Fili per Saldatura a Basso Manganese: La Mia Analisi sui Fumi (e sulla Tua Salute!)

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di un argomento che mi sta particolarmente a cuore e che riguarda da vicino chiunque lavori nel mondo della saldatura: i fumi. Sappiamo bene che saldare comporta dei rischi, dalle scottature alle lesioni agli occhi, ma spesso tendiamo a sottovalutare i pericoli a lungo termine, quelli legati all’inalazione costante di particelle sottili. E tra queste, ce n’è una che negli ultimi anni è finita sotto i riflettori: il manganese (Mn).

La saldatura, soprattutto quella con fili animati (sia metal-cored, MCW, che flux-cored, FCW), è super produttiva, molto più dei fili pieni tradizionali. Il rovescio della medaglia? Produce più fumi. E con la crescente consapevolezza dei rischi per la salute legati alle particelle respirabili, l’attenzione sulla composizione di questi fumi si è fatta, giustamente, molto più intensa.

Il Problema del Manganese (Mn)

Il manganese è un elemento fondamentale negli acciai al carbonio e nei relativi materiali d’apporto per la saldatura. Perché? Perché migliora le proprietà meccaniche, essenzialmente rendendo l’acciaio più resistente. Lo fa “disturbando” il reticolo cristallino del ferro, rendendo più difficile il movimento delle dislocazioni (che sono imperfezioni nel cristallo). Il problema è che questo stesso elemento, se inalato cronicamente sotto forma di fumi di saldatura, è stato collegato a effetti neurologici preoccupanti. Si parla di “manganismo”, una sindrome simile al Parkinson, e di alterazioni neurocomportamentali nei saldatori esposti.

Questa correlazione ha spinto gli enti regolatori, come l’OSHA negli Stati Uniti o l’ECHA in Europa, a stringere sempre di più i Limiti di Esposizione Professionale (OELs) per il manganese nell’aria degli ambienti di lavoro. L’obiettivo è chiaro: proteggere la salute dei saldatori, una categoria professionale in continua crescita (pensate che solo negli USA si prevede una domanda di un milione di saldatori entro il 2028!).

Ovviamente, l’uso di sistemi di aspirazione efficienti e di dispositivi di protezione individuale (DPI), come i caschi con respiratore, è fondamentale e imprescindibile. Ma non sarebbe fantastico se potessimo agire alla fonte, modificando la composizione stessa dei fili per ridurre le emissioni nocive?

La Sfida Tecnologica: Meno Manganese, Stesse Prestazioni

Ridurre il manganese nel filo di saldatura sembra la soluzione ovvia, ma c’è un “ma”: come dicevo, il Mn è cruciale per le proprietà meccaniche. Togliendolo, si rischia di compromettere la resistenza del giunto saldato. Ecco perché lo sviluppo di consumabili a bassa emissione di manganese che mantengano prestazioni meccaniche adeguate è diventata una priorità per rispondere alle esigenze del mercato e alle normative sempre più stringenti.

Recentemente, ho avuto modo di analizzare da vicino due nuovi prodotti molto interessanti: un filo animato metal-cored (MCW-LMn) e uno flux-cored (FCW-LMn), entrambi “seamless” (senza saldatura longitudinale nel rivestimento) e progettati specificamente per basse emissioni di Mn. Come sono stati sviluppati? Per compensare la riduzione di Mn (circa il 50% in meno nel MCW-LMn e addirittura il 75% in meno nel FCW-LMn rispetto ai fili standard!), si è lavorato su due fronti:

• L’aggiunta mirata di altri elementi leganti (come una piccola quantità di Nichel nel caso del FCW-LMn).
• Lo sviluppo di una microstruttura raffinata, con grani più piccoli e una composizione ottimizzata, utilizzando affinatori di grano come Boro (B) e Titanio (Ti) per promuovere la formazione di ferrite aciculare, una struttura molto tenace.

E la buona notizia è che, come dimostrano i test (Tabella 4 dello studio originale), entrambe le strategie hanno funzionato: i nuovi fili LMn soddisfano pienamente i requisiti meccanici richiesti dalle classificazioni standard! Addirittura, per il MCW-LMn è stato ottenuto un brevetto, mentre per l’FCW-LMn è in corso di registrazione.

Analisi Comparativa: Cosa Dicono i Dati sui Fumi?

Ma veniamo al dunque: questi nuovi fili riducono davvero le emissioni di manganese? E come si comportano rispetto ai fili tradizionali (sia seamless che “folded”, cioè ripiegati) in diverse condizioni operative? Ho analizzato i dati relativi al tasso di emissione dei fumi totali (FER, Fume Emission Rate) e, più specificamente, al tasso di emissione di manganese (Mnmg/s) e ferro (Femg/s).

