Estudo sobre o processo de soldagem híbrida a laser-arco LASW e o desempenho de tubos de aço soldados longitudinalmente de grande diâmetro
Tubos de aço com costura reta, parede espessa e grande diâmetro O processo tradicional de soldadura por arco submerso apresenta geralmente desvantagens técnicas como elevado aporte térmico total, grandes deformações de soldadura, grãos grosseiros na microestrutura da junta soldada e baixa eficiência de conformação, dificultando o cumprimento dos requisitos de serviço de baixo stress, alta tenacidade e elevada precisão dimensional exigidos para componentes de tubagem em oleodutos/gasodutos de alto desempenho e equipamentos de engenharia marítima. A Hebei Haiqianwei Steel Pipe Co., Ltd., enquanto empresa líder nacional na fabricação de tubos de aço com costura reta por soldadura por arco submerso JCOE, baseou-se na sua linha de produção totalmente automatizada de conformação PID para realizar estudos de adaptação do processo de soldadura híbrida laser-arco (LASW), explorando soluções de soldadura com fontes de calor combinadas sobre a base do sistema existente de soldadura por arco submerso. Através do controlo de parâmetros críticos do processo, como potência do laser, corrente do arco, velocidade de soldadura e distância entre as fontes de calor laser/arco, foi realizada uma comparação sistemática das características de formação da junta soldada, microestrutura, propriedades mecânicas e distribuição de tensões residuais entre a soldadura por arco submerso tradicional e a soldadura híbrida laser-arco. Os resultados dos ensaios indicam que: LASW A ação acoplada de duas fontes de calor pode reduzir eficazmente a extensão da zona afetada pelo calor da soldadura, refinar os grãos metálicos da junta soldada e da zona de fusão, e diminuir significativamente a probabilidade de surgimento de defeitos de soldadura como porosidade, falta de fusão e inclusões de escória; as juntas soldadas por soldadura híbrida apresentam resistência à tração, tenacidade ao impacto a baixa temperatura e desempenho à flexão superiores aos das juntas soldadas por arco submerso tradicional, além de maior penetração por passe, permitindo reduzir o número de passes de soldadura e encurtar os processos de fabrico. Este processo de soldadura consegue melhorar significativamente a qualidade da formação da soldadura em tubos de aço com costura reta, parede espessa e grande diâmetro, controlar as tensões residuais de soldadura e a deformação estrutural, adaptando-se à produção precisa em escala da atual linha JCOE da Haiqianwei, possuindo elevado valor de aplicação de engenharia e promoção tecnológica.
Palavras-chave: Tubos de aço com costura reta; Conformação JCOE; LASW; Soldadura híbrida laser-arco; Microestrutura; Propriedades mecânicas; Hebei Haiqianwei
1. Introdução
Os tubos de aço com costura reta de grande diâmetro são componentes essenciais de pressão em redes de transporte de fluidos sob pressão a longa distância, estruturas de aço de plataformas marítimas e grandes obras de infraestruturas hidráulicas. As propriedades da microestrutura, a precisão dimensional e a estabilidade estrutural das juntas soldadas destes componentes determinam diretamente a segurança de serviço e a vida útil da obra como um todo. A Hebei Haiqianwei Steel Pipe Co., Ltd., localizada na base industrial de equipamentos de tubagem de Yanshan, Hebei, possui várias linhas de produção de tubos de aço com costura reta por soldadura por arco submerso com conformação JCOE, podendo produzir de forma estável tubos de linha com diâmetro exterior entre 406,4–1422,4 mm e espessura de parede até 50 mm. Os produtos cobrem áreas como transporte de petróleo e gás, tubagens de novas energias e grandes estruturas de aço, cumprindo normas nacionais e internacionais como API 5L e GB/T 9711, sendo um dos principais fornecedores nacionais de tubos de aço com costura reta de alto desempenho. O atual sistema de produção da empresa baseia-se principalmente na soldadura por arco submerso dupla face com múltiplos passes, sendo um processo maduro e fiável, mas ainda apresenta limitações intrínsecas na produção de tubos de parede espessa e aço de alta resistência.
A soldadura por arco submerso tradicional tem um longo tempo de aporte térmico contínuo e uma ampla área de atuação térmica, levando facilmente ao acumulo de calor durante a soldadura multicapa de chapas espessas, causando problemas como deformação global do tubo, excedência da tolerância de ovalização e concentração de tensões residuais; o processo de sobreposição de passes de soldadura multicapa tende a gerar defeitos ocultos como inclusões intercamadas e falta de fusão localizada, enquanto o aquecimento repetitivo da soldadura provoca crescimento anormal dos grãos na microestrutura da junta, resultando em degradação da tenacidade a baixa temperatura da junta, impossibilitando a adaptação a condições operacionais complexas e severas como alta pressão, baixa temperatura e forte corrosão. Além disso, os processos de soldadura multicapa e multipasse são繁琐 (tediosos) e têm longos ciclos de fabrico, restringindo a melhoria da eficiência de produção da manufatura inteligente de tubos de aço de alto desempenho. Face à contínua atualização dos requisitos de qualidade dos tubos para novos projetos de tubagens de transporte de petróleo, gás e hidrogénio no mercado interno, a Haiqianwei tem prosseguido a exploração de novos processos de soldadura, tentando introduzir a tecnologia de soldadura híbrida laser-arco para transformar o seu atual sistema de soldadura.
