Com o avanço contínuo da tecnologia de construção de pontes, as estruturas de aço emergiram como uma solução fundamental na engenharia moderna de pontes de estrutura de aço, devido à sua alta resistência, leveza e alto grau de automação. Durante a fabricação e montagem de estruturas de aço, a soldagem — como processo de fabricação primário — é amplamente empregada na produção de componentes-chave, como vigas de aço, treliças e chapas de ligação. Tanto a eficiência quanto a qualidade da soldagem determinam criticamente o cronograma de produção, os custos de fabricação, bem como as despesas de manutenção a longo prazo e a vida útil de toda a estrutura da ponte.
Contudo, as altas temperaturas geradas durante a soldagem e o impacto ambiental nas taxas de resfriamento inevitavelmente geram tensões e deformações de soldagem. A tensão de soldagem refere-se à tensão interna causada pela expansão e contração térmica na solda e em sua zona termicamente afetada circundante. A deformação de soldagem ocorre quando diversos fatores durante a soldagem não atendem plenamente aos padrões de produção, manifestando-se como desvios na aparência do componente estrutural projetado. Durante a fabricação e instalação de componentes de pontes de aço de grande porte, esses problemas podem impactar severamente a precisão dimensional e a estabilidade estrutural dos componentes, levando a diversas consequências negativas, como a redução do retorno econômico.
Nos últimos anos, com a ampla adoção da tecnologia de soldagem para juntas complexas e de formatos especiais na produção de componentes de pontes, o controle científico da tensão e da deformação durante a soldagem, bem como a melhoria efetiva dos processos de soldagem e das medidas de tratamento pós-soldagem, tornaram-se áreas-chave de pesquisa na indústria de fabricação de estruturas de aço. Felizmente, a Xintiandi Steel Structure embarcou em uma jornada de aprimoramento da qualidade da soldagem, começando com a produção de vigas de aço em caixão para o projeto da Ponte Dongfeng Interchange na Rodovia Zhongjiang, em Guangdong. Temos utilizado consistentemente processos de soldagem aprimorados na fabricação de pontes como a Ponte Shunxing e a Ponte do Rio Hutong em Foshan, melhorando significativamente a qualidade da soldagem e a durabilidade estrutural.
Normas e requisitos de controle de qualidade de soldagem
Normas de controle de tensão e deformação na produção de soldagem:
O controle de tensões e deformações é um requisito fundamental de qualidade na produção de estruturas de pontes de aço soldadas . Nas “Especificações para a Fabricação e Instalação de Pontes de Estrutura Metálica Rodoviária” (JTG/T 3651-2022), o item 7.2.5 estipula: A temperatura de pré-aquecimento antes da soldagem deve ser determinada por meio de um teste de qualificação do procedimento de soldagem; a faixa de pré-aquecimento deve ser de 1,5 vezes a espessura da chapa em ambos os lados da solda e não inferior a 100 mm, e a temperatura deve ser medida a uma distância de 30 a 50 mm da solda. O artigo 3 do item 7.2.7 estipula que os pontos de solda devem estar isentos de defeitos como trincas, inclusões de escória e protuberâncias de solda, e as crateras de arco devem ser preenchidas.
Em soldas de fixação trincadas, as causas devem ser identificadas antes da remoção, e pontos de solda adicionais devem ser feitos, mantendo as dimensões corretas. Após a soldagem, as placas guia e as placas de teste devem ser cortadas a gás e alisadas sem danificar o material base. Os defeitos de solda devem ser removidos por goivagem a arco de carbono ou métodos mecânicos, estendendo-se 50 mm além da trinca. Um sulco adequado deve ser preparado para a soldagem de reparo, com a camada de óxido removida por esmerilhamento para expor o brilho metálico.
Portanto, após a soldagem, os componentes de aço devem ser submetidos à inspeção visual, à inspeção dimensional geométrica e aos testes necessários de tensão residual e deformação:
- Inspeção estética: Não devem estar presentes defeitos comuns de soldagem, como mordeduras, trincas, poros, protuberâncias de solda, respingos e falta de fusão.
- Precisão dimensional: O valor da deformação do componente deve ser controlado dentro da faixa de desvio permitida pelo projeto, incluindo principalmente empenamento da chapa, distorção da viga e desvio do ângulo de solda.
