Con el avance continuo de la tecnología en la construcción de puentes, las estructuras de acero han surgido como una solución central en la ingeniería moderna de puente de estructura de acero debido a su alta resistencia, peso ligero y elevado grado de automatización. Durante la fabricación y el ensamblaje de las estructuras metálicas, la soldadura —como proceso de fabricación principal— se utiliza ampliamente en la producción de componentes clave como vigas, cerchas y placas de unión. Tanto la eficiencia como la calidad de la soldadura determinan críticamente el cronograma de producción, los costos de fabricación, así como los gastos de mantenimiento a largo plazo y la vida útil del puente de estructura de acero.
Sin embargo, las altas temperaturas generadas durante la soldadura y el impacto ambiental en las tasas de enfriamiento inevitablemente generan tensiones residuales de soldadura y deformaciones. El estrés de soldadura se refiere a la tensión interna causada por la expansión y contracción térmica en la soldadura y su zona afectada por el calor. La deformación de soldadura ocurre cuando varios factores durante el proceso no cumplen con los estándares de producción, manifestándose como desviaciones de la forma diseñada del componente estructural. En la fabricación e instalación de componentes a gran escala de un puente de estructura de acero, estos problemas pueden afectar gravemente la precisión dimensional y la estabilidad estructural, lo que conlleva consecuencias económicas negativas.
En los últimos años, con la adopción generalizada de la tecnología de soldadura para uniones complejas y de formas especiales en la producción de componentes de puentes, el control científico del estrés y la deformación durante la soldadura, así como la mejora efectiva de los procesos de soldadura y los tratamientos posteriores, se han convertido en áreas clave de exploración dentro de la industria de fabricación de estructuras de acero.
Afortunadamente, XTD Steel Structure ha emprendido un camino hacia la mejora de la calidad de la soldadura, comenzando con la producción de vigas de caja de acero para el proyecto del Puente Dongfeng en la autopista Zhongjiang, en Guangdong. Hemos utilizado procesos de soldadura optimizados en la fabricación de puentes como el Shunxing y el Hutong en Foshan, mejorando significativamente la calidad de soldadura y la durabilidad estructural de cada puente de estructura de acero.
Normas y requisitos de control de calidad en la soldadura
Estándares de control de tensión y deformación en la producción de soldadura:
El control de la tensión y la deformación es un requisito de calidad fundamental en la producción de soldadura de puentes de estructura de acero.
Según las “Especificaciones para la Fabricación e Instalación de Puentes de Estructura de Acero de Carreteras” (JTG/T 3651-2022), el apartado 7.2.5 establece: la temperatura de precalentamiento antes de la soldadura debe determinarse mediante una prueba de calificación del procedimiento; el rango de precalentamiento debe ser 1,5 veces el espesor de la placa a ambos lados de la soldadura y no menor de 100 mm, y la temperatura debe medirse dentro de los 30-50 mm de la unión.
El apartado 7.2.7 indica que las soldaduras de fijación deben estar libres de defectos como grietas, inclusiones de escoria o irregularidades, y los cráteres del arco deben rellenarse completamente.
Para las soldaduras de fijación agrietadas, deben identificarse las causas antes de su eliminación y añadirse soldaduras adicionales manteniendo las dimensiones correctas. Después de la soldadura, las placas guía y de prueba deben cortarse con gas y alisarse sin dañar el material base. Los defectos en las soldaduras deben eliminarse mediante ranurado por arco de carbono o métodos mecánicos, extendiéndose 50 mm más allá de la grieta.
Debe prepararse un surco adecuado para la reparación y eliminar la capa de óxido hasta revelar el brillo metálico.
Por tanto, tras la soldadura, los componentes de acero deben someterse a inspecciones de apariencia, dimensiones geométricas y pruebas de tensión y deformación residual, incluyendo:
- Inspección visual: No deben existir defectos comunes como socavados, grietas, poros, salpicaduras o falta de fusión.
- Precisión dimensional: La deformación del componente debe controlarse dentro del rango de tolerancia de diseño, incluyendo el alabeo de placas, la distorsión de vigas y la desviación angular de las soldaduras.
- Estabilidad estructural: En nodos o zonas de soldadura propensas a concentraciones de tensión, el nivel de tensión residual debe controlarse mediante análisis estructural.
- Rendimiento a fatiga: En componentes sometidos a cargas alternantes, deben evaluarse los efectos de concentración de tensiones y tensiones residuales sobre la vida útil a fatiga.
- Control de calidad (QC): Las mediciones de deformación se realizan con herramientas como cinta métrica, regla o calibrador después de la soldadura.
- Pruebas no destructivas: La calidad de la soldadura se verifica mediante rayos X, ultrasonido o partículas magnéticas.
- Instrumentos científicos: Análisis térmico simulado utilizando equipos especializados para comparar con la distribución real de tensiones residuales.
Evaluar científicamente los parámetros de tensión y calidad de la soldadura es la base para desarrollar un proceso controlado de producción de puente de estructura de acero.
Este proceso requiere un análisis sistemático del mecanismo de generación de tensiones y deformaciones, considerando las características de rigidez de cada componente durante el calentamiento. Según los resultados del análisis, la configuración razonable de fijaciones y restricciones puede influir decisivamente en la supresión de la expansión y contracción térmica durante el proceso de soldadura.
