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Avaliação de emissões de nanopartículas resultantes de processos

1. 0 20 40 60 80 100 120 140 Tempo s rea de superf cie das part culas por 2 M dia de todos os pontos ensaio 1 Figura 4 4 M dia de todos os pontos de amostragem do Ensaiol No gr fico da figura 4 4 o valor maximo medido de 25878 um cm Este valor representa o maximo m dio dos cinco pontos de amostragem no laborat rio 4 4 2 Ensaio 2 O ensaio 2 foi indicado na tabela 3 7 como um processo de soldadura com um modo de transfer ncia globular e uma mistura gasosa de Ar 8 CO Os gr ficos das figuras 4 5 e 4 6 presentam valores m dios entre o ensaio e r plica das medi es realizadas com o NSAM das reas de superf cie das part culas ao longo do tempo de soldadura para os v rios pontos definidos no plano experimental 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 volume pulmonar Lum cm 0 20 40 60 80 100 120 140 Tempo s r Area de superf cie das part culas por S cm 00cm 300 cm Figura 4 5 Ensaio 2 transfer ncia globular com mistura gasosa Ar 8 CO a 50 cm 100 cm e 300 cm 54 Capitulo 4 Resultados e Discuss o 80000 5 70000 Q amp amp 60000 Es E E 50000 40000 SE gt E 30000 DE a E 20000 3 amp 10000 vs Vo 0 57 20 40 60 80 100 120 140 amp 10000 Tempo s Hotte M scara operador Figura 4 6 Ensaio 2 transfer ncia globular com mistura gasosa Ar 8 CO na hotte e m scara do operador Nos gr ficos do ensaio 2
2. Figura 4 39 Imagens TEM de nanopart culas do processo de soldadura MAG com mistura gasosa Ar 18 CO a Part culas escala de 200 nm B Part culas escala de 500 nm Nas imagens na figura 4 39 verifica se que as part culas se encontram aglomeradas e sem fronteiras bem delimitadas ou seja s o part culas amorfas Tanto na figura 4 39 a como na b poss vel ver que as part culas chegam a atingir dimens es m nimas inferiores a 10 nm e n o maiores do que 100 nm Estas part culas s o part culas que de acordo com o gr fico da figura 2 10 t m a maior efici ncia de deposi o alveolar A figura 4 40 apresenta duas imagens captadas por de microscopia TEM para o processo de soldadura MAG com a mistura gasosa Ar 8 CO Figura 4 40 Imagens TEM de nanopart culas do processo de soldadura MAG com mistura gasosa Ar 8 CO a Part culas escala de 200 nm b Part culas escala de 500 nm As part culas representadas na figura 4 40 s o semelhan as das part culas do processo com a mistura mais oxidante part culas amorfas e com dimens es tamb m inferiores a 10 nm e n o superiores do que os 100 nm Estas part culas s o part culas de alta efici ncia de deposi o alveolar como se pode ver pelo gr fico da figura 2 20 As nanopart culas resultantes da mistura gasosa de Ar 8 CO diferem das part culas resultantes da mistura de Ar 18 CO por n o se 81 Capitulo 4 Resultados e Discuss
3. Figura A11 Montagem da tocha de soldadura no suporte a Suporte da tocha b Coloca o da tocha no suporte c Fixa o da tocha ao suporte xi
4. cm 300 cm Hotte Exterior m sc operador M sc operador Figura 4 19 Medi o com NSAM ao ambiente antes dos ensaios e suas r plicas nos v rios pontos do ensaio 1 Na figura 4 19 as linhas correspondem a um comportamento est vel e linear excep o da linha que representa as medi es na hotte Esta apresenta dois picos que ultrapassam o valor de 64 Capitulo 4 Resultados e Discuss o 1200 um cm No entanto s o valores muito abaixo dos medidos durante o processo de soldadura A figura 4 20 apresenta a m dia dos resultados obtidos em todos os pontos de amostragem Neste gr fico pode se ter uma ideia geral das reas das part culas com capacidade de deposi o alveolar por volume pulmonar 12000 00 5 amp 10000 00 SE BS 8000 00 BE amp 5 6000 00 SE Ue 2 amp 4000 00 2 E BOB 3 amp 2000 00 2 E o P SE 0 00 5 0 20 40 60 80 100 120 lt Tempo s M dia de todos os pontos ensaio 1 Figura 4 20 M dia de todos os pontos de amostragem do Ensaio 1 Na figura 4 20 o valor m ximo de 10544 um cm Este valor representa o m ximo m dio dos cinco pontos de amostragem no laborat rio 4 5 2 Ensaio 2 O ensaio 2 foi indicado na tabela 3 9 como um processo de soldadura com el ctrodos revestidos rutil cos e com uma intensidade de corrente de 90 A Os ensaios e as r plicas deste ensaio tiveram uma dura o m dia de 53 s Nas figuras 4 21 e 4 22 apresentam
5. o adicional ao banho de soldadura da atmosfera e absorver as impurezas que se encontram na superf cie Uma outra caracter stica da esc ria aumentar o tempo de arrefecimento do metal fundido e Protec o da Alma do el ctrodo O revestimento isola a alma do el ctrodo prevenindo assim a ocorr ncia de curto circuito durante a soldadura Este revestimento serve ainda de protec o para o operador caso este toque no el ctrodo Tabela 2 3 Classifica o do revestimento SER 11 e Rut lico Estes el ctrodos s o muito utilizados por terem uma grande versatilidade O revestimento constitu do principalmente por xido de tit nio produzindo uma esc ria abundante densa e de f cil remo o Estes el ctrodos podem ser utilizados tanto com corrente cont nua como corrente alternada menos quando cont m uma quantidade elevada de p de ferro O material depositado tem uma fraca resist ncia fissura o a quente no entanto produzem cord es de bom aspecto e com uma penetra o m dia e Acido Hoje em dia n o muito utilizado no entanto um tipo de el ctrodo que confere boas caracter sticas mec nicas ao material depositado tendo uma baixa resist ncia fissura o a quente E constitu do principalmente por xido de ferro mangan s e s lica A esc ria produzida abundante porosa e de f cil remo o Este el ctrodo pode ser utilizado tanto em corrente alterna como cont nua proporcionando
6. Anexos A1 4 Chapa de apoio da tocha de soldadura O 6x4 69 UNLESS OTHERWISE SPECIFIED DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH TOLERANCES LINEAR ANGULAR FINISH DEBUR AND BREAK SHARP EDGES NAME SIGNATURE DATE TITLE DRAWN CHKD APPV D MFG QA MATERIAL aes WEIGHT SCALE 1 2 50 44 DO NOT SCALE DRAWING REVISION FOE sheers ercovoocn Chapa de apoio SHEET 1 OF 1 Figura A4 Desenho t cnico da chapa de apoio da tocha de soldadura Anexos A1 5 Anilha com sali ncia e barra de fixa o da tocha de soldadura j gt 40 D40 UNLESS OTHERWISE SPECIFIED FINISH DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH TOLERANCES LINEAR ANGULAR NAME SIGNATURE DRAWN CHK D APPV D MFG QA DATE DEBUR AND BREAK SHARP EDGES TITLE MATERIAL DWG NO WEIGHT SCALE 1 1 60 DO NOT SCALE DRAWING EC Anilha Barra 4 h 6x2 REVISION FACULDADE DE CIENCIAS E TECNOLOGIA UNIVERSIDADE NOVA DE LISBOA SHEET 1 OF 1 Figura A5 Desenhos t cnicos de anilha e barra de fixa o da tocha de soldadura vi Anexos A2 Manual de utiliza o da mesa de soldar A2 1 Introdu o A mesa de soldar foi constru da de modo a poder realizar cord es de soldadura no processo de soldadura MIG MAG com a m quina de soldar ProMig
7. Oo e OD SE OO O SCN MOD AT ONN MO ONND AMANDO TAH OR O Di metro nm dN dlogDp N mero de Particulas cm 245 8 Amostragem durante soldadura Amostragem do ambiente antes da soldadura Figura 4 36 Resultados SMPS Ensaio 4 Na figura 4 36 poss vel observar as zonas onde as medi es durante o processo de soldadura apresentaram maiores quantidades de part culas por volume de ar A gama de di metros onde os resultados das medi es durante o processo de soldadura atingem as maiores concentra es entre os di metros de 159 6 nm e de 305 1 nm e com um n mero de part culas por volume de ar entre 37228 part culas cm e 56503 part culas cm No ensaio 4 o di metro m dio das part culas da amostragem durante a soldadura de 192 1 nm 4 6 5 Discuss o dos resultados de SMPS Analisando em detalhe todos os gr ficos podem identificar se quais as caracter sticas do processo de soldadura respons veis pelas maiores concentra es de part culas e pelos di metros m dios com maior efici ncia de deposi o alveolar A efici ncia de deposi o encontra se representada na figura 2 10 onde se pode verificar que as part culas entre aproximadamente os 10 nm e os 100 nm s o as que t m maior efici ncia de deposi o alveolar Nos ensaios aqui analisados os di metros m dios s o todos superiores a 100 nm No entanto v o ser os di metros que mais se aproximem dos 100 nm que v o ter uma maior efici ncia de depo
8. Shielded Metal Arc Welding SMAW Diponivel em http ent mrt ac lk 040234 index files Page358 htm Acedido em 25 de Julho de 2012 MIGMAG lassen GMAW Disponivel em http www multiweld com mig mag lassen aspx Acedido em 10 de Fevereiro de 2012 F W Olin Weld Training Packet 2006 Miller Guidelines For Gas Metal Arc Welding GMAW Diposnivel em http www millerwelds com pdf mig handbook pdf Acedido a 08 de Junho de 2012 J Modenesi Prof Paulo Introdu o Fisica do Arco El ctrico e sua Aplica o na soldagem dos metais ed Belo Horizonte Universidade Federal de Minas Gerais 2011 S Escala M Nooij and L Quintino Economically Welding in a Healthy Way presented at the Ist IW South East European Welding Congress 2006 N Group 2009 Good Safety and Health in Workshops is Good Business Disponivel em http www acs cal com PDF Welding_health 20pdf ashx_1 pdf Acedido a 12 de Fevereiro de 2012 Chemical Analysis Disponivel em http www lenntech com periodic elements index htm Acedido em 12 de Fevereiro de 2012 L Quintino B Hourmat and I Pires Health and Safety in Welding in the European Union presented at the XXXV CONSOLDA Congresso Nacional de Soldagem Piracicaba SP Brasil 2009 L Matos P Santos and F Barbosa As Nanopart culas em Ambientes Ocupacionais Revista Seguran a vol 202 pp 10 14 2011 Igus GuiaLinearDryLinZLW Disponi
9. ensaios e de cada uma das r plicas desses mesmos ensaios 66 Capitulo 4 Resultados e Discuss o 2000 O 1500 3 N Es 2 1000 ES 5 E 500 5E Hg 0 2 2 0 20 40 60 80 100 120 2 Tempo s g gt g lt 5 cm cm 300cm Hotte Ext m scara do operador M sc operador Figura 4 23 Medi o com NSAM ao ambiente antes dos ensaios e suas r plicas nos v rios pontos do ensaio 2 A semelhan a do que se observou no gr fico das medi es do ambiente no ensaio 1 no ensaio 2 tamb m nas amostragens efectuadas na hotte que se tem o maior valor neste ensaio de cerca de 1800 um cm Na figura 4 24 apresenta se a m dia dos resultados obtidos em todos os pontos de amostragem Neste gr fico pode se ter uma ideia geral das reas das part culas com capacidade de deposi o alveolar por volume pulmonar 16000 00 E 14000 00 a amp 12000 00 ER 10000 00 5 amp gt 8000 00 SE J E 6000 00 Z 4000 00 Oo a 2 2000 00 33 000 0 20 40 60 80 100 120 lt Tempo s M dia de todos os pontos ensaio 2 Figura 4 24 M dia de todos os pontos de amostragem do Ensaio 2 Na figura 4 24 o valor m ximo de 14455 um cm Este valor representa o m ximo m dio dos cinco pontos de amostragem no laborat rio 67 Capitulo 4 Resultados e Discuss o 4 5 3 Ensaio 3 Este ensaio experimental corresponde s amostragens realizadas nos p
10. minutos e foi esse tamb m o tempo de soldadura utilizado As medi es realizadas com o SMPS foram realizadas sempre mesma dist ncia da mesa de soldar e com a sua tomada de amostras colocada atr s de uma m scara de soldador Realizaram se medi es do SMPS para os quatro ensaios experimentais j especificados na tabela 3 7 de modo a poder se obter uma rela o entre os par metros operacionais do processo de soldadura 44 Capitulo 3 Procedimento Experimental MAG e as concentra es das part culas e os seus di metros Na figura 3 27 representa se esquematicamente o ponto de recolha das medi es com o SMPS em rela o mesa de soldar Ponto 2 8 100 cm _ gt a Q oO A Dn 5 S Q B P 7 Figura 3 27 Esquema de tomada de amostras do SMPS 3 7 Procedimento experimental para o processo de soldadura SER Os cord es de soldadura do processo SER foram realizados manualmente com par metros previamente definidos para a recolha de amostras e posterior an lise e caracteriza o das nanopart culas libertadas Este procedimento foi aplicado no laborat rio de tecnologia do Departamento de Engenharia Mec nica da FCT UNL Todos os trabalhos foram realizados sem qualquer sistema de extrac o de fumos e por vezes foram realizados ao mesmo tempo que outros trabalhos normais de um laborat rio de tecnologia simulando assim um ambiente de trabalho real Neste proced
11. provocada n o s pelos ensaios do ensaio a ser analisado nesse momento mas tamb m pelos outros ensaios que tenham sido realizados para os ensaios precedentes Em alguns gr ficos poss vel observar picos nas medi es seguidos de decr scimos r pidos Estes valores s o resultado da satura o do equipamento e muitas vezes o valor apresentado no pico n o o maior valor provocado por aquele ensaio Na realidade os valores provocados pelo processo foram superiores mas como as leituras no NSAM s o realizadas de 10 em 10 segundos quando o equipamento satura passa a registar valores de rea de superf cie por 73 Capitulo 4 Resultados e Discuss o volume pulmonar mais baixos muito rapidamente e apresenta a nova medi o com um valor inferior ao que seria de esperar Comparando os v rios ensaios poss vel reconhecer qual o el ctrodo e intensidade de corrente respons vel por provocar maiores reas de superf cie por volume pulmonar de part culas com capacidade de deposi o pulmonar Comparando os ensaios 1 e 2 onde o tipo de el ctrodo um el ctrodo revestido rut lico e a intensidade de corrente de 70 A e 904 respectivamente poss vel verificar que o processo de soldadura com a intensidade de corrente de 90 A provoca as maiores reas superficiais Este facto encontra se bem ilustrado nas figuras 4 20 e 4 24 onde os valores m dios de todos os pontos de amostragem dos dois ensaios s o superio
12. rea superficial das nanopart culas a caracter stica mais relevante no impacto da sa de a rea de superf cie das part culas que vai condicionar onde estas se v o depositar sendo que das poss veis regi es de deposi o as que mais interesse suscitam s o o nariz cabe a devido possibilidade de transfer ncia de nanopart culas para o c rebro e a regi o traqueobr nquial e alveolar 9 10 As novas tecnologias agora dispon veis permitem a obten o de novos dados que at agora n o tinham sido estudados 1 3 Objectivos O presente trabalho teve como objectivos e Definir condi es operacionais de soldadura para os processos SER e MAG que se aproximem de condi es existentes no meio industrial e Analisar as part culas libertadas durante estes processos nomeadamente nanopart culas Cap tulo 1 Introdu o e Caracterizar as part culas em fun o da sua concentra o e composi o e Correlacionar estas caracter sticas com as condi es operat rias de soldadura 1 4 Estrutura da disserta o Esta disserta o estrutura se em 1 Introdu o Na introdu o descrito o enquadramento a motiva o e os objectivos da disserta o Estado de arte Neste cap tulo caracterizam se os processos de soldadura MAG e SER o arco el ctrico e ainda as emiss es de nanopart culas Procedimento experimental Descreve os par metros e as condi es de soldadura adoptadas a
13. 0 20 40 60 80 100 120 140 lt Tempo s S cn 00cm 300 cm Figura 4 13 Ensaio 4 transfer ncia spray com mistura gasosa Ar 8 CO a 50 cm 100 cm e 300 cm 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 volume pulmonar um cm 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Tempo s Area de superficie das particulas por r Hotte M sc operador Figura 4 14 Ensaio 4 transfer ncia spray com mistura gasosa AR 8 CO na hotte e m scara do operador No ensaio 4 a maior rea de superf cie de part culas com capacidade de deposi o alveolar foi de 62685 um no ponto de recolha na hotte Na figura 4 13 observa se um pico dist ncia de 100 cm superior s medi es realizadas a 50 cm Esta situa o resultado de uma grande concentra o de nanopart culas que foram recolhidas no ponto de amostragem no fim do processo de soldadura Na figura 4 15 apresentam se os valores m dios das medi es realizadas com o NSAM no ambiente antes dos ensaios e das r plicas no ensaio 4 60 Capitulo 4 Resultados e Discuss o 1800 1600 Q T 1400 BS 1200 EE 1000 as 800 E sa EE 400 So 32 200 Ss 3 E 0 0 20 40 60 80 100 120 140 lt Tempo s SO0cm 00cm 300 cm Hote M sc operador Figura 4 15 Medi o com NSAM no ambiente antes dos ensaios e r plicas nos v rios pontos do ensaio 4 A figura 4 15 ilustra a situa o j referida dos tempos necess
14. 21 Tabela 2 6 Fumos de soldadura e efeitos na sa de 21 22 Elementos de fumos de soldadura gases e os seus efeitos Elementos Fonte Efeitos na sa de Cr mio VI Processos de soldadura em Irrita o da pele irrita o do tracto respirat rio a o inoxid vel Fabrica o de efeitos no nariz e orelhas efeitos cr nicos pigmentos de cr mio incluem cancro do pulm o danos nos rins e el ctrodos f gado Oxidos de Processos de soldadura em Irrita o do nariz e pulm es siderose deposi o ferro todos os a os ou metais de p s met licos nos pulm es Mangan s Processos de soldadura a os Pneumonite qu mica efeitos cr nicos incluem de tens o de ruptura elevada dist rbios do sistema nervoso N quel Processos de soldadura em Efeitos dermatol gicos doen as pulmonares do a o inoxid vel galvaniza o tipo asm ticas efeitos cr nicos incluem cancro nariz laringe pulm o irrita o do tracto respirat rio disfun o renal Fluoretos Revestimento de el ctrodos Irrita o dos olhos nariz e garganta Sintomas g s de protec o gastrointestinais efeitos cr nicos incluem problemas de ossos e articula es liquido nos pulm es e disfun es dos rins 17 Capitulo 2 Estado de Arte Tabela 2 6 continua o Fumos de soldadura e efeitos na sa de 20 22 Elementos de fumos de soldadura gases e os seus efeitos Elementos Fonte Efeitos na sa de Ozono Formado
15. 300 cm gt gt Ponto 5 Ponto 4 Ponto3 t 50 ka A 100 cm gt Ponto 1 e2 lt 25 cm gt M Li a a a S S dls S S S 5 5 a O 3 Figura 3 28 Esquema de pontos de amostragem do NSAM em SER 47 Capitulo 3 Procedimento Experimental 3 7 4 Recolha de amostras com o amostrador de aeross is nanom tricos para an lise de microscopia A utiliza o deste equipamento foi id ntica explicada no cap tulo 3 6 3 com a excep o do ponto de recolha que no processo de soldadura MAG era colocado na pr pria mesa de soldadura e no processo de soldadura SER foi colocado num suporte tipo haste sendo mantido a 40 cm do banho de soldadura e a uma altura de 30 cm em rela o bancada de soldadura Outra diferen a entre a utiliza o do equipamento nos dois processos foi a coloca o das grelhas que no processo de soldadura SER foram trocadas quando se mudou de tipo de el ctrodo ou seja foram utilizadas duas grelhas uma para el ctrodos rutil cos e outra para el ctrodos b sicos As amostras recolhidas foram analisadas da mesma forma que no processo de soldadura MAG 3 8 Conclus es Construiu se uma mesa que permite fazer soldadura autom tica realizaram se ensaios de soldadura SER e MAG Este procedimento experimental possibilitou realizar as recolhas e as an lises necess rias s part culas de uma forma rigorosa e sistem tica possibilitando deste modo validar os resultados provenie
16. 4 8V Figura A7 M dulo NI 9474 O m dulo 9401 ilustrado na figura A8 realiza o controlo dos fins de curso com liga es do seguinte modo viii Anexos en NI 9401 e Cabo de liga o a mesa Fio verde 4 q e Cabo de liga o mesa Fio branco 16 E e Cabo de liga o mesa Fio azul Bal 14 g Figura A8 M dulo 9401 O m dulo de controlo do motor P402A representado na figura A9 tem ainda as seguintes liga es Pulse Pulse Direction Astrosyn erable P402A Microste ppi ng DAVEE lt a Fonte 24 V DC Voltage Fonte 24 V Motor Driver Phase A lt Cabo de liga o mesa Fio preto Phase A lt Cabo de liga o mesa Fio Laranja Phase B Cabo de liga o mesa Fio amarelo Phase B i Cabo de liga o a mesa Fio vermelho Figura A9 M dulo de controlo do motor Anexos A2 4 Software e interface O software utilizado para o controlo da mesa o LabView A figura A10 ilustra o ambiente que aparece quando se inicia o programa de controlo da mesa O controlo da mesa faz se da seguinte forma e Direc o tecla de atalho F5 possibilita a selec o da direc o de desloca o da tocha de soldadura e Stop tecla de atalho END executa a paragem do programa e da mesa de soldadura e Frequ ncia permite o controlo da onda que o programa simula atrav s de impulsos alternados e d
