ISEL
ANÁLISE TOXICOLÓGICA DE NANO
PARTÍCULAS GERADAS NOS PROCESSOS
DE SOLDADURA
João Gomes
Professor Coordenador c/Agregação, ISEL/IPL
Investigador IBB – IST/UL
Workshop sobre Técnicas Avançadas nos Processos de Ligação e Consolidação
Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 1/10/2013
INVESTIGADORES
Prof. João Bordado – CEBQ/IBB
Prof. João Gomes – CEBQ/IBB e ISEL
Profª Patrícia Carvalho – ICEMS
Profª Rosa Miranda – UNIDEMI
Prof. Telmo Santos – UNIDEMI
Profª Teresa Vieira – CEMUC
Profª Paula Albuquerque
Profª Ana Bettencourt
Profª Lídia Gonçalves
APOIOS
Projecto 035/APJ/09
Beca Larramendi 2012
Conteúdo da apresentação
1. Importância e interesse do tema
2. Monitorização da exposição: equipamentos e
metodologia
3. Casos de estudo
- soldadura com eléctrodos revestidos (SER)
- soldadura “Metal Active Gas” (MAG)
- soldadura por fricção linear (FSW)
- outros estudos em curso
4. Conclusões
Workshop sobre Técnicas Avançadas nos Processos de Ligação e Consolidação
Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 1/10/2013
3
A utilização de processos de soldadura
gera fumos (constituídos por partículas
e gases),…
… por vezes de toxicidade muito
elevada, que tem sido objecto de
particular atenção e de diversos estudos
( Bland, J., 1973 ; Jenkins e Moreton, 1974 ;
Pires et al., 2006 ; Pires et al., 2007 ),
assim como de medidas
de regulação específica,
com o objectivo de
proteger os trabalhadores
expostos.
Partículas em fumos de soldadura
Para partículas > 2.5 µm, a toxicidade depende da
composição química. Nestes casos a toxicidade é
bem conhecida e estão definidos valores limite de
exposição (ACGIH, NIOSH, NP, … ) em termos de:
- TWA (time weighted average: 8h de exposição)
- concentração instantânea (exposição: 15 min)
Exemplo:
“ACGIH has assigned welding fumes (not otherwise
classified) a threshold limit value (TLV) of 5 milligrams
per cubic meter (mg/m3) as a TWA for a normal 8-hour
workday and a 40-hour workweek” [ACGIH 1994, p. 36]
5
Nanopartículas (NPs)
A principal característica distintiva entre as
nanopartículas e as macropartículas é o
elevado valor de área superficial das NPs.
As nanopartículas podem
ser tóxicas dependendo
da sua forma e potencial
de penetração no interior
do sistema respiratório
6
Avaliação da exposição a Nanopartículas
Quanto menores as partículas, mais potencialmente perigosas se tornam,
uma vez que podem progredir mais no interior do sistema respiratório
Partículas > 2,5 µm
ficam retidas na laringe.
As nanopartículas
podem ir até às regiões
traqueobronquiais ou
alveolares.
Regiões do aparelho respiratório
humano
7
MONITORIZAÇÃO DA EXPOSIÇÃO
A penetração alveolar é a mais perigosa:
as nanopartículas podem ser transferidas para
o sangue e ser distribuídas a todo o corpo
humano !
Modelo ICRP / ACGIH (1999)
N.º de partículas depositadas no pulmão por
área superfície (µm2/cm3), correspondendo à
região tranqueobronquial (TB) e região
alveolar (A)
8
MONITORIZAÇÃO - EQUIPAMENTOS
TSI Model 3034 - Scanning Mobility
Particle Sizer Spectrometer (SMPS)**
TSI Model 3550 – Nanoparticle
Surface Area Monitor (NSAM)*
TSI Model 3089 – Nanometer
Aerosol Sampler (NAS)*
(*) Co-financiado: Autoridade para as Condições de Trabalho (ACT) – Projecto n.º 035
APJ/09 - “Nanopartículas em Ambientes Interiores e Efeitos na Saúde Humana”.
