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| ISSN (impreso): 1812-6049 | ISSN (en línea): 2523-1820 |
Evaluación de la efectividad de sistemas de extracción
de humos en soldadura por arco
Evaluation of the effectiveness of fume extraction systems
in arc welding
Recibido: octubre 25 de 2023 | Revisado: octubre 30 de 2023 | Aceptado: noviembre 11 de 2023
F J R A
1
A F Z RL
2
Is R VÁ R
3
M A B M
4
1 Universidad Nacional Agraria La Molina,
Lima, Perú.
2 Universidad Nacional Agraria La Molina,
Lima, Perú.
3 Universidad Nacional Agraria La Molina,
Lima, Perú.
4 Universidad Nacional Agraria La Molina,
Lima, Perú.
Autor de correspondencia:
frojas@lamolina.edu.pe
Resumen
Este estudio se centró en evaluar la eficacia de varios procesos
de soldadura en la reducción de emisiones de gases volátiles en
entornos de trabajo, un factor crucial para la seguridad y salud
ocupacional. Se llevaron a cabo pruebas comparativas en tres
procesos de soldadura comunes: SMAW, GMAW y GTAW,
con un enfoque en la concentración de formaldehído y otros
compuestos orgánicos volátiles (VOC) en el aire. Los resultados
revelaron una alta significación estadística entre los tratamientos,
lo que confirmó diferencias sustanciales en las emisiones de
VOC. La prueba de Tukey identificó al proceso GTAW (TIG)
como el más eficiente, con una concentración de volátiles totales
de 0.0557 mg/m³, muy por debajo del umbral de 0.2 mg/m³,
donde se espera que no se produzcan irritaciones ni síntomas
de malestar. En contraste, los procesos SMAW y GMAW
mostraron concentraciones que podrían dar lugar a irritaciones
o malestar. La elección del proceso de soldadura adecuado se
revela como un factor crítico en la reducción de emisiones de
VOC y la protección de la salud de los trabajadores. Los VOC,
que incluyen el formaldehído y el monóxido de carbono, pueden
tener efectos adversos en la salud de los trabajadores, y cumplir
con los límites de exposición ocupacional es esencial.
Palabras clave: extracción de humos, gases tóxicos, salud
ocupacional, procesos de soldadura
AbstRAct
is study focused on evaluating the effectiveness of various
welding processes in reducing volatile gas emissions in work
environments, a crucial factor for occupational health and
safety. Comparative tests were carried out on three common
welding processes: SMAW, GMAW and GTAW, with a focus
on the concentration of formaldehyde and other volatile
organic compounds (VOCs) in the air. e results revealed
high statistical significance between treatments, confirming
substantial differences in VOC emissions. e Tukey test
identified the GTAW (TIG) process as the most efficient, with a
concentration of total volatiles of 0.0557 mg/m³, well below the
threshold of 0.2 mg/m³, where it is expected that no irritation or
symptoms of discomfort. In contrast, the SMAW and GMAW
processes showed concentrations that could lead to irritation
or discomfort. Choosing the appropriate welding process is
revealed as a critical factor in reducing VOC emissions and
© Los autores. Este artículo es publicado por la Revista Campus de la Facultad de Ingeniería y Arquitectura de la Universidad
de San Martín de Porres. Este artículo se distribuye en los términos de la Licencia Creative Commons Atribución No-Comercial
– Compartir-Igual 4.0 Internacional (https://creativecommons.org/licenses/ CC-BY), que permite el uso no comercial,
distribución y reproducción en cualquier medio siempre que la obra original sea debidamente citada. Para uso comercial
contactar a: revistacampus@usmp.pe.
https://doi.org/10.24265/campus.2023.v28n36.03
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protecting workers’ health. VOCs, including formaldehyde and
carbon monoxide, can have adverse health effects on workers,
and compliance with occupational exposure limits is essential.
Keywords: fume extraction, toxic gases, occupational health,
welding processes
Introducción
La soldadura por arco es un proceso
fundamental en la fabricación y la
construcción, utilizado en una amplia
gama de aplicaciones industriales (Silvia,
2013). Sin embargo, este proceso
conlleva riesgos potenciales para la salud
de los soldadores debido a la emisión de
gases tóxicos, en particular monóxido
de carbono (CO) y dióxido de carbono
(CO₂). La exposición a estos gases
puede tener consecuencias graves para la
salud, incluyendo efectos a corto y largo
plazo. La prevención y la mitigación de
la exposición a estos gases son de suma
importancia (Puello et al., 2018).
Una de las estrategias clave para
lograrlo es la utilización de campanas
de soldadura, diseñadas para capturar y
eliminar los contaminantes del aire en
el entorno de trabajo. Este artículo se
propone investigar la eficacia de diversos
sistemas de extracción de humos en la
soldadura por arco, con un enfoque en
procesos como SMAW, GMAW y GTAW.
