta torna a evaporação do metal na superfície da ponte líquida mais intensa quando a gota entra na poça de fusão, aumentando a quantidade de poeira gerada. Quando esses fatores trabalham juntos, o aumento na emissão de poeira é mais perceptível.

Bu Zhixiang, da Universidade de Tecnologia de Hubei, e outros realizaram um experimento ortogonal com CO2 soldagem com proteção gasosa de fio de solda sólido como objeto de pesquisa e usaram a corrente de soldagem, a tensão de soldagem e a velocidade de soldagem como os três fatores experimentais. Eles consideraram a taxa e a quantidade de pó de soldagem como indicadores experimentais.

Por meio da análise de variância e da análise de faixa de dados de teste ortogonal, os resultados mostram que os principais fatores que afetam a taxa de formação de fumaça de soldagem são a corrente e a tensão de soldagem, e a velocidade de soldagem não tem efeito significativo sobre a taxa de formação de fumaça de soldagem. Quando a tensão de soldagem é de 22-24 V, a corrente de soldagem é de 290-320 A e a velocidade de soldagem é de 26 cm/min, a quantidade de pó de soldagem é a menor.

A quantidade de fumaça de soldagem não está relacionada apenas ao material de enchimento, mas também está intimamente relacionada à composição do gás de proteção.

K. R. Carpenter et al. adicionaram O2 e CO2 ao gás de proteção do GMAW e descobriram que a adição de 2% O2 à mistura binária de Ar-CO2 não teve efeito sobre a taxa de geração de poeira.

Quando o O2 na mistura ternária aumenta, a taxa de geração de poeira aumenta no nível de 5% CO2, mas não aumenta significativamente no nível de 12% CO2.

A quantidade de poeira gerada pode ser controlada ajustando-se a quantidade de CO2 adicionada ao gás misturado, de acordo com um estudo da equipe de Li Zhuoxin, da Universidade de Tecnologia de Pequim, sobre o teor de Cr (Ⅵ) na fumaça de soldagem de aço inoxidável.

Seus resultados indicaram que a fração de massa de Cr (Ⅵ) na fumaça aumentou com a oxidação mais forte do gás de proteção durante a soldagem com proteção gasosa. Além disso, o Cr (Ⅵ) aumentou com correntes elétricas mais altas (150~250 A) durante a soldagem com proteção de gás. Soldagem MAGe a proporção de massa de Cr (Ⅵ) na fumaça de transferência de curto-circuito em relação ao Cr total foi maior do que a da fumaça de transferência de jato durante o GMAW.

Um relatório apresentado por Vishal Vats na reunião provisória do Oitavo Comitê do 2022 IIW apontou que a adição de oxigênio ao gás de proteção do GMAW promoveria a formação de Cr3+ e Cr6+, além de aumentar elementos nocivos como Mn, Fe e Ni na fumaça.

Essas descobertas sugerem que a quantidade de poeira de soldagem é influenciada pelos parâmetros do processo de soldagem, e a seleção de parâmetros adequados pode reduzir as emissões de poeira e promover um ambiente mais saudável. No entanto, há um efeito de acoplamento entre o processo de soldagem e a qualidade da soldagem que pode exigir o sacrifício da qualidade e da eficiência para reduzir as emissões de fumaça, o que apresenta limitações em aplicações práticas.

O uso crescente de métodos de soldagem eficientes (soldagem de arame duplo/multiarame, soldagem híbrida de arco a laser) na engenharia aumenta ainda mais os requisitos de especificação de soldagem e torna o tratamento de fumaça de soldagem mais desafiador.

2.2 Efeito dos materiais de soldagem na emissão de poeira

Durante o processo de soldagem, os óxidos metálicos produzidos pela soldagem materiais em altas temperaturas misturam-se com vários agentes cancerígenos. Se os operadores inalarem excessivamente essas partículas, isso pode causar uma série de doenças.

Para mitigar esses riscos, o desenvolvimento de materiais de soldagem ecológicos pode controlar efetivamente os componentes nocivos da fumaça e da poeira na fonte.

A pesquisa sobre materiais de soldagem ecológicos no país e no exterior concentra-se principalmente em três aspectos:

(1) Ao modificar a composição da pele do medicamento, é possível reduzir a quantidade de poeira gerada pelo material.

(2) Reduzir o conteúdo de produtos pesados elementos metálicos em fumaça e poeira de soldagem.

(3) A fumaça de soldagem deve ser tratada com o uso de materiais de soldagem que não causem desgaste.

A quantidade de poeira gerada durante a soldagem é influenciada pela composição do revestimento do eletrodo, pela composição química do pó e pela tira de aço do arame de soldagem. Os fatores de influência são complexos.

