Reducción de los humos de soldadura para aumentar la productividad: cumplimiento de los estándares de exposición
Si bien el límite de exposición para el humo de soldadura (5 mg/m3) no ha cambiado, los límites de exposición son más bajos para algunos componentes estándar del humo de soldadura, como los compuestos de manganeso y cromo en el humo de soldadura de acero inoxidable y carbono.
En 1995, la ACGIH redujo la exposición permisible al manganeso de 1 a 0,2 mg/m 3. Debido a que el manganeso es del 5 al 15 % de un humo de soldadura típico de electrodos de acero al carbono, para niveles de exposición aceptables, las empresas deben limitar sus niveles de humo a 2- 3 mg/m 3 .
ACGIH también endureció los límites de exposición para el cromo hexavalente. Esto, y el debate actual dentro de la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA), que puede resultar en exposiciones hexavalentes permitidas aún más bajas que las recomendadas por ACGIH, ha centrado la atención de la industria en controlar la exposición de los trabajadores al humo de soldadura de acero inoxidable. Los límites de exposición existentes y propuestos exigen que los trabajadores de algunas empresas usen protección respiratoria especial cuando suelden con consumibles de acero inoxidable.
Los talleres pueden adherirse mejor a los límites reglamentarios seleccionando cuidadosamente los consumibles y procesos óptimos y proporcionando una ventilación adecuada.
Creando el humo de soldadura
En el proceso de soldadura, a medida que el electrodo consumible se derrite y se vaporiza, el humo o las partículas sólidas se elevan en forma de penacho desde el arco. Alrededor del 90-95% del humo proviene del electrodo y el resto proviene del material base.
El humo de soldadura es totalmente respirable y consta de partículas de 0,01-1,0 µ de diámetro, esferas químicamente complejas que normalmente se fusionan en forma de cadenas o grupos.
La composición química del humo es similar a la del electrodo; sin embargo, los elementos del humo, como el manganeso y el cobre, se enriquecen más allá de los del electrodo. A pesar de su química compleja, los límites de exposición para elementos individuales u óxidos puros se aplican al humo de soldadura.
Además de las partículas sólidas, en el entorno del arco también surgen gases que incluyen monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno (NO y NO2) y ozono. El dióxido de carbono, a menudo presente como un componente de gas de protección o un subproducto de los componentes que se encuentran en los consumibles que contienen fundente (electrodos de arco de metal blindado y alambres con núcleo de fundente), se descompone y forma monóxido de carbono. La descomposición térmica del nitrógeno genera óxidos de nitrógeno, con las cantidades más altas cerca de los procesos de corte por plasma que utilizan nitrógeno como gas de proceso. El monóxido de carbono y los óxidos de nitrógeno generalmente permanecen dentro de la columna de humo.
El ozono proviene de la interacción de un rango de longitud de onda específico de la luz ultravioleta con el oxígeno tanto dentro como fuera de la zona del arco. La luz ultravioleta está presente cerca de los arcos protegidos con gases a base de argón y también se origina cuando el silicio se vaporiza en el entorno del arco. Las mayores cantidades de ozono se generan en la soldadura de aluminio con protección de argón con consumibles de la serie 4000 como el 4043.
Análisis de variables de humos de soldadura
El voltaje y la corriente de soldadura afectan la generación de humo. La potencia aplicada al electrodo determina la longitud de un arco de soldadura. A medida que aumenta el voltaje, también aumenta la longitud del arco, o la distancia que recorren las gotas de metal desde el electrodo antes de llegar al charco de soldadura.
La larga trayectoria del arco resultante prolonga la cantidad de tiempo que tiene la gota en el extremo del electrodo para “hervir” y emitir un humo.
La cantidad de material fundido es proporcional a la corriente de soldadura e influye en el tipo de transferencia de metal que se produce. A medida que aumenta la corriente, los niveles de humo también aumentan. A medida que aumenta el nivel de corriente en MIG de alambre sólido, una transferencia de metal puede cambiar según el gas de protección utilizado. La transferencia de metal cambia de cortocircuito a rociado globular a gotas finas a medida que aumenta la corriente del electrodo, degradando la estabilidad del arco. Esto, a su vez, influye en el humo creado.
Para los procesos con protección de gas, la reactividad de la mezcla de gases y la transferencia de metal influyen en los niveles de humo. Altos porcentajes (> 80 %) de argón permiten una transferencia estable de gotas finas con corrientes moderadas. Con estas corrientes moderadas, la transferencia permanece globular cuando los gases de protección contienen más del 20-25% de dióxido de carbono. A medida que aumenta el porcentaje de dióxido de carbono en el gas de protección, también aumenta la cantidad de humo de soldadura, lo que se aplica a los alambres sólidos y con núcleo de metal.
Con alambres fundentes y con núcleo de metal, las composiciones del material del núcleo y las tiras influyen en la generación de humos. Por ejemplo, los componentes de alta volatilidad de la tira y el alto contenido de carbono aumentan el humo. Al igual que con las variaciones de corriente, los cambios en las cantidades de estos componentes influyen en la estabilidad del arco y, por lo tanto, en las cantidades de humo. Sin embargo, los avances recientes en la tecnología de fabricación y las nuevas formulaciones han creado un nuevo grupo de fundentes de baja generación de humos y alambres con núcleo metálico.
