Deformação de Solda em Guindaste de Grande Vão
Controlo da distorção de soldagem na viga principal de guindaste não padronizado de grande vão: contra-flecha pré-definida de 20~40 mm, retração longitudinal de 0,3~1 mm/m, retração transversal de 0,5~2 mm/m.A sequência de soldagem segue o princípio de primeiro a solda de topo e depois a solda de filete, primeiro o centro e depois as bordas, com soldagem em retrocesso em segmentos de 300~500 mm. Para chapas com espessura superior a 25 mm, é necessário pré-aquecimento a uma temperatura de 50~200 °C. A Kelude Indústrias Pesadas adota, na fabricação de vigas principais não padronizadas, um processo combinado de soldagem simétrica + correção por chama + alívio de tensões por vibração, mantendo a distorção de soldagem dentro dos limites permitidos pela norma ISO 4301 / FEM 1.001.
A viga principal de um guindaste não padronizado de grande vão utiliza normalmente uma seção caixão, com comprimento de 22,5~40 m, alma com espessura de 6~12 mm e flange com espessura de 10~25 mm. O aquecimento e o resfriamento localizados durante o processo de soldagem provocam a retração da zona da solda, causando retração longitudinal, retração transversal e deformação angular na viga principal. No caso de guindastes não padronizados, devido ao grande vão e às dimensões de seção fora do padrão, o controle da distorção de soldagem é significativamente mais difícil do que em guindastes padronizados. Um controle inadequado pode resultar em contra-flecha insuficiente ou excessiva da viga principal, curvatura lateral fora de tolerância, deformação ondulada da alma e outros problemas, afetando diretamente o desempenho e a segurança do guindaste. Este artigo aborda de forma sistemática o mecanismo de geração da distorção de soldagem, as medidas de controle e os processos de alívio de tensões.
Mecanismo e tipos de distorção de soldagem
A causa fundamental da distorção de soldagem em vigas caixão é a tensão de retração do metal na zona da solda durante o resfriamento. Durante a soldagem, a zona da solda é aquecida até a temperatura de fusão (cerca de 1500 °C), enquanto o metal base circundante permanece a uma temperatura mais baixa, criando um campo de temperatura não uniforme. Ao resfriar, a solda contrai-se, mas é restringida pelo metal base adjacente a temperatura mais baixa, gerando tensão residual de tração. Quando essa tensão residual excede o limite de escoamento do metal base, ocorre deformação plástica. A distorção de soldagem em vigas principais de grande vão classifica-se, quanto à direção, em retração longitudinal (encurtamento no sentido do comprimento de cerca de 0,3~1 mm/m), retração transversal (encurtamento no sentido da largura de cerca de 0,5~2 mm/m) e deformação angular (flexão do flange de 0,5~2 graus).
O controle da distorção de soldagem em vigas principais de guindastes não padronizados exige a definição de um procedimento de soldagem específico para cada configuração estrutural. Numa viga caixão, as quatro soldas de filete longitudinais (soldas entre o flange superior e a alma, e entre o flange inferior e a alma) são as soldas principais, e a retração transversal de cada uma acumula-se. Se as quatro soldas forem executadas sequencialmente sem controlo da ordem, a viga principal apresentará uma deformação por flexão evidente — a solda executada primeiro provoca a curvatura da viga para esse lado. A Kelude Indústrias Pesadas utiliza, durante o processo de fabrico, simulação computacional para prever a magnitude da deformação e aplica contra-deformação na fase de montagem para compensar a distorção de soldagem.
Contra-deformação e sequência de soldagem
O método de contra-deformação consiste em pré-definir, na montagem da viga principal, uma deformação de sentido oposto à distorção de soldagem esperada, de modo que, após a conclusão da soldagem, as deformações se anulem mutuamente. A contra-flecha pré-definida para vigas caixão de grande vão é geralmente de 20~40 mm (controlada na proporção de 1/1500~1/1000 do vão), ajustada pela altura do painel da mesa de montagem. A contra-curvatura lateral pré-definida é normalmente de 5~10 mm. O valor da contra-deformação deve ser determinado com base na quantidade de metal depositado, na espessura da chapa, no número de passes e na energia de soldagem linear.
A sequência de soldagem é um parâmetro crítico do processo para controlar a deformação. A sequência recomendada é a seguinte: primeiro, executar as soldas de topo do corte das chapas (emenda das chapas de aço); segundo, soldar as soldas de filete entre a alma e o flange inferior; terceiro, soldar as soldas entre os reforços longitudinais e a alma; quarto, soldar as soldas dos reforços transversais (com soldagem intermitente); quinto, soldar as soldas de filete entre a alma e o flange superior (por último). Cada cordão de solda deve ser executado pelo método de soldagem em retrocesso, com segmentos de 300~500 mm e salto entre segmentos. Cada solda deve ser executada por, pelo menos, dois soldadores, de forma simétrica, do centro para as extremidades. A velocidade de soldagem deve ser controlada entre 20~35 cm/min, com aplicação uniforme para evitar sobreaquecimento localizado.
