solda oxiacetilenica

solda oxiacetilenica

(Parte 1 de 4)

Universidade Federal de Minas Gerais.

Escola de Engenharia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.

Processo de Soldagem com Chama Oxi-gás - OFW.

Disciplina: Processo de Soldagem. Professor: Alexandre Queiroz Bracarense, PhD.

Belo Horizonte Maio de 2000.

1. Fundamentos do Processo

A Soldagem Oxigás (OFW) inclui qualquer operação que usa a combustão de um gás combustível com oxigênio como meio de calor. O processo envolve a fusão do metal base e normalmente de um metal de enchimento, usando uma chama produzida na ponta de um maçarico. O gás combustível e o oxigênio são combinados em proporções adequadas dentro de uma câmara de mistura. O metal fundido e o metal de enchimento, se usado, se misturam numa poça comum e se solidificam ao se resfriar.

Uma vantagem deste processo é o controle que o soldador exerce sobre o calor e a temperatura, independente da adição de metal. O tamanho do cordão, a forma e a viscosidade da poça são também controlados no processo. OFW é adequado para operações de conserto, para soldagem de tiras finas, tubos e tubos de pequeno diâmetro. Soldar seções espessas, exceto para trabalho de conserto, não é economicamente viável quando comparada com outros processos disponíveis.

O equipamento usado em OFW tem um custo baixo, é normalmente portátil e versátil o bastante para ser usado para uma variedade de operações, tais como dobramento, retificação, pré-aquecimento, pós-aquecimento, deposição superficial, brazagem e soldabrazagem (estes dois últimos serão discutidos em detalhes posteriormente).

Acessórios de corte, bicos para multichama e uma variedade de acessórios para aplicações especiais aumentam a versatilidade do equipamento. Com mudanças relativamente simples, operações de corte manuais e mecânicas podem ser realizadas. Aços carbono e de baixa liga e muitos metais não ferrosos (não refratários ou reativos) são normalmente soldados.

Gases comerciais têm uma propriedade em comum, ou seja, requerem sempre oxigênio para sustentar a combustão. Um gás, para ser conveniente às operações de soldagem, deve apresentar as seguintes propriedades quando queimado:

1. Alta temperatura de chama. 2. Alta taxa de propagação de chama. 3. Conteúdo de calor suficiente. 4. Mínimo de reação química da chama com os metais base e de enchimento.

Dentre os gases comercialmente disponíveis, o acetileno é o que mais se aproxima destes requisitos. Outros gases como propano, gás natural, propileno e gases baseados nestes, oferecem temperaturas de chama suficientemente altas, mas exibem baixas taxas de propagação de chama. Neste caso as chamas finais são excessivamente oxidantes pelas proporções de oxigênio/gás combustível que são altas o suficiente para gerar taxas de transferência de calor utilizáveis.

2. Características dos gases de combustão

A Tabela 1 lista algumas das principais características de gases comerciais. A fim de reconhecer o significado das informações nesta tabela, é necessário entender alguns termos e conceitos.

Tabela 1 – Características de gases combustíveis comuns.

Calor de Combustão

1ª 2ª total Gás Fórmula G.E.

(Ar=1 à 15.6oC)

(m3/kg) R. E.

Tchama

Propano C2H3 1.52 0.54 5.0 2526 10 94 104 Metil Acetileno

Propadieno (MPS)

Hidrogênio H2 0.07 1.7 0.5 2660 - - 12 Obs: G.E. = Gravidade específica; V. E. = Volume específico; R. E. = Razão estequiomética.

2.1. Gravidade Específica

A gravidade específica de um gás, com referência ao ar, indica como o gás pode acumular em caso de vazamento. Por exemplo, gases com uma gravidade específica menor que o ar tendem a subir e podem juntar-se nos cantos superiores e no teto. Aqueles gases com gravidade específica maior que o ar tendem a se acumular em áreas baixas e quietas.

2.2. Volume Específico

Uma quantidade específica de gás a uma temperatura e pressão padrão pode ser descrita pelo seu volume ou peso. Os valores mostrados na Tabela 1 fornecem o volume específico a 15.6º C e sob pressão atmosférica. Se conhecermos o peso e o multiplicarmos pelo valor da tabela, teremos o volume e vice-versa.

2.3. Razão de Combustão ou Estequiométrica

A Tabela 1 indica o volume de Oxigênio teoricamente requerido para a combustão completa de cada gás. Estas razões Oxigênio/gás combustível (chamadas de estequiométricas) são obtidas do balanço químico das equações dadas na Tabela 2. Os valores mostrados para combustão completa são úteis para cálculos. Porém, eles não representam a razão Oxigênio/gás combustível normalmente liberada na operação do maçarico, porque, a combustão completa é parcialmente sustentada pelo Oxigênio do ar das vizinhanças.