A soldadura híbrida laser-arco (Laser-Arc Hybrid Welding, LASW) é uma nova tecnologia de soldadura híbrida que realiza o acoplamento espacial entre uma fonte de calor laser de alta densidade energética e uma fonte de calor de arco pulsado, permitindo a complementaridade das performances das duas fontes de calor. A fonte de calor laser possui energia concentrada e forte capacidade de penetração, permitindo a formação rápida com grande profundidade de fusão; a fonte de calor de arco possui um volume de poça de fusão maior e alta tolerância a folgas de montagem, compensando as deficiências da soldadura a laser única quanto aos rigorosos requisitos de precisão de montagem e baixa tolerância ao erro do processo. A ação sinérgica das duas fontes de calor permite otimizar eficazmente o campo de aporte térmico da soldadura, melhorar o estado de fluxo da poça de fusão e suprimir a geração de defeitos de soldadura.
Nesta fase, a tecnologia LASW já encontrou aplicações preliminares em estruturas de aço de chapas médias e grossas, recipientes sob pressão e soldadura de máquinas de construção, porém os estudos sistemáticos sobre a compatibilidade do conjunto de processos, as leis de evolução da microestrutura e as propriedades mecânicas para tubos de aço com costura reta de grande diâmetro e parede espessa conformados por JCOE ainda não estão suficientemente desenvolvidos, faltando dados experimentais que integrem as condições operacionais das linhas de produção em massa de tubos de aço. Realizar ensaios de soldadura LASW baseados nas condições de produção da linha de conformação JCOE da Haiqianwei, investigar os mecanismos de influência dos parâmetros do processo na formação da junta, microestrutura e propriedades mecânicas, e estabelecer um sistema de processo de soldadura de alta qualidade adequado para tubos de aço com costura reta de grande diâmetro, pode fornecer suporte teórico e referências técnicas para a atualização dos processos de soldadura de tubos de alto desempenho e a otimização da qualidade da empresa.
2. Materiais e Equipamentos de Ensaio
2.1 Materiais Base de Ensaio
Para os ensaios foram utilizadas chapas de aço estrutural de baixa liga e alta resistência Q345B, comummente usadas em engenharia, com espessura entre 12–28 mm, correspondendo às especificações principais de tubos de aço com costura reta de grande diâmetro da linha JCOE da Haiqianwei. Este aço possui excelente plasticidade, tenacidade e aptidão para soldadura, sendo amplamente utilizado em tubagens de pressão e componentes de carga de grandes estruturas de aço. A composição química e as propriedades mecânicas básicas do material cumprem os requisitos da norma nacional GB/T 1591-2018. Todos os provetes de ensaio foram processados seguindo o processo padrão industrial de conformação por dobra JCOE da Haiqianwei, mantendo consistência com a linha de produção nos procedimentos de fresagem das bordas, pré-dobra e fechamento da junta, uniformizando a geometria do chanfro e a folga de montagem, replicando completamente as condições reais de produção para garantir a autenticidade dos dados experimentais e a aplicabilidade de engenharia.
2.2 Equipamentos de Ensaio
Os ensaios utilizaram um sistema integrado de soldadura híbrida laser-arco, equipado com módulos de ajuste preciso do feixe e sistemas de controlo de arco pulsado, permitindo o acoplamento espacial preciso entre as fontes de calor laser e arco. Os parâmetros centrais como potência do laser, velocidade de soldadura, corrente do arco, desfoque e distância laser-arco podem ser controlados programaticamente com precisão, sendo acompanhados por mecanismos de deslocamento automático para garantir a estabilidade e consistência do processo de soldadura. Todo o dispositivo de soldadura pode ser adaptado e conectado às estações atuais de fechamento da junta da linha de conformação JCOE da Haiqianwei, facilitando a avaliação futura da integração e transformação da linha de produção.
As inspeções de desempenho pós-soldadura utilizaram microscópio metalográfico, máquina universal de ensaios de materiais controlada por computador, máquina de ensaios de impacto a baixa temperatura e medidor de tensões residuais, entre outros equipamentos de deteção de precisão, permitindo completar a observação da morfologia macroscópica da junta, caracterização da microestrutura, testes de propriedades mecânicas e análise quantitativa das tensões residuais, caracterizando integralmente o desempenho global da junta soldada. A inspeção não destrutiva utilizou equipamento de ultrassom com matriz de fases consistente com a linha de produção da Haiqianwei, mantendo a uniformidade com o atual sistema de controlo de qualidade da empresa.