Análisis de las causas del estrés y la deformación por soldadura
La esencia del estrés y la deformación por soldadura proviene de los efectos combinados de la deformación plástica causada por el calor desigual y las restricciones estructurales. Las principales causas son las siguientes:
Calentamiento desigual durante la soldadura
La soldadura es un proceso de calentamiento y presión. Sin embargo, debido a las condiciones de producción, la distribución de temperatura en los componentes de acero durante la soldadura es extremadamente desigual. Los componentes no restringidos muestran una deformación libre durante el calentamiento y el enfriamiento, sin generar tensiones internas durante el proceso. Por el contrario, cuando los componentes están restringidos, se generan tanto tensiones internas como deformaciones externas.
Cuando los componentes pueden contraerse libremente después de la soldadura, ocurre cierta deformación sin generar tensiones residuales. Sin embargo, cuando existen restricciones, la deformación disminuye y las tensiones residuales aumentan. Por lo tanto, un proceso de soldadura con entrada de calor desigual, que supera el límite elástico del metal, provoca deformación plástica, y tras el enfriamiento, inevitablemente aparecen deformaciones y tensiones residuales.
Esto afecta directamente la precisión estructural del puente de estructura de acero.
En la fabricación de componentes de acero, la soldadura produce deformaciones plásticas cerca de la unión, seguidas por contracción durante el enfriamiento. Controlar esta contracción reduce las tensiones pero aumenta la deformación; controlarla mal reduce la deformación pero eleva la tensión. En general, la soldadura genera tensiones irregulares y desiguales, con tensión de tracción residual cerca del cordón.
Contracción del metal de soldadura y cambios estructurales
A medida que el metal de soldadura se enfría y solidifica, se contrae naturalmente, causando deformación y tensiones residuales. Dado que la soldadura suele realizarse de manera secuencial y discontinua, las primeras uniones afectan a las posteriores, lo que genera contracciones acumuladas y deformaciones generales.
Durante la fabricación de un puente de estructura de acero, la transformación metalográfica del material, como el cambio de austenita a perlita o bainita, también altera el volumen del metal, provocando microdeformaciones y aumentando el estrés residual.
Rigidez del componente y grado de restricción
En el proceso de fabricación, la rigidez del componente de acero influye directamente en el grado de deformación por soldadura. Cuando la rigidez es alta, la deformación es pequeña, pero la tensión residual aumenta; cuando la rigidez es baja, ocurre lo contrario.
En un puente de estructura de acero real, las diferencias de rigidez entre partes pueden causar incompatibilidades térmicas y deformaciones asimétricas si los soportes o secuencias de elevación no se establecen correctamente.
Secuencia y dirección de soldadura inapropiadas
Efectos posibles del estrés y la deformación por soldadura
Los componentes de acero durante la soldadura están expuestos a la transferencia de calor. Cuando el calentamiento o el enfriamiento son desiguales, se produce deformación. La expansión térmica no uniforme y los tiempos de enfriamiento irregulares generan tensiones residuales conocidas como estrés residual de soldadura, que pueden provocar deformaciones significativas en un puente de estructura de acero.
Efecto de las tensiones residuales sobre la resistencia estructural
Durante la fabricación, las estructuras soldadas no suelen experimentar concentraciones transitorias de estrés. Pero si el material presenta fragilidad, las tensiones internas y externas pueden combinarse, superando la capacidad del componente y provocando grietas o fracturas repentinas. Cuando el material se encuentra por debajo de su temperatura crítica de fragilidad, la resistencia a la carga estática disminuye, lo que puede comprometer la seguridad de un puente de estructura de acero.
- Distorsión angular: La contracción desigual genera distorsión en alas, almas y uniones, afectando la alineación de placas y vigas.
- Deformación ondulada: Las placas de vigas cajón y miembros de cerchas pueden mostrar ondulaciones debido a la expansión y contracción repetidas por calor.
- Desalineaciones en montaje: La acumulación de deformaciones por soldadura causa fallos de ajuste, desplazamientos de placas y retrasos en la instalación del puente.
- Fisuras estructurales: Las tensiones residuales concentradas en zonas afectadas por el calor pueden inducir microgrietas o fracturas locales, reduciendo la vida a fatiga.
Efecto de las tensiones residuales sobre la precisión dimensional
Durante la fabricación, la eliminación de metal altera el equilibrio de tensiones internas en el componente, provocando nuevas redistribuciones y deformaciones que afectan la precisión del mecanizado. Por eso, los componentes soldados deben someterse a tratamientos de alivio de tensiones antes del mecanizado para garantizar la precisión dimensional del puente de estructura de acero.
Efecto de las tensiones residuales sobre la estabilidad estructural
Las tensiones internas combinadas con cargas de compresión pueden comprometer la estabilidad del puente de estructura de acero. Para garantizar el máximo rendimiento del material, se deben implementar medidas preventivas de control de deformaciones y tensiones residuales, además de tratamientos térmicos o mecánicos posteriores a la soldadura para eliminar tensiones en componentes críticos.
Conclusión
El estrés y la deformación por soldadura son problemas técnicos inevitables en la fabricación de puente de estructura de acero. Su presencia no solo afecta la precisión del montaje y la seguridad estructural, sino también la vida útil del puente.
Aunque resolver completamente estas deformaciones es difícil, la estandarización y digitalización de los procesos pueden minimizar sus efectos negativos.
Mediante el diseño científico y la gestión de proyectos en XTD Steel Structure, optimizando la estructura de los componentes, los procesos de soldadura y los tratamientos térmicos posteriores, es posible controlar eficazmente el estrés y la deformación de soldadura, garantizando la durabilidad y seguridad de cada puente de estructura de acero.