17. PASOS ATES o COo ets sekde ena ANE a ERAS E E eA EAE EEAS E EREE 81 Figura 4 41 An lise EDS El ctrodos b sicos rrenan 82 Figura 4 42 An lise EDS El ctrodos Rutil cos errar 83 Figura 4 43 Imagens TEM de nanopart culas do processo de soldadura SER com el ctrodos EDLE ETE O AEE EEE Do abe Abo Is a LA SUS DE SERA SU Se pa SS aa 84 Figura 4 44 Imagens TEM de nanopart culas do processo de soldadura SER com el ctrodos B SICOS IA o Ps SRS o CRT De aa SE O TSU PU RGE qo E TSO O A 84 Figura Al Desenho t cnico da estrutura da mesa de soldar ir li Figura A2 Desenho t cnico do suporte do MOtOL 0 eee ceseceseceseceeceseceseeeseeeseeeseeeeaeeeaeeeaaeenaes iii Figura A3 Desenho t cnico do bra o de suporte da tocha iv Figura A4 Desenho t cnico da chapa de apoio da tocha de soldadura eeeeeeseeseeseeereeeneees v Figura A5 Desenhos t cnicos de anilha e barra de fixa o da tocha de soldadura vi Figura A6 Ilustra o de ceDAQ 9178er pii i i ea i ns viii Figura A7 M d lo NUQA Ais oau ntenni eene tna ea ee inea Eo Tae eae viii Figura AS M d lo 9401 e cncneaiineneer iieii tenths i EES ETE A E EERE NE ix Figura A9 M dulo de controlo do motor ssssseseesssseesssseesrssresresrtssesrisstesesstentestensentresseereesresesset ix Figura A10 Ambiente do interface do controlo da mesa re xi Figura A11 Mo
18. ctrico onde as part culas de diferentes tamanhos s o separadas O DMA determina o di metro de mobilidade el ctrica das part culas A contagem das part culas feita por um contador de part culas condensadas CPC que realiza a contagem das part culas que foram aumentadas atrav s da condensa o passando as por um feixe laser A difrac o da luz das part culas ent o detectada por um foto detector Todo o sistema automatizado e a an lise de dados feita por computador com um software espec fico da TSI 37 Os resultados das an lises realizadas pelo SMPS s o apresentados em gr ficos de escala logar tmica A utiliza o desta escala n o tem qualquer justifica o te rica deve se apenas ao facto dos resultados serem apresentados numa escala de menor dimens o Os gr ficos mostram uma distribui o das concentra es do n mero das part culas por volume de ar ao longo de 64 canais que representam o di metro das part culas 38 O SMPS utilizado neste estudo pertence ao Departamento de Engenharia Mec nica da FCT UC Na figura 3 22 pode se ver o equipamento SMPS 38 Capitulo 3 Procedimento Experimental Figura 3 22 SMPS 39 3 5 5 Microsc pio electr nico de transmiss o O microsc pio electr nico de transmiss o TEM utilizado da marca Hitachi modelo H 8100 II de 200 kV Possui um canh o de electr es por emiss o t rmica equipado com um sistema de microan lise por espectromet
19. culas com maior dimens o na figura 4 9 no ensaio 3 No entanto para pontos mais pr ximos da fonte como a hotte e a m scara do operador os resultados invertem se ou seja para estes dois pontos o ensaio 3 que apresenta reas de superf cie superiores das nanopart culas A compara o entre os ensaios 2 e 4 onde tamb m apenas os modos de transfer ncia s o diferentes apresenta resultados an logos aos ensaios 1 e 3 As reas de superf cie de part culas com capacidade de deposi o alveolar v o ser maiores no ensaio 4 excepto nos pontos mais pr ximos da fonte como se tinha verificado para os ensaios 1 e 3 Podem tamb m comprar se os ensaios 1 e 2 com os ensaios 3 e 4 onde a composi o da mistura gasosa o par metro que difere Atrav s dos gr ficos com as m dias de todos os pontos pode verificar se que a mistura gasosa mais oxidante Ar 18 CO a que em m dia apresenta as 62 Capitulo 4 Resultados e Discuss o maiores reas de superficie de part culas com capacidade de deposi o alveolar por volume pulmonar 4 5 Resultados do NSAM no processo de soldadura SER 4 5 1 Ensaio 1 No ponto 3 7 2 referiu se que o ensaio 1 o ensaio experimental com el ctrodo rut lico a 70 A Os ensaios e as r plicas deste ensaio tiveram uma dura o m dia de aproximadamente 68 s As figuras 4 17 e 4 18 apresentam os valores m dios entre o ensaio e a r plica das medi es com o NSAM para este ensaio
20. nio e Oxidante El ctrodos pouco utilizados com propriedades inadequadas para aplica es de responsabilidade O seu revestimento constitu do principalmente por xido de ferro e mangan s produzindo uma esc ria oxidante abundante e de f cil remo o Estes el ctrodos podem ser utilizados tanto em corrente alternada como cont nua e apresentam em geral uma baixa penetra o 2 2 2 Equipamentos do processo de soldadura SER O equipamento para o processo de soldadura SER consiste numa fonte de energia no porta el ctrodos na pin a de massa e nos cabos de conex o A figura 2 4 ilustra os equipamentos e na tabela 2 4 pode apresenta se uma descri o mais detalhada de cada equipamento Fonte de energia Porta el ctrodos D El ctrodo A ae Cabos de Soldadura Material lt base Pin a de massa Figura 2 4 Equipamento SER Imagem adaptada 16 11 Capitulo 2 Estado de Arte Tabela 2 4 Descri o dos equipamentos SER 14 Equipamentos do processo de soldadura SER e Porta el ctrodos O porta el ctrodos liga o cabo de soldadura m quina de soldar e conduz a corrente at ao el ctrodo e Pin a de massa Esta pin a faz a liga o do cabo terra ao material base Esta liga o pode ser feita directamente ao material ou bancada fazendo assim parte do circuito de soldadura e Cabos de soldadura O cabos de soldadura ou seja o ca
21. o encontrarem aglomeradas da mesma forma Estas part culas encontram se mais dispersas como se pode ver na imagem b da figura 4 40 4 7 3 Resultados da an lise qu mica do processo de soldadura SER Na figura 4 41 apresenta se o espectro resultante de uma microan lise por espectrometria de dispers o de energia de raios X s part culas resultantes do processo de soldadura SER com el ctrodos revestidos b sicos Contagens 113 1004 804 Ca 604 404 Fe Cu 0 co Si 204 T T T T T T T 0 5 1 0 15 20 25 3 0 3 5 4 0 45 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0 75 8 0 8 5 9 0 9 5 10 0 keV Figura 4 41 An lise EDS El ctrodos b sicos Na figura 4 41 apresentam se os resultados da microan lise que revelam grandes quantidades de pot ssio ferro c lcio mangan s e cobalto Estes elementos resultam do revestimento do el ctrodo O cobre considerado como sendo da grelha onde se analisaram as amostras e n o resultado do processo de soldadura Na figura 4 42 apresenta se o espectro relativo an lise qu mica realizada ao processo de soldadura SER com el ctrodos revestidos rutil cos 82 Capitulo 4 Resultados e Discuss o Contagens 63 604 AORA 50 40 cl 304 Cu Na Si Mn 204 Mg s 104 keV Figura 4 42 An lise EDS El ctrodos Rutilicos Na figura
22. o deve ser considerado como resultado do processo de soldadura mas sim como uma interfer ncia do ambiente do laborat rio interfer ncia esta normal para um local onde trabalham em simult neo v rias pessoas Na figura 4 12 apresenta se a m dia dos resultados obtidos em todos os pontos de amostragem Neste gr fico pode se ter uma ideia geral das reas das part culas com capacidade de deposi o alveolar por volume pulmonar 58 Capitulo 4 Resultados e Discuss o 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 volume pulmonar Lum cm 0 20 40 60 80 100 120 140 Tempo s 2 Area de superficie das particulas por M dia de todos os pontos ensaio 3 Figura 4 12 M dia de todos os pontos de amostragem Ensaio 3 No gr fico da figura 4 12 o valor m ximo de 32946 um cm este valor representa o m ximo m dio dos cinco pontos de amostragem no laborat rio 4 4 4 Ensaio 4 O ensaio 4 foi indicado na tabela 3 7 como um processo de soldadura com um modo de transfer ncia globular e uma mistura gasosa de Ar 8 CO As figuras 4 13 e 4 14 apresentam valores m dios entre o ensaio e a r plica das medi es realizadas com o NSAM das reas superficiais das part culas ao longo do tempo de soldadura para os v rios pontos definidos no plano experimental 59 Capitulo 4 Resultados e Discuss o 4000 5 3500 Q E 3000 E E 2500 amp 5 2000 SE E 1500 1000 Da Sg 500 vs Ko o 0
23. o em processos cuja finalidade n o a de produ o de nanopart culas mas que tem como consequ ncia a liberta o de nanopart culas Este segundo tipo de exposi o pode se encontrar na ind stria em processos que est o indicados na tabela 2 7 18 Capitulo 2 Estado de Arte Tabela 2 7 Processos e potenciais fontes de emiss o de nanopart culas 24 Tipo de processos Exemplos de fontes de emiss o T rmicos Soldadura de Metais Fundi o de metais Corte de metais Tratamentos t rmicos de superf cies Mec nicos Maquina o Fura o Polimento Combust o Emiss es de motores Centrais de incinera o t rmicas e cremat rios Aquecimento a g s Foi definida uma representa o das v rias regi es do aparelho respirat rio pela International Commission of Radiological Protection ICRP e pela Ag ncia Federal Americana de Protec o Ambiental US EPA apresentada na figura 2 9 Estas s o regi es onde poss vel haver deposi o de nanopart culas Foi tamb m desenvolvido pelo ICRP um modelo de deposi o de part culas no pulm o humano para aeross is Para a constru o deste modelo necess rio considerar v rios par metros como a taxa de respira o o volume do pulm o a actividade respirat ria nariz boca entre outras caracter sticas do sistema respirat rio 9 poss vel obter curvas de deposi o tanto para a deposi o traqueobr nquial como alveolar depe
24. possibly causing a decrease on the respiratory capacity of welders as other technical personal involved in welding operations Studies such as this enable the determination of the alveolar surface area of nanoparticles deposited concentration morphology and composition resulting from various process conditions KEY WORDS Nanoparticles Fusion welding Metal Active Gas MAG Shielded Metal Arc Welding SMAW Fume generation INDICE AGRADECIMEN TOS vissesinicciti ehh is ites eee LA ea i RESUMO sive aspas cr aa eae nl ds haa da dar ae Te aaa oe Ea dont as nei is a iii MaN peN D iSo CO AE TA AE EST iv INDICE a a NEE a a v LISTA DEHGURAS eiat le ree E REEE ne E E ETEA deta ee ate viii EITA DE TABELAS maoe e n EE E E e E e E E e EN E e aE x NOMENCLATURA ii e e a oea a a a a ei a xiii Nomenclatura Romana sses eenen nea a e Limas EE EEE E ERATEN xiii Nomenclatura Greg iccssccczeecgtitesstel iebviesscachengsceeseens n EE EAEE EEE AEE E ER EEEE xiv T INTRODU O rdias aa o a 1 1 1 Enquadramento ereenn i oth eg T E A EEE sina Tr AGR te E 1 1 2 Motivagao cisasinicinunisiininndhnsdaincenh Salen enlace ae eae 2 1 3 C DJCCUIVOS Sil RA I ISIE AN LEA ES ASR LAY 2 14 Estr tura da dissertacaOse c scizsesscdgteselacsticsclescrssiceessesaneeteiplacetesselgeveasesceesesesoetecelauettesely 3 2 ESTADO DE ARTE cance sy Hiatt is Sie a ene Cadeado Aa ae 5 2 1 ATCO BL C TICO ays oct ieeus catexcwsiuag es sesuesslebheeet sect se
25. E Ee EAEn E ea ASEE 43 3 6 4 Recolha de amostras para medi o no SMPS sesesesesesressesrresesresrrsresresresserreess 44 3 7 Procedimento experimental para o processo de soldadura SER 45 3 7 1 Caracteriza o dos el ctrodos utilizados eres 45 3 7 2 Ensaio experimentais do processo de soldadura SER 46 3 7 3 Recolha de amostras para medi o com monitor de rea de superf cie de nanoparticulas s odes doc steven eenei Ee RAE E Rabo u cuted E Does E a e eaa 46 3 7 4 Recolha de amostras com o amostrador de aeross is nanom tricos para an lise d microscopi s inenen RE E RRE E ines E E A E E a E 48 3 8 Conclus es oaie e Ean AE EEE ea EE ETN 48 RESULTADOS E DISCUSSA Oinig a TO Ri 49 4 1 Introdu o reaa e aea re E E E EN E a ee E a cet 49 4 2 Objectivo Sn anieri eaea e ane a a a e tae raens Eoo eera E a eee Die saga ets 49 4 3 C lculo das entregas t rmicas saninin n n a a 50 4 4 Resultados do NSAM no processo de soldadura MAG 51 4 4 1 ENSAIO ta fete hs e EE E E E O EE R a e eE RE A 52 4 4 2 Ensi Zanni n a i a a aai ee Mees 54 4 4 3 ENSAIO Senia ee hin eee he Re aad a E EER ET 56 4 4 4 EnSaiO A set seiessetadeleaiveniecstbadechsielaeee hs delenspetlagenstheddetstelagedae a a aa 59 4 4 5 Discuss o dos resultados do NSAM no processo de soldadura MAG 62 vi Indice 4 5 Resultados do NSAM no processo de soldadura SER e
26. Ensaio4 Tipo de el ctrodo Rutilico E 6013 Rut lico E 6013 B sico E 7018 1 B sico E 7018 1 Intensidade A 70 90 70 90 3 7 3 Recolha de amostras para medi o com monitor de rea de superf cie de nanopart culas Como tamb m foi explicado no processo de soldadura MAG a utiliza o deste monitor possibilita a obten o das reas de superf cie das nanopart culas com capacidade de deposi o nos pulm es mais especificamente nos alv olos As part culas que se pretendem analisar s o as com capacidade de deposi o alveolar e por isso o monitor foi colocado no modo A ou seja no modo alveolar Antes de se iniciarem quaisquer medi es fez se a calibra o autom tica do equipamento No processo de soldadura SER as medi es realizadas foram id nticas s do processo de soldadura MAG ou seja de 10 em 10 segundos pelo software do equipamento Este intervalo de tempo foi assim definido para evitar satura es do equipamento visto este estar a analisar ambientes com grandes quantidades de part culas em suspens o 46 Capitulo 3 Procedimento Experimental Como neste processo de soldadura os cord es foram realizados manualmente e as taxas de deposi o do material variam com as intensidades de corrente o tempo de soldadura n o foi sempre o mesmo em todos ensaios No entanto o tempo m dio de soldadura para os el ctrodos B sicos a 90 A foi de 65 s e a 70 A foi de 74 s para os el ctrodos Rut
27. Intensidade de corrente Instituto de Ci ncia e Engenharia de Materiais International Commission of Radiological Protection Comiss o Internacional de Protec o Radiol gica International Institute of Welding Instituto Internacional de Soldadura Instituto Superior T cnico Constante de Boltzman Metal active gas Metal g s activo Metal inert gas Metal g s inerte Nanometer Aerosol Sampler Amostrador de aeross is nanom tricos National Instruments Nanoparticle Surface Area Monitor Monitor de rea de superf cie de nanopart culas Soldadura por el ctrodos revestidos Shielded Metal Arc Welding Soldadura por arco el ctrico Scanning Mobility Particle Sizer Analisador de part culas por mobilidade Temperatura Regi o traqueobr nquial Transmission el ctron microscopy Microsc pio electr nico de transmiss o TSLTrust Science Innovation Inc Ag ncia Federal Americana de Protec o Ambiental xiii Nomenclatura Velocidade de soldadura Queda de voltagem no nodo Tens o de arco rea de sec o do el ctrodo Efici ncia de deposi o na regi o alveolar Efici ncia de deposi o de part culas na regi o do nariz Efici ncia de deposi o na regi o traqueobr nquial For a electromagn tica For a da gravidade For a de arrastamento do plasma Tens o superficial Comprimento da soldadura Tempo de arco Carga do electr o Extens o do el ctrodo Nomenclatura Grega O Ren
28. amostragem a 100 cm Este facto deve se grande quantidade de ensaios que precederam estas amostragens e a mais uma vez o tempo necess rio para a deposi o das part culas ser superior ao que se esperava inicialmente ficando assim grandes concentra es de nanopart culas em suspens o no ar Na figura 4 10 a maior rea de superf cie de part culas com capacidade de deposi o alveolar medida foi de 89428 um na hotte Na figura 4 11 observam se as medi es no ambiente antes dos ensaios de soldadura e respectivas r plicas Estas medi es ilustram a situa o referida anteriormente do tempo de 57 Capitulo 4 Resultados e Discuss o deposi o das part culas durante estas amostragens n o houve quaisquer ensaios de soldadura No entanto existiam trabalhos no mesmo laborat rio em simult neo com a realiza o destas amostragens Por isso as medi es das reas de superf cie das part culas com capacidade de deposi o alveolar chegam a atingir valores superiores aos das medi es durante os ensaios de soldadura 2500 2000 ha un Q o ja Q Q 500 volume pulmonar um cm 0 20 40 60 80 100 120 140 Tempo s rea de superf cie das part culas por ra 5 cm 00cm 300 cm Hote M sc operador Figura 4 11 Medi o com NSAM ao ambiente antes dos ensaios e r plicas nos v rios pontos do ensaio 3 Na figura 4 11 a linha da amostragem a 50 cm tem um pico que n
29. bomba ap s passagem num ciclone que ret m as part culas com dimens es superiores a 1 um Ap s estas fases o fluxo dividido em dois fluxos um com um caudal de 1 l min passa por um filtro de carbono um filtro HEPA um ionizador que induz cargas positivas nos i es e que por fim vai para uma c mara de mistura O outro fluxo com um caudal de 1 5 l min segue logo para a c mara de mistura onde se mistura com o fluxo ionizado onde os ides em excesso s o removidos por um sistema de aprisionamento de ides A voltagem do sistema de aprisionamento de i es pode ser alterada de modo a poder se optar entre o modo traqueobr nquial e a alveolar 36 Capitulo 3 Procedimento Experimental Para avalia o da exposi o a nanoparticulas o equipamento operado no modo A correspondendo deposi o de part culas na regi o alveolar do pulm o de um trabalhador de refer ncia de acordo com os modelos da ICRP e da ACGIH 35 9 O sistema automatizado e a an lise dos dados feita por computador com um software espec fico da T S I Nas figuras 3 19 e 3 20 apresenta se uma fotografia do monitor e o esquema de funcionamento do equipamento respectivamente Carregador 1 pA 2 KV Transdutor de Press o Remo o de Toes Part culas em excesso Transdutor de Press o Figura 3 20 Esquema de funcionamento do NSAM 35 3 5 3 Amostrador de aeross is nanom tricos As part culas em suspens o foram rec
30. de arco electricamente neutra pois a carga dos electr es e ides positivos por unidade de volume aproximadamente igual e por os electr es dirigirem se para o nodo enquanto os i es positivos dirigem se para o c todo 11 Na queda de tens o cat dica identificam se os seguintes mecanismos 1 Emiss o t rmica 2 Emiss o plasmog nica 3 Emiss o de campo A emiss o t rmica caracterizada pela ocorr ncia de uma mancha cat dica mal definida e por uma densidade de corrente baixa que ocorre nos el ctrodos n o consum veis de tungst nio 4 4 7 2 O segundo mecanismo associado a valores de densidade de corrente de 10 a 10 A cm e caracterizada por uma mancha cat dica estacion ria e uma contrac o marcada na zona da coluna de arco imediatamente adjacente ao c todo Este mecanismo ocorre em arcos de baixa corrente e elevada press o como no processo de soldadura por plasma A emiss o de campo indica que a mancha cat dica bem definida mas n o estacion ria 4 movendo se com velocidades da ordem de 10 cm s A densidade de corrente varia entre os 5 8 2 D 10 e 10 A cm Este tipo de mecanismo predomina em soldadura com el ctrodos consum veis 11 Nos processos de soldadura por fus o utilizam se dois tipos de corrente alterna e cont nua A utiliza o de corrente cont nua em rela o corrente alterna tem algumas vantagens como a ocorr ncia de um arco mais es
