Como controlar a distorção causada pela soldagem na fabricação de estruturas de aço
A distorção da soldadura na fabricação de estruturas de aço é controlada limitando o metal de solda desnecessário, equilibrando a contração em torno da secção, apoiando corretamente o conjunto e controlando o calor dentro do procedimento de soldadura aprovado. As verificações dimensionais devem continuar durante o alinhamento, a soldadura, o arrefecimento e a remoção dos dispositivos de fixação. Um componente que parece direito enquanto está preso pode deslocar-se quando a restrição é removida.
Vigas torcidas, chapas arqueadas e ligações desalinhadas surgem quando a contração da soldadura atua de forma desigual sobre a rigidez do conjunto. O controlo eficaz começa por identificar a direção em que essa contração irá puxar o componente. Simplesmente aumentar a restrição ou reduzir a corrente de soldadura pode causar outros problemas, incluindo fissuração, falta de fusão ou deslocamento após a remoção dos dispositivos de fixação.
O aço aquecido expande-se, mas o material mais frio à sua volta restringe essa expansão. À medida que a soldadura e a zona aquecida adjacente arrefecem, a contração provoca deslocamento permanente e tensão residual. A forma resultante depende da posição da soldadura, da geometria da junta, da rigidez da secção e da sequência em que o conjunto se torna rígido.
Os padrões de distorção fornecem pistas úteis, embora vários mecanismos ocorram muitas vezes em simultâneo:
Um elemento arqueado não é automaticamente prova de aporte térmico excessivo. Apoio desigual, curvatura inicial, alinhamento forçado e a ordem de fixação dos reforços podem produzir sintomas semelhantes. Registe a geometria inicial antes da soldadura para que as medições posteriores permitam distinguir a variação de entrada do movimento ocorrido durante a fabricação.
O volume de metal de solda é um dos principais fatores de distorção que podem ser controlados. Soldaduras de ângulo sobredimensionadas acrescentam calor e contração sem necessariamente melhorar o desempenho da ligação previsto no projeto. Utilize a dimensão e a extensão de soldadura especificadas e meça o perfil depositado durante a produção. Um cordão visualmente robusto não comprova o cumprimento dos requisitos de garganta ou penetração.
A abertura da raiz e a preparação do chanfro também afetam a quantidade de metal necessária. Uma folga excessiva exige deposição adicional e pode causar contração desigual ao longo da junta. Uma folga demasiado estreita pode impedir o acesso à raiz e comprometer a fusão. Corrija a preparação de acordo com o desenho e o procedimento de soldadura, em vez de compensar com alterações improvisadas dos parâmetros.
Quando o projeto permite o acesso pelos dois lados, uma preparação equilibrada da junta pode reduzir o movimento angular em comparação com a deposição de todo o metal de solda por uma só face. Essa decisão deve fazer parte do projeto da junta e do planeamento do procedimento. Alterar um chanfro especificado ou substituir uma soldadura contínua por soldaduras intermitentes requer autorização, pois a resistência da ligação, o desempenho à fadiga e as condições de exposição podem ser afetados.
Encaixe as peças correspondentes sem utilizar grampos para disfarçar uma grande discrepância. Forçar uma flange ou uma placa de extremidade até à posição armazena deformação elástica. A soldadura fixa então parte dessa deformação no conjunto e, quando a restrição é removida, os furos dos parafusos ou as faces de ligação podem afastar-se da posição prevista.
Uma sequência de soldadura útil identifica o lado, a localização e o comprimento de cada etapa. Instruções como «alternar as soldaduras» deixam demasiadas questões por resolver quando um conjunto inclui várias flanges, reforços e placas de fixação. A sequência deve indicar quais soldaduras se equilibram entre si e quando as dimensões devem ser medidas.
Numa viga fabricada com soldaduras em lados opostos de uma alma, concluir uma costura longa antes de iniciar a correspondente favorece uma contração desequilibrada. Alternar comprimentos ou passes adequados entre posições opostas distribui a contração de forma mais uniforme. Comprimentos iguais de cordão não garantem, por si só, equilíbrio: as diferenças na dimensão da soldadura, no aporte térmico e na distância ao eixo neutro também são importantes.
