Análisis de las tensiones y deformaciones de soldadura en puentes de estructura de acero

Sin embargo, las altas temperaturas generadas durante la soldadura y el impacto ambiental en las velocidades de enfriamiento generan inevitablemente tensión y deformación. La tensión de soldadura se refiere a la tensión interna causada por la expansión y contracción térmica en la soldadura y su zona circundante afectada por el calor. La deformación por soldadura se produce cuando diversos factores durante la soldadura no cumplen plenamente con los estándares de producción, lo que se manifiesta en desviaciones de la apariencia del componente estructural diseñado. Durante la fabricación e instalación de componentes de puentes de acero a gran escala, estos problemas pueden afectar gravemente la precisión dimensional y la estabilidad estructural de los componentes, lo que conlleva diversas consecuencias negativas, como la reducción de la rentabilidad.

En los últimos años, con la adopción generalizada de la tecnología de soldadura para uniones complejas y con formas especiales en la producción de componentes de puentes, el control científico de la tensión y la deformación durante la soldadura, así como la mejora eficaz de los procesos de soldadura y las medidas de tratamiento posterior, se han convertido en áreas clave de exploración en la industria de fabricación de estructuras de acero. Afortunadamente, Xintiandi Steel Structure se ha embarcado en una trayectoria de mejora de la calidad de la soldadura, comenzando con la producción de vigas cajón de acero para el proyecto del Puente de Intercambio Dongfeng en la Autopista Zhongjiang en Guangdong. Hemos utilizado constantemente procesos de soldadura mejorados en la fabricación de puentes como el Puente Shunxing y el Puente del Río Hutong en Foshan, mejorando significativamente la calidad de la soldadura y la durabilidad estructural.

Normas y requisitos de control de calidad de la soldadura

Normas de control de tensiones y deformaciones en la producción de soldadura:

El control de tensiones y deformaciones es un requisito de calidad fundamental en la producción de estructuras de puentes de acero mediante soldadura. En las "Especificaciones para la Fabricación e Instalación de Puentes de Estructuras de Acero para Carreteras" (JTG/T 3651-2022), el apartado 7.2.5 estipula: La temperatura de precalentamiento antes de la soldadura debe determinarse mediante una prueba de calificación del procedimiento de soldadura; el rango de precalentamiento debe ser 1,5 veces el espesor de la placa a ambos lados de la soldadura y no inferior a 100 mm, y la temperatura debe medirse a una distancia de 30 a 50 mm de la soldadura. El artículo 3 del apartado 7.2.7 estipula que las soldaduras por puntos deben estar libres de defectos como grietas, inclusiones de escoria y protuberancias, y que los cráteres de arco deben rellenarse. En el caso de soldaduras por puntos agrietadas, se debe identificar la causa antes de retirar la soldadura agrietada y se deben realizar soldaduras por puntos adicionales, garantizando las dimensiones correctas del componente. El Artículo 1 de la norma 7.2.12 estipula que, una vez finalizada la soldadura, las placas guía, las placas de prueba del producto o las placas de proceso situadas en ambos extremos de la soldadura deben eliminarse mediante corte con gas, y los cortes deben alisarse. El corte y el alisado no deben dañar el material base. El Artículo 5 estipula que los defectos de soldadura deben eliminarse mediante ranurado con arco de carbono u otros métodos mecánicos. La longitud de la grieta eliminada debe extenderse 50 mm desde el extremo de la grieta. Al eliminar los defectos, se debe cepillar una ranura que permita la soldadura de reparación y rectificar la capa de óxido de la superficie de la ranura con una muela abrasiva para revelar el brillo metálico.

Por lo tanto, después de la soldadura, los componentes de acero deben someterse a una inspección de apariencia, una inspección de dimensiones geométricas y las pruebas de tensión residual y deformación necesarias.