31. de part culas na regi o do nariz cabe a em acordo com o modelo criado pelo ICRP onde d representa o di metro da part cula em um e I representa a frac o de part culas inal veis dada pela equa o 2 4 1 10 21 Capitulo 2 Estado de Arte 1 2 4 1 Pua I d 93401183 14934411 A fac o de part culas suspensas que s o inaladas dada pela seguinte equa o 1 2 4 2 LUSTS 1 IF Te ee A efici ncia de deposi o na regi o traqueobr nquial dada pela seguinte equa o Dre 22035 exp 0 234 Ind 3 40 63 9 exp 0 819 Ind 1 61 2 2 4 3 A efici ncia de deposi o na regi o alveolar dada pela seguinte equa o 2 4 4 0 0155 Da F exp 0 416 lnd 2 84 2 19 11 exp 0 482 lnd 1 362 2 A efici ncia total de deposi o das part culas em todas as regi es dada apenas pela soma das efici ncias de cada regi o A capacidade de deposi o em cada regi o do sistema respirat rio consiste em dois modelos um que corresponde parte depositada por difus o e outro que corresponde parte depositada aerodinamicamente Estes dois modelos correspondem aos primeiros e segundos termos respectivamente das equa es 2 4 1 2 4 3 e 2 4 4 2 5 Sistemas de remo o Os processos de soldadura MIG MAG e SER s o utilizados em cerca de 70 dos trabalhos de soldadura e nestes processos a redu o dos fumos pode ser obtida atrav s da redu o de tem
32. de soldadura O controlo do motor passo a passo realizado atrav s de um controlador da Astrosyn alimentado por uma fonte de alimenta o de 24 V e comandado pelos m dulos da National Instruments O controlador do motor faz com que este rode o seu veio passo a passo atrav s de uma onda quadrada de 5 V a 5 V gerada electronicamente como a representada na figura 3 16 A velocidade do motor controlada atrav s da manipula o da frequ ncia da onda 32 Capitulo 3 Procedimento Experimental Figura 3 16 Onda quadrada do motor passo a passo Os dois m dulos da National Instruments utilizados foram aplicados no chassi NI Compact DAQ 9178 e utilizados para enviar sinais para o accionamento da tocha de soldadura para o controlador do motor da mesa e para os fins de curso da mesa Estes sinais enviados pelos controladores permitem a automa o da mesa e s o gerados com o aux lio de software pr prio descrito no cap tulo 3 3 6 No anexo A2 apresenta se o manual de utiliza o da mesa e ainda uma descri o mais detalhada do modo de opera o dos controladores 3 3 6 Software de controlo da mesa Todo o equipamento foi controlado por computador atrav s do Labview Este software permite criar um interface com o utilizador da mesa de soldar simples de utilizar e de interpretar Na figura 3 17 ilustra se o ambiente do programa constru do para controlar a mesa de soldar STOP END Frequencia o TE
33. durante a soldadura deve ser rejeitada por ser um erro do equipamento A dimens o que existe em maior quantidade de 128 6 nm e existem 46110 part culas por cm com essa dimens o Para o ensaio 2 o di metro m dio das part culas de 180 3 nm 4 6 3 Ensaio 3 Na figura 4 35 representa se o resultado de uma amostragem no ambiente antes do processo de soldadura e uma amostragem a um cord o de soldadura do processo de soldadura MAG durante 3 minutos 76 Capitulo 4 Resultados e Discuss o dN dlogDp Numero de Particul Di metro nm Amostragem durante soldadura Amostragem do ambiente antes da soldadura Figura 4 35 Resultados SMPS Ensaio 3 Na figura 4 35 a maior quantidade de part culas ocorre nas ltimas gamas de di metro entre os 128 6 nm e os 437 1 nm e existe tamb m uma grande diferen a entre as medi es realizadas durante a soldadura e antes da soldadura no ambiente A dimens o que existe em maior quantidade de 171 5 nm e existem 37785 part culas por cm O di metro m dio das part culas resultantes do processo de soldadura foi de 229 1 nm 4 6 4 Ensaio 4 Na figura 4 36 representa se o resultado de uma amostragem no ambiente antes do processo de soldadura e uma amostragem a um cord o de soldadura do processo de soldadura MAG durante 3 minutos 77 Capitulo 4 Resultados e Discuss o 60000 55000 50000 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000
34. ea gia Atte as res te Lat UoS Dl Sree ete traria das 55 Figura 4 8 M dia de todos os pontos de amostragem Ensaio 2 56 Figura 4 9 Ensaio 3 transfer ncia spray com mistura gasosa Ar 18 CO a 50 cm 100 cme 300CM essere fare TA cn DS cl a O DOS OS a E e eects dt do de Pau SL ed 57 Figura 4 10 Ensaio 3 transfer ncia spray com mistura gasosa Ar 18 CO2na hotte e m scara do Operad r seis iste tects tees ghd wee eae eee ee CS duda ta eA Wiel lets 57 Figura 4 11 Medi o com NSAM ao ambiente antes dos ensaios e r plicas nos v rios pontos do ENSAIO Bynes pets rca sr agaia Sass gech wu ce tate geese ana elo pda ig aonde AVG Tag o Dio ada pa adams guecost tens sede Raa toate alo seca te Qt pes 58 Figura 4 12 M dia de todos os pontos de amostragem Ensaio 3 59 Figura 4 13 Ensaio 4 transfer ncia spray com mistura gasosa Ar 8 CO a 50 em 100 cme Figura 4 14 Ensaio 4 transfer ncia spray com mistura gasosa AR 8 CO na hotte e m scara do operador sia dao eet ANSON EAA SA O AO E O Os 60 Figura 4 15 Medi o com NSAM no ambiente antes dos ensaios e r plicas nos v rios pontos do ENSAIO A E ppo nerd oiane seed sta E NARRA oes duce pa sd couse DRA ba Pages o oba dade E E TEA 61 Figura 4 16 M dia de todos os pontos de amostragem do ensaio 4 0 0 eee eee eseecsseceecseeeeeeees 61 Figura 4 17 El ctrodo Rut lico 70 A a 50 em 100 em 300 em 63 Figura 4 18 El ctrodo Rut lico 70 A no exterio
35. i Ww w w 50 60 70 EO SO 100 10 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 2 250 20 250 Direc o F5 ON Esquerda OFF Direita Rel F12 Do Ciclos z Cc o D a Numeric Tempo Disable F1 o aooo Emo Distancia mm Freq Efect Velocidade mm min PE o o Figura 3 17 Interface LabView No interface o utilizador pode controlar o sentido do movimento no bot o Direc o pode controlar a frequ ncia da onda que o programa simula atrav s de impulsos alternados na barra Frequ ncia pode definir a distancia que quer soldar ou que a tocha se desloque introduzindo 33 Capitulo 3 Procedimento Experimental essa distancia em mil metros no espa o Dist ncia no bot o Rel poss vel activar ou desactivar a soldadura ou seja este bot o simula o pressionar do gatilho da tocha Outro par metro que o operador pode ainda controlar o Disable Este bot o quando accionado desliga o motor e tanto pode ser accionado pelo utilizador como por um dos dois fins de curso existentes na mesa o bot o Stop p ra tanto a mesa como o programa Os outros campos existentes neste interface s o de indica o o campo Tempo indica o tempo de soldadura o campo Freq Efectiva indica a frequ ncia real que est a ser gerada que n o igual seleccionada pelo operador porque o tempo de processamento do programa influencia a frequ ncia efectiva e vai variar de computador para c
36. metodologia de recolha de fumos e as an lises efectuadas Resultados e discuss o Analisam se criticamente os resultados Conclus es Neste cap tulo s o expostas as conclus es retiradas do trabalho realizado e apontam se algumas recomenda es para trabalhos futuros Bibliografia 2 ESTADO DE ARTE 2 1 Arco El ctrico Pode definir se um arco el ctrico como um condutor gasoso no qual se transforma energia el ctrica em energia calorifica Atrav s de uma descarga el ctrica estabelece se um arco el ctrico que mantido por um condutor gasoso Os el ctrodos atrav s dos quais estabelecido o circuito el ctrico em soldadura s o em carv o ou metal O el ctrodo negativo a partir do qual s o emitidos electr es que passam atrav s do g s designado por c todo e o el ctrodo positivo por nodo O deslocamento dos electr es do c todo para o nodo o resultado da diferen a de potencial 11 No arco el ctrico designam se as diferentes zonas por e Zona de queda de tens o cat dica junto ao c todo e Zona de queda de tens o an dica junto ao nodo e Coluna de arco ou plasma de arco zona central do arco As part culas num arco el ctrico possuem movimentos distintos os electr es partem do c todo e v o bombardear o nodo os i es positivos tornam na direc o do c todo e os i es negativos como os de oxig nio movimentam se na direc o do nodo Capitulo 2 Estado de Arte A coluna
37. no arco el ctrico Efeitos agudos incluem l quido nos pulm es e hemorragias efeitos cr nicos incluem altera es nas fun es pulmonares xidos de Formados no arco ecl ctico Pneumonite edema pulmonar bronquite nitrog nio cronica enfisema e fibrose pulmonar Mon xido Gases de protec o com Dores de cabe a n useas tonturas desmaios de carbono di xido de carbono e morte efeitos cr nicos cardiovasculares revestimentos de el ctrodos Os m todos de amostragem tradicionais para recolha de nanopart culas t m se mostrado insuficientes Em estudos recentes foram aplicadas metodologias como a coloca o de amostradores est ticos nas reas de trabalho a utiliza o de bombas de amostragem pessoal com filtros colocados na zona de respira o do operador ou na coloca o de equipamentos de leitura em tempo real que podem ser est ticos ou pessoais Com estes m todos os par metros que podem ser determinados s o o tamanho a massa a concentra o e a composi o qu mica das nanopart culas Nas metodologias aplicadas em estudos j realizados n o foi poss vel obter o par metro da rea de superf cie de nanopart culas com capacidade de deposi o alveolar que como foi dito o par metro mais relevante 23 Podem se considerar dois tipos de exposi o profissional a nanopart culas h exposi o relacionada com a produ o e utiliza o de nano objectos e nano materiais e existe tamb m a exposi
38. part culas resultantes do processo de soldadura MAG com a mistura gasosa Ar 18 COs Contagens 46 404 30 20 Figura 4 37 An lise EDS da mistura gasosa Ar 18 CO 79 Capitulo 4 Resultados e Discuss o Na figura 4 37 podem distinguir se os v rios elementos recolhidos pela grelha Os elementos que foram libertados pelo processo foram o f sforo e o ferro O cobre que tamb m se identifica em grande quantidade apenas resultado do material da grelha onde as part culas se encontram que de cobre Na figura 4 38 apresenta se o espectro das amostras recolhidas durante o processo de soldadura MAG com a mistura gasosa Ar 8 CO Contagens 10 keV Figura 4 38 An lise EDS da mistura gasosa Ar 8 CO Para o processo de soldadura MAG com a mistura gasosa Ar 8 CO o nico elemento observado foi o ferro Tanto no processo de soldadura MAG com a mistura gasosa mais oxidante como na menos oxidante os elementos qu micos recolhidos foram elementos resultantes da composi o do fio de soldadura 4 7 2 Resultados da an lise morfol gica do processo de soldadura MAG Uma das caracter sticas importantes detectadas nas part culas recolhidas a sua forma Na figura 4 39 pode ver se imagens captadas por microscopia TEM para o processo de soldadura MAG com a mistura gasosa de Ar 18 CO 80 Cap tulo 4 Resultados e Discuss o de a ata b 500 nm
39. por vezes se demonstra lento e com um tempo superior ao das medi es Esta situa o deve se muitas vezes a ainda existirem part culas em suspens o no ar decorrentes de ensaios experimentais anteriores Estas part culas que com o tempo come am a depositar se t m diferentes comportamentos dependendo do n mero de ensaios de soldadura que tenham antecedido as medi es O primeiro pico que se pode observar nas figuras para as v rias dist ncias representa o momento em que o monitor detecta as nanopart culas e a queda acentuada que por vezes se observa logo ap s esse pico deve se a uma satura o do monitor o que provoca uma falha na leitura do valor de part culas Estas quedas nas leituras ap s picos elevados n o devem ser consideradas como resultado do processo de soldadura mas sim como uma anomalia no funcionamento do monitor de rea de superf cie de nanopart culas Fazendo uma an lise aos resultados poss vel verificar qual a mistura gasosa e o modo de transfer ncia que provoca emiss es de nanopart culas com maiores reas de superf cie por volume pulmonar Comparando o ensaio 1 com o ensaio 3 e o ensaio 2 com o ensaio 4 poss vel identificar qual o modo de transfer ncia respons vel pelas maiores reas de superf cie das nanopart culas Para os ensaios 1 e 3 onde apenas o modo de transfer ncia diverge comparando a figura 4 1 com a figura 4 9 observa se que existem reas de superf cie de nanopart
40. rios deposi o das nanopart culas em suspens o no ambiente do laborat rio Na figura 4 16 apresenta se a m dia dos resultados obtidos em todos os pontos de amostragem Neste gr fico pode se ter uma ideia geral das reas das part culas com capacidade de deposi o alveolar por volume pulmonar 20000 18000 gt _ 16000 3 N 5 14000 9 E E 12000 amp 10000 S E 8000 o O 3 6000 E 8 4000 So 2 2000 5 3 E 0 S 0 20 40 60 80 100 120 140 lt Tempo s M dia de todos os pontos ensaio 4 Figura 4 16 M dia de todos os pontos de amostragem do ensaio 4 Na figura 4 12 o valor m ximo de18314 um cm Este valor representa o m ximo m dio dos cinco pontos de amostragem no laborat rio 61 Capitulo 4 Resultados e Discuss o 4 4 5 Discuss o dos resultados do NSAM no processo de soldadura MAG Estes ensaios de soldadura tiveram sempre a dura o de 90s e as medi es coincidiram sempre com o in cio do processo de soldadura Nestes gr ficos poss vel observar picos que correspondem chegada das part culas resultantes do processo ao equipamento e pode verificar se que mesmo quando o processo de soldadura termina as part culas continuam suspensas no ar durante algum tempo Nos gr ficos das medi es realizadas no ambiente antes e depois de cada cord o realizado ocorrem decr scimos ao longo do tempo de medi o das reas de superf cie das part culas o que
41. tipo gatilho com que o soldador controla a alimenta o do el ctrodo Neste tipo de situa o a soldadura semiautom tica O processo de soldadura MAG utilizado em produ o de grandes quantidades de constru es soldadas e em manuten o 11 13 Na figura 2 5 encontram se esquematizados 12 Capitulo 2 Estado de Arte os princ pios de funcionamento deste processo e na tabela 2 5 est o descritos os principais par metros do processo Direc o de soldadura Figura 2 5 Princ pio de funcionamento MAG Figura adaptada 17 1 Fluxo de g s de protec o 2 Arco el ctrico 3 Banho de Soldadura 4 Metal solidificado 5 Tocha de soldadura 6 Bocal de g s 7 Tubo de contacto 8 Fio de el ctrodo 9 Atmosfera de protec o 10 Material base Tabela 2 5 Par metros de soldadura 11 Principais par metros do Processo de soldadura MAG e Intensidade de corrente e Tens o do arco comprimento do arco e Velocidade de soldadura e Extens o do el ctrodo e Tipo de g s de protec o e Di metro do el ctrodo 2 3 1 Equipamento do processo de soldadura MAG Na figura 2 6 encontra se um esquema do equipamento b sico para o processo de soldadura MAG 13 Capitulo 2 Estado de Arte Manometro Tubo do Gas Bobine do E Alimentador el ctrodo do electrodo Controlador da alimentcac El ctrodo E Cabo de condu o de corrente para o
42. uma penetra o m dia e uma taxa de fus o elevada e B sico S o indicados para aplica es de responsabilidade no entanto s o altamente higrosc picos o que implica cuidados especiais como a secagem antes de serem utilizados Estes el ctrodos cont m quantidades elevadas de carbonatos de c lcio entre outros como fluorite Geram uma esc ria de caracter sticas b sicas que juntamente com o anidrido carb nico protege a soldadura da atmosfera A possibilidade de ocorrer fissura o a frio com a utiliza o destes el ctrodos m nima e quando correctamente utilizados originam soldaduras de baixo teor de hidrog nio A penetra o m dia com um cord o de boas propriedades mec nicas 10 Capitulo 2 Estado de Arte Tabela 2 3 continua o Classifica o do revestimento SER 11 e Celul sico Estes el ctrodos s o muito utilizados na soldadura de tubagens e embora n o sejam muito utilizados para a realiza o de passes de enchimento s o indicados para esse efeito visto terem uma elevada penetra o O revestimento em grande parte composto por materiais org nicos nomeadamente a celulose materiais que quando se decomp em no arco el ctrico geram grandes quantidades de gases que protegem o metal l quido da atmosfera O arco el ctrico gera muitos salpicos e fumos e produz pouca esc ria originando um cord o com mau aspecto e com boas caracter sticas mec nicas mas fr gil devido ao hidrog
43. 018 Disponivel em http www lincolnelectric com assets global Products Consumable_StickElectr odes MildandLowAlloySteels Excalibur Excalibur7018 1MR c21011 pdf Acedido a 11 de Setembro de 2012 T S L Nanoparticle Surface Area Monitor 3550 Disponivel em http www tsi com Product View aspx id 21931 Acedido em 6 de Agosto de 2012 T S L Nanometer Aerosol Sampler Model 3089 Disponivel em http www tsi com uploadedFiles _Site_Root Products Literature Spec_Sheets 3089 pdf Acedido em 6 de Agosto de 2012 T S L Model 3034 SMPSTM Scanning Mobility Particle Sizer Operation and Service Manual ed U S A TSI Incorporated 2003 T S L Aerosol Statistics Lognormal Distributions and dN dlogDp ed U S A TSI Incorporated 2010 T S L Scanning Mobility Particle Sizer Spectrometer 3034 Disponivel em http www tsi com scanning mobility particle sizer spectrometer 3034 Acedido em 7 de Agosto de 2012 Rede Nacional de Microscopia Disponivel em http mnme up pt index_3_pt htm acedido em 10 de Agosto de 2012 E A C Souza CONSUMIVEIS DE SOLDAGEM ed Lincoln Electric Brasil S Kou Welding Metallurgy NJ Wiley Interscience 2003 89 ANEXOS Anexos Al Desenhos t cnicos da mesa de soldar A1 1 Estrutura da mesa de soldar 1420 j O Q Pro 1500 Q g 360 Q 40 UNLESS OTHERWISE SPECIFIED FINISH DEBUR AND DIMENSIONS
44. 3 3 1 Principais requisitos As principais caracter sticas pretendidas para a mesa de soldadura foram e Controlo autom tico de velocidade de soldadura e Controlo do comprimento do arco el ctrico e Controlo da posi o da Tocha e Custo de constru o e manuten o reduzido 3 3 2 Planeamento da constru o O planeamento da constru o da mesa de soldadura come ou por um levantamento de recursos dispon veis nomeadamente Guia linear DryLin ZLW Motor passo a passo Astrosyn MY23HS1 5 Controlador de motor P402AMicrostepping Motor drive NI CompactDAQ 9178 NI High Speed Bidirectional Digital I O Module 9401 NI Sourcing Digital Output Module 9474 Perfis tubulares e chapas em a o de v rias dimens es Blocos e var es de alum nio de v rias dimens es Maquina de soldar ProMig 501 da Kempi As caracter sticas de cada componente s o apresentadas na tabela 3 1 26 Capitulo 3 Procedimento Experimental Tabela 3 1 Principais caracteristicas dos equipamentos e Guia linear DryLin ZLW Correia dentada comprimento de 1400 mm curso Util de E 1300 mm guia e base do patim em alum nio n o necessita de lubrifica o e capacidade de acoplar um motor para Figura 3 1 Guia Linear 25 controlo do patim e Motor passo a passo Astrosyn MY23HS1 5 Motor Bipolar com torque elevado e de alta precis o Figura 3 2 Motor passo a passo 26 e Controlador de motor P402A Microstepping Motor drive Ali
45. 4 42 poss vel distinguir v rios elementos dos quais se destacam o pot ssio o c lcio o cloro o sil cio o ferro e o mangan s Estes elementos s o o resultado da fus o do revestimento e da esc ria formada por este mesmo revestimento durante o processo de soldadura 4 7 4 Resultados da an lise morfol gica do processo de soldadura SER Na figura 4 43 apresentam se duas imagens resultantes da an lise por microscopia TEM a uma grelha com part culas captadas no processo de soldadura SER com el ctrodos revestidos rutil cos 83 Capitulo 4 Resultados e Discuss o Figura 4 43 Imagens TEM de nanoparticulas do processo de soldadura SER com el ctrodos Rutilicos a Part culas escala de 1 um b Part culas escala de 500 nm As part culas do processo de soldadura por el ctrodos revestidos rutil cos caracterizam se por serem bastante aglomeradas com formas esf ricas como pode observar se na imagem a e bastante amorfas As part culas na figura a encontram se mais aglomeradas e maiores do que da figura b As part culas apresentam dimens es que v o desde ligeiramente inferiores a 100 nm at aproximadamente 500 nm A figura 4 44 composta por duas imagens obtidas por microscopia TEM no processo de soldadura por el ctrodos revestidos b sicos a om ly Figura 4 44 Imagens TEM de nanopart culas do processo de soldadura SER com el ctrodos B sicos a Part culas escala de 100 nm