- Estabilidade estrutural: Para nós e áreas de solda propensas a alta concentração de tensões, o nível de tensão residual deve ser controlado por meio de análise estrutural.
- Desempenho à fadiga: Para componentes soldados que são significativamente afetados por cargas alternadas, os efeitos da concentração de tensão e da tensão residual na vida útil à fadiga devem ser avaliados, e a verificação do grau de fadiga deve ser utilizada.
Requisitos de teste na fase de avaliação do processoNa fase de preparação da construção, a avaliação do processo de soldagem (EPS) deve incluir a verificação sistemática de parâmetros como aporte térmico de soldagem, temperatura de pré-aquecimento, número de camadas de solda, direção da soldagem, taxa de resfriamento, etc., bem como testes de tensão-deformação dos componentes protótipos, que incluem:
- Controle de qualidade: as medições de deformação são realizadas utilizando ferramentas como fita métrica, régua e fita de inspeção de solda após a soldagem.
- Ensaios não destrutivos: A qualidade da solda é verificada por meio de raios, ultrassom ou partículas magnéticas.
- Instrumentos científicos: Análise de simulação térmica utilizando equipamentos especiais para comparação com a distribuição real das tensões residuais.
A avaliação científica da qualidade da solda e dos parâmetros de tensão é a base para o desenvolvimento de um processo de soldagem controlado. Esse processo requer uma análise sistemática do mecanismo de tensão e deformação da soldagem, levando em consideração as características de deformação e a resposta de rigidez dos diferentes componentes durante o processo térmico. De acordo com os resultados da análise, o ajuste adequado de dispositivos de fixação e restrições pode ter uma influência decisiva na supressão da expansão e contração térmica durante o processo de soldagem.
Análise das causas de tensão e deformação na soldagem.
A essência da tensão e deformação na soldagem decorre dos efeitos combinados da deformação plástica causada pela entrada de calor desigual e dos efeitos de restrição estrutural. As principais causas são as seguintes:
Aquecimento irregular durante a soldagem
A soldagem é um processo de aquecimento e pressurização. No entanto, devido às condições de produção, a distribuição de temperatura nos componentes de aço durante a soldagem é extremamente irregular. Componentes sem restrições apresentam deformação livre durante o aquecimento e o resfriamento, resultando na ausência de tensões internas durante o processo de aquecimento. Além disso, após o resfriamento, a deformação e as tensões residuais desaparecem naturalmente. Da mesma forma, componentes com restrições também sofrem tensão e deformação internas durante o aquecimento. Componentes com restrições apresentam deformação não livre, resultando em deformação tanto interna quanto externa.
Quando os componentes têm total liberdade de contração após a soldagem, ocorre uma certa porcentagem de deformação sem gerar tensões residuais. Além disso, quando os componentes são restringidos por certos dispositivos, a deformação não ocorre, mas tensões residuais significativas são geradas. Quando os componentes esfriam e contraem insuficientemente durante a soldagem, tanto a deformação quanto as tensões residuais são geradas. Portanto, resumindo as diversas situações descritas acima, quando o processo de soldagem de um componente de aço é irregular e a entrada de calor excede o limite de escoamento do material metálico, ocorrerá alguma deformação plástica por soldagem. Após o resfriamento do componente, a deformação por soldagem e as tensões residuais de soldagem ocorrerão inevitavelmente.
Na fabricação de componentes de aço, a soldagem causa deformação plástica próxima à solda, seguida de contração durante o resfriamento. O controle adequado dessa contração reduz a tensão residual, mas aumenta a deformação; o controle inadequado diminui a deformação, porém aumenta a tensão. No geral, a soldagem produz tensões irregulares e desiguais, com formação de tensão residual de tração próxima à solda.
Encolhimento do metal de solda do componente e mudanças organizacionais
À medida que o metal de solda esfria e solidifica, ele naturalmente se contrai, causando deformação na peça e tensões residuais. Como a soldagem é sequencial e frequentemente descontínua, as soldas anteriores influenciam as posteriores, levando à contração, deformação e formação de tensões em geral.