Pré-aquecimento, pós-aquecimento e alívio de tensões
O pré-aquecimento reduz a velocidade de resfriamento da solda, diminui a formação de estruturas endurecidas e reduz a tensão residual de soldagem. De acordo com a norma ISO 4301 / FEM 1.001: para chapas com espessura inferior a 25 mm, o pré-aquecimento não é necessário; para 25~40 mm, pré-aquecer a 50~100 °C; para 40~60 mm, pré-aquecer a 100~150 °C; para espessuras superiores a 60 mm, pré-aquecer a 150~200 °C. A largura do pré-aquecimento deve ser de 100 mm de cada lado da solda. As chapas da viga principal de guindastes não padronizados têm geralmente espessura entre 6~25 mm, não sendo necessário pré-aquecimento na maioria dos casos; no entanto, em trabalhos realizados no inverno (temperatura ambiente inferior a 0 °C), recomenda-se pré-aquecer a 30~50 °C mesmo para espessuras inferiores a 25 mm.
O pós-aquecimento para eliminação de hidrogénio e o alívio de tensões por vibração são métodos eficazes para eliminar tensões de soldagem. A temperatura de pós-aquecimento é de 200~300 °C, com tempo de manutenção calculado em 1~2 min por milímetro de espessura da chapa. O alívio de tensões por vibração aplica uma carga alternada à viga principal através de um excitador, promovendo a libertação e redistribuição das tensões residuais. A Kelude Indústrias Pesadas adota preferencialmente o alívio de tensões por vibração no fabrico de vigas principais não padronizadas, por ser um processo eficiente e de baixo consumo energético, permitindo uma redução de 40%~60% da tensão residual após o tratamento. Para vigas principais de vão superior a 30 m, pode também ser utilizado o método de correção por chama, mas a temperatura de aquecimento deve ser rigorosamente controlada para não exceder 650 °C (temperatura de transformação de fase do aço).
Comparação das medidas de controlo da distorção de soldagem
| medidas de controle | princípio | efeito de controle | âmbito de aplicação |
|---|---|---|---|
| contra-deformaçãométodo | pré-deformação reversa Deformaçãocompensação Distorção de Soldagem | contra-flecha Desviomenor que5mm | todas as vigas caixão/vigas de seção I |
| soldagem simétrica | compensação por soldagem simultânea em ambos os lados Deformação | empenamento Deformaçãoreduzir60%~80% | operação em duplaviga caixão |
| soldagem em retrocesso | 300~500mmsoldagem segmentada intermitente | retração transversalreduzir30%~50% | comprimento Cordão de Solda(maior que2m) |
| correção por chama | contração por aquecimento localizado Deformaçãozona | após correção Desviomenor que2mm/m | soldagemcorreção secundária posterior |
| alívio de tensões por vibração | aplicação alternada Cargaalívio de tensões | tensão residualredução40%~60% | comprimento menor que40moperação em dupla Viga Principal |
| pré-aquecimentopós-aquecimento | redução Resfriamentovelocidadeeliminação de estruturas temperadas | Trincaredução da incidência80%acima de | espessura de chapa maior que25mmou ambiente de baixa temperatura |
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| retração longitudinal por metro Cordão de Soldaretração longitudinal0.3~1mm.grande Vãovigas de seção I(30m)quatro longas Cordão de Soldacontração total pode atingir10~40mm, Cortedeve-se reservar sobremetal. | retração transversal por passesolda de fileteretração transversal0.5~2mm.quatrosolda de filetecontração total2~8mm, influência Viga Principallarguradimensões. | deformação angular Flangesoldagemdeformação angular0.5~2grau.através decontra-deformaçãoberço de montagem ou pré-curvatura Flangecontrole, Desviomenor que0.5grau. |
| controle de contra-flecha não padronizado Contra-flecha da viga principaladotar L/1000~L/1500.soldagemapós correçãocontraflecha Desviorequisito menor ou igual a5mm. | soldagemmaterial Q355B (≈S355JR)combinação com metal base ER50-6arame de solda ou E5015eletrodo revestido.consumível de soldagem Resistêncianão superior ao metal base, controleaportação térmicadeve-se reservar sobremetal15~25kJ/cm. | Inspeção Norma Cordão de Soldaqualidade conforme GB/T 11345nível 2Aceitação.Viga Principaldeflexãoqualidade conformenorma ISO 4301 / FEM 1.001em5.5medição por seção. |
Processo de conceção do procedimento de soldagem para vigas principais não padronizadas
O fluxo de trabalho padrão da Kelude Indústrias Pesadas para a conceção do procedimento de soldagem de vigas principais não padronizadas de grande vão é o seguinte:
1. Registo de qualificação do procedimento de soldagem (WPQR) — Realização do WPQR de acordo com a norma ISO 4301, definindo os parâmetros de soldagem e os materiais de adição.
2. Previsão de deformação — Previsão da magnitude da deformação através de análise de elementos finitos ou fórmulas empíricas, determinando o valor de contra-deformação e a sequência de soldagem.
