Controle de distorção de soldagem: Estratégias eficazes explicadas

As medidas para controlar ou reduzir a deformação residual da soldagem são divididas em medidas de projeto e medidas de processo.

1. Medidas de projeto

(1) Use uma estrutura de soldagem razoável

O uso de uma estrutura de soldagem razoável, com o uso inteligente de perfis ou estruturas de chapas prensadas e formadas, minimizando as soldas, não apenas reduz a carga de trabalho e a deformação da soldagem, mas, às vezes, também melhora a eficiência da produção e reduz os custos de produção. A Figura 9-53a mostra uma estrutura de rolamento reforçada com placa de nervura radial tradicional, e a Figura 9-53b mostra uma estrutura de rolamento reforçada com aço de canal.

(2) Selecionar formas apropriadas de juntas e ranhuras

A seleção de formas adequadas de juntas e ranhuras pode reduzir as soldas, a carga de trabalho de soldagem e a deformação da solda. Conforme mostrado nas Figuras 9-54 e 9-55, onde as Figuras 9-54b e 9-55 têm formas de ranhura e tamanhos de solda muito menores em comparação com as Figuras 9-54a e 9-55.

a) Sem ranhura
b) Com ranhura

(3) Use tamanhos e formatos de solda razoáveis

Sob a premissa de garantir capacidade de carga e qualidade de solda suficientes, tente usar o menor tamanho de solda possível em termos de espessura da chapa para reduzir a quantidade total de metal depositado, reduzindo assim a deformação da solda.

(4) Minimizar o número de soldas o máximo possível

Como mostrado na Figura 9-56a, tente usar aço moldado e estampados em vez de peças soldadas para reduzir o número de soldas.

(5) Organizar razoavelmente a posição das soldas

Desde que a estrutura permita, a posição das soldas deve ser a mais próxima possível do eixo neutro da seção do componente e simétrica em relação a esse eixo central para reduzir a deformação de flexão do componente, conforme mostrado na Figura 9-56b.

a) Reduzir o número de soldas para diminuir a deformação da solda
b) Organizar razoavelmente a posição das soldas

(6) Use o peso do próprio componente para controle

Em uma viga com um número significativamente maior de soldas na parte superior do que na parte inferior, a viga inteira se dobra para cima após a soldagem. Nesse tipo de estrutura, o próprio peso da viga pode ser usado para evitar a deformação por flexão. Antes de soldar, coloque a viga em dois suportes bem espaçados, soldando primeiro a parte inferior da viga. Devido à flexão causada pelo próprio peso da viga e à contração da solda, a flexão da viga aumenta, conforme mostrado na Figura 9-57.

Depois que a parte inferior da viga for soldada, coloque os suportes em ambas as extremidades, vire a viga e, em seguida, solde a parte superior da viga. Como os suportes são colocados em ambas as extremidades da viga, a deformação por flexão do peso próprio da viga é oposta à primeira. Além disso, a direção da deformação por contração da solda superior também é oposta à da solda inferior, resultando em uma deformação que endireita a viga ou a deixa com apenas uma leve curvatura.

Na produção real, use a deformação do peso próprio combinada com a deformação da solda para criar a curvatura da viga do guindaste.

(7) Reserva de posições para dispositivos de soldagem durante o projeto

Durante o processo de soldagem, os acessórios podem ser usados para reduzir a deformação.

2. Medidas de processo

O projeto correto e razoável é uma parte importante do controle da deformação, mas o projeto correto e razoável não pode controlar completamente a deformação residual. O método correto do processo é uma medida importante para controlar a deformação.

(1) Método de provisão para encolhimento

Ao cortar o material, aumente as dimensões de comprimento ou largura das peças um pouco mais do que as dimensões do projeto para compensar o encolhimento da solda. A quantidade de tolerância é determinada com base na fórmula apresentada anteriormente e combinada com a experiência de produção. O método de tolerância é usado principalmente para evitar a deformação por contração da solda.

Por exemplo: Para vigas de guindaste (vigas de caixa), a curvatura necessária após a soldagem é de 9/1000 a 1,4/1000. Ao cortar a chapa da alma, é necessário reservar a quantidade de encolhimento e deformação após a soldagem. Em geral, a curvatura durante o corte da placa da teia é de 15/1000 a 18/1000. Assim, o encolhimento e a deformação reservados podem compensar o encolhimento e a deformação após a soldagem. Em geral, ao cortar partes de componentes, adicione de 0,3 a 1 mm por metro, o que também se destina a compensar a contração após a soldagem.