• Inspección de apariencia: No deben presentarse defectos de soldadura comunes como socavones, grietas, poros, protuberancias de soldadura, salpicaduras y falta de fusión.
• Precisión dimensional: El valor de deformación del componente debe controlarse dentro del rango de desviación permitido por el diseño, incluyendo principalmente la deformación de la placa, la distorsión de la viga y la desviación del ángulo de soldadura.
• Estabilidad estructural: Para nodos y áreas de soldadura propensas a una alta concentración de tensión, el nivel de tensión residual debe controlarse mediante análisis estructural.
• Rendimiento frente a la fatiga: para los componentes soldados que se ven significativamente afectados por cargas alternas, se deben evaluar los efectos de la concentración de tensión y la tensión residual en la vida útil por fatiga, y se debe utilizar la verificación del grado de fatiga.

Análisis de las causas de la tensión y deformación de la soldadura.

La esencia de la tensión y la deformación de la soldadura se deriva de los efectos combinados de la deformación plástica causados por la entrada desigual de calor y los efectos de restricción estructural. Las principales causas son las siguientes:

Calentamiento desigual durante la soldadura

La soldadura es un proceso de calentamiento y presurización. Sin embargo, debido a las condiciones de producción, la distribución de la temperatura entre los componentes de acero durante la soldadura es extremadamente desigual. Los componentes sin restricciones presentan una deformación libre durante el calentamiento y el enfriamiento, lo que resulta en la ausencia de tensiones internas durante el proceso de calentamiento. Además, tras el enfriamiento, la deformación y las tensiones residuales desaparecen de forma natural. De igual manera, los componentes con restricciones también experimentan tensiones internas y deformación durante el calentamiento. Los componentes con restricciones presentan una deformación no libre, lo que resulta en deformación tanto interna como externa.

Cuando los componentes pueden contraerse completamente después de la soldadura, se produce cierto porcentaje de deformación sin generar tensiones residuales. Además, cuando los componentes están sujetos por ciertos dispositivos, no se produce deformación, pero sí se generan tensiones residuales significativas. Cuando los componentes se enfrían y contraen insuficientemente durante la soldadura, se generan tanto deformación como tensiones residuales. Por lo tanto, resumiendo las diversas situaciones descritas anteriormente, cuando el proceso de soldadura de un componente de acero es desigual y el calor aportado supera el límite elástico del material metálico, se producirá cierta deformación plástica por soldadura. Una vez que el componente se enfría, inevitablemente se producirán deformación por soldadura y tensiones residuales.

Generalmente, durante el proceso de fabricación de componentes de acero, la deformación del componente puede diferir de la deformación después de la soldadura. Esto se debe a que durante la soldadura, la deformación plástica de la soldadura ocurre cerca de la soldadura, y durante el enfriamiento, el área de deformación de la soldadura se contrae hasta cierto punto. Si esta contracción posterior a la soldadura está bien controlada, la deformación de la soldadura del componente de acero aumentará, mientras que la tensión residual de la soldadura disminuirá. Por el contrario, si la contracción posterior a la soldadura es insuficiente, la deformación de la soldadura del componente de acero disminuirá y la tensión residual posterior a la soldadura aumentará. En resumen, durante el proceso de fabricación, la tensión generada por la soldadura en el componente de acero es irregular y desigual. Después de la soldadura, se generará una tensión residual en el área cercana a la soldadura. Esta tensión generalmente se conoce como tensión residual de tracción posterior a la soldadura.

Contracción del metal de soldadura de los componentes y cambios organizativos

Con el enfriamiento natural del metal en la soldadura del elemento de acero, es decir, al transformarse gradualmente de líquido a sólido, el volumen de la soldadura se contrae naturalmente, lo que eventualmente causa la deformación de todo el elemento. Al mismo tiempo, habrá cierta tensión residual en la soldadura. En el proceso de soldadura, la formación de la soldadura sigue un orden secuencial; la soldadura de los trabajadores está limitada por el equipo y los factores ambientales pueden no ser capaces de mantener la soldadura completamente continua. En este caso, la primera soldadura afectará y cambiará la soldadura después de la formación de cierto grado, lo que resulta en la contracción general de la soldadura, que generalmente causa la deformación de la soldadura y la formación de tensiones residuales.

