Durante muito tempo, o princípio tradicional de projeto para estruturas soldadas baseou-se principalmente no projeto de resistência.
Em estruturas soldadas reais, existem três tipos de relações de correspondência entre a solda e o material de base em termos de resistência: a resistência da solda é igual à resistência do material de base (correspondência de resistência igual), a resistência da solda excede a resistência do material de base (correspondência de resistência superior, também conhecida como correspondência de alta resistência) e a resistência da solda é menor que a resistência do material de base (correspondência de baixa resistência).
Do ponto de vista da segurança estrutural e da confiabilidade, geralmente é necessário que a resistência da solda seja pelo menos igual à resistência do material de base, o que é conhecido como princípio de projeto de “resistência igual”.
No entanto, na produção real, os materiais de soldagem são frequentemente selecionados com base na resistência do metal depositado, que não é equivalente à resistência real da solda.
O metal depositado não é equivalente ao metal de solda, especialmente quando materiais de soldagem são usados para aços de baixa liga e alta resistência, onde a resistência do metal de solda é muitas vezes muito maior que a do metal depositado.
Como resultado, pode haver uma “força igual” nominal, mas um resultado real de “força superior”.
Não há consenso sobre se a combinação de força superior é sempre segura e confiável, e há algumas dúvidas.
No projeto da ponte sobre o rio Jiujiang Yangtze, na China, o “valor de resistência superior” da solda é limitado a não mais que 98 MPa. O estudioso americano Pelini propôs que, para atingir metas conservadoras de integridade estrutural, soldas com resistência equivalente ou inferior ao material de base em 137MPa (ou seja, correspondência de baixa resistência) podem ser usadas. De acordo com os resultados da pesquisa do estudioso japonês Sato Kunihiko e outros, a combinação de baixa resistência também é viável e tem sido aplicada na engenharia.
No entanto, o estudioso belga Soete e o estudioso chinês Zhang Yufeng defendem a opinião de que a combinação de força superior deve ser vantajosa.
Claramente, ainda falta uma base teórica e prática suficiente para os princípios de projeto relacionados com a correspondência da resistência da soldadura que afetam a segurança e a fiabilidade das estruturas soldadas, e não existe um entendimento unificado.
A fim de determinar princípios de projeto mais razoáveis para juntas soldadas e fornecer uma base para a seleção correta de materiais de soldagem, o professor Chen Bolin e outros da Universidade de Tsinghua empreenderam o projeto de pesquisa da Fundação Nacional de Ciências Naturais “Pesquisa Teórica sobre Correspondência de Tenacidade de Solda de Aço de Alta Resistência .
O conteúdo de pesquisa do projeto inclui a resistência à fratura de juntas de aço de alta resistência com relação de resistência ao escoamento de grau 490MPa, a resistência à fratura de juntas de aço de alta resistência com relação de resistência ao escoamento de grau 690 ~ 780MPa, a resistência à tração de juntas não soldadas, a deformação comportamento do topo de corpos de prova com entalhes profundos e ensaios END em juntas soldadas.
Um grande número de resultados experimentais mostrou que:
Para aços de alta resistência e baixo rendimento com resistência à tração de 490MPa, é vantajoso usar materiais de soldagem com certa tenacidade e resistência superior apropriada.
Se considerarmos fatores como processabilidade de soldagem e adaptabilidade de uso, é mais razoável selecionar materiais de soldagem com uma certa tenacidade e “resistência igual” real.
A resistência à fratura e o comportamento das juntas soldadas deste tipo de aço dependem do efeito combinado da resistência e ductilidade do material de soldagem.
Portanto, o projeto da estrutura de soldagem baseado apenas em considerações de resistência, sem levar em conta a tenacidade, não pode garantir de forma confiável sua segurança de uso.
Para aço de alta resistência com uma relação de limite de escoamento de 690 ~ 780 MPa, o desempenho de fratura de suas juntas soldadas não está apenas relacionado à resistência, tenacidade e plasticidade da solda, mas também limitado pela heterogeneidade da junta soldada.
A resistência excessiva ou baixa da solda não é ideal, enquanto as juntas que têm uma correspondência de resistência próxima da mesma têm o melhor desempenho de fratura. Portanto, projetar juntas soldadas de acordo com o princípio real de resistência igual é razoável. Assim, deve haver limites superiores e inferiores para a resistência da solda.