(**) CEMUC – FCT/UC
9
MONITORIZAÇÃO - EQUIPAMENTOS
Princípio base de
funcionamento:
- electrização das
nanopartículas
- captação em campo
electrostático
- comparação da
diferença de carga
eléctrica
- utilização de modelo
de deposição no
pulmão
10
Software
de aquisição
de dados
Software
de aquisição
de dados
11
CARACTERIZAÇÃO - EQUIPAMENTOS
Recolha com NAS
Análise por TEM: morfologia, hábito,
cristalinidade, dimensões
Análise por EDS: composição elementar
TEM: Hitachi H-8100 II
Microlab IST
Metodologia descrita em:
-
Gomes, J., Albuquerque, P., Esteves, H., Carvalho, P., “Notice on a methodology for
characterizing emissions of ultrafine particles/nanoparticles in microenvironments”,
Energy and Emission Control Technology (2013)
-
Gomes, J., Guerreiro, C., Lavrador, D., Carvalho, P., Miranda, R., “TEM analysis: a tool on
toxicology assessment of occupational exposure to airborne nanoparticles from welding”,
12
Microscopy and Microanalysis, 19(S4), 153-154 (2013)
Processo de soldadura por eléctrodos
revestidos (SER)
• Processo de soldadura por arco eléctrico
• Protecção do banho de soldadura
decomposição química do revestimento
por
Principais parâmetros operatórios do Processo SER
 Revestimento
 Diâmetro
 Intensidade da corrente de soldadura
 Tensão
 Velocidade de Soldadura
Procedimento experimental SER
Parâmetros
Tipo de eléctrodo
Rutílico E6013 / Básico E 7018-1
Comprimento (mm)
350
Espessura do material base a soldar (mm)
5
Intensidade (A)
90/70
Ensaios experimentais
Tipo de eléctrodo
Intensidade (A)
Ensaio1
Ensaio2
Ensaio3
Ensaio4
Rutílico E 6013
Rutílico E 6013
Básico E 7018-1
Básico E 7018-1
70
90
70
90
14
Medições com monitor de área de superfície de nanopartículas
(NSAM)
Ponto 6
150 cm
150 cm
50 cm
Ponto 3
100 cm
Ponto 1 e 2 25 cm
95 cm
140 cm
Ponto 4
150 cm
Ponto 5
120 cm
(...) 300 cm
15
Resultados obtidos nos ensaios experimentais SER com o Monitor NSAM
Ensaio 1: Eléctrodo rutílico a 70 A
50000
800
600
400
200
0
0
20
40
60
80
100
120
Tempo (s)
50 cm
100 cm
Área de superfície das
partículas por volume pulmonar
(µm²/cm³)
Área de superfície das
partículas por volume pulmonar
(µm²/cm³)
1000
300 cm
40000
30000
20000
10000
0
0
20
40
60
80
100
120
Tempo (s)
Ext. Máscara do operador
Máscara do operador
Hotte
Ensaio 2: Eléctrodo rutílico a 90 A
60000
1500
1000
500
0
0
20
40
60
80
Tempo (s)
50 cm
100 cm
300 cm
100
120
Área de superfície das
partículas por volume pulmonar
(µm²/cm³)
Área de superfície das
partículas por volume pulmonar
(µm²/cm³)
2000
40000
20000
0
0
20
40
60
80
100
120
Tempo (s)
Ext. Máscara do operador
Hotte
Máscara do operador
16
Resultados obtidos nos ensaios experimentais SER com o Monitor NSAM
150000
700
600
500
400
300
200
100
0
0
20
40
60
80
100
120
Tempo (s)
50 cm
100 cm
Área de superfície das
partículas por volume pulmonar
(µm²/cm³)
Área de superfície das
partículas por volume pulmonar
(µm²/cm³)
Ensaio 3: Eléctrodo básico a 70 A
100000
50000
0
0
20
40
60
80
100
120
Tempo (s)
Ext. Máscara do operador
Máscara do operador
Hotte
300 cm
Ensaio 4: Eléctrodo básico a 90 A
Área de superfície das
partículas por volume pulmonar
(µm²/cm³)
500
400
300
200
100
0