A través de la comparación de diferentes
tipos de campanas y su influencia en la
reducción de los niveles de CO y CO₂,
este estudio busca proporcionar datos
valiosos que contribuyan a la mejora de
la seguridad en los lugares de trabajo de
soldadura.
Antecedentes de investigación han
destacado la importancia de evaluar la
efectividad de los sistemas de extracción
de humos en soldadura por arco. Por
ejemplo, un estudio realizado por Smith
y Jones (2019) encontró que la exposición
a humos de soldadura puede aumentar
el riesgo de enfermedades respiratorias
en soldadores. Como susceptibilidad
a la neumonía (Suri et al., 2016) y, en
menores proporciones, cáncer pulmonar
(Ambroise et al., 2006; Sorensen et
al., 2007). Estos hallazgos resaltan la
necesidad de implementar sistemas de
extracción eficaces para proteger la salud
de los trabajadores.
Los objetivos de este estudio son
analizar y comparar diferentes sistemas
de extracción de humos utilizados en la
soldadura por arco, evaluando su eficacia
en la eliminación de contaminantes y la
protección de la salud de los trabajadores.
También se busca identificar posibles áreas
de mejora en la implementación de estos
sistemas y proponer recomendaciones
para su optimización.
Método
El presente trabajo de investigación se
desarrolló en el área de soldadura del taller
de maquinaria agrícola del Departamento
de Mecanización y Energía de la Facultad
de Ingeniería Agrícola de la Universidad
Nacional Agraria La Molina, ubicado
en el distrito de La Molina, Provincia
de Lima, región Lima, con coordenadas
geográficas específicas de 12° 04’ 49.23” S
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de latitud, 76° 56’ 56.87” O de longitud,
y una altitud de 235 metros sobre el nivel
del mar (msnm). Estas coordenadas son
de relevancia para situar el contexto del
estudio y la ubicación geográfica precisa en
la que se llevaron a cabo las investigaciones
relacionadas con la soldadura por arco y
los sistemas de extracción de humos en el
ámbito de la ingeniería agrícola.
Los equipos utilizados en el estudio
incluyeron una máquina de soldar
Solandina (SMAW - Electromanual),
una máquina de soldar Hobart (GMAW
- MAG), una máquina de soldar Daf
(GTAW - TIG), una campana de soldeo
o extracción de gases, un anemómetro
portátil GVDA y un detector de gases
Meterk (air quality detector precisión
instrument). Asimismo, se han utilizado
los siguientes materiales como electrodos
de recubrimiento celulósico 6011-E,
alambre para soldadura MAG ER70S-6
(1 mm), electrodos de tungsteno de 1/8”
para soldadura TIG, soldadura para TIG
de 1 mm de diámetro, y 60 unidades de
platinas ASTM A36 de 1/4” x 2” x 4”.
Construcción de la campana
El plano de la campana (Figura 1),
su construcción se basó en las medidas de
los materiales obtenidos, que se detallan
en la Figura 1. La técnica constructiva y
el armado de la campana involucraron
la unión de las piezas con uniones fijas,
utilizando remaches tipo “cherries” para
algunas partes y soldadura “SMAW”
con electrodo E 6011 para otras, como
el soporte del motor. Posteriormente, se
selló la cámara con masilla plástica para
evitar pérdidas de captación de los gases
contaminantes, y se procedió a lijar la
superficie para prepararla para el acabado
con la pintura. Además, se realizó un
acondicionamiento adicional a la campana
de soldeo para aumentar su versatilidad
en futuras pruebas, incluyendo una caja
de arranque que mejoró la seguridad
operativa. Esta caja incluye una llave
térmica de 10 Amperios, un botón de
arranque y otro de parada para prevenir
posibles accidentes eléctricos durante las
pruebas, así como un pirómetro que mide
temperaturas de -10ºC hasta 100ºC,
con termocuplas instaladas a la salida
del ducto de la campana para obtener
información sobre la temperatura de los
gases y los particulados durante el proceso
de soldadura de las muestras.
La verificación de los requisitos de
diseño de la campana se realizó siguiendo
las directrices del manual de diseño de
campanas de Soler & Palau (2015). La
medición de la velocidad de captación
se llevó a cabo con un anemómetro en el
borde de la cara destapada de la campana,
que representa la posición más alejada
del sistema de extracción, obteniéndose
un valor de 0.57 m/s. Este valor se
encuentra dentro del rango recomendado
(0.5 m/s - 1 m/s). Además, se midió la
velocidad de salida en el ducto donde se
recogen los gases, la cual fue de 18 m/s.
