Com os avanços no processamento de materiais metálicos e na tecnologia de construção, as estruturas de aço tornaram-se a principal escolha na engenharia de pontes moderna. Sua alta resistência, ductilidade, eficiência construtiva e adaptabilidade à produção padronizada e automatizada as tornam indispensáveis. Na fabricação de pontes de aço, a tecnologia de soldagem desempenha um papel vital, servindo como o principal método para conectar componentes e moldar partes críticas, como vigas, nós e seções em caixa.
Contudo, as elevadas temperaturas localizadas durante a soldagem e o subsequente processo de resfriamento não uniforme podem facilmente induzir tensões residuais de soldagem nos componentes, levando a uma série de perigos ocultos, como deformação estrutural, fissuração e redução da vida útil à fadiga, afetando seriamente a segurança e a durabilidade da ponte. Para tanto, este artigo explorará sistematicamente as tecnologias de prevenção e controle de tensões residuais de soldagem em pontes de estrutura metálica sob três aspectos: projeto estrutural, processo de fabricação e tratamento pós-soldagem. Ao mesmo tempo, apresentará medidas específicas e cenários de aplicação para alívio de tensões por meio de métodos como tratamento térmico, vibração mecânica e martelamento, quando as tensões residuais já estiverem formadas.
Para obter mais informações sobre a definição de tensão de soldagem e sua manifestação na produção, recomenda-se a leitura da postagem anterior do blog: Análise de problemas de tensão e deformação de soldagem em pontes de estrutura de aço.
Prevenção e controle de tensões de soldagem na fabricação de pontes de aço
Medidas de projeto estruturalDurante o projeto estrutural inicial de componentes de aço, a equipe técnica deve considerar as circunstâncias reais e selecionar métodos adequados para reduzir o número e a forma das soldas na estrutura. Especificamente, cada solda eliminada corresponde a uma fonte a menos de tensão residual. Quando as dimensões da solda são pequenas, a área aquecida durante a soldagem também diminui; inversamente, dimensões de solda excessivamente grandes resultam em uma área aquecida correspondentemente grande durante a soldagem. Isso não só causa deformação do componente devido à soldagem, como também aumenta significativamente a tensão residual nas áreas deformadas plasticamente. Portanto, para evitar a concentração excessiva de soldas, deve-se manter uma certa distância entre elas.
Além disso, soldas excessivamente concentradas em um componente podem levar a uma distribuição de tensões de solda mais desigual e, potencialmente, a concentrações de tensões complexas. Vale ressaltar que a alta rigidez da junta soldada pode induzir tensões de restrição significativas durante a soldagem, o que aumenta a probabilidade de fissuração. Portanto, a solução óbvia é utilizar juntas soldadas com menor rigidez para evitar tensões residuais longitudinais e transversais .
Na soldagem de componentes de aço, o pareamento e a sequência adequados permitem a máxima expansão livre, reduzindo a tensão residual. Soldas curtas devem preceder as longas, e as soldas com maior contração devem ser feitas primeiro para minimizar a restrição e a tensão.
Ao soldar vigas I com revestimentos, a solda de topo no revestimento deve ser feita primeiro, seguida pelas soldas de filete entre a viga I e o revestimento. Isso ocorre porque as soldas de filete sofrem menos contração após a soldagem do que as soldas de topo. Ao soldar peças sob alta tensão, como vigas I de grandes dimensões, a solda de topo tensionada deve ser feita primeiro, seguida pela solda de topo não tensionada e, por fim, a solda de filete reservada. Além disso, ao soldar peças transversais, tensões residuais significativas são facilmente geradas nas interseções, aumentando a dificuldade do líder da equipe de soldagem em definir a sequência de soldagem.
Antes da soldagem, os componentes devem ser pré-aquecidos a 150–300 °C, especialmente no caso de metais frágeis, ou soldados com baixa entrada de calor (soldagem a frio) para reduzir as diferenças de temperatura. Durante a soldagem, minimizar a restrição da solda é crucial, pois soldas fechadas criam altas tensões de tração e aumentam o risco de trincas.
Seleção do método de soldagem
De acordo com a teoria acima, para evitar tensões residuais na soldagem de componentes, os trabalhadores devem tentar utilizar métodos de soldagem de alta densidade de energia durante o processo de soldagem. A energia da linha de soldagem desses soldadores é relativamente baixa, e a tensão de soldagem gerada também é muito pequena.
- Soldagem por feixe de elétrons
- Soldagem a laser
- Soldagem em fenda estreita
Em processos de fabricação em geral, a soldagem com proteção gasosa de CO2 é cada vez mais utilizada, não apenas por sua alta eficiência, mas também por sua capacidade de minimizar a distorção da solda. Na soldagem de componentes de chapa fina, a soldagem TIG pulsada ou a soldagem por resistência podem ser utilizadas para evitar a flambagem. Caso métodos de baixa energia não estejam disponíveis, o resfriamento direto com água ou ar pode ser utilizado para alterar a distribuição do campo térmico. Essa abordagem minimiza a distorção da solda sem comprometer as especificações de soldagem.