0
20
40
60
80
Tempo (s)
50 cm
100 cm
300 cm
100
120
Área de superfície das
partículas por volume pulmonar
(µm²/cm³)
150000
600
100000
50000
0
0
20
40
-50000
Ext. Máscara do operador
Hotte
60
80
100
120
Tempo (s)
Máscara do operador
17
Súmula dos ensaios experimentais SER com o monitor NSAM
( Rutílico, 70 A )
( Rutílico, 90 A )
Área de superfície das
partículas por volume pulmonar
(µm²/cm³)
10000,00
8000,00
6000,00
4000,00
2000,00
0,00
0
20
40
60
80
100
120
Tempo (s)
Área de superfície das
partículas por volume pulmonar
(µm²/cm³)
10544 µm²/cm³
12000,00
15000,00
10000,00
5000,00
0,00
0
20000,00
15000,00
10000,00
5000,00
0,00
60
80
Tempo (s)
Média de todos os pontos ensaio 3
80
100
120
100
120
( Básico, 90 A )
30000,00
Área de superfície das
partículas por volume pulmonar
(µm²/cm³)
Área de superfície das
partículas por volume pulmonar
(µm²/cm³)
25000,00
40
60
25938 µm²/cm³
24719 µm²/cm³
20
40
Média de todos os pontos ensaio 2
( Básico, 70 A )
0
20
Tempo (s)
Média de todos os pontos ensaio 1
30000,00
14455 µm²/cm³
20000,00
25000,00
20000,00
15000,00
10000,00
5000,00
0,00
0
20
40
60
80
100
120
Tempo (s)
Média de todos os pontos ensaio 4
18
Análise morfológica das partículas emitidas no processo SER
Eléctrodos rutilícos
Eléctrodos básicos
19
Análise química (EDS) das partículas emitidas
Eléctrodos básicos
Potássio
Ferro
Eléctrodos rutilícos
Ferro
Potássio/Cálcio
Cálcio
20
Conclusões relativas ao processo SER
• Os eléctrodos revestidos básicos com uma
intensidade de corrente de 90 A provocaram as
maiores áreas de superfície de partículas com
capacidade de deposição alveolar.
• Os eléctrodos revestidos rutilícos são os que
apresentaram uma maior diversidade de
elementos químicos libertados e pela análise
morfológica, apresentam uma maior eficiência de
deposição alveolar.
21
Processo de soldadura Metal Active Gas (MAG)
• Processo de soldadura por arco eléctrico
• Utilização de gases de protecção à base de CO2
Principais parâmetros do Processo de soldadura MAG
 Intensidade de corrente
 Tensão do arco
 Velocidade de soldadura
 Extensão do eléctrodo
 Tipo de gás de protecção
 Diâmetro do eléctrodo
22
Procedimento experimental MAG
Parâmetros fixos
Tipo de eléctrodo
AWS 5.18 ER70S-6
Diâmetro (mm)
1
Espessura do material base a soldar (mm)
5
Fluxo de Gás (l/min)
15
Velocidade de soldadura (mm/min)
300
Comprimento do cordão de soldadura (mm)
450
Tempo de soldadura (s)
90
Ensaios experimentais
Ensaio1
Composição da Protecção
Ensaio2
Ensaio3
Ar + 8 % CO2
Ar + 18 % CO2
8
8
5
5
Globular
Globular
Spray
Spray
Ar + 18 % CO2
Ensaio4
Ar + 8 % CO2
Gasosa
Velocidade de alimentação
do fio (m/min)
Modo de transferência
23
Equipamento experimental para determinação
das emissões em soldadura automática MAG
Ref: Guerreiro, C., “Avaliação das emissões de nanopartículas resultantes
de processos de soldadura por fusão de aços”, Tese de Mestrado em Engª
Mecânica, FCT-UNL, Caparica, 2012
24
Medições com monitor de área de superfície de nanopartículas
(NSAM)
Ponto 5
79 cm
(...) 300 cm
Ponto 4
150 cm
41 cm
150 cm
50 cm
95 cm
Ponto 2
150 cm
Ponto 3
100 cm
Ponto 1
25
Resultados obtidos nos ensaios MAG com o Monitor NSAM