Reducción de la exposición de los trabajadores
Incluso con el control de variables como la corriente y el voltaje y la selección de procesos y consumibles, a las empresas a menudo les resulta difícil predecir con precisión la exposición de los trabajadores porque mucho depende de las diferencias entre los soldadores individuales. Por ejemplo, cuanto más cerca esté la zona de respiración del soldador (definida como el área dentro de unas 9 pulgadas desde la nariz y la boca hasta el penacho), mayor será la exposición. Además, los hábitos personales de soldadura, la posición de trabajo del soldador, el tipo de soldadura que se completará y el estilo del equipo de protección usado, todos influyen en los niveles de exposición del soldador.
A pesar de estos desafíos, el sentido común dicta que la forma más efectiva de reducir la exposición de los trabajadores es limitar la cantidad de humo generado. Las recomendaciones incluyen:
- Cambie los hábitos de trabajo del soldador, por ejemplo, reposicionando la pieza de trabajo para eliminar la zona de respiración de la vecindad de la columna de humo.
- Mejorar la ventilación y el escape en el arco.
- Elija el mejor proceso de soldadura.
- Utilice consumibles de baja emisión de humos y gases de protección.
Elección de consumibles de baja emisión de humos
Los talleres pueden usar varios procesos de soldadura para lograr una tasa específica de deposición de metal. Como resultado, se crean diferentes cantidades de humo de soldadura según el método y los consumibles seleccionados. Por ejemplo, el uso de alambre sólido con gases de protección a base de argón en la transferencia de rociado de gotas finas genera uno de los niveles más bajos de humo por cantidad de metal de soldadura depositado.
Además, los impulsos de la industria para reducir la exposición de los trabajadores al mismo tiempo que aumentan la productividad y reducen los costos, han llevado al desarrollo de nuevos consumibles de baja emisión de humos, como alambres con núcleo fundente y con núcleo metálico.
Los alambres con núcleo de fundente de diseño más antiguo, especialmente con diámetros más grandes (> 2,0 mm), se formularon para operar con una protección de CO2 del 100 %. Estos alambres generan cantidades sustanciales de humo de soldadura.
La soldadura con alambres de nueva generación reduce los niveles de humo porque los alambres usan materiales de tiras con bajo contenido de carbono para el tubo y menos compuestos minerales que causan altos niveles de humo.
Con una química de núcleo cuidadosamente equilibrada, los alambres con núcleo de fundente de baja emisión de humos funcionan en mezclas de gases con un contenido de argón de hasta el 95 %. Además, el uso de estos cables reduce sustancialmente las cantidades de humo, acercándose a las del cable sólido.
Los alambres con núcleo de metal recién formulados también reducen los niveles de humo. Los alambres con núcleo fundente y con núcleo metálico, con sus formulaciones optimizadas, muestran excelentes cualidades operativas al tiempo que reducen la exposición a los humos. Sin embargo, debido a que el rendimiento de estos cables varía, los talleres deben sopesar cuidadosamente las combinaciones adecuadas para sus aplicaciones.
Selección de nueva tecnología de proceso
La tecnología de fuente de alimentación inverter y su aplicación a la transferencia de metal pulsado también muestran un gran potencial para reducir los humos de soldadura. Esto se debe a que los rápidos tiempos de “aumento de corriente” y la alta frecuencia de pulsación permiten que las gotitas de metal formadas en la punta del electrodo de alambre se desprendan rápidamente, minimizando el tiempo dedicado a “echar humo” en la punta del alambre.
La tecnología de pulso más antigua, en la que los tiempos de subida son más lentos y las gotas se desprenden con menos frecuencia, conduce a niveles de humo ligeramente más altos que la nueva tecnología de pulso, pero aún menos que el rociado convencional de gotas finas.
Prueba de nueva tecnología de proceso
Los talleres que utilizan alambres con núcleo metálico en lugar de alambres con núcleo fundente de gran diámetro (> 2,0 mm) protegidos con dióxido de carbono al 100 % demuestran cómo mejorar la productividad de la soldadura y la seguridad de los trabajadores al tiempo que reducen los costos de soldadura. Por ejemplo, un fabricante de equipos de trituración de piedra había estado utilizando alrededor de 50 000 kg/año de alambre con núcleo fundente de 1,6 mm y 2,4 mm con protección 100 % de CO2. Reemplazó los cables con núcleo de fundente por un cable con núcleo de metal de 1,6 mm y utilizó blindajes de 10 Ar-10 CO2, lo que mejoró la tasa de deposición y la eficiencia y redujo el humo. Como resultado, la tienda logró lo siguiente:
- Eficiencia de deposición (promedio):
- Alambres tubulares: 80-86%
- Alambres con núcleo metálico: 93-97%
- Tasa de deposición actual:
- Alambres con núcleo de fundente (promedio): 5 kg/h a 350 amperios
- Alambres con núcleo de metal: 6,8 kg/h a 350 amperios
- Tasas de generación de humos:
- Hilos tubulares: 1500-2000 mg/min
- Alambres con núcleo metálico de baja emisión de humos: 500-1000 mg/min
Al comparar los costos, el método original cuesta $9,75/m de soldadura contra $6,96/m de soldadura para el alambre con núcleo de metal, lo que demuestra que los costos pueden reducirse y aumentar la productividad, al mismo tiempo que se reducen los humos de soldadura.