Además, cuando cambia la organización interna del material del componente, también se producen deformaciones y tensiones de soldadura. El volumen del metal en la zona de soldadura cambia durante el proceso de fusión a solidificación y, lo que es más importante, su estructura organizativa cambia de austenita a perlita o bainita. El proceso de transición de fase se acompaña de una contracción reticular, lo que resulta en la formación de microdeformaciones que se superponen a las tensiones térmicas para formar las tensiones residuales totales. Si en el futuro se producen avances en la investigación, la industria obtendrá materiales metálicos a escala nanométrica, como el refuerzo de grano fino y otras técnicas, para ayudar a los componentes a alcanzar un avance en sus propiedades mecánicas integrales.

Rigidez del elemento y grado de cambio de restricción

Durante el proceso de fabricación, la rigidez de la estructura del elemento de acero cambia debido a la deformación posterior a la soldadura, y las tensiones residuales tienen un gran impacto. Cuando la rigidez del componente de acero aumenta, la deformación tras la soldadura es relativamente pequeña; cuando la rigidez del componente de acero es insuficiente, la deformación es relativamente alta y la tensión residual es muy baja.

Por otro lado, el grado de restricción del elemento de acero también tendrá ciertos efectos en él. Cuando el grado de restricción es alto, la deformación del elemento tras la soldadura es muy pequeña y la tensión generada por la soldadura es muy alta. Cuando la restricción es baja, la deformación del componente tras la soldadura es relativamente evidente, pero la tensión residual del componente tras la soldadura es muy pequeña.

En el proceso de producción real, cuando la rigidez de las diferentes partes del elemento de acero presenta una diferencia significativa, la expansión y la contracción térmicas resultan difíciles de coordinar. En este caso, el extremo de las restricciones no se mueve, y el extremo libre de la contracción forma un sistema de fuerzas internas de autoequilibrio en el elemento. Sin embargo, si el soporte fijo se fija de forma inadecuada o la secuencia de elevación es incorrecta, se reforzará artificialmente la restricción en una dirección determinada, lo que eventualmente provocará una deformación asimétrica con consecuencias adversas.

Secuencia y dirección de soldadura incorrectas

Posibles efectos de la tensión y la deformación de la soldadura

Los componentes de acero se ven afectados por la transferencia de calor durante el proceso de soldadura. Cuando la temperatura no es uniforme, el tiempo de calentamiento o enfriamiento local es irregular, lo que provoca deformación en los componentes de acero. La expansión térmica desigual de los elementos de acero y el enfriamiento desigual pueden provocar deformación de la barra, lo que en la comunidad académica se conoce como tensiones residuales de soldadura. La posición de solape en múltiples pasadas de soldadura, debido a la inconsistencia entre las pasadas y el tiempo de enfriamiento, provoca una transición densa y un calor muy elevado en algunas zonas, lo que resulta en deformación.

Efecto de las tensiones residuales de soldadura sobre la resistencia estructural de elementos de acero

Durante el proceso de fabricación, las estructuras soldadas no experimentan concentraciones de tensiones transitorias. En estos casos, el metal del componente posee cierta capacidad de deformación plástica, y la tensión de soldadura generalmente no afecta la resistencia a la carga estática del componente. Cuando el metal del componente es frágil, la tensión de tracción interna y la tensión de tracción externa resultantes pueden combinarse para aumentar la tensión. Cuando la tensión alcanza cierto nivel, existe la posibilidad de un fallo estructural, pudiendo el componente fracturarse en cualquier momento. Cuando el componente se utiliza a una temperatura inferior a la temperatura crítica de fragilidad del material durante la soldadura, la combinación de tensiones de tracción e internas puede reducir la resistencia a la carga estática del componente.