Soluções para eliminar o estresse da soldagem
Como é sabido, devido à complexidade da soldagem, tensões residuais significativas podem permanecer em componentes de aço após o processo. Algumas estruturas também são propensas a desenvolver tensões residuais durante a montagem, o que inevitavelmente impacta o desempenho dos componentes de aço. A necessidade de tratamento para alívio de tensões após a soldagem é geralmente determinada com base em uma análise abrangente das propriedades do material do componente, do processo de fabricação e do histórico operacional. Este artigo considera apenas métodos comuns para eliminar e prevenir tensões residuais.
Tratamento térmico
É um método comum na metalurgia, que consiste em eliminar tensões residuais por meio de processos em massa, na superfície ou químicos. Inicialmente, os efeitos térmicos eram utilizados para mitigar a deformação e as tensões residuais antes e durante a soldagem, visando solucionar o problema da deformação estrutural causada pela soldagem de painéis de paredes finas. Os métodos de pré-aquecimento para componentes de aço incluem o aquecimento em massa em forno, o aquecimento localizado por infravermelho distante, o aquecimento localizado por frequência de potência e o aquecimento por chama. Esses métodos envolvem o aquecimento da área ao redor da junta de solda a uma temperatura específica por meio de diferentes métodos, seguido da manutenção dessa temperatura e de um resfriamento lento e natural.
Com os avanços tecnológicos contínuos, a produção moderna de pontes com estrutura de aço emprega principalmente dois métodos para eliminar as tensões residuais de soldagem: tratamento térmico global e tratamento térmico localizado. O tratamento térmico global consiste em aquecer lentamente toda a peça de aço em um forno até uma temperatura específica, mantendo essa temperatura por um determinado período e, em seguida, permitindo que ela esfrie naturalmente dentro do forno. Geralmente, a eficácia do tratamento térmico global na eliminação das tensões residuais de soldagem é significativamente maior do que a do tratamento térmico localizado. No entanto, para peças de aço de grandes dimensões que não podem ser submetidas ao tratamento térmico global, o tratamento térmico localizado é mais apropriado para eliminar as tensões residuais. Isso depende principalmente da temperatura de aquecimento, do tempo de manutenção da temperatura, da taxa de resfriamento, do método de aquecimento e da faixa de aquecimento da peça, normalmente eliminando de 50% a 70% das tensões residuais de soldagem.O processo de recozimento no tratamento térmico pós-soldagem é frequentemente utilizado na fabricação de vasos de pressão e tubulações, mas raramente aplicado a grandes estruturas de engenharia civil, como pontes de aço. Tipicamente, unidades padronizadas são colocadas em grandes fornos de recozimento para o tratamento térmico, e as tensões residuais nas juntas soldadas são significativamente reduzidas após esse processo. Pesquisas indicam que a adição de duas fontes de aquecimento móveis em ambos os lados da pistola de solda para aquecer a área próxima à linha de solda, e a criação de um campo de temperatura uniforme durante o processo de resfriamento da zona de fusão da solda e do material base adjacente, podem reduzir a formação de tensões residuais. Os resultados mostram que o pico de tensão residual paralelo à direção da linha de solda foi reduzido em aproximadamente 21%. Da mesma forma, ao utilizar a tecnologia de aquecimento paralelo para realizar o tratamento térmico pós-soldagem na solda próxima à área de solda, os resultados mostraram que a tensão residual na direção paralela à solda diminuiu em aproximadamente 37%. Portanto, embora os dispositivos de aquecimento local móveis possam controlar efetivamente a distorção da soldagem, os resultados indicam que seu efeito na eliminação da tensão residual não é significativo.
Em 2014, um especialista utilizou aquecimento linear para elevar a temperatura de uma solda de aço em um tabuleiro de ponte a 625 °C durante três horas, reduzindo significativamente a tensão residual. Um dispositivo de aquecimento cerâmico aplicado a uma nervura em U a 600 °C durante uma hora apresentou resultados semelhantes. Testes adicionais realizados por um laboratório de soldagem do Reino Unido confirmaram que o tratamento térmico reduz consideravelmente a tensão residual da solda e examinaram seu impacto nas propriedades do aço da ponte.
Os resultados mostraram praticamente nenhuma alteração no módulo de elasticidade, limite de escoamento e resistência à tração do material. O uso de um dispositivo de aquecimento por indução de alta frequência para aquecer localmente a zona afetada pela solda reduz a tensão residual em quase 90%. Os resultados dos testes de fadiga demonstram uma melhoria significativa na vida útil sob a mesma amplitude de tensão.