(2) Método de contra deformação

Com base no padrão de deformação que ocorre na produção, crie artificialmente uma deformação na solda com antecedência que seja oposta em direção, mas igual em magnitude à deformação que ocorre após a soldagem, como um método para evitar a deformação residual. Esse método é muito eficaz, mas requer uma estimativa precisa da direção e do tamanho da deformação que pode ocorrer após a soldagem e sua aplicação flexível com base nas características estruturais da soldagem e nas condições de produção.

1) Anti-deformação sem força externa.

Quando ocorre deformação angular na soldagem de topo de chapas, a deformação residual da soldagem pode ser controlada, conforme mostrado na Figura 9-58a; quando a deformação transversal no final da soldagem por eletroescória é maior do que no início, a folga da junta pode ser ajustada para ser menor na parte inferior e maior na parte superior durante a instalação e o posicionamento, conforme mostrado na Figura 9-58b.

a) Soldagem de topo de placas
b) Soldagem vertical de topo por eletroescória
c) Pré-flexão plástica de flanges de vigas espaciais
d) Colapso antilocal da casca
e) Placa superior da viga da caixa do guindaste reservada para a tolerância de contração

f) Viga de caixa de guindaste pré-arqueada

Para a soldagem de juntas em T, se ocorrer deformação angular na placa plana após a soldagem, a placa pode ser pré-dobrada na direção oposta antes da soldagem, conforme mostrado na Figura 9-58c; para cascas de paredes finas soldadas por fora em um lado com um flange, se ocorrer deformação côncava interna, pode-se pré-dobrar a borda para fora antes da soldagem, conforme mostrado na Figura 9-58d.

Deixar uma margem de contração também é essencialmente uma contra-deformação. Por exemplo, no caso de uma viga de caixa de um guindaste de ponte, quando a placa de cobertura superior é soldada às placas de nervuras, conforme mostrado na Figura 9-58e, se cada solda de canto da placa de nervuras encolher 0,5 mm e houver 20 soldas de canto, uma margem de 10 mm deve ser reservada no comprimento da placa de cobertura superior durante a preparação do material e distribuída uniformemente entre as placas de nervuras.

Para superar a deformação de deflexão causada pelo pós-processamento dessa viga-caixão, uma curvatura pré-fabricada f, conforme mostrado na Figura 9-58f, é criada durante a fabricação da chapa da alma, que é maior do que a curvatura durante a aceitação do produto final.

A Figura 9-59 mostra o dispositivo de soldagem de contra-deformação e sua sequência de soldagem para o tambor de vapor da caldeira. Dois soldadores soldam uma fileira de assentos de tubos no mesmo tambor de vapor, seguindo a sequência de soldagem por saltos mostrada na Figura 9-59c. Depois de soldar duas fileiras de assentos de tubos em um tambor de vapor, o mesmo método é usado para soldar os assentos de tubos em outro tambor de vapor, alternando até que toda a soldagem seja concluída, o que evita significativamente a deformação após a soldagem.

a) Deformação do tambor de vapor após a soldagem sem o uso do método de contra-deformação.
b) Molde flip de solda de contra-deformação para o tambor de vapor.
c) Pule a sequência de soldagem para os assentos do tubo.

2) Contra-deformação sob força externa.

Use moldes ou acessórios de soldagem para soldar a peça de trabalho em condições de contra-deformação. Após a soldagem, solte o molde ou o acessório, e a peça de trabalho voltará a atender exatamente aos requisitos técnicos em termos de forma e tamanho.

A Figura 9-60 mostra o uso de acessórios simples para contra-deformar uma placa plana para superar a deformação angular causada pela soldagem de vigas em I; as Figuras 9-61a, b, c, d mostram componentes ocos que se curvarão após a soldagem devido à concentração de soldas na parte superior.

Como mostrado na Figura 9-61e, use o gabarito de torneamento para fazer dois componentes com a mesma seção transversal "costas com costas", prendendo as extremidades e levantando o meio, de modo que cada componente seja soldado em uma situação de dobra reversa. Esse gabarito de torneamento facilita a soldagem e também melhora a eficiência da produção.

a), b), c) Vigas ocas com uma solda longitudinal de um lado
d) Vigas ocas com uma solda transversal de um lado
e) Soldagem no dispositivo de torneamento de soldagem

Os dois problemas a seguir devem ser considerados ao usar o método de força externa antideformação.

① Questões de segurança. A força externa necessária deve ser suficientemente grande, portanto, o gabarito usado deve garantir resistência e rigidez. A peça de trabalho está em um estado elástico durante a antideformação e permanece elástica após a soldagem. Quando a braçadeira é liberada, a peça de trabalho inevitavelmente recuará, e é essencial evitar ferimentos causados por esse recuo.