3. Ajuste da mesa de montagem — Ajuste da contraflecha e da curvatura lateral da mesa de montagem de acordo com o valor de contra-deformação.
4. Soldagem de ensaio — Validação dos parâmetros de soldagem e do valor de contra-deformação com chapas de teste da mesma espessura.
5. Soldagem final — Execução da sequência de soldagem, soldagem simétrica e soldagem em retrocesso.
6. Inspeção pós-soldagem — Ensaio Ultrassônico e medição da deformação por máquina de medição tridimensional.
A conceção baseia-se nas normas ISO 4301 (Regras de conceção de guindastes), FEM 1.001 (Especificação de soldagem de estruturas de aço) e FEM 1.001 (Condições técnicas de soldagem para guindastes). A Kelude Indústrias Pesadas aplica rigorosamente o sistema de registo de qualificação de procedimento de soldagem, e todos os procedimentos de soldagem de vigas principais não padronizadas são validados por ensaios de qualificação. Para mais informações sobre a conceção estrutural de vigas principais, consulte o Guia completo para a conceção estrutural e análise de elementos finitos de vigas principais de pontes rolantes. Para mais detalhes sobre procedimentos de soldagem não padronizados, consulte o Guia completo para o procedimento de soldagem e controlo de qualidade de cordões de solda em vigas principais de guindastes.
Perguntas frequentes sobre distorção de soldagem em vigas principais
P: O que fazer se o desvio de contraflecha exceder o limite após a soldagem da viga principal não padronizada?
R: Se a contraflecha for inferior ao valor especificado (menor que L/2000 ou com flecha), aqueça o centro da mesa inferior com chama para induzir retração térmica e restaurar a contraflecha da viga. A largura do aquecimento não deve exceder 1/3 da largura do flange, a temperatura deve ser controlada entre 600 e 650 graus Celsius, com monitoramento por termómetro de ponto. Se a contraflecha for excessiva (maior que L/800), aqueça o centro da mesa superior. A correção por chama deve ser realizada em etapas, com uma correção máxima de 5 mm por etapa, seguida de resfriamento natural. É estritamente proibido o resfriamento rápido com água. Os técnicos de correção por chama da Kelude Indústrias Pesadas possuem certificação de qualificação conforme a norma FEM 1.001.
P: Qual é melhor: controlo preventivo da distorção de soldagem ou correção pós-soldagem?
R: O controlo preventivo da distorção de soldagem (ação preventiva do processo) é muito superior à correção pós-soldagem. A prevenção por processo permite um controlo previsível da deformação, não afeta as propriedades mecânicas e é mais eficiente. A correção pós-soldagem (por chama ou mecânica) introduz tensões secundárias e alterações locais nas propriedades do material, sendo um recurso de último recurso. De acordo com o padrão de qualidade da Kelude Indústrias Pesadas, a taxa de aprovação da soldagem inicial da viga principal deve ser igual ou superior a 95%, ou seja, mais de 95% das vigas principais não necessitam de correção pós-soldagem. A chave para um bom controlo da distorção de soldagem é realizar o registo de qualificação do procedimento e o cálculo de contra-deformação antes da soldagem.
P: Como tratar a deformação ondulada da alma após a soldagem de uma viga caixão de grande vão?
R: A deformação ondulada da alma é o resultado da instabilidade da chapa fina causada pela retração transversal da soldagem, ocorrendo geralmente em zonas onde a espessura da alma é reduzida (6 a 8 mm) e o espaçamento dos reforços é grande (superior a 1,5 m). Ação preventiva: limitar o espaçamento dos reforços a um máximo de 1,2 a 1,5 m e garantir que a relação espessura/vão da alma seja igual ou superior a 1/200. Tratamento: aquecer as áreas convexas da onda com chama, espalhando o calor do vértice da onda para a periferia, com um diâmetro de aquecimento de 30 a 50 mm por ponto. Após a correção, o desvio de planicidade da alma deve ser igual ou inferior a 2 vezes a espessura da chapa.
P: Que cuidados devem ser tomados na soldagem durante o inverno?
R: Em trabalhos de inverno, quando a temperatura ambiente for inferior a 0 graus Celsius, as seguintes medidas devem ser tomadas: ① Pré-aquecimento antes da soldagem — mesmo para chapas com espessura inferior a 25 mm, pré-aquecer a 30-50 graus Celsius; ② Proteção contra o vento na área de soldagem — montar um quebra-vento, garantindo que a velocidade do vento seja inferior a 2 m/s; ③ Resfriamento lento pós-soldagem — cobrir a área do cordão de solda com manta térmica, com um tempo de resfriamento lento não inferior a 1 hora; ④ Gestão dos materiais de adição — os elétrodos devem ser secos e mantidos em estufa conforme as instruções do fabricante antes da utilização, e o fio de solda deve ser limpo de óleo e ferrugem. De acordo com a norma FEM 1.001, a soldagem de estruturas de aço é proibida a temperaturas inferiores a -10 graus Celsius.