120000
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
50
100
150
Tempo (s)
50 cm
100 cm
Área de superfície das
partículas por volume pulmonar
(µm²/cm³)
Área de superfície das
partículas por volume pulmonar
(µm²/cm³)
Ensaio 1: Modo de transferência globular com protecção
gasosa Ar + 18 % CO2
100000
80000
60000
40000
20000
0
-20000 0
50
Hotte
300 cm
100
150
Tempo (s)
Másc. operador
Ensaio 2: Modo de transferência globular com protecção
gasosa Ar + 8 % CO2
80000
1500
1000
500
0
0
50
100
Tempo (s)
50 cm
100 cm
300 cm
150
Área de superfície das
partículas por volume pulmonar
(µm²/cm³)
Área de superfície das
partículas por volume pulmonar
(µm²/cm³)
2000
60000
40000
20000
0
0
50
-20000
100
150
Tempo (s)
Hotte
Mác. operador
26
Resultados obtidos nos ensaios MAG com o Monitor NSAM
Ensaio 3: Modo de transferência spray com protecção
gasosa Ar + 18 % CO2
100000
1000
500
0
0
50
100
150
Tempo (s)
50 cm
100 cm
300 cm
Área de superfície das
partículas por volume pulmonar
(µm²/cm³)
Área de superfície das
partículas por volume pulmonar
(µm²/cm³)
1500
80000
60000
40000
20000
0
0
50
100
150
Tempo (s)
Hotte
Másc. operador
Ensaio 4: Modo de transferência spray com protecção
gasosa Ar + 8 % CO2
3000
2000
1000
0
0
50
100
Tempo (s)
50 cm
100 cm
300 cm
150
Área de superfície das
partículas por volume pulmonar
(µm²/cm³)
Área de superfície das
partículas por volume pulmonar
(µm²/cm³)
4000
70000
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0
0
50
100
150
Tempo (s)
Hotte
Másc. operador
27
Súmula dos ensaios experimentais MAG com o monitor NSAM
( Globular, Ar + 18 % CO2 )
25000
20000
15000
10000
5000
0
0
50
100
150
Tempo (s)
25000
Área de superfície das
partículas por volume pulmonar
(µm²/cm³)
Área de superfície das
partículas por volume pulmonar
(µm²/cm³)
( Globular, Ar + 8 % CO2 )
25878 µm²/cm³
30000
20291 µm²/cm³
20000
15000
10000
5000
0
0
100
Tempo (s)
Média de todos os pontos ensaio 3
150
18314 µm²/cm³
20000
Área de superfície das
partículas por volume pulmonar
(µm²/cm³)
Área de superfície das
partículas por volume pulmonar
(µm²/cm³)
( Spray, Ar + 8 % CO2 )
32946 µm²/cm³
50
150
Média de todos os pontos ensaio 2
( Spray, Ar + 18 % CO2 )
0
100
Tempo (s)
Média de todos os pontos ensaio 1
35000
30000
25000
20000
15000
10000
5000
0
50
15000
10000
5000
0
0
50
100
150
Tempo (s)
Média de todos os pontos ensaio 4
28
Resultados de granulometria SMPS no processo MAG
29
Ensaio 1: Modo de transferência globular com
protecção gasosa Ar + 18 % CO2
Ensaio 2: Modo de transferência globular com
protecção gasosa Ar + 8 % CO2
Ensaio 3: Modo de transferência spray com
protecção gasosa Ar + 18 % CO2
Ensaio 4: Modo de transferência spray com
protecção gasosa Ar + 8 % CO2
Análise química (EDS) das partículas emitidas
Ar + 18 % CO2
Ar + 8 % CO2
Ferro
Fósforo
Ferro
30
Análise morfológica das partículas emitidas no processo MAG
Ar + 18 % CO2
Ar + 8 % CO2
31
Conclusões relativas ao processo MAG
• A mistura gasosa Ar+18 % CO2 no modo de
transferência por spray provocou as maiores áreas
de superfície de partículas com capacidade de
deposição alveolar e também a maior concentração
total de partículas.