A fluorita e o silicato de sódio são os principais contribuintes para a geração de poeira no revestimento de eletrodos, e seus produtos de reação são responsáveis por mais de 50% da quantidade total de fumaça e poeira.

Os materiais que contêm K e Na aumentam a quantidade de poeira gerada, enquanto a liga de silício e cálcio e o pó de magnésio podem inibi-la.

Uma pesquisa realizada por Jiang Jianmin e outros na Universidade de Tecnologia de Pequim descobriu que a redução do teor de pó de ferro no núcleo do fluxo do arame pode diminuir a quantidade de poeira gerada durante a soldagem de 33% para 47%.

De acordo com um relatório de Mruczek MF, um fabricante estrangeiro de material de soldagem desenvolveu um arame tubular com baixo teor de manganês que pode reduzir efetivamente o teor de Mn na fumaça de soldagem. No entanto, isso pode levar a propriedades mecânicas ruins da solda.

A North T H descobriu que a adição de partículas compostas contendo Mn no núcleo pode reduzir significativamente o teor de Mn na fumaça de soldagem, evitando a oxidação do Mn e deixando mais Mn na solda.

Dennis J H et al. adicionaram elementos ativos (Zn, Al, Mg) ao arame tubular, o que pode reduzir significativamente o teor de Cr6+ na fumaça de soldagem, permitindo que os elementos ativos sejam oxidados preferencialmente. Entretanto, a adição de Zn ao soldagem de aço inoxidável pode reduzir o teor de Cr na fumaça de soldagem, mas acelera a taxa de formação de fumaça.

Mortazavi S B et al. descobriram que a redução do teor de K em materiais de soldagem e o aumento do teor de Li podem reduzir o teor de K2CrO4 e, subsequentemente, reduzir o teor de Cr6+ na fumaça de soldagem por meio do Li.

Além disso, Topham N et al. demonstraram que a redução do teor de Na e K em materiais de soldagem de aço inoxidável austenítico e a adição de tetraetil silano (TEOS) 30% no gás de proteção podem reduzir o teor de Cr (VI) na fumaça de soldagem de aço inoxidável.

No entanto, o método de dessoldagem de materiais de soldagem usado para reduzir componentes nocivos na fumaça de soldagem pode não atender aos requisitos de propriedades mecânicas, resistência à corrosão e resistência ao desgaste necessários para estruturas de soldagem.

Atualmente, o grau de liga no metal base que está sendo usado é muito alto. Do aço de baixo carbono ao aço de baixa liga e depois à liga de alta entropia, o nível de liga está aumentando.

Simultaneamente, adicionando elementos de liga como Mn, Cr, Ni, Mo, Co e outros, aos materiais de soldagem (material de base + arame de soldagem) podem melhorar significativamente as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão dos componentes de soldagem, aumentar sua vida útil e expandir a gama de aplicações dos materiais metálicos.

Como resultado, muitas vezes não é prático tratar a fumaça e a poeira por meio da soldagem de materiais de soldagem na produção real.

3. Ventilação e exaustão de fumaça

A ventilação e a exaustão da fumaça são atualmente os métodos mais eficazes de tratamento na produção, que incluem principalmente dois tipos de métodos:

O primeiro método envolve a instalação de dispositivos locais de extração de fumaça ou o uso de pistolas de solda com fumaça na estação de soldagem para controlar a difusão adicional da fumaça de soldagem e dos gases nocivos e para controlá-los a partir da fonte.

O segundo método envolve a melhoria do ambiente de trabalho da oficina de soldagem por meio de ventilação abrangente e ventilação de deslocamento da planta.

3.1 Extração local de fumaça

Atualmente, os principais métodos de extração de fumaça local incluem principalmente a fumaça das pistolas de soldagem, a ventilação local e a remoção de poeira.

O princípio da pistola de solda com fumaça é ilustrado na Figura 3. A boca de fumaça gera sucção para capturar a fumaça e a poeira, evitando sua difusão e a poluição ambiental.

Em comparação com outros equipamentos de processamento local, as pistolas de solda por fumaça oferecem maior flexibilidade em termos de posicionamento e ajuste de ângulo, permitindo que os soldadores operem com menos restrições.

A ventilação local envolve o uso de exaustores especializados para extrair diretamente a fumaça de soldagem da área de soldagem e, posteriormente, liberar a fumaça coletada para o exterior após passar por um tratamento de redução de poeira. O princípio da ventilação local está descrito na Figura 4.

Pesquisas indicam que a ventilação local é mais eficiente do que a ventilação geral.

Flynn MR conduziu um estudo comparando a eficácia do despoeiramento de um sistema local de sistema de ventilação em três condições: sem ventilação interna, vento natural e ventilação mecânica. Os resultados revelaram que o ventilador combinado com o sistema de ventilação local teve a maior eficiência de despoeiramento.

