Como soldar aço fundido?

Como processo principal para conectar e reparar peças de aço fundido, a soldagem de aço fundido tem uma complexidade técnica devido às características organizacionais únicas e aos defeitos de fundição dos materiais de aço fundido. As peças de aço fundido muitas vezes enfrentam desafios técnicos, como rachaduras induzidas por hidrogênio, fragilização da zona afetada pelo calor e concentração de tensão residual durante a soldagem devido ao alto equivalente de carbono, segregação de elementos de liga e estrutura de grãos grossos. Com base nas características técnicas de cinco processos de soldagem convencionais, este artigo discute sistematicamente a adaptabilidade do processo e o caminho de otimização da qualidade da soldagem de aço fundido em combinação com o controle do ciclo térmico, regulação do comportamento metalúrgico e análise da dinâmica da poça fundida. O estudo fornece base teórica e orientação prática para a seleção de processos de soldagem de aço fundido por meio da otimização de acoplamento de parâmetros, análise de mecanismo de operação e verificação de casos de engenharia.

1. Comparação de características técnicas e análise de adaptabilidade de processos de soldagem
A seleção de processos de soldagem de aço fundido requer consideração abrangente da composição do material, características geométricas estruturais e cargas de serviço. Com sua flexibilidade de processo e simplicidade de equipamento, soldagem a arco metalúrgico (SMAW) tem uma vantagem em reparos de fundição e operações no local. O núcleo da tecnologia é regular a reação metalúrgica através do revestimento do eletrodo. Depois de assar, eletrodos de baixo hidrogênio (como E5015) pode efetivamente reduzir o teor de hidrogênio difusível da solda, e a resistência à fissuração é melhorada em mais de 40% comparado com eletrodos ácidos. No entanto, a flutuação da entrada de calor causada pela operação manual é fácil de causar defeitos como falta de fusão e inclusão de escória, e as especificações de operação de arco curto (comprimento do arco ≤ diâmetro do eletrodo) e o processo de limpeza intercalar deve ser rigorosamente seguido.

Soldagem com proteção de gás (GMAW/MIG) alcança entrada de calor precisa através do controle de corrente de pulso. Sua eficiência de deposição (10-15kg/hora) é significativamente maior do que o da soldagem a arco com eletrodo, e é adequado para soldagem plana e soldagem em lote de chapas médias e grossas. Proteção contra gás inerte (como Ar puro) pode isolar a oxidação do ar. Com o ajuste da frequência de pulso (50-200Hz) e ciclo de trabalho (40-60%), a pureza e a densidade da solda são significativamente melhoradas. No entanto, sua resistência ao vento é fraca (medidas auxiliares são necessárias quando a velocidade do vento é >2EM), o que limita sua aplicação em operações externas.

Soldagem com gás inerte de tungstênio (GTAW/TIG) usa eletrodos de tungstênio que não derretem e proteção de argônio para obter soldagem com baixo aporte de calor. A largura da zona afetada pelo calor pode ser controlada dentro de 1 mm, que é particularmente adequado para soldagem de aço fundido de alta liga e chapas finas. Sua estabilidade de arco e qualidade de formação de solda são melhores que outros processos, mas a taxa de deposição é baixa (1-3kg/hora) e a perda do eletrodo de tungstênio aumenta os custos a longo prazo. É mais adequado para cenários de soldagem de precisão, como juntas de topo de chapas finas de aço fundido ou soldagem de raiz.

Soldagem por arco submerso (SERRA) tornou-se o processo preferido para soldas longas e retas de peças fundidas espessas devido à sua alta eficiência de deposição (20-50kg/hora). A composição do fluxo tem um efeito significativo nas reações metalúrgicas. A combinação de fluxo sinterizado (como SJ101) e o fio de soldagem H08MnA é adequado para aço fundido de baixo carbono, enquanto funde o fluxo (como HJ431) melhora a resistência à fissuração, aumentando o efeito de dessulfurização. No entanto, seu equipamento é volumoso e limitado a posições de soldagem plana, e a precisão do processamento da ranhura e a temperatura intercalar (≤300℃) deve ser rigorosamente controlado.