46. 501 da Kemppi As principais caracter sticas da mesa s o e Controlo autom tico de velocidade de soldadura e Controlo do comprimento do arco el ctrico e Controlo da posi o da Tocha e Custo de constru o e manuten o reduzido A2 2 Lista de componentes e Cabo de liga o do rel m quina de soldar e Cabo de liga o mesa de soldar e Controlador de motor P402A Microstepping Motor drive e Fonte de alimenta o 24 V e Fonte de alimenta o 4 8 V e Mesa de soldadura MIG MAG e NI CompactDAQ 9178 e NI High Speed Bidirectional Digital I O Module 9401 e NI Sourcing Digital Output Module 9474 A2 3 Prepara o dos componentes As liga es entre todos os componentes s o ilustradas e explicadas abaixo A figura A6 ilustra o chassi CDAQ onde se ligam os dois m dulos da NI Os m dulos NI 9474 e o m dulo NI 9401 devem ser ligados nas portas 1 e 2 respectivamente vii Anexos NATIONAL NI cDAQ 9178 e oe E 1 2 3 4 5 6 7 e INPUT E 9 30V 15 W MAX Figura A6 Ilustra o de cDAQ 9178 Na figura A7 observa se uma ilustra o do m dulo NI 9474 As liga es entre o m dulo P402A o rel fins de curso e o m dulo NI 9474 s o realizadas da seguinte forma Pulse Direction Enable Rel e Fonte 4 8 V e Fim de curso fio castanho e Pulse e Direction e Enable e Rel e Fonte
47. 8 M dia de todos os pontos de amostragem do Ensaio 3 70 Figura 4 29 El ctrodo Basico 90 A a 50 cm 100 cm 300 CM 00 ec eeeceeeceeeeteeeeneeceeaeeeeeeeees 71 Figura 4 30 El ctrodo Basico 90 A no exterior da mascara do operador no interior da m scara do operador e na hotte esei enie ea aiie e t e eeii iE oiea i EE ei 71 Figura 4 31 Medi o com NSAM ao ambiente antes dos ensaios e suas r plicas nos v rios pontos do ensaio Az ssa aceasta NE ee ee i ei 72 Figura 4 32 M dia de todos os pontos de amostragem do Ensaio 4 00 0 eeeeeeessecsseceseceeeeeeees 73 1X Indice Figura 4 33 Resultados SMPS Ensaio 1 00 0 eee eeeesecsseceseceseceseeeseesseeeseeeeseeesaecaaecsaeceaecsaeeseeess 75 Figura 4 34 Resultados SMPS Ensaio2 ose eesecesecsseceseceseceseceseeeseeesseeeaeeeseecaaecsaecaessaeenseeees 76 Figura 4 35 Resultados SMPS Ensaio 3 sessseeeeeseoesesessseseesseseessesseesesserseereeseisseseessesseesiesesseesss 77 Figura 4 36 Resultados SMPS Ensaio 4 0 0 0 eesecesecssecsseceseceseceseeeseeesneeeseesseecaaecsaecaecsaeeseeees 78 Figura 4 37 An lise EDS da mistura gasosa Ar 18 CO eres 79 Figura 4 38 An lise EDS da mistura gasosa Ar 8 CO eee 80 Figura 4 39 Imagens TEM de nanopart culas do processo de soldadura MAG com mistura gasosa AT 139 P CO ioiei n ssh GEE E AET ide E E A A as 81 Figura 4 40 Imagens TEM de nanopart culas do processo de soldadura MAG com mistura
48. 80 100 120 20000 lt Tempo s Ext Mascara do operador M scara do operador Hotte Figura 4 30 El ctrodo B sico 90 A no exterior da m scara do operador no interior da m scara do operador e na hotte Na figura 4 30 apresentam se as medi es para os pontos do exterior da m scara do operador do interior da m scara do operador e da hotte E no exterior da m scara do operador 71 Capitulo 4 Resultados e Discuss o que se registam os maiores valores para as reas de superf cie por volume pulmonar das nanopart culas sendo o maior valor de 100000 um cm Na figura 4 31 apresenta se o registo de medi es realizadas antes dos ensaios e antes das r plicas de cada um desses ensaios 2500 2000 EEE rea de superf cie das part culas por volume pulmonar Lum cm uI fo S 0 0 20 40 60 80 100 120 Tempo s 5 cm 100 cm 300 cm Hotte Ext Mascara do operador M sc operador Figura 4 31 Medi o com NSAM ao ambiente antes dos ensaios e suas r plicas nos v rios pontos do ensaio 4 Na figura 4 31 as linhas das medi es realizadas no ambiente apresentam um m ximo no ponto de amostragem da hotte com uma rea de superf cie por volume pulmonar de nanopart culas de aproximadamente 2300 um cm Na figura 4 32 apresenta se a m dia dos resultados obtidos em todos os pontos de amostragem Neste gr fico pode se ter uma ideia geral das reas das
49. AR o aR O a O a Oe a a e ONMUOAATANRMNAOAMANRARAADAMNAAAPWAATAN ON MR WO PH AA TA TA ANNN OMT OMNORWOATAMNWAHATANNHRM AMI AI TDI A NNN OOM ST Di metro nm Amostragem durante soldadura Amostragem do ambiente antes da soldadura Figura 4 33 Resultados SMPS Ensaio 1 Na figura 4 33 para as primeiras dimens es de di metro entre 10 4 nm e 18 4 nm o n mero de part culas por cm aproximadamente o mesmo para cada amostragem realizada antes da soldadura e durante a soldadura As duas ltimas barras correspondentes amostragem durante a soldadura e amostragem do ambiente antes da soldadura n o devem ser consideradas porque resultam de um erro do equipamento A dimens o que existe em maior quantidade de 184 3 nm e existem 12631 part culas por cm com esta dimens o O di metro m dio das part culas resultantes deste processo de soldadura foi de 144 5 nm 4 6 2 Ensaio 2 Na figura 4 34 representa se o resultado de uma amostragem no ambiente antes do processo de soldadura e uma amostragem a um cord o de soldadura do processo de soldadura MAG durante 3 minutos 15 Capitulo 4 Resultados e Discuss o rN dN dlogDp Numer Di metro nm Amostragem durante soldadura mm Amostragem do ambiente antes da soldadura Figura 4 34 Resultados SMPS Ensaio2 Na figura 4 34 a concentra o das part culas maior entre as gamas de di metro de 67 3 nm e de 138 2 nm A ltima barra correspondente amostragem
50. ARE IN MILLIMETERS BREAK SHARP DO NOT SCALE DRAWING REVISION SURFACE FINISH EDGES TOLERANCES LINEAR ANGULAR NAME SIGNATURE DATE IME Bitlet FACULDADE DE CHED CI NCIAS E TECNOLOGIA UNIVERSIDADE NOVA DE LISBOA APPV D MFG QA MATERIAL aici E Estrutura de apoio WEIGHT SCALE 1 20 SHEET 1 OF 1 Figura A1 Desenho t cnico da estrutura da mesa de soldar Anexos A1 2 Suporte do motor UNLESS OTHERWISE SPECIFIED FINISH DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH TOLERANCES NAME SIGNATURE DRAWN CHKD APPV D MFG 10 19 D12 oO 4 4 N 11X2 109 o ch axt 56 50 see DO NOT SCALE DRAWING REVISION EDGES DATE IME FACULDADE DE EC CI NCIAS E TECNOLOGIA UNIVERSIDADE NOVA DE LISBOA iii Suporte motor WEIGHT SCALE 1 2 SHEET 1 OF 1 Figura A2 Desenho t cnico do suporte do motor Anexos A1 3 Braco de suporte da tocha de soldadura 200 40 170 140 VA 40 pe UNLESS OTHERWISE SPECIFIED FINISH DEBUR AND DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS BREAK SHARP DO NOT SCALE DRAWING REVISION SURFACE FINISH EDGES TOLERANCES LINEAR ANGULAR NAME SIGNATURE DATE IME FRAME FACULDADE DE CHK D CIENCIAS E TECNOLOGIA UNIVERSIDADE NOVA DE LISBOA APPV D MFG QA MATERIAL DEKO Bra o para Tocha WEIGHT SCALE 1 5 SHEET 1 OF 1 Figura A3 Desenho t cnico do bra o de suporte da tocha
51. Carlos Leonel Farinha Guerreiro Licenciado em Ci ncias da Engenharia Mecanica on uno SINWo o so a 2 S p Soivisa NON Avalia o de emiss es de nanopart culas resultantes de processos de soldadura por fus o em a os Disserta o para obten o do Grau de Mestre em Engenharia Mec nica Orientadora Prof Doutora Rosa Maria Mendes Miranda UNL FCT DEMI Co orientador Prof Doutor Jo o Fernando Pereira Gomes IPL ISEL ADEQ Presidente Prof Doutor Jorge Joaquim Pamies Teixeira Arguente Prof Doutor Telmo Jorge Gomes dos Santos Vogais Prof Doutora Rosa Maria Mendes Miranda Prof Doutor Jo o Fernando Pereira Gomes FACULDADE DE CIENCIAS E TECNOLOGIA UNIVERSIDADE NOVA DE LISBOA Setembro de 2012 Copyright Avalia o de emiss es de nanopart culas resultantes de processos de soldadura por fus o em a os Carlos Leonel Farinha Guerreiro FCT UNL 2012 A Faculdade de Ci ncias e Tecnologia e a Universidade Nova de Lisboa t m o direito perp tuo e sem limites geogr ficos de arquivar e publicar esta disserta o atrav s de exemplares impressos reproduzidos em papel ou de forma digital ou por qualquer outro meio conhecido ou que venha a ser inventado e de a divulgar atrav s de reposit rios cient ficos e de admitir a sua c pia e distribui o com objectivos educacionais ou de investiga o n o comerciais desde que seja dado cr dito ao autor e editor AGRADECIMENTOS A real
52. Desenhos t cnicos da mesa de Soldat ee esseessecssecsseceseceseceeeeseeeseeesaeesaeeeaeeeaeecsaeenaees li Al 1 Estrutura da mesa de soldar suzearesestanregao casario ee ie aadces ens oti ana addons ee eede gos e li Al 2 Suporte do Motob cece iti indios Soda uia ae Disc E a tribo nina das iii A1 3 Bra o de suporte da tocha de soldadura erre iv A1 4 Chapa de apoio da tocha de soldadura sesseeeeeeeeeeeeeeeeeseeseserssesrresessresresesreesesresss v A1 5 Anilha com sali ncia e barra de fixa o da tocha de soldadura vi A2 Manual de utiliza o da mesa de soldat eee ceeceseceseeeeeeeeeeeeseeeseecaaecaeceaeenaeenseenes vii VA IN Enin Koo Li OF OE AET EE AE EEE AN AN vii A2 2 Lista de COMpOnentes seenen i ai i a i a i d i vii A2 3 Prepara o dos COMPONENTES ee eeeeeeeeeneeeseeeseeeseeceecaecsaecesecsseesseeseesseeeeeeeeneesaes vii AZ 4 Software e terta esere enie ae eae ty ac nbes Secu l a ao auto LE dal Jodon o E E E x A2 5 Coloca o da tocha na m quina de soldar erra xi vii Indice LISTA DE FIGURAS Figura 2 1 For as que actuam na transfer ncia Figura adaptada 12 eee eeeeseeneeeneeeeees 7 Figura 2 2 Princ pio de funcionamento SER Imagem adaptada de 13 8 Figura 2 3 El ctrodo revestido Figura adaptada 15 9 Figura 2 4 Equipamento SER Imagem adaptada 16 11 Figura 2 5 P
53. Mo V 0 93 1 75 3 5 Equipamentos utilizados 3 5 1 M quina de soldar ProMig 501 da Kemppi O equipamento utilizado para os processos de soldadura MAG e SER foi uma m quina de soldar ProMig 501 da Kemppi utilizada em conjunto com uma fonte de alimenta o Pro3200 evolution do mesmo fabricante No painel de fun es do equipamento poss vel seleccionar o processo de soldadura e o di metro do fio A corrente do arco el ctrico com a varia o da velocidade de alimenta o do fio ou no caso de soldadura por el ctrodos revestidos pode ser definida no painel de fun es A tens o de soldadura ajustada automaticamente pelo equipamento de acordo com o comprimento do arco Dentro dos processos de soldadura ainda permite a selec o entre MIG convencional sin rgico ou pulsado 3 5 2 Monitor de rea de superf cie de nanopart culas O equipamento utilizado na avalia o da exposi o a nanopart culas foi um medidor NSAM Nanoparticle Surface Area Monitor TSI Modelo 3550 Este equipamento indica a rea superficial de part culas depositadas no pulm o humano expressas como micr metros quadrados por cent metro c bico de ar um cm correspondendo s regi es traqueobr nquial TB ou alveolar A do pulm o O funcionamento do equipamento baseia se na difus o de cargas electrost ticas depositadas no aerossol de part culas que carregado seguindo se a sua detec o por electr metro A amostra colhida atrav s de uma
54. Na figura 4 28 o valor m ximo de 24719 um cm este valor representa o m ximo m dio dos cinco pontos de amostragem no laborat rio 1 1 1 Ensaio 4 O ensaio 4 corresponde s amostragens realizadas nos pontos indicados na figura 3 28 para o processo de soldadura por el ctrodos revestidos b sicos com uma intensidade de corrente de 90 A Os ensaios e as r plicas realizadas tiveram uma dura o m dia de 66 s Nas figuras 4 29 e 4 30 encontram se representados os valores referentes m dia das medi es realizadas nos ensaios e r plicas para os pontos de amostragem 70 Capitulo 4 Resultados e Discuss o 600 S a 500 a a ES 400 gE 3 300 SE ge as 2 100 2 E o Vo 0 5 0 20 40 60 80 100 120 lt 2 Tempo s S0cm 100cm 300 cm Figura 4 29 El ctrodo Basico 90 A a 50 cm 100 cm 300 cm Na figura 4 29 apresentam se os valores para as areas de superficie por volume pulmonar das part culas com capacidade de deposi o alveolar muito semelhantes relativamente s diferentes dist ncias de amostragem O ensaio 4 foi precedido de v rios ensaios e as semelhan as nestas amostragens em pontos diferentes s o resultado de uma elevada concentra o de nanopart culas em suspens o e o tempo de deposi o foi superior ao que inicialmente era esperado 120000 H amp 100000 a 38 80000 SE amp 3 60000 SE o S 40000 DE E B g amp 20000 ZE SE 0 g gt 20 40 60
55. a maior rea de superf cie de part culas com capacidade de deposi o alveolar foi de 73086 um no ponto de recolha da m scara do operador Na figura 4 5 verifica se que as reas superficiais tendem a diminuir com o aumento da dist ncia de amostragem em rela o fonte de emiss o Na figura 4 7 apresentam se os valores m dios das medi es realizadas com o NSAM no ambiente antes dos ensaios e das r plicas dos ensaios no ensaio experimental 2 Este gr fico em compara o com o do ensaio precedente permite ter uma melhor no o dos tempos de deposi o das part culas em suspens o 1400 8 1200 ga E 1000 E E 800 amp E 600 o O B 400 a amp o 200 Z 3 E 0 5 0 20 40 60 80 100 120 140 lt Tempo s 50cm 100cm 300cm Hote M sc Operador Figura 4 7 Medi o com NSAM ao ambiente antes dos ensaios e r plicas nos v rios pontos do ensaio 2 55 Capitulo 4 Resultados e Discuss o Na figura 4 8 apresenta se a m dia dos resultados obtidos em todos os pontos de amostragem Com este gr fico pode se ter uma ideia geral das reas das part culas com capacidade de deposi o alveolar por volume pulmonar 25000 20000 15000 10000 5000 volume pulmonar Lum cm 0 20 40 60 80 100 120 140 Tempo s rea de superf cie das part culas por ra M dia de todos os pontos ensaio 2 Figura 4 8 M dia de todos os pontos de amostragem Ensaio 2 Na figura 4 8
56. a na tabela 3 2 Tabela 3 2 Composi o qu mica do material base em peso C Si Mn P S 0 0542 0 1940 0 5660 0 0246 0 0103 O el ctrodo AWS 5 18 ER70S 6 normalmente usado na soldadura de a os n o ligados A composi o qu mica do el ctrodo encontra se na tabela 3 3 Tabela 3 3 Composi o qu mica ER 70S 6 em peso 32 C 0 06 0 15 Ni 0 15 Mn 1 4 1 85 Cr 0 15 Si 0 8 1 15 Mo 0 15 P 0 025 V 0 03 S 0 035 Cu 0 5 Para o processo SER usaram se dois el ctrodos O el ctrodo rut lico AWS 5 1 E6013 tem um revestimento composto por silicatos de pot ssio com um teor m dio de hidrog nio 32 A composi o qu mica do material depositado pelo el ctrodo encontra se na tabela 3 4 O el ctrodo b sico AWS 5 1 E 7018 1 tem um revestimento composto por silicatos de pot ssio e p de ferro com um teor de hidrog nio baixo 32 A composi o qu mica do material depositado pelo el ctrodo encontra se na tabela 3 5 Tabela 3 4 Composi o qu mica do material depositado do el ctrodo E6013 em peso 33 C 0 04 0 07 Ni lt 0 07 Mn 0 32 0 45 Cr 0 02 0 04 Si 0 16 0 24 Mo lt 0 02 P 0 01 0 02 V 0 01 0 02 S 0 01 0 02 35 Capitulo 3 Procedimento Experimental Tabela 3 5 Composi o qu mica do material depositado do el ctrodo E7018 em peso 34 C 0 04 0 07 Ni 0 01 0 07 Mn 0 80 1 44 Cr 0 01 0 07 Si 0 28 0 51 Mo 0 11 0 28 P 0 006 0 019 V lt 0 01 S 0 003 0 013 Mn Ni Cr
57. ada 12 Sendo as quatro primeiros determinantes sobre o modo de transfer ncia Uma gota destaca se quando Fy E Em F 2 1 1 No entanto estas equa es por si s n o s o suficientes para explicar os diferentes modos de transfer ncia O balan o das for as est ticas que actuam no processo de transfer ncia n o tem em conta o aquecimento do el ctrodo o stick out e a resist ncia el ctrica do el ctrodo caracter sticas que s o importantes principalmente quando se utilizam intensidades de corrente baixas e onde a dimens o das gotas determinante para o modo de transfer ncia Estas caracter sticas podem ser ent o expressas pela equa o 2 1 2 h o es p l Ni 2 1 2 2e Ae Onde K a constante de Boltzman T a temperatura que entra no el ctrodo e a carga do electr o V a queda de tens o no nodo a fun o de trabalho do el ctrodo p a resist ncia m dia do el ctrodo l a extens o do el ctrodo Ae a rea de sec o do el ctrodo 7 Capitulo 2 Estado de Arte 2 2 Caracteriza o do processo de soldadura SER O processo de soldadura por el ctrodos revestidos um processo onde a liga o dos materiais realizada pela fus o do material base e do el ctrodo A transfer ncia do material fundido do el ctrodo realizada atrav s do arco el ctrico em pequenas gotas de metal que se destacam depositando se no material base Este arco el ctrico de
58. al base a soldar mm 5 Fluxo de Gas l min 15 Velocidade de soldadura mm min 300 Comprimento do cord o de soldadura mm 450 Tempo de soldadura s 90 3 6 1 Ensaios experimentais do processo de soldadura MAG Foram efectuados quatro conjuntos de ensaios com o processo de soldadura MAG variando o g s de protec o e o modo de transfer ncia de metal A tens o de soldadura era ajustada automaticamente pela m quina de soldadura em fun o da velocidade de alimenta o do fio Os ensaios est o definidos na tabela 3 7 Tabela 3 7 Ensaios experimentais do processo de soldadura MAG Ensaiol Ensaio Ensaio3 Ensaio4 Composi o da Protec o Ar 18 CO2 Ar 8 CO2 Ar 18 CO2 Ar 8 CO2 Gasosa Velocidade de alimenta o 8 8 5 5 do fio m min Modo de transfer ncia Globular Globular Spray Spray Para cada situa o testada foi sempre realizada uma r plica de modo a obterem se dados mais consistentes A composi o das misturas gasosas foi escolhida de entre misturas industriais que gerassem maior taxa de forma o de fumos isto misturas com elevadas concentra es de di xido de carbono e oxig nio 7 A escolha dos modos de transfer ncia deveu se tamb m s suas caracter sticas para provocarem maiores taxas de forma o de fumo e por serem os mais utilizados em MAG 41 Capitulo 3 Procedimento Experimental 3 6 2 Recolha de amostras para medi o com monitor de rea de superf cie de nanopar
59. ante elevados na ordem das 55000 part culas cm O ensaio com a mistura gasosa de Ar 8 CO no modo de transfer ncia por spray apresentou uma concentra o total de part culas por volume de ar mais elevada No entanto esta condi o n o considerada como a mais prejudicial dado que apresenta uma baixa efici ncia de deposi o alveolar 85 Capitulo 5 Conclus es e A mistura gasosa de Ar 18 CO em modo de transfer ncia globular apresentou a maior efici ncia de deposi o alveolar das part culas libertadas As part culas libertadas eram compostas principalmente por ferro A an lise morfol gica validou as medi es de granulometria uma vez que as part culas recolhidas apresentam dimens es nanom tricas e algumas com dimens es inferiores a 10 nm Para o processo de soldadura MAG n o foi poss vel obter uma rela o entre a entrega t rmica e a emiss o de nanopart culas com capacidade de deposi o alveolar por limita es laboratoriais e No processo de soldadura por el ctrodos revestidos foi poss vel determinar a intensidade de corrente e o tipo de el ctrodo que originam maiores reas de superf cie de part culas com capacidade de deposi o alveolar por volume pulmonar Os el ctrodos revestidos b sicos com uma intensidade de corrente de 90 A conduziram s maiores reas j referidas Em rela o an lise qualitativa efectuada em TEM da concentra o de elementos libertados tanto nos el c