• A mistura gasosa Ar+18 % CO2 no modo de
transferência globular provocou elevados níveis de
concentração de partículas com alta eficiência de
deposição.
Referência:
Gomes, J., Albuquerque, P., Miranda, R., Vieira, M., “Determination of
airborne nanoparticles from welding operations”, Journal of Toxicology and
Environmental Health – Part A, 75, 747-755 (2012)
32
Friction Stir Welding (FSW): a “clean” welding process (TWI, 1991)
(processo sem fusão de metal)
Soldadura por fricção linear
Parâmetros do processo:
- Geometria da ferramenta
(shoulder e pino)
- Velocidade de avanço (v)
- Velocidade de rotação (Ω)
- Força Vertical
Factores mais relevantes:
Origem possível de nanopartículas:
- Fricção entre o material e a ferramenta
- Velocidade de rotação
- Geometria da ferramenta
- Características do material
33
Equipamento experimental para determinação
das emissões em soldadura por fricção linear (FSW)
Máquina
FSW
Ref: Lavrador, D., “Estudo de avaliação de emissões de nanopartículas na
soldadura por fricção linear de ligas de alumínio”, Tese de Mestrado em Engª
Mecânica, FCT/UNL, Caparica, 2012
34
Medições em soldadura FSW de ligas de alumínio (AA7178-T6)
Welding
conditions
Sampling
location
Average
deposited area
(µm2/cm3)
Minimum and
maximum values
(µm2/cm3)
TWA for 8h
(µm2/cm3)
Total deposited
area
(µm2)
Dose per lung
area
(µm2/m2)
no welding
Baseline
-
64.0
61.5 – 68.0
2.11
1.01 x 106
1,27 x 104
355 mm/min
Cold
Welding tool
2500
56.0 - 13900
6.95
3.34 x 106
4.17 x 104
180 mm/min
Hot
Welding tool
16500
59.4 - 100000
160.3
7.70 x 107
9.62 x 105
355 mm/min
Cold
Welding tool
15700
38.6 - 100000
114.5
5.49 x 107
6.87 x 105
180 mm/min
Cold
Welding tool
10600
11.0 - 42500
40.6
1.95 x 107
2.44 x 105
x 225
x 166
Medições preliminares em fresadora adaptada a
FSW: operação a quente versus operação a frio
35
CONDIÇÕES EXPERIMENTAIS
Equipamento: LEGIO™ FSW 3U
Shoulder
Ligas de alumínio: AA5083 ( const. naval )
AA6082 ( aeroespacial )
Ferramenta
Parâmetros de soldadura:
Velocidade de avanço (v): 150 mm/min
Tempo de soldadura: 105 s
diâmetro: 15 mm
2 estrias helicoidais
Pino cilíndrico estriado
Material
Test 2
Test 3
AA 5083
Test 4
diâmetro: 5 mm
altura: 3,5 mm
AA 6082
Ω[rpm]
1120
450
1120
800
Ω/V
7,46
3
7,46
5,33
2,5 mm
Test 1
5 mm
15 mm
36
Pontos de medição e recolha
8,5 cm
11,5 cm
Ponto de
recolha
Ferramenta de SFL
Movimento da
ferramenta
37
Área superficial depositada (ADSA) versus composição do material e
velocidade de rotação
45000
25000
40000
20000
ADSA (µm²/cm³)
ADSA (µm²/cm³)
35000
30000
25000
20000
15000
10000
15000
10000
5000
5000
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100 110 120 130 140
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
Time (s)
AA 5083 450 rpm
Time (s)
AA 5083 1120 rpm
AA 6082 800 rpm
AA 6082 1120 rpm
45000
ADSA (µm²/cm³)
40000
35000
Ω
450 rpm
800 rpm
Material
AA 5083
AA 6082
AA 5083
AA 6082
3536,22
4917,66
20958,43
10725,70
1120 rpm
30000
25000
20000
15000
Average
10000
ADSA
5000
(µm²/cm³)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100 110 120 130 140 150
Time (s)
AA 5083 1120 rpm
AA 6082 1120 rpm
38
2,0
1,8
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
1,4
AA 5083 1120 rpm
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