Em resumo, o tratamento térmico pós-soldagem (TTPS) é um método altamente eficaz, consolidado e de fácil implementação industrial para eliminar tensões residuais de solda. Ele impacta significativamente o desempenho à fadiga de soldas críticas em estruturas de pontes de aço.
martelamento mecânico
O processo envolve o impacto mecânico na raiz da solda para induzir deformação plástica, o que compensa parte da pressão e da deformação plástica, reduzindo assim a tensão residual da solda. Suas práticas de produção normalmente incluem martelamento, jateamento com esferas e jateamento de areia. Numerosos estudos foram conduzidos sobre esse método, tanto nacional quanto internacionalmente. Pesquisas de Borg et al. demonstraram a presença de um campo de tensão residual compressiva na superfície de corpos de prova martelados. Além disso, resultados experimentais de pesquisadores americanos indicam que o número de ciclos de carregamento para iniciação e propagação de trincas em materiais testados por martelamento aumenta significativamente. Ademais, Yamada descobriu que o martelamento de trincas cria um campo de tensão residual compressiva que não apenas fecha as trincas existentes, mas também melhora a resistência à fadiga.
No entanto, devido à estrutura complexa e às inúmeras soldas nos tabuleiros de pontes de aço , martelar cada solda em estruturas complexas é atualmente difícil de executar na fabricação de tabuleiros de pontes de aço. A prática de longo prazo demonstrou que essa técnica não só exige alta habilidade e experiência do operador, como também é sensível aos parâmetros de forma da cabeça do martelo, dificultando a adaptação a todas as condições e componentes de aço.
O método do componente de vibração
A técnica de envelhecimento por vibração utiliza a eliminação de tensões residuais de solda durante a fabricação de componentes de aço. Sua eficácia depende do vibrador, da localização do fulcro do componente, da frequência e da duração da vibração. Portanto, para componentes de aço rígidos e complexos, podem ser utilizadas múltiplas vibrações em diversos pontos, sendo a duração ideal de 45 minutos. Além disso, esse método é adequado para vibrar grandes componentes de aço, oferecendo as vantagens de simplicidade, flexibilidade, eficiência em termos de tempo, economia de energia e baixo custo.
Método de alongamento por diferença de temperaturaNa produção e fabricação de componentes de estruturas de aço, o método de estiramento por diferença de temperatura é um método comumente utilizado para eliminar tensões residuais de soldagem. Seu princípio é essencialmente o mesmo do método de estiramento mecânico. O método principal consiste em utilizar um maçarico para aquecer ambos os lados da solda no componente, elevando a temperatura da superfície a um nível específico. Simultaneamente, um bico de pulverização de água é utilizado atrás do maçarico para resfriamento. Isso cria um campo de temperatura específico onde as temperaturas em ambos os lados do componente são altas, enquanto as temperaturas da solda e da zona afetada pelo calor são baixas. É importante ressaltar que a área de aquecimento e a temperatura devem ser controladas adequadamente para eliminar e prevenir eficazmente as tensões residuais em componentes de aço causadas pela soldagem.
Conclusão
Em resumo, a tensão residual de soldagem representa um risco estrutural significativo durante a fabricação de pontes de aço. Seus mecanismos de geração são complexos e suas manifestações, diversas. Isso pode levar não apenas a desvios geométricos nos componentes e dificuldades de montagem, mas também impactar diretamente o desempenho de carga e a vida útil das pontes de aço. Portanto, o desenvolvimento de uma solução sistemática e eficiente para o controle da tensão residual de soldagem, desde a fase de projeto até o processo de fabricação, e da prevenção e controle ao alívio de tensões posterior, é crucial para garantir a segurança e a durabilidade das estruturas de pontes.
Em termos de prevenção, a otimização do projeto estrutural, o planejamento racional das sequências de soldagem e a seleção de métodos de soldagem e processos de pré-aquecimento adequados podem minimizar a formação e o acúmulo de tensões de soldagem na origem. Quanto ao alívio de tensões, métodos como o tratamento térmico pós-soldagem, com sua tecnologia consolidada e eficaz, bem como o martelamento mecânico, o envelhecimento por vibração e o estiramento diferencial de temperatura, com suas opções de tratamento localizado convenientes e aplicáveis, demonstram um potencial significativo.
No futuro, com a diversificação das estruturas de pontes de aço e a melhoria contínua dos requisitos de precisão de fabricação, as tecnologias de controle de tensões residuais de soldagem continuarão a evoluir para abordagens mais eficientes, inteligentes e controláveis. Em resumo, como especialista mundial em construção pré-fabricada, impulsionada por nossa pesquisa teórica profissional e prática de engenharia, a XTD Steel Structure continuará a fornecer aos seus clientes serviços abrangentes por meio de seu sistema de controle de qualidade de soldagem para pontes exclusivas.