60. as torna se evidente a necessidade de realizar estudos sistem ticos que permitam um maior conhecimento sobre a rela o entre os par metros operacionais dos processos de soldadura SER e MAG e a quantidade morfologia e composi o qu mica das nanopart culas libertadas 23 3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3 1 Introdu o O processo de soldadura MIG MAG tem a possibilidade de ser automatizado permitindo assim controlar os par metros da soldadura com maior precis o Existem in meros sistemas de automatiza o deste processo no entanto os que se podem encontrar no mercado comportam custos muito elevados Assim concebeu se e construiu se uma mesa de soldadura Neste cap tulo descrito o trabalho experimental realizado nomeadamente e Realiza o de soldaduras para recolha de part culas e Descri o dos processos metodologias e equipamentos usados 3 2 Objectivos O procedimento experimental tem como principais objectivos 25 Capitulo 3 Procedimento Experimental e Constru o de uma mesa que possibilite repetibilidade dos par metros e condi es de soldadura e Realiza o de ensaios de soldadura por fus o dos processos de soldadura SER e MAG com diferentes condi es operat rias e Recolha e caracteriza o de part culas nomeadamente nanopart culas resultantes de diversas condi es processuais em soldadura por fus o de a os 3 3 Automatiza o do processo de soldadura MAG
61. b Part culas escala de 200 nm As imagens a e b da figura 4 44 s o semelhan a das part culas dos el ctrodos rutil cos amorfas e com formas esf ricas No entanto estas part culas apresentam dimens es muito menores que v o desde dimens es inferiores a 10 nm at aproximadamente os 100 nm Estas part culas encontram se mais dispersas e s o tamb m o resultado da fus o do material de revestimento dos el ctrodos 84 5 CONCLUSOES Do trabalho efectuado possivel concluir que e Existem grandes concentra es de nanopart culas com capacidade de deposi o alveolar libertadas em processos de soldadura por fus o especificamente processos de soldadura por el ctrodos revestidos e o processo MAG e Para o processo de soldadura MAG tendo em conta as misturas gasosas utilizadas e os modos de transfer ncia testados foi poss vel identificar que a mistura gasosa de Ar 18 CO no modo de transfer ncia por spray originaram part culas com as maiores reas de superf cie com capacidade de deposi o alveolar por volume pulmonar Apesar de ainda n o existirem estudos com esta an lise estes resultados n o eram exactamente inesperados visto que tanto esta mistura gasosa como este modo de transfer ncia j tivessem sido reconhecidos como aqueles que conduzem a elevadas taxas de forma o de fumos 7 e As concentra es das nanopart culas resultantes do processo de soldadura MAG atingiram valores bast
62. bo terra e o cabo de liga o ao porta el ctrodos s o muito importantes pois estes podem afectar as correntes e tens es que est o a passar para o el ctrodo Estes devem ser flex veis e ter um bom isolamento e um di metro que permita a condu o de corrente com uma queda de tens o m nima Quanto maior for o cabo maior dever ser o seu di metro e Fontes de energia As fontes de energia dos equipamentos de soldadura SER tanto podem ser de corrente cont nua como alterna no entanto a corrente normalmente utilizada a cont nua dai a utiliza o de fontes com rectificadores que transformam a corrente alterna em cont nua Muitas vezes tamb m necess rio inverter a polaridade da corrente cont nua e para isso usam se inversores que para al m de passarem a corrente alterna para cont nua podem inverter a polaridade da corrente cont nua 2 3 Caracteriza o do Processo de soldadura MAG O processo de soldadura MAG um processo de soldadura com gases de protec o gasosa base de CO ou misturas com outros gases como Ar ou He A transfer ncia do material fundido do el ctrodo pode ser realizada de v rios modos No entanto os principais s o transfer ncia globular curto circuito e spray Este processo tem uma alimenta o cont nua de um fio s lido e de um g s de protec o pela tocha de soldadura A velocidade de alimenta o pode ser regulada no equipamento tal como o caudal de g s Existe um componente na tocha
63. bostaugenuecceaecngeblves bad E E EE Liliana 5 2 2 Caracteriza o do processo de soldadura SER eee 8 2 2 1 Bl ctrodos revestidOs siesise sais eal nail clic bars ua deli ieee ieee 9 2 2 2 Equipamentos do processo de soldadura SER 11 2 3 Caracteriza o do Processo de soldadura MAG rr 12 2 3 1 Equipamento do processo de soldadura MAG 13 2 3 2 Gases de Protec o do processo de soldadura MAG 0 eee eeeeesecsseceeeeteeeeeees 14 2 3 3 Modos de transfer ncia do processo de soldadura MAG 14 2 4 Emiss o de fumos na soldadura por fus o eee 16 24 1 Nanoparticulas s 2 tss same ena eae aia ea pan in Saal atin tise sees 17 2 5 Sistemas de remo o iss sas eae ee ete nee ee needs 22 2 67 CCOnClUSAO 5 25 asse niemis cao e Lian S eens a E E A E tives el wos ene E 23 3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Derti ea eeta eeaeee Et eet a eei Ean 25 3 1 Titrod c o aa eia a e aiaa eaa a a a ais 25 32 OBDJCCUVOS onien nenidir aas dim e ENER A eee 25 3 3 Automatiza o do processo de soldadura MAG rr 26 3 3 1 PrinCipais TeQuISILOS 2 usin te Gen Ee EE EA Aa aan E a a 26 3 3 2 Planeamento da constru o eee eeeaeeeaeeracenacenanan a 26 Indice 4 3 3 3 Estrutura da Mesa de soldar ee A ER NEEE EEA A eea 28 3 3 4 Adapta o da m quina de Soldat cee eessc
64. ceseceeceseceseceseeeseeeseeeeseeeaeecsaecsseceaecnaeenseeees 29 Figura 3 10 Mesa de soldar com Suporte do motor e motor fixados na Guia 29 Figura 3 11 Fixa o da tocha sssini iiaiai iced tenses al Rasta aa SE 30 Figura 3 12 Mesa de soldar com calha de fixa o da manta corta fogo 31 Figura 3 13 Mesa de soldar com todos os elementos e rreras 31 Figura 3 14 Tocha MIG MAG MMT42 31 cece eeeecsseceseceseceseeeseeeeneeeseeeseecsaecnaeceaecsaeenseenes 32 Figura 3 15 Painel frontal da m quina de soldar errar 32 Figura 3 16 Onda quadrada do motor passo a passo eee 33 Figura 3 17 Interface Lab View esisis cco oscdel cisttend cheba eae ee ae aa a ised iia 33 Figura 3 18 Cord es de soldadura nn eee esessseessecesecsseceecsseceseceseeseeeesaeeeseeesaecaaecsaecsaeesaeenseeees 35 Figura 3 19 NSAM monitor de rea de superficie de nanopart culas eee eeseeeseceseeeteeees 37 Figura 3 20 Esquema de funcionamento do NSAM 35 37 Figura 3 21 Amostrador de aeross is NanOMEtricO ceeceeceseceseeeeeeeeeeeeseesseecaaecsaecsaecnaeesseeees 38 Figura 3 22 S MPS 39 es sto as iad ore ease epa decor adro bes E Lead le alee et odes Ges da debandada Ria e ena 39 Figura 3 23 Microsc pio electr nico de transmiss o Hitachi H 8100 II 40 Figura 3 24 Esquema de pontos de recolha para o mo
65. dimento do processo Resist ncia m dia do el ctrodo Fun o de trabalho do el ctrodo xiv 1 INTRODUCAO 1 1 Enquadramento A soldadura por fus o o principal processo de liga o utilizado na ind stria 1 Na Europa existem cerca de 730000 soldadores a tempo inteiro e aproximadamente 5 5 milh es de trabalhos relacionados com a soldadura 2 De entre os processos de soldadura por fus o existentes os mais comuns s o os processos de soldadura por arco el ctrico 3 dos quais se destacam o processo de soldadura por el ctrodos revestidos SER e o processo de soldadura por fio s lido com protec o gasosa activa MAG Tanto o processo de soldadura SER como o processo de soldadura MAG caracterizam se por serem processos onde a fus o do material de adi o e do material base obtida atrav s do calor desenvolvido por um arco el ctrico Em ambos os processos existe uma protec o gasosa para o banho de soldadura No processo de soldadura SER esta protec o obtida pela decomposi o do revestimento do el ctrodo enquanto no processo de soldadura MAG se utiliza uma mistura gasosa Outra caracter stica que distingue estes dois processos o material de adi o que no processo de soldadura SER o pr prio el ctrodo que serve de material de adi o enquanto no processo de soldadura MAG o material de adi o um fio s lido que alimentado automaticamente Capitulo 1 Introdu o Estes dois pr
66. e representada a frac o de aerossol que se deposita na regi o alveolar do pulm o Em rela o s nanopart culas sabe se que os seus efeitos na sa de v o ocorrer nas regi es mais profundas do aparelho respirat rio Deste modo a frac o respir vel do aerossol na regi o alveolar a medida de maior relev ncia 9 20 Capitulo 2 Estado de Arte Efici ncia de deposicao Passagem nasal anterior _ a Passagem ar Regi o ait nasal posterior extra tor xica r E Parte nasal Faringe t Parte oral t Laringe Traqueia Regi o Br ngios principais traqueobr nquial Br nquios Bronquiolos Bisaqulidie j Alveolar j intersticial t r F Bronquiolos Bronquiolos terminais Rego Bronquiolos ee respirat rios Canais alveolares e alv olos Figura 2 9 Modelo das diversas regi es do pulm o humano Figura adaptada 9 100 At Regi o traqueobr nquial 80 Regi o alveolar 1 10 100 1000 Di metro de part culas nm Figura 2 10 Curvas de deposi o na regi o traqueobr nquial e alveolar do pulm o Figura adaptada 9 Estas curvas podem ser obtidas atrav s de uma parametriza o para o modelo de deposi o de part culas no pulm o humano do ICRP Para cada regi o pulmonar foram obtidas equa es que d o a efici ncia de deposi o como um r cio da concentra o total de part culas suspensas A efici ncia de deposi o
67. el ctrodo 4 Cabo de massa f Fonte de aliment o i G s de Alimenta o de Protec o corrente Figura 2 6 Ilustra o de equipamento MAG Figura adaptada 18 Dos elementos que se podem distinguir na figura 2 6 importante destacar e A fonte de alimenta o como em muitos outros equipamentos de soldadura por arco el ctrico uma fonte rectificadora inversora que possibilita a utiliza o de corrente continua ou alterna 18 e O alimentador do el ctrodo que pode ser de velocidade constante ou vari vel com a tens o O alimentador a velocidade constante funciona com uma fonte de alimenta o que fornece uma volta tens o constante e a velocidade previamente seleccionada no equipamento O segundo alimentado directamente pela tens o do arco el ctrico e adapta a velocidade de acordo com as mudan as desta tens o 19 e A tocha de soldadura por onde alimentado o fio consumivel e o g s de protec o 2 3 2 Gases de Protec o do processo de soldadura MAG Os gases utilizados s o gases activos usualmente misturas gasosas de rgon mais di xido de carbono rgon mais oxig nio ou misturas tern rias de rgon di xido de carbono e oxig nio As percentagens de cada constituinte variam conforme o poder de oxida o pretendido no entanto na grande maioria das misturas o elemento rgon o que est presente em maior quantidade 2 3 3 Modos de transfer ncia do processo de soldadu
68. em foram sempre realizadas medi es das reas de depositadas das part culas antes e depois de cada ensaio de soldadura assim como antes e depois das r plicas Estas medi es est o representadas no gr fico da figura 4 3 onde se podem observar as medi es para cada um dos pontos ao longo do tempo 2500 2000 1500 1000 500 volume pulmonar Lum cm 0 20 40 60 80 100 120 140 Tempo s rea de superf cie das part culas por S0cm 00cm 300cm Hote M sc operador Figura 4 3 Medi o com NSAM ao ambiente antes dos ensaios e r plicas nos v rios pontos do ensaiol O gr fico da figura 4 3 apresenta valores que inicialmente n o eram esperados nas medi es das dist ncias de 50 cm e na hotte Estes valores s o valores de medi es no ar ambiente superiores aos valores das medi es durante o processo de soldadura e s o resultado de uma elevada concentra o de part culas que n o tiveram o tempo necess rio para serem depositadas e ainda vieram a aumentar mais devido a outros trabalhos a decorrer durante a amostragem das part culas O gr fico da figura 4 4 mostra a m dia dos resultados obtidos em todos os pontos de amostragem Com este gr fico pode se ter uma ideia geral das reas das part culas com capacidade de deposi o alveolar por volume pulmonar 53 Capitulo 4 Resultados e Discuss o 30000 25000 20000 15000 10000 5000 volume pulmonar Lum cm
69. ente para avaliar a influ ncia da temperatura na liberta o destas part culas 86 BIBLIOGRAFIA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 I Pires L Quintino R Miranda and J Gomes Fume emissions during gas metal arc welding Toxicological amp Environmental Chemistry vol 88 3 pp 385 394 2006 Disponivel em http www ewf be econweld aspx acedido a 3 de Fevereiro de 2012 M H Lee W J McClellan J Candela D Andrews and P Biswas Reduction of nanoparticle exposure to welding aerosols by modification of the ventilation system in a workplace Journal of Nanoparticle Research vol 9 pp 127 136 Jan 2007 D Brouwer Exposure to manufactured nanoparticles in different workplaces Toxicology vol 269 pp 120 127 Mar 2010 A T Zimmer P A Baron and P Biswas The influence of operating parameters on number weighted aerosol size distribution generated from a gas metal arc welding process Journal of Aerosol Science vol 33 pp 519 531 Mar 2002 H Fissan S Neumann A Trampe D Y H Pui and W G Shin Rationale and principle of an instrument measuring lung deposited nanoparticle surface area Journal of Nanoparticle Research vol 9 pp 53 59 Jan 2007 I Pires L Quintino and R M Miranda Analysis of the influence of shielding gas mixtures on the gas metal arc welding metal transfer modes and fume formation rate Mate
70. ercado no entanto como um dos principais constrangimentos foi limitar os custos Foi necess rio entender o funcionamento da tocha e da actua o desta A tocha existente no equipamento de soldar do laborat rio uma tocha manual da Kemppi MMT42 ilustrada na figura 3 14 31 Capitulo 3 Procedimento Experimental Figura 3 14 Tocha MIG MAG MMT42 31 O accionamento da tocha de soldar feito atrav s de um gatilho que ao ser pressionado fecha um circuito el ctrico e acciona a liberta o do g s de protec o e o alimentador do fio do el ctrodo A solu o encontrada para o accionamento da tocha foi realizar o fecho desse circuito el ctrico directamente na m quina atrav s de um rel el ctrico que ao ser activado por um controlador ligado a um computador acciona a tocha Foi necess rio colocar um interruptor para se poder optar por soldadura manual ou por soldadura autom tica Foi tamb m colocada uma ficha de liga o para se poder fazer a activa o do rel colocado na m quina atrav s dos controladores da National Instruments O interruptor de alavanca e a ficha de liga o podem ver se na figura 3 15 Figura 3 15 Painel frontal da m quina de soldar 1 Interruptor de alavanca 2 Ficha de Liga o do rel 3 3 5 Controladores da mesa Para comandar a mesa por computador foi necess ria a utiliza o de controladores e m dulos electr nicos para realizar a comunica o entre o computador e a mesa
71. essceceeeceeseceenaeceeaeeceeeeeaeceeaaeceeneeesas 31 3 3 5 Controladores da mesa sc ariin co undenio be fetes be cer chee bedectncwshds Gis nie a ie aie aea atten 32 3 3 6 Software de controlo da MeS8a cs ceeesecssecssecsseceseceeceeeneeeseeeaeecsaecsaecaecsaeesseenss 33 3 3 7 Valida o da mesa de soldadura e eereeere errar 34 3A Materials sas sscdencstareesesseenbel eE A T A EEEE EE E EA NEEE a EE A T eE ea SEESE 35 3 5 Equipamentos utilizados ss iein e e raaa a E E a aas 36 3 5 1 Maquina de soldar ProMig 501 da Kemppi 36 3 5 2 Monitor de rea de superf cie de nanopart culas 0 eee eesecsseceneceeceeeeeeeees 36 3 5 3 Amostrador de aeross is MANOMEtIICOS eee eeeeeeceeeeeeeeeeseeeseeeaeecsaecaecnseenaeeees 37 3 5 4 Equipamento de medi o de granulometria SMPS 0 0 0 eee eeeeseeceeceeceneeeeeeees 38 3 5 5 Microsc pio electr nico de transmiss o eras 39 3 6 Procedimento experimental para processo de soldadura MAG t 40 3 6 1 Ensaios experimentais do processo de soldadura MAG 41 3 6 2 Recolha de amostras para medi o com monitor de rea de superf cie de nanopart CUiAS ssa ate siete iso art a chee estes catia DENTAL cap os SS Liga N RI eres ie A Wheel Us aa te en asa ieee 42 3 6 3 Recolha de amostras com o amostrador de aeross is nanom tricos para an lise em microsc pia electr nica cerie list sglacat e E A EE EE
72. esta forma a velocidade da tocha de soldadura e Rel tecla de atalho F12 acciona ou desactiva a soldadura e Disable tecla de atalho F1 desliga o motor PA e Distancia o campo onde se introduz a dist ncia de deslocamento soldadura pretendida e Ciclos mostra o n mero de ciclos que o programa tem que realizar para a tocha de soldadura percorrer a dist ncia introduzida e Numeric contador do n mero de ciclos em tempo real e Tempo indica o tempo de soldadura e Velocidade indica a velocidade com que a tocha se deslocou soldou e Freq Efect indica a frequ ncia real que esta a ser gerada 1 tS ao 7 E A frequ ncia efectiva vai ser influenciada pela capacidade de processamento do computador que estiver a correr o programa X Anexos File Edit View Project Operate Tools Window Help Se ou STOP END Frequencia 1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 Direc o F5 ON Esquerda OFF Direita Rel F12 do gt Gbr 9 5 cs Disable F1 Numeric Tempo a 0 0 0000 9 o C gt J o B Distanciamm Freq Efect Velocidade mm min 8500 0 0 y 2 2 y 72 2446 m Figura A10 Ambiente do interface do controlo da mesa A2 5 Coloca o da tocha na maquina de soldar A tocha de soldadura deve ser colocada no seu suporte na posi o ilustrada pela figura A11 a
73. ia linear e que possui a capacidade de posicionamento da tocha como pretendido figura 3 11 Figura 3 11 Fixa o da tocha a Conjunto dos componentes de fixa o b Vista explodida 1 Porca de orelhas 2 Barras de fixa o 3 tocha de soldadura 4 chapa de apoio da tocha 5 anilha com sali ncia 6 bra o de apoio 7 anilha 8 porca Foi ainda necess rio desenvolver uma solu o para proteger a guia linear de salpicos da soldadura Das v rias possibilidades optou se por usar uma manta corta fogo e adapta la mesa de modo a n o prejudicar o movimento do patim da guia linear e que a pudesse proteger Para colocar a manta corta fogo foram soldados tr s apoios chapa onde a guia est fixada e a esses apoios foi rebitada uma calha com roletes que deslizam nesta e permitem a fixa o da manta corta fogo Na figura 3 12 ilustram se os tr s apoios e a calha para fixar a manta corta fogo Na figura 3 13 apresenta se uma imagem final da mesa constru da 30 Capitulo 3 Procedimento Experimental Figura 3 12 Mesa de soldar com calha de fixa o da manta corta fogo Figura 3 13 Mesa de soldar com todos os elementos 3 3 4 Adapta o da maquina de soldar Para automatizar o processo de soldadura fez se uma altera o simples m quina de soldar existente no laborat rio visando o accionamento da tocha atrav s do computador Existem diversas formas de realizar esta automatiza o dispon veis no m
74. il cos o tempo m dio de soldadura a 90 A foi de 54s e a 70 A foi de 63s O tempo de amostragem do NSAM foi variando entre os 2 minutos e os 2 5 minutos para melhor se poder observar o impacto do processo de soldadura Como se pretende ter uma no o do impacto que a soldadura tem em todo o ambiente envolvente foram escolhidos seis pontos de recolha a diferentes dist ncias da soldadura para o monitor de rea de superf cie de nanopart culas Dois pontos designados de pontos 1 e 2 foram a m scara do operador um dos pontos foi o interior da m scara e outro foi o exterior da m scara Estes pontos permitem obter valores relativos s part culas inaladas pelo operador e s part culas que se encontram no ambiente junto s vias a reas deste Os pontos denominados de ponto 3 4 e 5 foram pontos de tomada de part culas a 50 cm a 100 cm e a 300 cm do banho de soldadura respectivamente Estes pontos v o servir de indicadores do impacto no ambiente circundante soldadura desde uma dist ncia muito pr xima como a de 50 cm at dist ncia de 300 cm O ltimo ponto designado de ponto 6 representa uma tomada de amostras na hotte com este ponto poss vel obter dados resultantes dos fumos vis veis que sobem para a hotte A figura 3 28 um esquema que mostra a posi o da tomada de amostras em rela o mesa de soldadura e ao ch o Ponto 6 A P a