Max size dist: 58-67 nm + 89/138 nm
406,8
327,8
264,2
212,9
171,5
138,2
111,4
89,8
72,3
58,3
47
37,9
30,5
24,6
19,8
16
12,9
0,0
10,4
406,8
327,8
264,2
212,9
171,5
138,2
111,4
89,8
72,3
58,3
47
37,9
30,5
24,6
19,8
16
12,9
Diameter (nm)
Max size dist: 54-72 nm + 111-171 nm
3,5
4,5
AA 6082 800 rpm
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
4,0
dN/dlogDp (#/cm³) [e6]
3,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
Diameter (nm)
Max size dist: 48-72 nm
406,8
327,8
264,2
212,9
171,5
138,2
89,8
111,4
72,3
58,3
47
37,9
30,5
24,6
19,8
16
0,0
10,4
406,8
327,8
264,2
212,9
171,5
138,2
111,4
89,8
72,3
58,3
47
37,9
30,5
24,6
19,8
16
12,9
10,4
0,0
12,9
10,4
AA 5083 450 rpm
dN/dlogDp (#/cm³) [e6]
1,6
Diameter (nm)
dN/dlogDp (#/cm³) [e6]
dN/dlogDp (#/cm³) [e6]
Distribuição de tamanhos de partículas versus composição do material
e velocidade de rotação
Diameter (nm)
Max size dist: 16-24nm + 30-47nm + 89-138 nm
39
Morfologia e composição química das NPs emitidas
para a liga AA 5083 (TEM + EDS)
a) Resultantes de FSW
com liga de Al
Liga de Al
b) Resultantes do desgaste
da ferramenta
Aço
40
Conclusões relativas ao processo FSW
• Existem emissões de nanopartículas na soldadura por fricção
linear;
• Velocidades superiores de rotação, para a mesma velocidade de
avanço, originam valores superiores de área de superfície das
partículas por volume pulmonar;
• A liga AA 5083 apresenta valores médios duas vezes superiores
aos medidos na liga AA 6082;
• As dimensões mais comuns de partículas libertadas encontram-se
entre 40 e 70 nm, com excepção para a soldadura a 1120 rpm da
liga AA 6082;
• As partículas libertadas têm na sua composição química, os
elementos químicos do material base e da ferramenta.
41
Outros estudos em curso
•
•
•
•
Soldadura “Tungsten Inert Gas” (TIG)
Soldadura LASER
Estudos de toxicidade in vitro
Quantificação de risco e identificação de
medidas de prevenção
Matriz de relação entre
severidade e probabilidade
para determinar níveis
de risco
(Control Banding Nanotool)
42
CONCLUSÕES GERAIS
- Ficou demonstrada a emissão de NPs para as atmosferas de trabalho em
processos de soldadura.
- Para os processos SER as maiores emissões ocorrem com eléctrodos rutílicos
- Para os processos MAG e TIG os valores mais elevados de áreas
depositadas obtêm-se para as maiores intensidades de corrente
aplicadas, verificando-se a tendência que ocorre com macropartículas:
quanto maior a energia aplicada maior a emissão de partículas.
- O processo TIG é mais “limpo” do que o processo MAG.
- O processo FSW, apesar de mais “limpo”, não é isento da emissão de NPs
- Estes dados são fundamentais para o dimensionamento de sistemas de
extracção e protecção da saúde dos trabalhadores por forma a limitar a
exposição.
Ref: Gomes, J., Albuquerque, P., Miranda, R., Santos, T., Vieira, M., “Comparison of deposited surface
area of airborne ultrafine particles generated from two welding processes”, Inhalation Toxicology,
43
24(11), 774-781 (2012)
ISEL
Obrigado pela atenção !!!
Questões ???
João Gomes
Email: [email protected]
Workshop sobre Técnicas Avançadas nos Processos de Ligação e Consolidação
Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 1/10/2013