A continuación, se presentan algunas de las causas y efectos de la deformación por soldadura:

• Distorsión angular: La contracción desigual debida a gradientes de temperatura a ambos lados de la soldadura puede causar fácilmente distorsión angular en las bridas, almas y uniones. Por ejemplo, si la soldadura por ambos lados no se realiza de forma uniforme y simétrica, la contracción lateral durante la soldadura puede causar deformaciones en la placa, lo que afecta gravemente el ensamblaje del componente.
• Deformación y distorsión ondulatoria: Los paneles de vigas cajón y los elementos de cercha son susceptibles a fluctuaciones ondulatorias debido a los efectos repetidos de expansión y contracción de las altas temperaturas y el enfriamiento. Si los componentes se sujetan de forma desigual durante el proceso de soldadura, también puede producirse una distorsión general, especialmente en secciones de cajón largas o componentes de placa plana de gran tamaño.
• Desviaciones de instalación y desalineación del metal: Los efectos acumulativos de la deformación por soldadura pueden tener consecuencias adversas, como la desalineación de los orificios, la falla de las cartelas y las diferencias de altura entre los segmentos de la viga. Más importante aún, estos problemas retrasan significativamente la instalación, lo que obliga a los operarios a corregir el problema con urgencia y agrava el daño por tensión en los componentes.
• Agrietamiento estructural o daño en la soldadura: La tensión residual de la soldadura se acumula en la zona afectada por el calor. Al combinarse con las cargas de tráfico, esto puede inducir fácilmente la propagación de microfisuras o fracturas localizadas. Esta situación se agrava cuando el material se encuentra a temperaturas frágiles, lo que afecta significativamente la estabilidad estructural y acorta la vida útil por fatiga.

Efecto de la tensión residual de soldadura en la precisión dimensional de elementos de acero mecanizados

Durante el proceso de fabricación, la soldadura genera tensiones internas en los componentes de acero. La eliminación de metal de un componente puede alterar su equilibrio de tensiones original. Estas tensiones internas se redistribuyen gradualmente y forman un nuevo equilibrio. Durante este proceso, si el componente no está sujeto a restricciones, se deformará hasta cierto punto, lo que afectará negativamente la precisión del mecanizado. Por lo tanto, para garantizar la precisión dimensional, los componentes soldados deben someterse a un proceso de alivio de tensiones antes del mecanizado.

Efecto de las tensiones residuales de soldadura sobre la estabilidad de los elementos de acero

Durante el proceso de fabricación, las tensiones internas inducidas por componentes externos, combinadas con tensiones de compresión, pueden afectar significativamente la estabilidad de los componentes de acero. Este impacto está directamente relacionado con las tensiones internas y las propiedades de la sección transversal del componente. Las secciones transversales efectivas alejadas del eje neutro del componente pueden mejorar su estabilidad. Para garantizar que los componentes de acero optimicen sus propiedades materiales, los gerentes deben tomar las medidas necesarias para prevenir y controlar la deformación por soldadura y las tensiones residuales durante el proceso de fabricación. Además, se requieren medidas específicas para eliminar las tensiones residuales de soldadura en componentes de acero críticos después de la soldadura.

Conclusión

Las tensiones y deformaciones residuales de la soldadura son problemas técnicos fundamentales que no se pueden evitar en la fabricación de estructuras de acero para puentes. Su presencia no solo afecta la precisión del ensamblaje de los componentes y la seguridad estructural, sino que también puede reducir la vida útil de los puentes. Resolver el problema de la deformación y las tensiones de la soldadura es extremadamente difícil, pero la estandarización e inteligencia del proceso de producción puede minimizar su impacto negativo.

Mediante el diseño científico y la gestión de proyectos en XTD Steel Structure, optimizando la estructura de los componentes, las trayectorias del proceso de soldadura, controlando el aporte de calor, seleccionando los métodos de soldadura adecuados y combinando un tratamiento térmico posterior a la soldadura o un tratamiento mecánico eficaz, se puede lograr un control eficaz de las tensiones y deformaciones de la soldadura.