75. imento demonstra se o plano dos ensaios e como estes foram realizados 3 7 1 Caracteriza o dos el ctrodos utilizados Foram utilizados dois tipos de el ctrodos revestidos nos ensaios de soldadura Os dois tipos de el ctrodos escolhidos foram os el ctrodos Rutil cos e B sicos Escolheram se estes el ctrodos por serem dos mais utilizados e assim poderem demonstrar de uma forma mais gen rica os efeitos do processo de soldadura por el ctrodos revestidos e tamb m por este ensaio de soldadura ser realizado num material base de a o carbono que se encontra descrito na tabela 3 2 A especifica o dos el ctrodos utilizados e as suas intensidades encontram se na tabela 3 8 45 Capitulo 3 Procedimento Experimental Tabela 3 8 Par metros do Processo de soldadura por el ctrodos revestidos Parametros Caracteristicas do el ctrodo Tipo de el ctrodo Rut lico E6013 B sico E 7018 1 Comprimento mm 350 Espessura do material base a soldar mm 5 Intensidade A 90 70 3 7 2 Ensaio experimentais do processo de soldadura SER Da mesma forma que se criaram ensaios diferentes de soldadura no processo de soldadura MAG foram tamb m criados quatro ensaios diferentes para o processo de soldadura SER Na tabela 3 9 est o os diferentes ensaios de soldadura onde foram utilizados dois tipos de el ctrodos a duas intensidades diferentes Tabela 3 9 Ensaios experimentais do processo de soldadura SER Ensaiol Ensaio Ensaio3
76. inha m e que me ajudou directamente na constru o da mesa de soldadura Agrade o tamb m s seguintes institui es Air Liquid Sociedade Portuguesa do Ar L quido Arl quido Lda Codimetal Industries S A Ao Microlab Electron Microscopy Laboratory ICEM IST RESUMO Os processos de soldadura por fus o originam fumos que cont m nanoparticulas no entanto n o se conhece uma rela o entre os par metros de soldadura e a liberta o destas part culas Dos processos de soldadura mais comuns na ind stria existem dois bastante difundidos a soldadura MAG e a soldadura por el ctrodos revestidos sendo assim importante o estudo destes dois processos Os principais objectivos deste estudo foram a an lise de part culas libertadas durante estes processos a caracteriza o das part culas em fun o da concentra o e da composi o e a correla o destas com as condi es operat rias de soldadura Foram realizados ensaios com diferentes par metros de soldadura para os dois processos tendo sido quantificadas as emiss es de nanopart culas recolhidas e caracterizadas por microscopia electr nica de varrimento Para os processos de soldadura por el ctrodos revestidos SER e Metal Active Gas MAG verificou se a exist ncia de nanopart culas com elevada capacidade de deposi o nos alv olos pulmonares podendo provocar uma diminui o da capacidade respirat ria dos soldadores e de outro pessoal t c
77. istam os maiores valores para as reas de superf cie por volume pulmonar das nanopart culas O maior valor foi de 99290 pm cm Na figura 4 27 apresenta se o registo de medi es realizadas antes dos ensaios e antes das r plicas de cada um desses ensaios 2000 5 amp 1500 3 N Es Z 1000 ES 5 E 500 5 Ea 0 a 2 0 20 40 60 80 100 120 2 E Tempo s g gt g lt 5 cm 100 cm 3 cm Hotte Ext m scara do operador M sc operador Figura 4 27 Medi o com NSAM ao ambiente antes dos ensaios e suas r plicas nos v rios pontos do ensaio 3 Na figura 4 27 a linha de medi o no ambiente que registou valores mais altos foi a linha correspondente ao ponto de amostragem no exterior da m scara do operador Para este ponto o 69 Capitulo 4 Resultados e Discuss o valor m ximo da rea de superf cie por volume pulmonar das part culas de aproximadamente 1800 um cm Na figura 4 28 apresenta se a m dia dos resultados obtidos em todos os pontos de amostragem Neste gr fico pode se ter uma ideia geral das reas das part culas com capacidade de deposi o alveolar por volume pulmonar 30000 00 25000 00 20000 00 15000 00 10000 00 5000 00 0 00 0 20 40 60 80 100 120 Tempo s volume pulmonar Lum cm r Area de superf cie das part culas por M dia de todos os pontos ensaio 3 Figura 4 28 M dia de todos os pontos de amostragem do Ensaio 3
78. iza o deste trabalho foi poss vel com a colabora o de v rias pessoas s quais dirijo os meus mais sinceros agradecimentos A minha orientadora Professora Doutora Rosa Miranda os meus mais sinceros agradecimentos pela disponibilidade e apoio incans vel no decorrer deste trabalho Ao meu co orientador Professor Doutor Jo o Gomes agrade o igualmente a ajuda prestada e o acompanhamento em v rios dom nios desta disserta o Professora Doutora Teresa Vieira e Eng Rita Santos da Universidade de Coimbra agrade o todo o apoio na avalia o das nanopart culas Professora Doutora Patr cia Carvalho do Microlab do IST agrade o a disponibilidade e ajuda prestada na an lise TEM e de EDS Ao Professor Doutor Pamies Teixeira agrade o o apoio imprescind vel e interesse demonstrado na realiza o deste trabalho Ao Eng Pedro Rodrigues da Codimetal o meu agradecimento pela disponibilidade para a an lise qu mica do material base Ao Eng Jo o Gonzalez o meu agradecimento pela ajuda prestada Aos Srs Ant nio Campos e Paulo Magalh es um agradecimento por toda a sua assist ncia t cnica e tempo despendido neste trabalho Ao meu colega Daniel Lavrador agrade o toda a ajuda prestada ao longo deste trabalho principalmente durante a concep o da mesa de soldadura A minha fam lia agrade o de modo especial pois tamb m contribu ram para a conclus o deste trabalho e em particular m
79. izado para coloca o da tomada de amostras foi na Hote que fica a 120 cm da bancada onde foram realizados os cord es de soldadura designado ponto 5 Com este ponto poss vel obterem se dados em rela o ao tipo de part culas que sobem com os fumos vis veis As restantes tomas foram colocadas a 50 100 e 300 cm do banho de soldadura designados por pontos 1 2 e 3 respectivamente Estes pontos serviram de indicadores do impacto no ambiente circundante soldadura desde uma dist ncia muito pr xima como a de 50 cm at dist ncia de 300 cm Na figura 3 24 apresenta se um esquema que ilustra a posi o da tomada de amostras em rela o mesa de soldadura e ao ch o 42 Capitulo 3 Procedimento Experimental Ponto 5 UI 6L at 300 em 100 cm Ponto 3 Ponto 2 Ponto 1 50 cm A A Hm Hm Nn uw uw o o e Q Es ie 5 3 3 S77 T S77 Figura 3 24 Esquema de pontos de recolha para o monitor de rea de superficie de nanoparticulas 3 6 3 Recolha de amostras com o amostrador de aeross is nanom tricos para an lise em microscopia electr nica O equipamento de recolha de part culas NAS foi colocado a uma dist ncia constante durante todos os ensaios mudando se apenas a sua grelha quando se mudaram as misturas gasosas para poder analisar a influ ncia das misturas gasosas na composi o e na morfologia das part c
80. menta o at 40 V e 2 A alta resolu o de selec o dos passos do motor e protec o contra curto circuito e sobre cargas de tens o Quinze modos de resolu o de passos em modo bin rio ou decimal Figura 3 3 Controlador do motor 27 e NI CompactDAQ 9178 Chassi para m dulo Liga o USB ao computador possibilidade de utiliza o de m ltiplos m dulos com capacidade de input output Figura 3 4 NI Compact DAQ 28 e NI High Speed Bidirectional Digital I O Module 9401 M dulo de 8 canais capacidade de input output de f cil aplica o e utiliza o Figura 3 5 M dulo 9401 29 27 Capitulo 3 Procedimento Experimental Tabela 3 1 continua o Principais caracter sticas dos equipamentos e NI Sourcing Digital Output Module 9474 M dulo digital de 8 canais capacidade de alimenta o externa at 30 V de output Figura 3 6 M dulo 9474 30 e Maquina de soldar ProMig 501da Kemppi com fonte de alimenta o Capaz de soldar nos processos de soldadura MIG MAG SER e TIG Alimenta o de fio de soldadura ajustamento da velocidade de alimenta o tens o e intensidade autom tico Fonte de alimenta o Kemppi Pro3200 evolution com a capacidade de inverter a polaridade e de trabalhar com tens o alterna ou cont nua Figura 3 7 M quina de soldar ProMig 501 3 3 3 Estrutura da Mesa de soldar Estando dispon vel no Laborat rio de Tecnologia Industrial
81. mento de material junta Revestimento Metalica Figura 2 3 El ctrodo revestido Figura adaptada 15 Os revestimentos dos el ctrodos t m v rias fun es e classifica es Nas tabelas 2 2 e 2 3 indicam se as principais fun es e classifica es dos el ctrodos respectivamente Tabela 2 2 Fun es do revestimento 11 14 Principais fun es do revestimento do el ctrodo e Protec o da Alma do el ctrodo O revestimento tem que proteger o material que est a ser transferido atrav s do arco el ctrico do oxig nio e do azoto do ar Esta protec o essencial para prevenir o aparecimento de bolhas de g s evitar oxida o do metal depositado e proporcionar a resist ncia e ductilidade necess rias soldadura e Estabiliza o do arco Evita o escorvamento lateral de arcos el ctricos sempre que se solda e ajuda a manter um arco est vel mesmo quando se varia o comprimento e Adi o de elementos de liga Por vezes necess rio adicionar elementos de liga soldadura para melhorar a qualidade do cord o de soldadura e a resist ncia pretendida Os elementos de liga podem ser elementos como o cr mio n quel molibd nio van dio e cobre Capitulo 2 Estado de Arte Tabela 2 2 continua o Fun es do revestimento 11 14 Principais fun es do revestimento do el ctrodo e Forma o de esc ria A esc ria tem como principais fun es fornecer uma protec
82. nas dist ncias indicadas no esquema da figura 3 28 1000 5 900 gt 800 SE 700 asa EE 600 S E 400 o O DE 300 z 8 200 3 amp 100 8 E 0 0 20 40 60 80 100 120 lt Tempo s S50cm 00cm 300 cm Figura 4 17 El ctrodo Rut lico 70 A a 50 cm 100 cm 300 cm Na figura 4 17 pode verificar se que as reas de superf cie das part culas com capacidade de deposi o alveolar por volume pulmonar diminuem com o aumentar da dist ncia fonte de emiss o 63 Capitulo 4 Resultados e Discuss o 50000 45000 gt _ 40000 q N 35000 o 2 E 30000 amp 3 25000 S E 20000 o O 5 15000 z 2 10000 3 amp 5000 8 E 0 S 0 20 40 60 80 100 120 lt 2 Tempo s Ext M scara do operador M scara do operador Hotte Figura 4 18 El ctrodo Rut lico 70 A no exterior da m scara do operador no interior da m scara do operador e na hotte Na figura 4 18 o maior valor de rea de superf cie por volume pulmonar para o ensaio 1 ocorre no exterior da m scara do operador neste ponto a rea de superf cie das part culas por volume pulmonar atinge o valor de 42043 um cm Na figura 4 19 apresentam se as medi es realizadas no ambiente antes de cada um dos ensaios e de cada uma das r plicas desses mesmos ensaios 1400 5 1200 a E 1000 o 2 sa 800 BE a 600 SE S E 400 ian TER E 2 E 0 20 40 60 80 100 120 Tempo s lt 5 cm
83. ndente dos par metros j referidos Sendo que as aplica es de higiene industrial s o as que mais interesse suscitam foram desenvolvidos pela Confer ncia dos Higienistas Oficiais Americanos ACGIH par metros para um trabalhador de refer ncia de modo a ser poss vel obterem se as curvas de deposi o a Par metros fisiol gicos Tipo de trabalhador homem adulto Capacidade residual funcional 2200 cm Espa o morto extrator cico 50 cm Espa o morto bronquial 49 cm Espa o morto bronquiolar 47 cm 19 Capitulo 2 Estado de Arte Altura 175 cm Di metro da traqueia 1 65 cm Di metro do primeiro br nguio 0 165 cm b Par metros relacionados com a actividade N vel de actividade exerc cio leve Tipo de actividade respira o apenas pelo nariz Taxa de ventila o 1 3 m h Frequ ncia de respira o 15 0 inala es minuto Volume de inala o 1450 cm Frac o inalada atrav s do nariz 1 0 c Par metros do aerossol Di metro m dio aerodin mico 0 001 um 0 5 um Desvio padr o geom trico 1 0 Densidade 1 0 g cm Factor de forma 1 0 Na figura 2 10 encontram se representadas as curvas de deposi o para as regi es traqueobr nquial e alveolar do pulm o baseadas nestes par metros e no modelo ICRP Na curva de deposi o traqueobr nquial representa se a frac o de aerossol que se vai depositar na regi o traqueobr nquial do pulm o enquanto na curva de deposi o alveolar encontra s
84. nico envolvido nas opera es de soldadura Estudos desta natureza possibilitam a determina o das reas superficiais alveolares de nanopart culas depositadas concentra es morfologia e composi o resultantes de diferentes condi es processuais PALAVRAS CHAVE Nanopart culas Soldadura por Fus o Metal Active Gas MAG Soldadura por El ctrodos Revestidos SER Gera o de fumos lil ABSTRACT Fusion welding processes generate fumes that contain nanoparticles however it is not known a relationship between the welding parameters and the emitted nanoparticles From the most common welding processes in the industry there are two more widespread the shielded metal arc and the active metal arc welding Therefore it is important to study these two processes The main objectives of this study were the analyses of released particles from these processes the characterization of the particles by concentration and composition and the correlation between the operating conditions of the welding processes Welding tests were performed using different welding parameters quantifying nanoparticle emissions Nanoparticles were also collected and characterized by transmission electron microscopy In this study which covered two welding processes Shielded Metal Arc Welding SMAW and Metal Active Gas MAG it was possible to determine the existence of nanoparticles having a high deposition rate in the alveolar tract
85. nitor de rea de superf cie de nanoparticulas s nian oae dudes echaree acter see ewes Meas Liga tea ad aaron se whale 43 Figura 3 25 Grelha de cobre no NAS voiir ei ioia eE RE Ea E EE E i 44 Figura 3 26 Esquema de tomada de amostras do NAS eres 44 Figura 3 27 Esquema de tomada de amostras do SMPS res 45 Figura 3 28 Esquema de pontos de amostragem do NSAM em SER 47 Figura 4 1 Ensaio 1 transfer ncia globular com mistura gasosa Ar 18 CO a 50 cm 100 cme Figura 4 2 Ensaio 1 transfer ncia globular com mistura gasosa Ar 18 COsna hotte e m scara do operador viii Lista de Tabelas Figura 4 3 Medi o com NSAM ao ambiente antes dos ensaios e r plicas nos v rios pontos do ENSAIO parsst sas et eer tates eevee cited lanes a E thal EEE E vat ead tee alae E a te tao na 53 Figura 4 4 M dia de todos os pontos de amostragem do Ensaio 0 cee eeeeesseesecsseceeceeeeseeees 54 Figura 4 5 Ensaio 2 transfer ncia globular com mistura gasosa Ar 8 CO a 50 cm 100 cm e SOM CI a o drtato derecho Ca a Di Ein OR Peer Gl PUNTO DO ad a A RD 54 Figura 4 6 Ensaio 2 transfer ncia globular com mistura gasosa Ar 8 COs na hotte e m scara do OperadOr 2 tasis is pisslicosudas ee LG de edi psiet dada PONTE eee sbdni lo ara ia Sarre 55 Figura 4 7 Medi o com NSAM ao ambiente antes dos ensaios e r plicas nos v rios pontos do ENSAIO 2 rasto sas agosto states eee ae ales
86. ntagem da tocha de soldadura no suporte xi LISTA DE TABELAS Tabela 2 1 Par metros de Soldadura erre eeeeereeeraa era cena cena neranernaea 8 Tabela 2 2 Fun es do revestimento 11 14 oo eee eecseceeneeceeeceeseceeaeceeeeeceeeeenaeceeaaeceeeeeesas 9 Tabela 2 3 Classifica o do revestimento SER 11 erre 10 Tabela 2 4 Descri o dos equipamentos SER 14 12 Tabela 2 5 Par metros de soldadura 11 cccccccccccccccsesesssseceeececeesenssececeeeceesessaeeeeeeeeeenes 13 Tabela 2 6 Fumos de soldadura e efeitos na sa de 21 22 ieeererrreree 17 Tabela 2 7 Processos e potenciais fontes de emiss o de nanopart culas 24 19 Tabela 3 1 Principais caracter sticas dos equipamentos eres 27 Tabela 3 2 Composi o qu mica do material base em PeSO eeeeeseeseeeseecsseceseceseeeseeees 35 Tabela 3 3 Composi o qu mica ER 70S 6 em peso 32 35 Tabela 3 4 Composi o qu mica do material depositado do el ctrodo E6013 em peso 33 TEER A E E fa Necass nlaconetrslecthis lanes ue fetocasihadeens facta da a saltehs 35 Tabela 3 5 Composi o qu mica do material depositado do el ctrodo E7018 em peso 34 METE EE EIES dhe tutte E BEL IEA TOO apto Shao taney helenae Gos tiles eat AU Sa sith tit en 36 Tabela 3 6 Soldadura MAG Fio s lido com protec o gasosa activa eee ceees
87. ntes deste trabalho 48 4 RESULTADOS E DISCUSSAO 4 1 Introducao Neste cap tulo s o apresentados os resultados decorrentes do procedimento experimental que s o ainda analisados e discutidos neste cap tulo que se descrevem os ensaios de quantifica o das emiss es de nanopart culas e se procura relacionar estas com alguns par metros caracter sticos dos processos de soldadura Apresentam se ainda os resultados das caracteriza es das nanopart culas recolhidas 4 2 Objectivos Este cap tulo tem como principais objectivos fazer a an lise das e Leituras realizadas pelo equipamento NSAM no processo de soldadura MAG e no processo de soldadura SER e Medi es realizadas pelo SMPS no processo de soldadura MAG 49 Capitulo 4 Resultados e Discuss o e Imagens de microscopia electr nica e o EDS das part culas recolhidas pelo NAS nos processos de soldadura SER e MAG 4 3 C lculo das entregas t rmicas Para melhor interpretar os efeitos dos processos de soldadura na liberta o de nanopart culas calcularam se as entregas t rmicas atrav s da equa o 4 3 1 le Vets E Sn P mm 4 3 1 em que I Intensidade de corrente A V Tens o de arco V ts Tempo de arco s 1 Comprimento da soldadura mm n Rendimento do processo C lculo das entregas t rmicas no processo de soldadura MAG No cap tulo 3 6 1 foram definidos quatro ensaios experimentais para o processo de
88. ntregas t rmicas quando se utiliza o modo de transfer ncia spray O ensaio 3 que o ensaio experimental com a mistura gasosa de Ar 18 CO e modo de transfer ncia spray foi o que teve uma maior entrega t rmica m dia C lculo das entregas t rmicas no processo de soldadura SER No plano experimental do processo de soldadura SER foram definidos 4 ensaios experimentais como se pode ver na tabela 3 9 Para cada um destes ensaios foram tamb m calculadas as entregas t rmicas m dias usando a equa o 5 3 1 As intensidades de soldadura foram as indicadas na tabela 3 9 e o rendimento admitido para o c lculo das entregas t rmicas na tabela 4 2 foi de 80 41 Tabela 4 2 Entrega T rmica no processo de soldadura SER Ensaiol Ensaio Ensaio3 Ensaio4 Tempo de soldadura s 67 5 53 74 17 66 Tens o V 25 92 29 92 24 83 25 00 Comprimento mm 100 100 100 100 Entrega T rmica kJ mm 0 98 0 71 0 64 0 74 Como se pode ver na tabela 4 2 os ensaios com maior entrega t rmica foram os com maiores intensidades de corrente 90 A e destes o que teve maior entrega t rmica m dia foi o el ctrodo revestido b sico 4 4 Resultados do NSAM no processo de soldadura MAG Como foi descrito no cap tulo 3 6 a recolha de part culas foi efectuada em cinco pontos diferentes e para quatro ensaios distintos As medi es realizadas pelo NSAM apresentam se em gr ficos que demonstram a varia o das reas de superf cie das part culas por