A soldadura em retrocesso deposita secções curtas numa direção oposta à progressão geral. A soldadura intercalada distribui secções separadas ao longo de uma junta antes de preencher os espaços entre elas. Estas técnicas podem limitar a acumulação local de calor quando incorporadas num procedimento adequado, mas introduzem mais inícios e paragens. Cada reinício continua a exigir uma fusão adequada, o tratamento correto da cratera e a limpeza apropriada ao processo.
O planeamento da sequência também tem de considerar o acesso. Fechar um conjunto demasiado cedo pode dificultar a deposição ou a inspeção das soldaduras internas. Fixar primeiro todos os reforços pode aumentar substancialmente a restrição em torno de uma junta posterior. Uma sequência que controla a forma sem comprometer o acesso é mais útil do que uma baseada apenas na simetria geométrica.
Os pontos de soldadura mantêm o alinhamento e a abertura da raiz durante o manuseamento e a soldadura. A sua dimensão, espaçamento e posição devem ser adequados ao conjunto e ao procedimento aplicável. Os pontos fissurados têm de ser removidos; os pontos incorporados na junta final devem cumprir os requisitos de qualidade pertinentes. Pontos espaçados irregularmente podem permitir que as folgas se fechem de forma desigual à medida que a soldadura avança.
Grampos, barras de reforço temporárias e dispositivos de fixação resistem ao movimento, mas não eliminam a contração. Uma maior restrição transfere mais contração para tensão residual e pode aumentar a suscetibilidade à fissuração em juntas com condições desfavoráveis de material, espessura ou hidrogénio. Os acessórios temporários soldados também exigem instalação e remoção controladas para proteger o material de base.
O pré-ajuste introduz um desvio planeado no sentido oposto ao movimento previsto. Funciona melhor quando ensaios repetíveis ou registos de produção estabelecidos mostram o comportamento de um determinado conjunto. O desvio deve corresponder à secção, à junta, à sequência e à configuração dos dispositivos de fixação reais. Reutilizar um pré-ajuste de uma espessura ou de um detalhe de ligação diferente não é fiável.
A localização dos apoios merece a mesma atenção que os grampos. Um elemento longo apoiado em cavaletes desnivelados pode fletir ou torcer antes do início da soldadura. Mantenha uma disposição de apoio definida durante as medições intermédias, deixe arrefecer conforme necessário e liberte a restrição pela ordem planeada. As medições de aceitação final devem corresponder à condição de inspeção especificada, com a restrição temporária removida quando necessário.
O aporte térmico é influenciado pela tensão, pela corrente e pela velocidade de avanço; quando necessário, o cálculo aplicável tem em conta a eficiência do processo. A corrente, por si só, é um indicador incompleto. Reduzir a amperagem e diminuir a velocidade de avanço pode manter inalterada ou aumentar a energia por unidade de comprimento, além de afetar a penetração e a forma do cordão.
O limite de trabalho é definido pelo procedimento de soldadura aprovado, juntamente com os requisitos de material e execução do projeto. O controlo da distorção não justifica reduzir o pré-aquecimento abaixo do mínimo exigido, exceder os limites de temperatura entre passes ou sair dos intervalos de parâmetros permitidos. Esses limites também contribuem para a fusão, o controlo do hidrogénio e as propriedades mecânicas exigidas.
Monitorize a acumulação de temperatura durante a soldadura repetitiva. Depositar passes sucessivos na mesma área sem arrefecimento suficiente altera as condições térmicas, mesmo que as definições da máquina permaneçam constantes. É possível deslocar o trabalho para outra parte adequada do conjunto para o distribuir, desde que se mantenham a sequência planeada e os requisitos de temperatura entre passes.
A dimensão do passe também envolve um compromisso. Passes maiores reduzem o número de ciclos de soldadura, mas concentram mais calor em cada passe. Passes muito pequenos aumentam o número de ciclos e de operações de manuseamento. Selecione o padrão de deposição de acordo com o procedimento e os requisitos da junta e, em seguida, utilize uma técnica consistente para tornar repetível o seu efeito dimensional.