Soldagem com proteção de gás com núcleo de fluxo (FCAW) combina transição de fluxo e proteção de gás e possui modos de autoproteção e proteção de gás. Fio de soldagem autoprotegido (como E71T-1) é adequado para soldagem em todas as posições e tem forte resistência ao vento (suporta velocidade do vento de 5m/s), que é ideal para construção ao ar livre e reparo de estruturas complexas. Sua tenacidade de solda é melhor que SMAW, mas os respingos são mais extensos, e a formação da solda é áspera. A estabilidade do processo precisa ser melhorada através da otimização de parâmetros (como um comprimento de extensão de 15-25mm).

2.Análise multidimensional da estratégia de otimização de processos
A otimização da qualidade da soldagem de aço fundido requer avanços coordenados em três aspectos: controle de ciclo térmico, regulação do comportamento da poça fundida e supressão de deformação. O núcleo do controle do ciclo térmico é reduzir o risco de conteúdo de hidrogênio difusível e fragilização da ZTA. Através de pré-aquecimento passo a passo (150-300℃) combinado com pós-aquecimento (200-350℃×2-4h), a taxa de fissuração pode ser reduzida em mais de 60%. Controle de temperatura entre camadas (≤400℃) combinado com monitoramento em tempo real de medição de temperatura infravermelha pode efetivamente evitar o engrossamento de grãos. Experimentos mostram que para cada aumento de 50°C na temperatura de pré-aquecimento, a resistência à fissuração da solda aumenta em 15%-20%.

O controle do comportamento da poça fundida melhora a fluidez da poça fundida otimizando os parâmetros de pulso (freqüência 50 200, ciclo de trabalho 40-60%). Ele controla a geometria da poça de fusão com tecnologia de giro da pistola de soldagem (tal como um “ziguezague” forma). Os resultados da simulação mostram que aumentar a frequência do pulso em 100 Hz pode reduzir a largura da poça fundida em 15%, aumentar a profundidade de penetração em 8%, e melhorar significativamente a densidade da solda. Para soldagem multicamadas, recomenda-se que a espessura da camada única seja ≤4 mm. O método do martelo é usado para eliminar a tensão residual, o que pode reduzir a sensibilidade à fissuração em cerca de 30%.

O controle da deformação precisa ser combinado com a otimização da sequência de soldagem e restrições de fixação. A sequência de soldagem simétrica e a soldagem segmentada podem reduzir a deformação 40%, e predefinindo a deformação reversa (tirando 50-80% da deformação) pode melhorar ainda mais a precisão. A simulação de elementos finitos mostra que acessórios rígidos podem reduzir a deformação angular em mais de 50%. Para estruturas complexas, monitoramento de deformação em tempo real e estratégias de ajuste de parâmetros dinâmicos são recomendados.

3.Aplicação de engenharia e direção de desenvolvimento futuro
Fazendo o reparo de trincas em uma grande engrenagem de aço fundido (material ZG34CrNiMo) como exemplo, soldagem MIG pulsada (Fio de soldagem E71T-GS, φ1,2mm, atual 160A, tensão 20V) foi usado, combinado com pré-aquecimento de 200 ℃ e método de soldagem por salto segmentado, a resistência à tração da solda atingiu 720MPa, resistência ao escoamento 580MPa, -40℃ energia de impacto 85J, atendendo plenamente aos requisitos de serviço. Este caso verifica o efeito sinérgico dos parâmetros do processo e especificações operacionais.

No futuro, a tecnologia de soldagem de aço fundido se desenvolverá na direção da inteligência e precisão. Tecnologia de soldagem digital (como soldagem robótica) combinado com reconhecimento visual e algoritmos de big data pode realizar a otimização on-line dos parâmetros de soldagem e avisos de defeitos. Ao mesmo tempo, o desenvolvimento de novos materiais de soldagem (como fio de soldagem com núcleo de metal) e gás de proteção composto (como Ar+He mistura gás) melhorará ainda mais o desempenho da soldagem e a eficiência do processo. Através da cooperação da indústria, academia e pesquisa para promover a inovação tecnológica, espera-se que a soldagem de aço fundido alcance uma gama mais ampla de avanços em aplicações no campo da fabricação de equipamentos de alta qualidade.