89. o da fus o Na posi o C inicia se o arco el ctrico e ha fus o de material do el ctrodo que se vai depositar no banho de soldadura Na posi o D o arco el ctrico atinge o seu comprimento m ximo o calor do arco torna o banho de soldadura mais fluido e aumenta o di metro da ponta do el ctrodo Na posi o E a velocidade de alimenta o do el ctrodo ultrapassa o calor do arco el ctrico e aproxima se novamente do material base Na posi o F inicia se um novo ciclo 1 A B Cc D E F LY e 7 So Figura 2 7 Modo de transfer ncia por curto circuito 19 1 Transfer ncia por curto circuito 2 Descri o do modo de transfer ncia A Contacto do el ctrodo com base B Aumento de resist ncia C In cio de arco el ctrico D Comprimento m ximo do arco E Reaproxima o do el ctrodo base F Inicio do novo ciclo Z O modo de transfer ncia globular um modo que se encontra entre os modos de transfer ncia por curto circuito e spray Neste modo de transfer ncia vai ocorrer a separa o de material do el ctrodo em dimens es maiores do que nos outros modos Este modo de transfer ncia ocorre quando os par metros de soldadura como a tens o intensidade e velocidade de alimenta o s o superiores aos par metros do modo de transfer ncia por curto circuito As maiores limita es deste modo s o a presen a de salpicos uma apar ncia n o t o boa como em 15 Capitulo 2 Estado de Arte spray e a soldadu
90. o valor m ximo de 20291 um cm Este valor representa o m ximo m dio dos cinco pontos de amostragem no laborat rio 4 4 3 Ensaio 3 O ensaio 3 foi indicado na tabela 3 7 como um processo de soldadura com um modo de transfer ncia globular e uma mistura gasosa de Ar 18 CO As figuras 4 9 e 4 10 apresentam valores m dios entre o ensaio e a r plica das medi es realizadas no NSAM das reas de superf cie das part culas ao longo do tempo de soldadura para os v rios pontos definidos no plano experimental 56 Capitulo 4 Resultados e Discuss o 1600 5 1400 Q SE 1200 1000 a 800 SE amp 600 a E 400 Da S a 200 Za 0 S q 0 20 40 60 80 100 120 140 lt Tempo s 5 cm 100cm 300 cm Figura 4 9 Ensaio 3 transfer ncia spray com mistura gasosa Ar 18 CO a 50 cm 100 cm e 300 cm 100000 5 90000 80000 ao N 5 70000 2g E E 60000 a gt 50000 SE S E 40000 o O B 30000 BB 5 amp 20000 ao 3 10000 vs E 0 E 0 20 40 60 80 100 120 140 lt Tempo s Hotte M sc operador Figura 4 10 Ensaio 3 transfer ncia spray com mistura gasosa Ar 18 CO na hotte e m scara do operador Nas figuras 4 9 e 4 10 pode observar se a varia o das dimens es das reas das part culas ao longo do tempo e do processo de soldadura necess rio destacar o facto de a amostragem a 300 cm da fonte ter reas superiores ao ponto de
91. ocessos de soldadura geram fumos que cont m nanoparticulas no entanto as consequ ncias na sa de dos operadores e indiv duos que se encontram expostos s nanopart culas libertadas por estes processos industriais s o desconhecidas 4 6 Contudo os custos associados aos problemas de sa de que as nanopart culas provocam s o avultados sendo esta mais uma raz o da grande import ncia para a realiza o deste estudo Em rela o gera o de fumos existem correla es directas entre os par metros de soldadura gases de protec o e material base a soldar com a forma o de fumos 1 5 7 no entanto n o existem estudos sobre nanopart culas nestes processos Os fumos gerados nos processos de soldadura t m impacto na sa de dos soldadores e a composi o qu mica e morfol gica destes fumos tamb m um factor importante e influenciado directamente pelos par metros e condi es de soldadura como el ctrodos gases de protec o e material base a soldar 8 1 2 Motiva o Os estudos j realizados s o insuficientes Foi apenas poss vel determinar a massa de nanopart culas a sua concentra o e estabelecer rela es para avaliar a sua capacidade de deposi o nos pulm es 4 em situa es industriais e laboratoriais No entanto estudos posteriores t m demonstrado que a concentra o e a massa das nanopart culas pode n o ter correla o directa com os seus efeitos na sa de De acordo com estes estudos a
92. olhidas num amostrador de aeross is nanom tricos NAS que atrai as part culas atrav s de um fluxo de ar para uma grelha fixada a um precipitador electroest tico Neste estudo as grelhas utilizadas foram grelhas de cobre fixadas ao precipitador por uma fita de carbono Na figura 3 21 pode ver se o equipamento NAS e um esquema do seu princ pio de funcionamento 36 37 Capitulo 3 Procedimento Experimental a b Entrada do aerossol f Fluxo de ar El ctrodo TE Fluxo de 3089 part culas 4 NANOMETER af i 1 Saida AEROSOL SAMPLER y p para a bomba Figura 3 21 Amostrador de aeross is nanom trico a Nanometer Aerosol Sampler Model 3089 36 b Princ pio de funcionamento do NAS 36 3 5 4 Equipamento de medi o de granulometria SMPS Este equipamento permite medir a distribui o por tamanhos de part culas ultrafinas entre os 10 e os 487 nm medi o feita atrav s da separa o das part culas com base na sua mobilidade el ctrica O modo de detec o de part culas de um tamanho seleccionado realizado atrav s da utiliza o de uma tecnologia ptica de detec o que permite aumentar as part culas atrav s da sua condensa o por lcool but lico A separa o das part culas feita por um DMA Differential Mobility Size Analyzer O DMA selecciona as part culas atrav s da distribui o da sua carga el ctrica fazendo as passar por um campo el
93. omputador O campo Velocidade indica a velocidade de soldadura ou a velocidade de deslocamento da tocha os campos Ciclos e Numeric est o relacionados O campo Ciclos mostra o n mero de ciclos que o programa gera correspondente dist ncia introduzida e o campo Numeric um contador de ciclos que mostra em tempo real em que ciclo o programa se encontra 3 3 7 Valida o da mesa de soldadura Foram realizadas verifica es do equipamento para confirmar que todos os comandos introduzidos no programa criado em Labview realizavam a fun o correspondente Os testes realizados foram os seguintes e Percorrer e soldar dist ncia introduzida e Parar ao accionar um fim de curso e Parar quando o bot o Stop seleccionado e Activar desactivar o rel no bot o Rel e Mudar e seleccionar a direc o pretendida no bot o Direc o e Varia o da frequ ncia e da velocidade atrav s da barra Frequ ncia e Posicionamento da tocha e Qualidade dos cord es resultantes Na figura 3 18 ilustram se alguns cord es de soldadura realizados com mesa 34 Capitulo 3 Procedimento Experimental Figura 3 18 Cord es de soldadura Verifica se que se consegue um arco el ctrico est vel uma velocidade de soldadura constante e que existe boa repetibilidade da mesa 3 4 Materiais O material base para os ensaios de soldadura foi um a o n o ligado com a composi o qu mic
94. ontos indicados na figura 3 28 para o processo de soldadura por el ctrodos revestidos b sicos com uma intensidade de corrente de 70 A Os ensaios e as r plicas realizados neste ensaio tiveram uma dura o m dia de aproximadamente 74 s Nas figuras 4 25 e 4 26 representam se as m dias das medi es realizadas nos ensaios e r plicas para todos os pontos de amostragem 700 600 500 400 300 200 100 0 0 20 40 60 80 100 120 Tempo s volume pulmonar Lum cm Area de superficie das particulas por S cm 100cm 300 cm Figura 4 25 El ctrodo Basico 70 A a 50 cm 100 cm 300 cm Na figura 4 25 pode observar se a evolu o das reas de superficie por volume pulmonar das part culas com capacidade de deposi o alveolar ao longo do tempo de soldadura que neste ensaio foi em m dia 74 segundos 68 Capitulo 4 Resultados e Discuss o 120000 5 amp 100000 a a Es 80000 HE amp 60000 SE 2 E 40000 RS Ea 2 amp 20000 2g o 5 oo 0 j 0 20 40 60 80 100 120 Tempo s Ext M scara do operador M scara do operador Hotte Figura 4 26 El ctrodo B sico 70 A no exterior da m scara do operador no interior da m scara do operador e na hotte Na figura 4 26 apresentam se as medi es para os pontos do exterior da m scara do operador do interior da m scara do operador e da hotte e mais uma vez no exterior da m scara do operador que se reg
95. part culas com capacidade de deposi o alveolar por volume pulmonar 72 Capitulo 4 Resultados e Discuss o 30000 00 25000 00 20000 00 15000 00 10000 00 5000 00 0 00 volume pulmonar Lum cm 0 20 40 60 80 100 120 Tempo s rea de superf cie das part culas por 2 M dia de todos os pontos ensaio 4 Figura 4 32 M dia de todos os pontos de amostragem do Ensaio 4 Na figura 4 32 o valor m ximo de 25938 um cm Este valor representa o m ximo m dio dos cinco pontos de amostragem no laborat rio 1 1 2 Discuss o dos resultados do NSAM no processo de soldadura SER Como o processo de soldadura SER um processo manual os tempos de soldadura t m sempre algumas diferen as entre cada ensaio O tempo de soldadura m dio de todos os ensaios foi de aproximadamente 65 s com um desvio padr o de 7 7 s Nos gr ficos os primeiros picos representam o ponto em que as part culas resultantes do processo de soldadura s o recolhidas pelo equipamento Dependendo do tempo de soldadura poss vel tamb m observar uma diminui o das reas de superf cie das part culas por volume de pulm o assim que o processo de soldadura termina Os gr ficos correspondentes s medi es realizadas antes dos ensaios e r plicas mostram o tempo que as part culas demoram a depositar e em alguns ensaios o tempo de medi o n o o suficiente para que as part culas depositem por completo Esta situa o
96. peratura do arco el ctrico e de a utiliza o de gases de protec o com a capacidade de condensar os fumos libertados reduzido assim a sua capacidade de dispers o e impedindo mesmo que estes saiam do arco el ctrico 21 A ventila o e extrac o uma forma eficaz de remo o de fumos No entanto a aplica o destes sistemas de ventila o n o f cil o que acaba por tornar estes sistemas ineficientes Muitas vezes os trabalhos de soldadura n o s o realizados em postos de trabalho fixos e tamb m os bra os de recolha de fumos necessitam de ser flex veis de modo a poderem ser reposicionados O desconforto e a forma pouco pr tica de colocar estes extractores de fumos nos locais de trabalho faz com que muitas vezes n o sejam utilizados 21 Existem equipamentos pessoais de protec o de fumos como mascaras adaptadas com alimenta o de ar e filtros para fumos no entanto estes equipamentos ainda n o possuem capacidade de filtrar as nanopart culas que s o libertadas nos processos de soldadura Uma outra forma de extrac o de fumos de soldadura em processos de soldadura MIG MAG ainda fazendo a extrac o dos fumos gerados pela tocha de soldadura Estes sistemas s o de f cil utiliza o e possuem uma boa capacidade de redu o de fumos 22 Capitulo 2 Estado de Arte 2 6 Conclusao Do exposto sobre os processos de soldadura e os trabalhos j realizados sobre liberta o de fumos e de nanopart cul
97. r metros operacionais de soldadura e a liberta o destas 5 Um nico soldador produz 10 a 40 g de fumos de soldadura por hora 20 que t m impacto na sa de dos soldadores A composi o qu mica dos fumos um par metro importante e influenciado directamente pelos par metros de soldadura e pelos materiais Em rela o gera o de fumos na soldadura SER quanto maior for a intensidade de corrente e o arco el ctrico maior vai ser a gera o de fumos A escolha de el ctrodos vai ter um impacto directo na gera o de fumos 16 Capitulo 2 Estado de Arte No processo de soldadura MAG a taxa de forma o de fumos aumenta com o aumento da temperatura e instabilidade do arco el ctrico com o componente activo da mistura gasosa com a condutividade t rmica da mistura gasosa e com o aumento do volume das gotas de material A quantidade de fumos libertada durante a soldadura maior para misturas com di xido de carbono comparativamente com misturas com oxig nio tendo a mesma capacidade de oxida o 7 2 4 1 Nanoparticulas A influ ncia dos fumos de soldadura no corpo humano tem efeitos diferentes dependendo da composi o desses fumos Algumas composi es t m efeitos a curto prazo como a febre da soldadura outras provocam efeitos de longo prazo como por exemplo o mangan s que pode provocar a doen a de Parkinson Na tabela 2 6 podem se ver alguns dos efeitos que os componentes dos fumos t m na sa de
98. r da m scara do operador no interior da m scara do operador e na HOt sie srs sa sacia po ransa so Sane i eed Casada cn a a a ea i ada 64 Figura 4 19 Medi o com NSAM ao ambiente antes dos ensaios e suas r plicas nos v rios pontos dO CNSAIO Ty sees 2 cca el sos hace ota ae ate Sess iara bean eet oe eave unread ras 64 Figura 4 20 M dia de todos os pontos de amostragem do Ensaio 1 o oo eee eee eesecsseceseceneeeeeees 65 Figura 4 21 El ctrodo Rut lico 90 A a 50 cm 100 cm 300 em 66 Figura 4 22 El ctrodo Rut lico 90 A no exterior da m scara do operador no interior da m scara do operador e na hotte 0 eee eeeeseesseeseeesseceseceseceseceseceeceseeeeeeeeaeeeaeeeseecsaecsaecsaecsaeenseeees 66 Figura 4 23 Medi o com NSAM ao ambiente antes dos ensaios e suas r plicas nos v rios pontos denl 2 rsss decent Sei deere A USAS Ae esp E nee Gea eae 67 Figura 4 24 M dia de todos os pontos de amostragem do Ensaio 2 67 Figura 4 25 El ctrodo B sico 70 A a 50 cm 100 cm 300 em 68 Figura 4 26 El ctrodo B sico 70 A no exterior da m scara do operador no interior da m scara do operador e na hotte 0 eee eeceeseeseeesceessecnsecesecsseceseceseceseeseeeecaeeeseessaecsaecaeceaeceaeenseeees 69 Figura 4 27 Medi o com NSAM ao ambiente antes dos ensaios e suas r plicas nos v rios pontos do ensaio 3a Fede ele Sa soon diadema o Saba Sola eas thesia beste SSL dos Ree E elias 69 Figura 4 2
99. ra MAG Neste processo de soldadura existem v rios modos de transfer ncia reconhecidos e classificados em diferentes categorias pelo Instituto Internacional de Soldadura IW O modo de transfer ncia que se utiliza de grande import ncia pois vai ter um impacto muito 14 Capitulo 2 Estado de Arte importante na qualidade do cord o na estabilidade do arco el ctrico e nos fumos libertados Os modos de transfer ncia mais utilizados s o o curto circuito globular e spray O modo de transfer ncia por curto circuito inicia se criando mesmo um curto circuito fazendo com que o el ctrodo toque no material base cerca de 90 a 200 vezes por segundo Com este modo de transfer ncia a velocidade de alimenta o do el ctrodo a tens o e a taxa de deposi o s o normalmente baixas comparativamente com outros modos de transfer ncia Isto faz com que este modo seja muito vers til possibilitando a soldadura de chapas grossas ou finas e em qualquer posi o Este modo tem tamb m algumas limita es como a falta de fus o em materiais mais espessos uma fraca taxa de deposi o e grande quantidade de salpicos Na figura 2 7 observa se o que acontece durante o modo de transfer ncia por curto circuito Na posi o A o el ctrodo est em curto circuito com o material base n o existe arco el ctrico nem fluxo de corrente Na posi o B vai ocorrer um aumento da resist ncia provocando tamb m um aumento da temperatura e o in ci
100. ra est limitada a materiais com o m nimo de 3 mm de espessura 19 Na figura 2 8 observa se uma ilustra o deste modo de transfer ncia Figura 2 8 Modo de transfer ncia Globular 19 O modo de transfer ncia por spray um modo onde a transfer ncia do material fundido do el ctrodo para o material base feito por pequenas gotas que s o transportadas ao longo do arco el ctrico Comparativamente com os outros modos de transfer ncia a transfer ncia por spray utiliza valores de tens o velocidade de alimenta o e intensidade superiores Este modo de transfer ncia apresenta altas taxas de deposi o uma boa fus o e penetra o boa apar ncia do cord o a capacidade de utilizar el ctrodos de di metros maiores e verificam se poucos salpicos As principais limita es deste modo de transfer ncia s o a limita o de apenas soldar materiais com uma espessura m nima de 3 mm e a necessidade de preparar com um cuidado extra a soldadura 19 Este modo de transfer ncia tende a ficar limitado com o aumento da temperatura e com o aumento do elemento activo da mistura gasosa 7 2 4 Emiss o de fumos na soldadura por fus o Uma correcta manipula o dos par metros de soldadura permite por si s um controlo da quantidade de fumos gerados No entanto libertam se sempre fumos e part culas que podem atingir dimens es inferiores a 100nm 6 Para as nanopart culas ainda desconhecida uma rela o directa entre os pa
101. res no ensaio 2 Comparando da mesma forma os ensaios 3 e 4 onde o tipo de el ctrodo um el ctrodo revestido b sico e a intensidade de corrente de 70 A e 90 A respectivamente a an lise an loga o ensaio 4 vai apresentar os maiores valores de rea de superf cie por volume pulmonar para part culas com capacidade de deposi o alveolar Nas figuras 4 28 e 4 32 verifica se que nos resultados do ensaio 4 que se obt m os maiores valores Para se determinar qual dos el ctrodos provoca maiores valores nas medi es do NSAM apenas necess rio comparar o ensaio 2 com o ensaio 4 e analisar as figuras 4 24 e 4 32 onde se pode observar que o ensaio 4 onde foram medidas as maiores reas de superf cie por volume pulmonar de nanopart culas 4 6 Resultados de granulometria do SMPS no processo de soldadura MAG No cap tulo 3 6 4 explicou se como foi realizado o procedimento experimental de onde resultaram quatro gr ficos um por cada ensaio indicado na tabela 3 7 que refere as concentra es das nanopart culas em n mero de part culas por volume de ar e a sua distribui o por tamanho di metro 4 6 1 Ensaio 1 A figura 4 33 corresponde a uma amostragem no ambiente antes do processo de soldadura e uma amostragem a um cord o de soldadura do processo de soldadura MAG durante 3 minutos 74 Capitulo 4 Resultados e Discuss o 20000 15000 cos dN dlogDp N mero de Particulas cm o i 0 pr N
102. ria de dispers o de energia de raios X EDS com um detector de elementos leves e com aquisi o digital de imagem atrav s de uma c mara 40 Na figura 3 23 pode se ver uma fotografia do microsc pio electr nico de transmiss o do MicroLab do IST que foi utilizado neste trabalho 39 Capitulo 3 Procedimento Experimental Figura 3 23 Microsc pio electr nico de transmiss o Hitachi H 8100 II 3 6 Procedimento experimental para processo de soldadura MAG Realizaram se cord es de soldadura para o processo de soldadura MAG com os par metros pr definidos que possibilitassem a recolha de amostras das nanoparticulas libertadas e posteriormente a sua an lise e caracteriza o A tabela 3 6 apresenta os par metros que se definiram como fixos para os ensaios do processo de soldadura MAG Estes ensaios foram realizados no Laborat rio de Tecnologia Industrial do DEMI da FCT UNL Todos os trabalhos foram realizados sem qualquer sistema de extrac o de fumos e por vezes foram realizados ao mesmo tempo que outros trabalhos normais de um Laborat rio de Tecnologia simulando assim um ambiente de trabalho real Neste procedimento demonstra se o plano dos ensaios e como estes foram realizados 40 Capitulo 3 Procedimento Experimental Tabela 3 6 Soldadura MAG Fio s lido com protec o gasosa activa Par metros fixos Tipo de el ctrodo AWS 5 18 er70s 6 Di metro mm 1 Espessura do materi
103. rials amp Design vol 28 pp 1623 1631 2007 J M Antonini M D Taylor A T Zimmer and J R Roberts Pulmonary responses to welding fumes Role of metal constituents Journal of Toxicology and Environmental Health Part a Current Issues vol 67 pp 233 249 Feb 2004 J F Gomes P C Albuquerque R M Miranda and M T Vieira Determination of airborne nanoparticles from welding processes presented at the International Conference on Occupational Environmental Health 2011 K Elihn P Berg and G Liden Correlation between airborne particle concentrations in seven industrial plants and estimated respiratory tract deposition by number mass and elemental composition Journal of Aerosol Science vol 42 pp 127 141 Feb 2011 J F O Santos and L Quintino Processos de Soldadura ISQ 1999 A D Althouse C H Turnquist W A Bowditch K E Bowditch and M A Bowditch Modern Welding Illinois The Goodheart Willcox Company Inc 2004 Disponivel em http science howstuffworks com welding2 htm Acedido a 11 de Julho de 2012 87 Bibliografia 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Soldadura por arco manual o el ctrico Fundamento Disponivel em http www emagister com curso soldadura arco manual electrico fundamentos electrodos tipos condiciones uso desnudo revestimiento revestido acedido a 25 de Julho de 2012