Estos resultados indican que la campana
de soldeo cumple con los requisitos de
diseño y está lista para llevar a cabo las
pruebas planificadas (Figura 2).
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Figura 1
Campana de soldeo
Francisco Javier Rojas Alejandro - Augusto Felipe Zingg RoselL - Issaak Rafael Vásquez Romero -
Marilyn Aurora Buendía Molina
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Figura 2
Cámara de soldado, vista de perfil y frontal
La metodología consiste en tomar
registros de las emanaciones de gases CO
y CO₂ a la salida de la campana de soldeo
durante la soldadura, enfocándose en los
momentos de mayor emisión que coinciden
con el flujo continuo de gases y la mitad del
tiempo de soldadura. Los tiempos y variables
de duración de la soldadura se registraron
para muestras de tamaño constante.
Se utilizó un diseño completamente al
azar (DCA) con tres procesos (Tabla 1) y
diez repeticiones, lo que totalizó 30 unidades
experimentales. El modelo estadístico
empleado fue Yij = µ + Гi + Ej, donde Yij
representa la variable respuesta, µ es el
efecto de la media general, Гi es el efecto
del i-ésimo tratamiento, y Εij es el efecto
del error experimental. Se realizó un análisis
de varianza (ANVA) y una prueba de Tukey
para la comparación múltiple de medias con
un nivel de significación del 5%.
Tabla 1
Procesos de soldaduras en estudio
Tratamiento Código Descripción
T1 GMAW GAS Metal Arc Welding
T2 SMAW Shielded Metal Arc Welding
T3 GTW Gas Tunsgten Arc Welding
Este enfoque metodológico
permite evaluar de manera rigurosa la
efectividad de los sistemas de extracción
de humos en la soldadura por arco,
considerando diferentes procesos y
variables relevantes.
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Resultados
Formaldehido (HCHO)
Los resultados relativos al
formaldehído se presentan en la Tabla 2,
mientras que los análisis estadísticos se
encuentran detallados en la Tabla 3. Los
análisis estadísticos revelaron una alta
significación estadística (ANVA) entre
los tratamientos, con un coeficiente de
variación del 31.17 %o.
Tabla 2
Resultados estadísticos de la prueba de Tukey del efecto de los procesos de soldadura para la
variable respuesta del Formaldehido (HCHO)
Tratamiento Procesos de soldadura
Formaldehido
(mg/m
3
)
Tukey significación (0.05)
T1 GMAW 0.1175 a
T2 SMAW 0.0781 b
T3 GTW 0.0121 c
Tabla 3
e ANOVA Procedure - Formaldehido
Source DF Sum of Square Mean Square F Value
Pr
> F
Trat 2 0.05672507 0.02836253 60.89 <.0001
Error 27 0.01257630 0.00046579
Corrected Total 29 0.06930137
R-Square Coeff Var Root MSE HCHO Mean
0.818527 31.17305 0.021582 0.069233
Volátiles Totales (TVOC)
Los resultados relativos a los
volátiles totales se presentan en la Tabla
4, mientras que los análisis estadísticos se
encuentran detallados en la Tabla 5. Los
análisis estadísticos revelaron una alta
significación estadística (ANVA) entre
los tratamientos, con un coeficiente de
variación del 41.9 %.
Tabla 4
Resultados estadísticos de la prueba de Tukey del efecto de los procesos de soldadura para la
variable respuesta de volátiles totales (TVOC)
Tratamiento Procesos de soldadura
Formaldehido
(mg/m
3
)
Tukey significación
(0.05)
T1 GMAW 0.6249 a
T2 SMAW 0.3814 b
T3 GTW 0.0557 c
Francisco Javier Rojas Alejandro - Augusto Felipe Zingg RoselL - Issaak Rafael Vásquez Romero -
Marilyn Aurora Buendía Molina
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Tabla 5
El ANOVA volátiles totales
Source DF Sum of Square Mean Square F Value Pr > F
Trat 2 1.63120460 0.81560230 37.04 <.0001
Error 27 0.59453940 0.02201998
Corrected Total 29 2.22574400
C.V. (%) 41.9
R-Square Coeff Var Root MSE TVOC Mean
0.732881 41.91845 0.148391 0.354000
Discusión
Formaldehido (HCHO)
En la comparación múltiple de medias,
se aplicó la prueba de Tukey al nivel de
significancia de 0.05 para la variable
respuesta formaldehído (HCHO). La
Tabla 2 muestra que la prueba de Tukey
revela diferencias significativas entre
los tres tratamientos (T1, T2 y T3). No
obstante, se considera estadísticamente
que el T3, correspondiente al proceso
GTAW, es el más eficiente, por registrar la
concentración más baja de formaldehído
(0.0121), lo que indica una menor emisión
de este gas incoloro y de olor sofocante.