② O método mais confiável para controlar a quantidade de antideformação é usar parâmetros de soldagem padrão para realizar uma solda de teste em um estado livre e medir a deformação residual. Essa deformação deve ser usada como base para a antideformação, combinada com o rebote da peça de trabalho, fazer os ajustes adequados para que a forma e o tamanho da peça de trabalho após o rebote correspondam exatamente aos requisitos técnicos da peça de trabalho.

3) Método de pré-estiramento para soldagem de chapas finas.

Esse é um exemplo de aplicação flexível do método de contra-deformação em estruturas soldadas de paredes finas para evitar a deformação ondulada pós-soldagem do painel traseiro. Uma estrutura feita de superfícies perfiladas é soldada na parte interna da placa plana de parede fina e, após a soldagem, o encolhimento da solda periférica faz com que a placa fina dentro da estrutura gere uma tensão compressiva que atinge ou excede sua tensão crítica de flambagem, resultando em deformação ondulada, conforme mostrado na Figura 9-62.

Se o pré-estiramento por meio de pré-estiramento mecânico, pré-estiramento aquecido ou uma combinação de ambos os métodos for aplicado em áreas com probabilidade de encurtamento e, em seguida, formalmente montado e soldado com a estrutura, e o calor do pré-estiramento for removido após a soldagem, a placa de parede fina poderá retornar ao seu estado inicial, reduzindo efetivamente a tensão residual e atingindo o objetivo de evitar a deformação ondulada da placa da parede.

A Tabela 9-12 mostra três esquemas de implementação: método de alongamento (método SS), método de aquecimento (método SH) e uma combinação de ambos (método SSH). O método de alongamento requer um dispositivo mecânico especialmente projetado; o método de aquecimento pode usar corrente através da placa de parede, contando com sua própria resistência para aquecer diretamente em vez de aquecimento indireto por aquecedores.

Tabela 9-12 Esquemas de implementação para controlar a deformação instável da soldagem de placas de paredes finas pelo método de pré-estiramento

Não.	Métodos	Diagrama esquemático
1	Método SS Método de alongamento
2	Método SH Método de aquecimento
3	Método SSH Método de alongamento + Método de aquecimento

(3) Método de fixação rígida

Ao usar métodos adequados para aumentar a rigidez e a restrição da solda, é possível atingir o objetivo de reduzir sua deformação, que é o método de fixação rígida. Os métodos comuns de fixação rígida incluem os seguintes:

1) Fixe a solda em uma plataforma rígida.

Ao soldar chapas finas, elas podem ser fixadas em uma plataforma rígida com soldas de posicionamento, e as soldas próximas à parte traseira podem ser pressionadas com um ferro de prensa, conforme mostrado na Figura 9-63. Depois que todas as soldas estiverem completamente soldadas e resfriadas, as soldas de posicionamento são removidas, o que pode evitar a deformação ondulada durante a soldagem de chapas finas.

2) Combinar as soldas em uma estrutura com maior rigidez ou simetria.

Ao soldar vigas em T, é fácil produzir deformação angular e deformação por flexão. A Figura 9-64 mostra duas vigas T combinadas, tornando a costura de solda simétrica ao eixo neutro da seção estrutural, o que aumenta muito a rigidez da estrutura, e usa o método de contra-deformação (calços são usados na Figura 9-64), adotando uma sequência de soldagem razoável, o que é benéfico para evitar a deformação por flexão e a deformação angular.

3) Use dispositivos de soldagem para aumentar a rigidez e a restrição da estrutura.

A Figura 9-65 mostra o uso de grampos para fixar a solda, aumentar a restrição do componente e evitar a deformação angular e a deformação por flexão do componente.

4) Use suportes temporários para aumentar a contenção da estrutura.

Na produção de uma única peça, o uso de acessórios especializados não é economicamente razoável. A soldagem de alguns suportes temporários ou tirantes em peças propensas à deformação pode aumentar a rigidez local e reduzir efetivamente a deformação da soldagem. A Figura 9-66 é um exemplo de aplicação do uso de suportes temporários em uma cobertura de proteção para aumentar a restrição.

1-Placa de base
2-Placa vertical
3-Placa de flange
4 - Suporte temporário

(4) Selecionar uma sequência razoável de montagem e soldagem

A sequência de montagem e soldagem tem um impacto significativo na deformação da estrutura soldada, portanto, uma sequência razoável de montagem e soldagem pode ser usada para controlar a deformação da soldagem. Para controlar e reduzir a deformação da soldagem, a seleção da sequência de montagem e soldagem deve seguir estes princípios:

1) A solda a ser soldada deve estar o mais próximo possível do eixo neutro da seção estrutural.