Em outro experimento, Meeker JD avaliou um sistema comercial de ventilação local e equipamento de remoção de poeira. O estudo constatou que a concentração de Mn na fumaça do ar diminuiu em 25%, o material particulado diminuiu em 40% e o Cr6+ diminuiu em 68% após o uso do equipamento. Portanto, a ventilação local e a remoção de poeira são um método de ventilação eficaz.

No entanto, deve-se observar que o equipamento local de extração de fumaça é adequado apenas para a soldagem de peças de trabalho de pequeno porte e tem aplicação limitada em trabalhos pesados. soldagem de estruturas oficinas. Isso se deve ao fato de que a estação de soldagem de estruturas pesadas é móvel, e os pontos de fumaça e poeira mudam constantemente, o que torna difícil considerar o espaço geral usando o despoeiramento local.

3.2 Ventilação geral e ventilação de deslocamento

A ventilação geral, também conhecida como ventilação de diluição, refere-se ao processo de diluição do ar poluído interno com ar limpo por meio do uso de portas, janelas e telhados. Isso é feito para reduzir a concentração de substâncias nocivas no ar interno e garantir que o ambiente interno atenda aos padrões de qualidade do ar.

Seu princípio é mostrado na Fig. 5.

A ventilação geral é adequada para ambientes com baixas concentrações de substâncias nocivas e é comumente usada como um modo auxiliar para ventilação local e remoção de poeira.

C. E. Feigley et al. estudaram e discutiram o fator de segurança K na fórmula de cálculo do volume de ar para ventilação por diluição e propuseram um fator de mistura Km mais objetivo com base em medições experimentais.

Liu Siyan et al. realizaram testes para avaliar a concentração de riscos químicos em uma oficina de soldagem antes e depois da implementação do tratamento de ventilação mecânica. Após o tratamento de ventilação, o conteúdo do ar de manganês e seus compostos, fumaça de soldagem, ozônio, monóxido de carbono e óxidos de nitrogênio na oficina diminuiu, com a redução mais significativa encontrada para o manganês e seus compostos em uma diminuição de concentração de 82%.

A ventilação por deslocamento é desenvolvida com base na ventilação geral, e seu princípio é ilustrado na Figura 6.

Devido ao calor gerado durante o processo de soldagem, um gradiente de temperatura estável é formado na oficina de soldagem, o que reduz a velocidade do vento e causa uma diferença de temperatura (ΔT=2~4 ℃) entre o ar fresco fornecido diretamente para a área de trabalho interna.

Como resultado, o ar mais frio desce primeiro sob a influência da gravidade e se espalha gradualmente pelo piso, formando uma camada de ar fresco. À medida que a temperatura aumenta, esse ar fresco sobe, removendo continuamente o ar poluído.

Além disso, o ar fresco é continuamente fornecido à sala por meio do duto de ar, enquanto a abertura de retorno de ar acima da oficina retira o ar interno devido a vários fatores.

O ar fresco acima do solo na área de trabalho se move lentamente para cima, formando um fluxo de ar ascendente uniforme. Isso substitui gradualmente o ar poluído na oficina, purificando o ar.

O método de despoeiramento por ventilação com deslocamento não apenas economiza o consumo de energia, mas também proporciona maior eficiência de purificação. R. Nienel et al. realizaram um estudo sobre o sistema de ventilação por deslocamento de grandes instalações de soldagem.

Ao analisar a distribuição espacial das partículas geradas durante o processo de soldagem, eles descobriram que a concentração de partículas na área de atividade do pessoal na parte inferior da fábrica era significativamente menor do que a concentração na parte superior da fábrica, demonstrando assim a eficácia da ventilação de deslocamento na descarga de partículas da fábrica de soldagem.

Atualmente, as pesquisas sobre ventilação por deslocamento se concentram principalmente na otimização da distribuição de ar, dos parâmetros de suprimento de ar e da posição de saída da ventilação por deslocamento usando simulação numérica CFD. Esta pesquisa tem como objetivo melhorar a eficiência da ventilação e fornecer orientação teórica para otimizar o projeto de ventilação por deslocamento.

Conclusão

(1) A geração e o risco dos fumos de soldagem são determinados por processos físicos e químicos complexos, e são necessárias medidas abrangentes para seu tratamento.

(2) O controle completo dos vapores de soldagem e de outros fatores perigosos não pode ser alcançado somente por meio de proteção passiva.

(3) A inovação dos processos de soldagem inteligentes e automáticos e dos sistemas de soldagem abriu um novo caminho para a obtenção de uma soldagem ecológica e eficiente e de uma produção limpa.