Esta concentración se encuentra por
debajo de los valores indicados por la
Oficina Federal del Medio Ambiente de
Alemania para irritación de las mucosas
(Moratalla, 2005). Además, el valor
obtenido no supera el límite permisible
de 0.37 ppm para una exposición de corta
duración (STEL) según el Ministerio de
Salud (2005).
El proceso GTAW (T3) mostró la menor
emisión de formaldehído (0.0121), lo que
indicó una eficacia en la reducción de este
compuesto. El valor obtenido para el T3
se encuentra por debajo de los límites de
exposición recomendados por diferentes
instituciones, lo que lo convierte en el
proceso menos contaminante en términos
de formaldehído.
Volátiles Totales (TVOC)
Los resultados obtenidos en relación a
los volátiles totales son de gran relevancia
en el contexto de la seguridad y salud
ocupacional en la soldadura, ya que
estos compuestos orgánicos volátiles
(VOC) representan una preocupación
significativa debido a su potencial
impacto en la calidad del aire en el
entorno de trabajo y, por ende, en la salud
de los trabajadores. El análisis de varianza
(ANVA) muestra una alta significación
estadística entre los tratamientos, indica
que las diferencias entre estos son
estadísticamente significativas, lo que
subraya la importancia de considerar
cuidadosamente el proceso de soldadura
en términos de emisiones de VOC.
La prueba de Tukey, utilizada para la
comparación de medias, enfatiza que el
proceso GTAW (T3), también conocido
como TIG, se destaca como el más
eficiente en la reducción de los volátiles
totales, con una concentración registrada
de tan solo 0.0557 mg/m³. Este valor se
sitúa significativamente por debajo del
umbral de 0.2 mg/m³, por debajo del cual
no se esperan irritaciones ni síntomas de
malestar en el ambiente de soldadura, en
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conformidad con las pautas normativas
actuales (Ministerio de Salud, 2005).
.
En contraposición, los procesos de
soldadura SMAW y GMAW se encuentran
en un rango de concentración de 0.2 a 3.0
mg/m³, lo que indica la posibilidad de
que se produzcan irritaciones o síntomas
de malestar, especialmente si estos niveles
de VOC se combinan con otros factores
de exposición en el lugar de trabajo.
Estos hallazgos resaltan la importancia
de seleccionar y aplicar el proceso de
soldadura adecuado teniendo en cuenta
los riesgos para la salud de los trabajadores.
Es fundamental recordar que los
VOC incluyen compuestos químicos
perjudiciales, como el formaldehído y
el monóxido de carbono (CO), cuyos
efectos adversos en la salud de los
trabajadores deben ser mitigados. Los
resultados respaldan la elección del
proceso GTAW (T3) como una opción
más segura en términos de emisiones de
VOC, lo que contribuye a la protección
de la salud de los trabajadores en el
entorno de soldadura. Estos hallazgos
tienen implicaciones significativas para
la selección y regulación de procesos de
soldadura en entornos industriales y la
promoción de prácticas de trabajo más
seguras.
Conclusiones
Las conclusiones del estudio se basan
en los resultados obtenidos en relación
a las emisiones de gases volátiles en
procesos de soldadura. Estos hallazgos
tienen implicaciones significativas
para la seguridad y salud ocupacional
en el entorno de la soldadura. A
continuación, se presentan las
principales conclusiones:
Los resultados destacan la importancia
de elegir el proceso de soldadura adecuado
en función de los riesgos para la salud de
los trabajadores. El proceso GTAW (TIG)
se identifica como el más eficiente en la
reducción de volátiles totales, con una
concentración significativamente baja de
0.0557 mg/m³. Esto sugiere que el GTAW
es una opción más segura en términos de
emisiones de VOC en comparación con
los procesos SMAW y GMAW.
Es esencial que los empleadores y
trabajadores cumplan con las regulaciones
y normativas vigentes sobre exposición
ocupacional a sustancias químicas,
incluidos los gases volátiles. Los límites
máximos permisibles, de acuerdo con las
normativas nacionales e internacionales,
deben ser respetados para garantizar la
salud de los trabajadores.
Los gases volátiles, como el
formaldehído y el monóxido de carbono,
pueden tener efectos negativos en la
salud de los trabajadores. Los resultados
respaldan la elección del proceso GTAW
(TIG) como una alternativa más segura
en términos de emisiones de VOC, lo
que contribuye a la protección de la
salud de los trabajadores en el entorno de
soldadura.
La capacitación y la concienciación
son fundamentales en la promoción
de prácticas de trabajo seguras en la
soldadura. Los trabajadores y empleadores
deben comprender los riesgos asociados
con la exposición a gases volátiles y tomar
medidas preventivas adecuadas.
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Marilyn Aurora Buendía Molina
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