Não recorra ao arrefecimento forçado com água ou ar comprimido como solução improvisada. A velocidade de arrefecimento afeta os gradientes térmicos e, em alguns aços, a dureza local e a suscetibilidade à fissuração. Utilize as condições de arrefecimento definidas para o material e o procedimento de fabricação.
Os perfis em U, L e Z reagem de forma diferente dos elementos fechados ou mais simétricos, devido às diferenças de rigidez à torção e à localização das soldaduras. Uma fixação curta numa das extremidades pode rodar um perfil aberto, mesmo quando a sua curvatura longitudinal é reduzida. Marcas de referência em ambas as abas ajudam a distinguir a torção da simples flexão.
Para uma viga Z utilizada como terça ou elemento de parede, a soldadura de um suporte junto a uma das abas exige atenção à rotação da aba e ao alinhamento dos furos de ligação. Avalie em conjunto a espessura, a posição da fixação e os apoios disponíveis. Quando existe um revestimento galvanizado, a preparação para soldadura, o controlo dos fumos e a reparação do revestimento também devem cumprir os requisitos de fabricação aplicáveis.
No caso de perfis perfurados, faça as medições a partir dos pontos de referência especificados, em vez de presumir que todos os furos constituem referências precisas. Os furos existentes condicionam o encaixe da ligação, enquanto o aquecimento local e a restrição assimétrica podem alterar a sua relação com o conjunto. Um elemento pode cumprir o requisito de comprimento total e, ainda assim, apresentar uma orientação de ligação inaceitável.
Esperar até ao fim da soldadura dificulta a correção e oculta a etapa em que o movimento começou. Defina pontos de referência antes da ponteação, meça após etapas de soldadura significativas e volte a medir após o arrefecimento e a libertação. Entre as medições úteis estão a curvatura do elemento, a rotação da aba, a esquadria da placa de extremidade, a posição dos furos e a planura local junto às ligações.
Utilize o mesmo sistema de referências e a mesma disposição de apoios ao comparar as leituras. Um conjunto quente e preso e um conjunto frio e apoiado livremente correspondem a condições de medição diferentes. As diferenças de temperatura podem afetar as leituras de comprimento, enquanto as forças dos dispositivos de fixação podem ocultar movimentos angulares. Registe essas condições juntamente com as dimensões.
Os limites de aceitação devem ser definidos pelos desenhos do contrato, pela norma de fabricação ou execução especificada e por quaisquer requisitos acordados para o projeto. Não existe uma única tolerância de distorção adequada a todas as vigas, chapas e ligações. Uma tolerância dimensional geral do produto também não define automaticamente os critérios de aceitação de um conjunto soldado.
A inspeção dimensional e a inspeção da soldadura respondem a questões distintas. Um componente direito pode conter descontinuidades de soldadura inaceitáveis, e uma soldadura aceitável pode fazer parte de um conjunto fora da tolerância dimensional. Ambas as condições têm de ser avaliadas antes da libertação.
Quando as medições mostram uma tendência inaceitável, interrompa o trabalho numa etapa adequada e reveja a sequência, o alinhamento, a restrição e os parâmetros registados. Prosseguir na expectativa de que soldaduras posteriores anulem o movimento pode fixar um erro maior. Qualquer sequência revista continua a ter de preservar a qualidade da junta e o acesso.
O endireitamento mecânico exige um percurso de carga planeado e apoio adequado. A prensagem ou o martelamento descontrolados podem causar deformação plástica localizada, amolgadelas ou danos em torno das soldaduras. O endireitamento por chama exige um procedimento específico para o material que defina o padrão de aquecimento, os limites de temperatura, a restrição, o arrefecimento e a inspeção. Uma temperatura excessiva pode alterar as propriedades do aço, especialmente em aços fornecidos com condições específicas de tratamento térmico.
Após a correção, repita as medições dimensionais pertinentes e inspecione as áreas afetadas conforme exigido pelo procedimento de reparação. Registe o desvio inicial, o método de correção e a condição final. Em conjuntos repetidos, utilize esse registo para ajustar o pré-ajuste, a disposição dos apoios ou a sequência de soldadura antes de o componente seguinte chegar à mesma etapa.