O coeficiente de correspondência de resistência (Sr) é a razão entre a resistência à tração do metal depositado do material de soldagem e a resistência à tração do material de base e pode refletir a heterogeneidade do desempenho mecânico da junta.
Resultados experimentais mostram que quando Sr≧0,9, a resistência da junta soldada pode ser considerada próxima da resistência do material de base. Portanto, na prática de produção, o uso de materiais de soldagem que reduzem a resistência em 10% em comparação com o material de base pode garantir que a junta atenda aos requisitos de projeto de resistência igual.
Quando Sr≧0,86, a resistência da junta pode atingir mais de 95% da resistência do material de base. Isto ocorre porque a maior resistência do material de base restringe o metal de solda, melhorando assim a resistência da solda.
A relação de limite de escoamento do material de base tem uma influência importante no comportamento à fratura das juntas soldadas. J.
As juntas com taxas de limite de escoamento mais baixas do material de base têm melhor resistência à fratura frágil do que as juntas com taxas de limite de escoamento mais altas do material de base. Isto indica que a reserva de plasticidade do material base também tem um impacto significativo na resistência à fratura frágil da junta.
O comportamento de deformação do metal de solda é influenciado pela correspondência das propriedades mecânicas entre a solda e o material de base.
Sob a mesma tensão de tração, a deformação da solda da junta de resistência superior do aço com baixa relação de limite de escoamento é maior, enquanto a deformação da solda da junta de baixa resistência do aço com alta relação de limite de escoamento é menor. O deslocamento de abertura da trinca (valor COD) da junta soldada também mostra a mesma tendência, indicando que a junta de resistência superior do aço com baixa relação de limite de escoamento tem a vantagem de fácil escoamento na ponta da trinca e maior deformação na ponta da trinca.
A resistência à fratura frágil de juntas soldadas está intimamente relacionada à heterogeneidade do desempenho mecânico da junta. Não é apenas determinado pela resistência da solda, mas também limitado pela tenacidade e plasticidade da solda. A seleção dos materiais de soldagem não deve apenas garantir que a solda tenha resistência adequada, mas também garantir que a solda tenha tenacidade e plasticidade suficientes. Ou seja, a correspondência entre resistência e tenacidade da solda deve ser bem controlada.
Para aço de alta resistência, conseguir uma correspondência de resistência igual entre o metal de solda e o material de base apresenta dificuldades técnicas significativas. Mesmo que a resistência da solda atinja a mesma resistência, a plasticidade e a tenacidade da solda podem ser reduzidas a um nível inaceitável, e a resistência à fissuração também pode diminuir significativamente. Para evitar rachaduras na soldagem, as condições de construção devem ser extremamente rigorosas e o custo de construção aumentará bastante.
Para evitar sacrificar o desempenho global da estrutura buscando apenas a resistência e melhorar a fiabilidade económica na construção, é necessário reduzir a resistência e adoptar um esquema de correspondência de baixa resistência.
Por exemplo, o aço submarino NS110 do Japão tem um limite de escoamento maior ou igual a 1098MPa, e o limite de escoamento do metal depositado da haste de soldagem correspondente e do fio de soldagem com proteção de gás deve ser maior ou igual a 940MPa, com um rendimento coeficiente de correspondência de força de 0,85.
Depois de usar materiais de soldagem correspondentes de baixa resistência, o teor de carbono e o equivalente de carbono da solda podem ser reduzidos, o que melhorará a tenacidade e a resistência à trinca da solda, tornando a construção da soldagem mais conveniente e reduzindo os custos de construção.
Além disso, alguns dados de teste do estudioso japonês Kunihiko Sato mostram que, desde que a resistência do metal de solda não seja inferior a 80% da resistência do material de base, a junta ainda pode ter garantia de resistência igual à do material de base.
No entanto, o alongamento global da junta com soldaduras de baixa resistência será ligeiramente inferior. Sob carga de fadiga, se o excesso de altura da solda não for removido, ocorrerão trincas de fadiga na zona de fusão. No entanto, se o excesso de altura da solda for removido, ocorrerão trincas por fadiga na solda de baixa resistência.
Portanto, ao utilizar soldas de baixa resistência, é necessário realizar alguns trabalhos experimentais baseados em condições específicas.