104. rinc pio de funcionamento MAG Figura adaptada 17 13 Figura 2 6 Ilustra o de equipamento MAG Figura adaptada 18 eee eeeesseceseceseeeeeees 14 Figura 2 7 Modo de transfer ncia por curto circuito 19 15 Figura 2 8 Modo de transfer ncia Globular 19 cee eecsceecceceseeeeseceeaceceeeeeceaeeesaeeeeaeeceeeeens 16 Figura 2 9 Modelo das diversas regi es do pulm o humano Figura adaptada 9 21 Figura 2 10 Curvas de deposi o na regi o traqueobr nquial e alveolar do pulm o Figura adaptada 9 ooreen ioes eanna dao nees Usina Lapa ndo Ee fada Vaga atol bird Neea e E EE naana eves 21 Figura 3 1 Guia Eimear 25 emtee ceeds dcevs levine EEES EEA ES EEEREN 27 Figura 3 2 Motor passo a passo 26 ceirnin nenei eier eeN AEE REEE nE Eeti 27 Figura 3 3 Controlador do motor 27 cccccccessseceseeesseeceeeeceeneeceeeeeesaeceeaaeceeeeeceaeeeesaeceeaeeseeeeees 27 Figura 3 4 NI Compadct DAQ 28 eeeesseesceessecesecnsecsseceseceseesseessneesaeeeseeesaecaaecsaecsaesaeenseenes 27 Figura 3 5 M dulo 9401 29 ss esses are iaa ee a access oaks eee 27 Figura 3 6 M dulo 94 74 30 i nn E E E E EEEE EEE EE 28 Figura 3 7 M quina de soldar ProMig 501 eeseesseeesessesrrsrssresresresrerrsserresseestssrenresressesresss 28 Figura 3 8 Estrutura de suporte da guia ssesseseeseeseeesesessiestssrsstestestessesttssesresseestsseenrestesesresss 28 Figura 3 9 Imagens do suporte e MOOK eee cese
105. sccescesceseceseceeeeeeeeeeeeeeees 63 4 5 1 Ensaios ste sons aes egies lia dl spa ita boa ast E E ETN asin en Wiel E EA 63 4 5 2 ENSAIO 200 ha a Sas eae do gets ds De ouch Dea te Salta nt DO SGD cath DE E e e egies DO 65 4 5 3 Ens i 32 tiesto seit ee Uae lees RR ARDE ARNO E DR E 68 1 1 1 Ensaio iscas dmap a ros E sh joes EEA ATE 70 1 1 2 Discuss o dos resultados do NSAM no processo de soldadura SER 13 4 6 Resultados de granulometria do SMPS no processo de soldadura MAG 74 4 6 1 Ensaio Doei PR A OR E seat be heated RR eee teased 74 4 6 2 Esai Zanni n N eee eel wees Meee clea ee 15 4 6 3 Ensaio goiri sis clean ae eee eta aa cr uniao el ne da a eet 76 4 6 4 LEARE AKON PNE EE ET SR E O Ra aM ae ee 77 4 6 5 Discuss o dos resultados de SMPS eee 78 4 7 Resultados da an lise por microscopia e eererereereeraeraada 79 4 7 1 Resultados da an lise qu mica do processo de soldadura MAG 79 4 7 2 Resultados da an lise morfol gica do processo de soldadura MAG 80 4 7 3 Resultados da an lise qu mica do processo de soldadura SER 82 4 7 4 Resultados da an lise morfol gica do processo de soldadura SER 83 Dis AC ONCEU SDS rats aa A E 85 BIBLIOGRAFIA miroir ai age ORGS satan ici eee tee ees 87 ANEXOS ida cd Ee ois cite dale be once cath Sua E E sp bee ao O odie ches a UE Saad UA E i Al
106. se valores m dios entre o ensaio e a r plica das medi es realizadas com o NSAM das reas de superf cie das part culas ao longo do tempo de soldadura para os v rios pontos definidos no plano experimental 65 Capitulo 4 Resultados e Discuss o 2000 1800 gt _ 1600 S 1400 22 E 1200 amp 3 1000 SE 800 o O 5 600 3 B 400 mmm 3 amp 200 5 E 0 S 0 20 40 60 80 100 120 Tempo s S0cm 100cm 300 cm Figura 4 21 El ctrodo Rut lico 90 A a 50 cm 100 cm 300 cm Na figura 4 21 pode observar se uma grande diferen a de valores das reas de superf cie entre os 50 cm e as dist ncias de 100 cm e 300 cm Os dois picos correspondentes distancia de 50 cm em condi es ideais n o existiriam No entanto este processo sendo um processo de soldadura manual apresenta sempre varia es que n o s o pass veis de prever ou de controlar 60000 S amp 50000 S B 8 40000 Be amp 5 30000 SE 2 20000 ER F 2 amp 10000 2 E 83 o S 0 20 40 60 80 100 120 lt Tempo s Ext M scara do operador M scara do operador Hotte Figura 4 22 El ctrodo Rut lico 90 A no exterior da m scara do operador no interior da m scara do operador e na hotte Na figura 4 22 o maior valor medido para este ensaio foi de 52892 um cm no exterior da m scara do operador Na figura 4 23 apresentam se as medi es realizadas no ambiente antes de cada um dos
107. seceseceteeeeeees 41 Lista de Tabelas Tabela 3 7 Ensaios experimentais do processo de soldadura MAG 41 Tabela 3 8 Par metros do Processo de soldadura por el ctrodos revestidos 46 Tabela 3 9 Ensaios experimentais do processo de soldadura SER 46 Tabela 4 1 Entrega t rmica no processo de soldadura MAG e 51 Tabela 4 2 Entrega T rmica no processo de soldadura SER 51 xi NOMENCLATURA Nomenclatura Romana ACGIH AWS CPC DEMI DMA EDS ER FCT UNL FCT UC HEPA I I ICEM ICRP HW IST MAG MIG NAS NI NSAM SER SMAW SMPS TB TEM TSI US EPA Regi o alveolar American Conference of Governmental Industrial Hygienists Confer ncia dos Higienistas Governamentais Industriais Americanos American Welding Society Sociedade Americana de Soldadura Contador de part culas condensadas Di metro da part cula Departamento de Engenharia Mec nica e Industrial Differential Mobility Size Analyzer Analisador de tamanhos por mobilidade el ctrica Energy dispersive X ray spectroscopy Espectrometria de dispers o de energia de raios X El ctrodo revestido Faculdade de Ci ncias e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa Faculdade de Ci ncias e Tecnologia da Universidade de Coimbra High Efficiency Particulate Air Alta efici ncia para part culas no ar Frac o de part culas inal veis
108. si o alveolar O ensaio com a maior concentra o de part culas por cm de ar foi o ensaio 4 que teve uma concentra o total de 30628 part culas cm O ensaio que originou part culas com o menor di metro ou seja com maior efici ncia de deposi o alveolar foi o ensaio 1 com di metros m dios de 144 5 nm Fazendo uma compara o entre os ensaios 1 e 2 onde apenas a mistura gasosa difere pode se observar que o ensaio 1 em rela o ao ensaio 2 tem em m dia reas com maior efici ncia 78 Capitulo 4 Resultados e Discuss o de deposi o alveolar No entanto o ensaio 2 que provoca maiores concentra es de part culas por volume de ar Comparando da mesma forma os ensaios 3 e 4 onde apenas difere a mistura gasosa observa se que o ensaio 4 em rela o ao ensaio 3 o que apresenta maiores concentra es de part culas por volume de ar No entanto as part culas resultantes do ensaio 3 t m em m dia di metros menores ou seja com maior efici ncia de deposi o alveolar 4 7 Resultados da an lise por microscopia Com o equipamento de recolha de amostras NAS obtiveram se amostras das part culas libertadas pelos processos de soldadura o que tornou poss vel a sua an lise qu mica e morfol gica 4 7 1 Resultados da an lise qu mica do processo de soldadura MAG Na figura 4 37 pode observar se o resultado de uma microan lise por espectrometria de dispers o de energia de raios X s
109. slocado manualmente ao longo da junta a soldar com uma velocidade que se pretende constante e um comprimento de arco o mais est vel poss vel tentando assim reduzir as projec es de metal e fumos libertados 11 Este processo geralmente utilizado em manuten o produ o de pequenas s ries e bastante utilizado na soldadura de tubagens de grandes dimens es 13 Na figura 2 2 ilustra se esquematicamente o funcionamento do processo e na tabela 2 1 indicam se os principais par metros a E El ctrodo Protec o gasosa Metal liquido b d f Sensimono Cord o de gt Cabo do el ctrodo Fonte de j alimentac o K CRUE EET Figura 2 2 Princ pio de funcionamento SER Imagem adaptada de 13 Tabela 2 1 Par metros de Soldadura Principais par metros operat rios do Processo SER e Di metro e tipo de El ctrodo e Intensidade da corrente de soldadura e Tens o e Velocidade de Soldadura Capitulo 2 Estado de Arte 2 2 1 El ctrodos revestidos Os el ctrodos revestidos s o um elemento essencial tanto para o escorvamento do arco el ctrico como para fornecer o material de adi o O el ctrodo revestido constitu do por dois elementos principais 14 ilustrados na figura 2 3 uma vareta que constitui a alma met lica e um revestimento constitu do por materiais minerais ou org nicos 11 A principal fun o da alma met lica a condu o da corrente el ctrica e o forneci
110. soldadura MAG Para cada um desses ensaios calculou se a entrega t rmica m dia dos ensaios de soldadura realizados Como o processo de soldadura MAG foi automatizado a velocidade foi constante e apenas a intensidade de corrente sofreu pequenas varia es A equa o 4 3 1 pode ser adaptada para melhor se adequar a este processo Para o c lculo das entregas t rmicas neste processo de soldadura aplicou se a equa o 4 3 2 onde v Velocidade de soldadura mm min LV E re Eai 4 3 2 A velocidade de soldadura foi a especificada no plano experimental conforme se indica na tabela 3 6 ou seja de 300 mm min e o rendimento deste processo foi admitido como sendo de 80 de acordo com a noma DIN 1011 1 41 rendimentos comuns para processos de soldadura MAG e tendo em conta que n o se est a realizar mesmo uma soldadura mas sim uma deposi o de material fundido 50 Capitulo 4 Resultados e Discuss o Na tabela 4 1 apresentam se os valores m dios das intensidades de corrente tens es e entregas t rmicas de cada um dos quatro ensaios experimentais Tabela 4 1 Entrega t rmica no processo de soldadura MAG Ensaiol Ensaio Ensaio3 Ensaio4 Tens o V 22 52 22 56 22 53 22 57 Intensidade de Corrente A 132 1 131 7 181 9 172 Entrega T rmica kJ mm 0 48 0 48 0 66 0 62 As misturas gasosas na entrega t rmica n o provocam grandes altera es No entanto os modos de transfer ncia apresentam maiores e
111. t culas Com a utiliza o deste monitor foi poss vel obter as reas de superf cie das nanopart culas com capacidade de se depositarem nos pulm es mais propriamente nos alv olos O monitor foi ent o colocado no modo A ou seja no modo que avalia apenas as nanopart culas com capacidade de deposi o alveolar Antes de se iniciarem as medi es fez se a calibra o autom tica do equipamento As amostragens realizadas por este monitor foram definidas para serem analisadas e registadas de 10 em 10 segundos pelo software do equipamento Este intervalo de tempo foi definido para evitar satura es do equipamento visto este estar a analisar ambientes com grandes quantidades de part culas em suspens o Os cord es de soldadura foram sempre de 90 segundos enquanto o tempo de amostragem do NSAM foi variando entre os 2 minutos e os 3 minutos para melhor se poder observar o impacto do processo de soldadura Por forma a ter uma melhor no o do impacto que a soldadura tem em todo o ambiente envolvente foram escolhidos 5 pontos de recolha a diferentes dist ncias do posto de soldadura para o monitor de rea de superf cie de nanopart culas Um ponto designado de ponto 4 foi a m scara do operador para obter dados relativamente ao que o operador vai inalar Como este processo foi automatizado colocou se a tomada de amostras no bra o da mesa que sustenta a tocha ficando a 410 mm acima do banho de soldadura Outro ponto util
112. t vel devido aus ncia do problema do reescorvamento do arco todos os meios ciclos uma vez que a polaridade constante uma transfer ncia de metal mais f cil e regular atrav s do arco Por outro lado a corrente alterna evita problemas de sopro magn tico e permite a utiliza o de equipamentos mais baratos A soldadura com polaridade inversa utilizada por exemplo no processo MIG MAG e caracterizada em rela o polaridade directa por permitir uma transfer ncia de metal atrav s do arco mais uniforme de maior frequ ncia e melhor dirigida originar um efeito de limpeza da camada superficial de xidos da pe a devido mesa funcionar como c todo e originar uma densidade de energia mais reduzida 11 No arco el ctrico os efeitos dos campos magn ticos externos s o determinados pela for a de Lorentz que proporcional ao produto do vector da for a do campo exterior pela corrente S o estes campos magn ticos externos que ocasionam deflex o do arco O destacamento das gotas deve se ao balan o das for as actuantes no processo de transfer ncia e que est o representadas na figura 2 1 S o elas a Capitulo 2 Estado de Arte e For a da gravidade F e For a de arrastamento do plasma F e For a electromagn tica Fom e Tens o superficial F e For a de vaporiza o Fy e For a explosiva Figura 2 1 For as que actuam na transfer ncia de processos de soldadura MAG Figura adapt
113. trodos revestidos b sicos como nos el ctrodos revestidos rutil cos identificaram se picos de elevada intensidade sendo que para os el ctrodos rutil cos observou se maior diversidade de elementos qu micos A an lise morfol gica revelou a presen a de part culas de dimens es inferiores aos 100 nm ou seja com grande efici ncia de deposi o alveolar A combina o destes dois factos representa um risco para a sa de dos operadores Tamb m neste processo de soldadura a entrega t rmica m dia parece n o ter uma rela o directa com a liberta o de nanopart culas e Em rela o aos dois processos de soldadura em estudo ficou comprovado que o processo de soldadura MAG aquele que liberta maiores quantidades de part culas nanom tricas Tanto o processo de soldadura SER como o processo de soldadura MAG libertam part culas com elevada capacidade de deposi o alveolar e A mesa de soldadura constru da para a realiza o dos ensaios cumpriu os objectivos estabelecidos A utiliza o de novos controladores para o motor permitiria melhorar o controlo da velocidade e da estabilidade da mesa Em futuros trabalhos sobre este tema seria interessante fazer um estudo mais detalhado sobre os efeitos dos par metros de soldadura na concentra o das part culas em v rios pontos de recolha O estabelecimento de uma rela o entre a entrega t rmicas de soldadura e a concentra o de nanopart culas tamb m muito pertin
114. ulas libertadas No NAS os par metros que se podem controlar o fluxo com que o equipamento recolhe as part culas suspensas no ar e a voltagem do precipitador electroest tico Os par metros utilizados foram os mesmos em todos os ensaios a voltagem foi sempre aproximadamente 5 V e o fluxo foi sempre de 1 5 l min Na figura 3 25 pode se ver como a grelha colocada no NAS e a fita de carbono que fixa a grelha de cobre ao precipitador electroest tico Na figura 3 26 pode se ver esquematicamente o ponto de recolha do equipamento NAS Este ponto encontra se no centro na mesa de soldar por cima da calha da manta corta fogo 43 Capitulo 3 Procedimento Experimental Figura 3 25 Grelha de cobre no NAS gt wI C6 y LIL LP Figura 3 26 Esquema de tomada de amostras do NAS As amostras recolhidas foram posteriormente analisadas por microscopia electr nica de transmiss o TEM do Instituto Superior T cnico com capacidade de microan lise por espectrometria de dispers o de energia de raios X EDS 3 6 4 Recolha de amostras para medi o no SMPS Antes de iniciar as medi es com o SMPS foi necess rio realizar a sua calibra o autom tica e ap s isso deixou se recolher amostras durante uma hora para se obter uma an lise das concentra es de part culas no ambiente sem trabalhos de soldadura Por cada cord o realizado nos ensaios de SMPS o tempo de amostragem foi definido como 3
115. uma guia linear Drylin da Igus desenhou se uma estrutura de apoio figura 3 8 No anexo Al l apresentam se os desenhos t cnicos Figura 3 8 Estrutura de suporte da guia 1 Estrutura sem guia 2 Estrutura com guia linear Esta estrutura foi constru da com os tubos de perfil quadrado e chapa ligados por soldadura A fixa o da guia linear foi realizada atrav s de suportes em alum nio da Igus que permitem aparafusar a guia linear estrutura de apoio Para se poder fixar o motor que d movimento correia da guia foi necess rio maquinar um suporte a partir de dois blocos de alum nio Este bloco foi todo feito na fresadora e no torno 28 Capitulo 3 Procedimento Experimental mec nico Na figura 3 9 pode se ver o suporte e o motor E na figura 3 10 mostra se como este suporte foi fixo na guia linear No anexo Al 2 apresentam se os desenhos t cnicos com cotas do suporte do motor Figura 3 9 Imagens do suporte e motor 1 Motor 2 Base de fixa o do motor 3 Fixa o guia linear Figura 3 10 Mesa de soldar com Suporte do motor e motor fixados na Guia Ap s ter a guia linear montada na estrutura construiu se um bra o para fixar a tocha de soldadura para controlar a posi o da tocha ou seja que possibilitasse um controlo do ngulo de soldadura e da dist ncia da tocha ao material base Foi projectada uma estrutura fixa no 29 Capitulo 3 Procedimento Experimental patim da gu
116. vel em http www igus pt wpck default aspx PageNr 2370 Acedido em 15 de Julho de 2012 Astrosyn TECHNICAL DATASHEET Model ML23HS1 5 Hybrid Stepper Motor 2012 Astrosyn User Manual P402A 2012 National Instruments NI CompactDAQ 8 Slot USB Chassis Disponivel em http sine ni com nips cds view p lang en nid 207534 Acedido em 30 de Julho de 2012 88 Bibliografia 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 National Instruments NI 9401 Disponiver em http sine ni com nips cds view p lang pt nid 208809 Acedido em 30 de Julho de 2012 National Instruments NI 9474 Disponivel em http sine ni com nips cds view p lang pt nid 208823 Acedido a 30 de Julho de 2012 Kemppi Welding Torch Disponivel em http www kemppi com inet kemppi kit nsf 0 16FFB 1A982C35E5DC2257181 003BD284 opendocument Acedido em 31 de Julho de 2012 E A C Souza CONSUM VEIS DE SOLDAGEM ed Lincoln Electric Brasil Diponivel em http www lincolnbrasil com br index php actio n openFile amp path media noticias files 1092201484847f124538b9 pdf Acedido a 30 de Agosto de 2012 L Electric STICK SMAW ELECTRODE AWS E6013 Disponivel em http www lincolnelectric com assets global Products Consumable_StickElectr odes MildandLowAlloySteels Fleetweld Fleetweld37 c21019 pdf Acedido a 11 de Setembro de 2012 L Electric STICK SMAW ELECTRODE AWS E7
117. volume pulmonar a diferentes dist ncias da fonte de emiss o Foram efectuados gr ficos relativos aos resultados obtidos com o NSAM para cada um dos ensaios 51 Capitulo 4 Resultados e Discuss o 4 4 1 Ensaio 1 No cap tulo 3 6 1 pode se ver que o ensaio 1 o ensaio experimental com o modo de transfer ncia globular e a mistura gasosa de Argon com 18 de di xido de carbono Nas figuras 4 1 e 4 2 apresentam se os valores m dios entre o ensaio e a sua r plica nas medi es do NSAM para este ensaio s dist ncias referidas na figura 3 24 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Tempo s rea de superf cie das part culas por volume pulmonar Lum cm S cn 1l00cm 300 cm Figura 4 1 Ensaio 1 transfer ncia globular com mistura gasosa Ar 18 CO a 50 cm 100 cm e 300 cm 120000 amp 100000 ga Es 80000 6g amp 60000 a k Va o E 40000 DE o g 5 amp 20000 oO 2 E gs 0 gr 20 40 60 80 100 120 140 2 20000 Tempo s Hotte M sc operador Figura 4 2 Ensaio 1 transfer ncia globular com mistura gasosa Ar 18 CO na hotte e m scara do operador Para estes par metros e condi es de soldadura o maior valor da rea superficial de part cula com capacidade de deposi o alveolar por cm3de ar de 99697 um no ponto da m scara do operador 52 Capitulo 4 Resultados e Discuss o Em cada um dos pontos de amostrag

Avaliação de emissões de nanopartículas resultantes de processos

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