Além disso, quando a organização interna do material do componente se altera, também ocorrem deformações e tensões de soldagem. O volume do metal na zona de solda se modifica durante o processo de fusão e solidificação e, principalmente, sua estrutura organizacional se altera de austenita para perlita ou bainita. O processo de transição de fase é acompanhado por contração da rede cristalina, o que resulta na formação de microdeformações que, sobrepostas às tensões térmicas, formam as tensões residuais totais. Se, no futuro, houver avanços na pesquisa, a indústria poderá obter materiais metálicos em nanoescala, como o fortalecimento de grãos finos, entre outras técnicas, o que ajudará os componentes a alcançarem um salto significativo em suas propriedades mecânicas.
Rigidez do elemento e grau de alteração da restrição
No processo de fabricação, a rigidez da estrutura do componente de aço se altera devido à deformação pós-soldagem, e as tensões residuais têm um grande impacto. Quando a rigidez do componente de aço é maior, a deformação pós-soldagem é relativamente pequena; quando a rigidez do componente de aço é insuficiente, a deformação pós-soldagem será relativamente grande e a tensão residual será muito pequena.
Por outro lado, o grau de restrição do elemento de aço também terá certos efeitos sobre ele. Quando o grau de restrição é grande, a deformação do elemento após a soldagem é muito pequena e a tensão produzida pela soldagem será muito grande. Quando a restrição é fraca, a deformação do componente após a soldagem é relativamente óbvia, mas a tensão residual do componente após a soldagem será muito pequena.
No processo de produção real, quando a rigidez de diferentes partes do elemento de aço apresenta uma diferença significativa, a expansão e a contração térmica tornam-se difíceis de coordenar. Nesse caso, as extremidades restringidas não se movem, enquanto a extremidade livre se contrai, formando um sistema de forças internas de autoequilíbrio no elemento. Contudo, quando o suporte fixo é posicionado de forma inadequada ou a sequência de içamento é incorreta, isso leva ao reforço artificial da restrição em uma determinada direção, o que, eventualmente, resulta em deformação assimétrica e consequências adversas.
Sequência e direção de soldagem incorretas
A disposição irracional da sequência de soldagem pode levar à concentração excessiva de tensões e à distribuição desigual do calor, o que pode resultar em deformações irreversíveis. Por exemplo, deformações e tensões residuais podem ocorrer quando os soldadores priorizam soldas longas em detrimento das curtas, ou quando não realizam a sobreposição e fusão da extremidade de uma solda anular fechada durante o processo de soldagem. Isso ocorre porque, devido à rigidez estrutural do componente, a deformação inicial pode ser temporariamente contida; à medida que o processo de soldagem prossegue, a alta temperatura gerada pela superposição de tensões rompe essa rigidez, resultando em deformação permanente.Deve-se destacar especialmente que, em nós espaciais, juntas em T ou juntas cruzadas multidirecionais e outras peças complexas, a zona afetada pelo calor da solda em diferentes direções interfere com muita facilidade. A microestrutura do metal nessa região se altera, e essa alteração reduz a resistência do metal. Portanto, se os caminhos e direções de soldagem não forem adequadamente definidos, problemas como choques de tensões, deslocamentos relativos e deformações obrigatórias ocorrerão, reduzindo significativamente a precisão geométrica e o desempenho sob tensão da estrutura.
Possíveis efeitos da tensão e deformação na soldagem
Os componentes de aço durante o processo de soldagem são afetados pela transferência de calor. Quando a temperatura não é uniforme, a sequência de aquecimento e resfriamento não é consistente, o que causa deformação nos componentes de aço. A expansão térmica desigual dos elementos de aço e a sequência de resfriamento irregular podem levar à deformação da barra, tensões essas que, na comunidade acadêmica, são geralmente denominadas tensões residuais de soldagem. Na sobreposição de múltiplas passagens de solda, devido à inconsistência nos tempos de soldagem e resfriamento, a transição entre as soldas torna-se densa, e o calor gerado em algumas áreas será muito grande, resultando em deformação.
Efeito das tensões residuais de soldagem na resistência estrutural de elementos de aço.