I risultati sono stati davvero incoraggianti. A parità di parametri di saldatura:

• Il filo MCW-LMn ha mostrato una riduzione delle emissioni di manganese (Mnmg/s) compresa tra il 25% e il 70% rispetto ai fili MCW standard.
• Il filo FCW-LMn ha fatto ancora meglio, con una riduzione di Mnmg/s tra il 60% e l’85% rispetto ai fili FCW convenzionali.

È importante notare che il tasso di emissione *totale* dei fumi (FER) è rimasto sostanzialmente comparabile a quello dei fili standard. L’obiettivo primario, ovvero ridurre specificamente il contributo del manganese ai fumi, è stato quindi centrato in pieno!

L’Impatto dei Parametri di Saldatura e del Gas di Protezione

Abbiamo anche esaminato come cambiano le emissioni variando la corrente di saldatura e la composizione del gas di protezione.

Effetto della Corrente:

• Per i fili MCW (incluso LMn): aumentando la corrente, ho notato una diminuzione del FER, del Femg/s e del Mnmg/s. Questo è probabilmente dovuto a un arco più stabile e meno turbolento a correnti più elevate, con gocce di metallo più piccole che si trasferiscono più rapidamente, riducendo il tempo di surriscaldamento e quindi l’evaporazione complessiva.
• Per i fili FCW (incluso LMn): al contrario, aumentando la corrente, si è osservato un leggero aumento del FER e del Femg/s, mentre il Mnmg/s è rimasto relativamente stabile. Questo comportamento è in linea con altri studi su questo tipo di filo.

Effetto del Gas di Protezione (CO2 e O2):
Qui le cose si fanno interessanti. Abbiamo testato miscele Argon + CO2 (da 8% a 25%) e miscele Argon + 2% O2 + CO2 (da 5% a 20%).

• Aumento della CO2: Per entrambi i fili LMn, aumentare la percentuale di CO2 nel gas di protezione ha portato a un aumento del FER totale. Questo perché la CO2 aumenta il potenziale ossidante dell’atmosfera dell’arco. Tuttavia, l’effetto sulle emissioni di manganese è stato diverso: per MCW-LMn, il Mnmg/s è rimasto stabile, mentre per FCW-LMn è leggermente aumentato.
• Aggiunta del 2% di O2: Qui la differenza tra i due tipi di filo è stata netta.
  • Nel MCW-LMn, l’aggiunta di O2 ha fatto schizzare verso l’alto il FER e il Femg/s (quasi raddoppiati!), ma – attenzione – ha contemporaneamente ridotto la percentuale di Mn nei fumi (Mnwt-%) e quindi anche il tasso di emissione di manganese (Mnmg/s). Sembra che l’ambiente più ossidante favorisca la formazione di ossidi di ferro nei fumi a scapito del manganese.
  • Nel FCW-LMn, l’aggiunta di O2 ha avuto un impatto minimo. Perché? La spiegazione più probabile è la presenza della scoria protettiva tipica dei fili flux-cored. Questa scoria scherma le gocce di metallo fuso e il bagno di saldatura dall’ossidazione e dall’evaporazione causate dal gas di protezione, rendendo il processo meno sensibile alle variazioni della sua composizione. Questo dà al saldatore maggiore flessibilità nella scelta del gas per ottimizzare altri aspetti della saldatura.

Conclusioni (e un Promemoria Importante)

Quindi, cosa ci portiamo a casa da questa analisi?

• Sono stati sviluppati con successo fili animati seamless (MCW-LMn e FCW-LMn) che riducono drasticamente le emissioni di manganese nei fumi di saldatura (fino al 70% per MCW e 85% per FCW) rispetto ai prodotti standard.
• Questi fili mantengono le proprietà meccaniche richieste dalle normative grazie a intelligenti strategie formulative.
• Il comportamento delle emissioni varia con la corrente (MCW migliora ad alte correnti, FCW peggiora leggermente).
• Il tipo di gas di protezione influenza le emissioni, ma i fili FCW-LMn mostrano una minore sensibilità grazie alla protezione della scoria.

Questi nuovi fili rappresentano senza dubbio un passo avanti importantissimo per rendere l’ambiente di lavoro dei saldatori più salubre e per aiutare le aziende a rispettare i limiti di esposizione sempre più severi per il manganese.

MA, e questo è un “ma” grande quanto un’officina, non dobbiamo cadere nell’illusione che questi fili siano la soluzione definitiva a tutti i problemi legati ai fumi. Sono uno strumento potentissimo, ma devono sempre essere utilizzati in combinazione con efficaci sistemi di aspirazione dei fumi e con i dispositivi di protezione individuale adeguati. La sicurezza totale si raggiunge solo integrando tutte queste misure. Inoltre, la tossicità dei fumi dipende anche da altri fattori (come lo stato di ossidazione dei metalli) che non erano oggetto di questo specifico studio.

In definitiva, l’innovazione nei materiali d’apporto, come questi fili a basso manganese, ci offre nuove armi per combattere i rischi professionali. Usiamole con intelligenza, senza mai abbassare la guardia sulla sicurezza complessiva!

Fonte: Springer