Conforme mostrado na Figura 9-67a, a estrutura da viga principal da ponte rolante exige uma certa curvatura para cima. Para atender a esse requisito, além de pré-fabricar a curvatura para cima das chapas de alma esquerda e direita, a melhor sequência de montagem e soldagem deve ser selecionada para minimizar a deformação de flexão para baixo.

2) Para estruturas com soldas dispostas assimetricamente, solde primeiro o lado com menos soldas durante a montagem e a soldagem.

Conforme mostrado na Figura 9-68, a seção superior da matriz da prensa tem mais soldas acima do eixo neutro do que abaixo dele. Se a sequência de montagem e soldagem não for razoável, ela acabará produzindo uma deformação de flexão para baixo.

A solução é primeiro soldar simetricamente as costuras 1 e 1' (consulte a Figura 9-68b), o que produzirá uma deformação de flexão de curvatura ascendente significativa f ₁ e aumentar a rigidez da estrutura; em seguida, soldar as costuras 2 e 2' na posição mostrada na Figura 9-68c, produzindo uma deformação de flexão para baixo f ₂ Finalmente, solde as costuras 3 e 3' na posição mostrada na Figura 9-68d, produzindo uma deformação de flexão para baixo f ₃ . Isso faz com que f ₁ aproximadamente igual a f ₂ e a soma de f ₃ e as direções são opostas, de modo que as deformações de flexão podem basicamente se cancelar.

3) Para estruturas com soldas dispostas simetricamente, um número par de soldadores deve soldar simetricamente.

Conforme mostrado na Figura 9-69, a solda de topo do corpo cilíndrico é melhor soldada simetricamente por dois soldadores.

4) Soldas longas (acima de 1 m) podem ser soldadas na direção e na sequência mostradas na Figura 9-70 para reduzir a deformação por contração pós-soldagem.

5) Para evitar distorção, as soldas adjacentes devem ser soldadas na direção e na sequência mostradas na Figura 9-71b.

a) Incorreto
b) Correto

(5) Escolha métodos e parâmetros de soldagem razoáveis

Diferentes métodos de soldagem têm diferentes aportes de calor, causando, assim, diferentes deformações. O uso de métodos de soldagem com energia mais concentrada pode reduzir a deformação da soldagem. Por exemplo, usar CO ₂ soldagem com proteção de gás ou soldagem a arco de plasma em vez de soldagem a gás e soldagem a arco de metal blindado para soldagem de chapas finas; use soldagem com feixe de elétrons a vácuo para produtos usinados de precisão, como engrenagens (consulte a Figura 9-72), para controlar sua deformação.

Diferentes parâmetros de soldagem são usados para diferentes partes da mesma estrutura. Isso pode atingir o objetivo de controlar e ajustar a deformação da solda. Conforme mostrado na Figura 9-73, a viga de seção assimétrica, porque a distância s das soldas 1 e 2 até o eixo neutro da seção da estrutura é maior do que a distância s' das soldas 3 e 4 até o eixo neutro, a deformação de flexão ocorre para baixo após a soldagem.

1 ~ 4-Solda de costura

Se a soldagem multicamadas for usada para as soldas 1 e 2, escolhendo um aporte térmico menor para cada camada, e a soldagem de camada única for usada para as soldas 3 e 4, escolhendo um aporte térmico maior, a deformação descendente produzida pela soldagem das soldas 1 e 2 pode basicamente compensar a deformação arqueada ascendente produzida pela soldagem das soldas 3 e 4, resultando em uma estrutura basicamente plana após a soldagem.

(6) Método de balanceamento térmico

Em algumas estruturas com soldas dispostas assimetricamente, a deformação por flexão geralmente ocorre após a soldagem. Se o aquecimento por chama de gás for usado em uma posição simétrica às soldas e sincronizado com a soldagem, desde que os parâmetros do processo de aquecimento sejam escolhidos adequadamente, ele poderá reduzir ou evitar a deformação por flexão do componente. Como mostrado na Figura 9-74, o método de balanceamento térmico é usado para controlar a deformação da solda de uma estrutura de caixa de viga lateral.

(7) Método de resfriamento

O método de resfriamento envolve o uso de várias maneiras de dissipar rapidamente o calor da área de soldagem, como o uso de resfriamento direto com água e blocos de resfriamento de cobre para limitar e reduzir a distribuição do campo de calor de soldagem, a fim de reduzir a deformação da soldagem. Observe que é preciso ter cuidado com materiais que tenham alta temperabilidade.

No processo de produção real de estruturas soldadas, várias deformações devem ser totalmente estimadas, os padrões de várias deformações devem ser analisados e um ou vários métodos devem ser selecionados com base nas condições do local para controlar efetivamente a deformação da soldagem.