O calor total de combustão de um hidrocarboneto é a soma dos calores gerados nas reações primária e secundária que acontecem na chama global. Isto está mostrado na Tabela 1. Normalmente, o conteúdo de calor da reação primária é gerado na chama interna ou primária, onde a combustão é sustentada pelo Oxigênio fornecido pelo maçarico. A reação secundária acontece na chama externa ou secundária, que envolve a primária, e é onde os produtos de combustão da reação primária são sustentados pelo Oxigênio do ar.

Gás Combustível Reação com Oxigênio

Acetileno C2H2 + 2.5 O2 → 2 CO2 + H2O Metilacetileno-propadieno (MPS) C3H4 + 4 O2 → 3 CO2 + 2 H2O Propileno C3H6 + 4.5 O2 → 3 CO2 + 3 H2O Propano C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O Gás Natural ( Metano ) CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O Hidrogênio H2 + 0.5 O2 → H2O

Embora o calor da chama secundária seja importante em várias aplicações, o calor mais concentrado da chama primária é a principal contribuição para a capacidade de soldagem de um sistema a oxigás. A chama primária é dita neutra quando a equação da reação primária está balanceada, fornecendo apenas Monóxido de Carbono e Hidrogênio. Sob estas condições, a atmosfera da chama primária não é nem carburizante nem oxidante.

Desde que a reação secundária depende necessariamente dos produtos finais da reação primária, o termo neutro serve como um ponto de referência conveniente para (1) descrever as razões de combustão e (2) comparar os vários calores característicos de diferentes gases combustíveis.

2.5. Temperatura da Chama

A temperatura da chama de um gás combustível variará de acordo com a razão de

Oxigênio a ser queimado. Embora a temperatura da chama dê uma indicação da capacidade de aquecimento do gás combustível, ela é apenas uma das muitas propriedades físicas a considerar se fizermos uma avaliação global.

As temperaturas de chama listadas na Tabela 1 são para as chamadas chamas neutras, i.e., a chama primária que não é nem oxidante nem carburizante. Temperaturas maiores que as listadas na tabela podem ser encontradas, mas, em todo o caso, aquela chama será oxidante, uma condição indesejável na soldagem de muitos metais.

2.6. Velocidade de Combustão

Uma propriedade característica de um gás combustível, sua velocidade de combustão (taxa de propagação da chama) é um fator importante no calor produzido pela chama oxigás. Esta é a velocidade na qual a chama viaja através do gás adjacente não queimado. Ela influencia o tamanho e a temperatura da chama primária. Também afeta a velocidade na qual os gases podem escoar do bico do maçarico sem causar o afastamento da chama ou seu “engolimento”. O afastamento da chama ocorre quando a combustão acontece em alguma distância longe da extremidade do maçarico ao invés de acontecer na extremidade. O engolimento é o recuo momentâneo da chama para dentro do maçarico, seguido pela reaparição ou completa extinção da chama.

Como mostra a Figura 1, a velocidade de combustão de um gás combustível varia de maneira característica de acordo com as proporções de Oxigênio e combustível na mistura.

Figura 1 – Velocidade normal de combustão da mistura de vários gases com oxigênio.

2.7. Intensidade de Combustão

Temperaturas de chama e os valores de aquecimento de combustíveis têm sido usados quase exclusivamente como critério para avaliação dos gases. Estes dois fatores sozinhos, entretanto, não fornecem informação suficiente para uma completa avaliação dos

gases para fins de aquecimento. Um conceito conhecido como intensidade de combustão é usado para avaliar diferentes combinações Oxigênio/gás combustível. A intensidade de combustão considera a velocidade de queima da chama, o valor de aquecimento da mistura de Oxigênio e gás combustível e a área do cone da chama fluindo pelo bico.

A intensidade de combustão pode ser expressa como segue:

Ci = Cv . Ch (1)

Ci = intensidade de combustão em Btu/pés2.s ( J/ m2.s) Cv = velocidade normal de combustão da chama em pés/s (m/s) Ch = valor de aquecimento do gás de mistura em consideração em Btu/pés3 (J/m3)

A intensidade de combustão (Ci), portanto, é máxima quando o produto da velocidade normal de combustão da chama (Cv) e o valor de aquecimento do gás de mistura (Ch) é máximo. Como o calor de combustão, a intensidade de combustão de um gás pode ser expressa como a soma das intensidades de combustão das reações primária e secundária. Entretanto, a intensidade de combustão da chama primária, localizada próxima do bico do maçarico, é da maior importância na soldagem. A intensidade de combustão secundária influencia o gradiente térmico nas proximidades da solda.

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