Durante o processo de fabricação, as estruturas soldadas não sofrem concentrações de tensão transitórias. Nesses casos, o metal do componente possui um certo grau de capacidade de deformação plástica e, geralmente, a tensão de soldagem não afeta a resistência à carga estática do componente. Quando o metal do componente é frágil, a tensão de tração interna e externa resultante pode se combinar, aumentando a tensão. Quando a tensão atinge um certo nível, existe a possibilidade de falha estrutural, e o componente pode fraturar a qualquer momento. Quando o componente é utilizado em uma temperatura abaixo da temperatura crítica de fragilidade do material durante a soldagem, a combinação das tensões de tração e internas pode reduzir a resistência à carga estática do componente.
A seguir, apresentamos algumas das causas e efeitos da deformação na soldagem:
- Distorção angular: A contração desigual devido aos gradientes de temperatura em ambos os lados da solda pode facilmente causar distorção angular nas flanges, almas e juntas. Por exemplo, se a soldagem de dupla face não for realizada de maneira uniforme e simétrica, a contração lateral durante a soldagem pode causar empenamento da chapa, afetando seriamente a montagem do componente.
- Deformação e distorção ondulatórias: Painéis de vigas caixão e membros de treliças são suscetíveis a flutuações ondulatórias devido aos efeitos repetidos de expansão e contração causados por altas temperaturas e resfriamento. Se os componentes forem restringidos de forma desigual durante o processo de soldagem, também pode ocorrer distorção geral, especialmente em seções de vigas caixão longas ou componentes de chapa plana de grandes dimensões.
- Desvios de instalação e desalinhamento do metal: Os efeitos cumulativos da deformação por soldagem podem levar a consequências adversas, incluindo, entre outras, desalinhamento de furos, falha da chapa de reforço e diferenças de altura entre os segmentos da viga. Mais importante ainda, esses problemas atrasam significativamente a instalação, exigindo que os trabalhadores corrijam o problema à força e exacerbando os danos por tensão nos componentes.
- Trincas estruturais ou danos na solda: A tensão residual da soldagem se acumula na zona afetada pelo calor. Quando combinada com cargas de tráfego, isso pode facilmente induzir a propagação de microtrincas ou fraturas localizadas. Essa situação é mais grave quando o material está em temperaturas frágeis, afetando significativamente a estabilidade estrutural e reduzindo a vida útil à fadiga.
Efeito da tensão residual de soldagem na precisão dimensional de peças de aço usinadas.
Durante o processo de fabricação, a soldagem gera tensões internas em componentes de aço. A remoção de metal de um componente pode perturbar o equilíbrio de tensões original. Essas tensões internas redistribuem-se gradualmente, formando um novo equilíbrio. Durante esse processo, se o componente não estiver fixado, ele se deformará até certo ponto, afetando negativamente a precisão da usinagem. Portanto, para garantir a precisão dimensional, os componentes soldados devem passar por um processo de alívio de tensões antes da usinagem.
Efeito das tensões residuais de soldagem na estabilidade de elementos de aço.
Durante o processo de fabricação, as tensões internas induzidas por componentes externos, quando combinadas com tensões de compressão, podem impactar significativamente a estabilidade dos componentes de aço. Esse impacto está diretamente relacionado às tensões internas e às propriedades da seção transversal do componente. Seções transversais efetivas, localizadas longe do eixo neutro do componente, podem melhorar sua estabilidade. Para garantir que os componentes de aço maximizem suas propriedades, os gestores devem tomar as medidas necessárias para prevenir e controlar a deformação por soldagem e as tensões residuais durante o processo de fabricação. Além disso, medidas específicas para eliminar as tensões residuais de soldagem também são necessárias para componentes de aço críticos após a soldagem.
Conclusão
As tensões residuais e as deformações resultantes da soldagem são problemas técnicos essenciais e inevitáveis na fabricação de estruturas metálicas para pontes. Sua presença não só afeta a precisão da montagem dos componentes e a segurança estrutural, como também pode reduzir a vida útil das pontes. Resolver o problema das deformações e tensões decorrentes da soldagem é extremamente complexo, mas a padronização e a otimização do processo produtivo podem minimizar seu impacto negativo.
Por meio do projeto científico e da gestão de projetos na XTD Steel Structure, é possível obter um controle eficaz da tensão e da deformação na soldagem, otimizando a estrutura dos componentes, os caminhos do processo de soldagem, controlando a entrada de calor, selecionando métodos de soldagem apropriados e combinando tratamento térmico ou mecânico pós-soldagem.