2.3 Plano de Ensaios
Para esclarecer as vantagens de desempenho do processo LASW em comparação com a soldadura tradicional, foi definida a soldadura por arco submerso tradicional como grupo de controlo e a soldadura híbrida laser-arco como grupo experimental. Os provetes de ambos os grupos mantiveram idênticos o material, espessura, estrutura do chanfro, temperatura ambiente de soldadura e parâmetros do gás de proteção, utilizando o grupo de controlo os parâmetros do processo de soldadura por arco submerso atualmente em produção pela Haiqianwei.
Foi adotado o método de ensaio ortogonal para otimizar os parâmetros centrais do processo LASW, tendo como indicadores de avaliação a qualidade da formação da junta, taxa de defeitos e propriedades mecânicas, para selecionar a melhor combinação de parâmetros do processo. Após a soldadura, todos os provetes foram submetidos a inspeção visual de qualidade, inspeção não destrutiva por ultrassom com matriz de fases, seguidos da preparação de provetes metalográficos e de propriedades mecânicas, completando a observação da microestrutura, ensaios de tração, ensaios de impacto a baixa temperatura, ensaios de flexão e medição de tensões residuais, comparando e analisando as vantagens e desvantagens dos dois processos de soldadura e a viabilidade da sua implementação na linha de produção da Haiqianwei.
3. Mecanismo do Processo de Soldadura Híbrida LASW
A característica técnica central da soldadura LASW é a sinergia e aumento de eficácia do acoplamento de duas fontes de calor, atuando simultaneamente e reforçando-se mutuamente na mesma zona de soldadura, ultrapassando completamente os limites de desempenho de um único processo de soldadura. Durante a soldadura, o feixe de laser frontal atua rapidamente na zona da junta do material base, onde o feixe de alta densidade energética funde e perfura rapidamente a base metálica, formando um pequeno furo de penetração profunda estável induzido pelo laser, permitindo a formação rápida com grande profundidade de fusão; simultaneamente, o plasma metálico excitado pelo feixe de laser estabiliza o estado de combustão do arco, suprimindo problemas como deriva do arco, interrupção do arco e instabilidade de combustão, aumentando significativamente a estabilidade do processo da fonte de calor de arco.
A grande poça de fusão formada pela fonte de calor de arco posterior pode acomodar eficazmente pequenas folgas de montagem das chapas, compensando a fraca adaptabilidade a folgas da soldadura a laser, enquanto a poça de fusão em movimento preenche e agita suficientemente a zona de penetração profunda do laser, homogeneizando a composição do metal da junta e otimizando a morfologia de formação da soldadura. Em comparação com o modo de aporte térmico de grande área e longo tempo da soldadura por arco submerso tradicional, a soldadura LASW possui aporte térmico concentrado, curto tempo de atuação térmica e forte controlabilidade do calor, com gradiente térmico razoável na zona de soldadura, podendo suprimir eficazmente a geração de microestrutura de grãos grosseiros, reduzindo problemas de deformação e tensões residuais causados pelo acumulo de calor da soldadura, alcançando desde o mecanismo do processo efeitos de soldadura com baixo aporte térmico, formação com grande penetração e juntas de alta qualidade. Esta característica resolve precisamente o problema de excedência da ovalização do corpo do tubo causado pelo acumulo de calor na produção de tubos de parede espessa da Haiqianwei.
4. Resultados e Análise dos Ensaios
4.1 Análise da Formação Macroscópica da Junta e Defeitos
Os resultados da morfologia macroscópica e da inspeção não destrutiva por ultrassom com matriz de fases mostram que a largura da junta soldada por arco submerso tradicional é excessiva, os limites da zona afetada pelo calor são difusos, a consistência de formação nas junções dos passes multicamada é pobre, o reforço da soldadura é irregular, exigindo extenso polimento e retoque após a soldadura. Devido ao acumulo de calor da soldadura multicamada e à má fluidez da poça de fusão, tendem a surgir internamente na junta defeitos como pequenas inclusões de escória, falta de fusão intercamadas e porosidade pontual, com alta taxa aleatória de ocorrência de defeitos e menor estabilidade da qualidade da junta.
A superfície da junta soldada por LASW é plana e lisa, com formação uniforme e simétrica, quantidade mínima de respingos de soldadura, forte controlabilidade do reforço da soldadura, não necessitando de extenso processamento posterior. Sob a ação acoplada das duas fontes de calor, o efeito de agitação da poça de fusão aumenta significativamente, a libertação de gases durante a soldadura é completa e a fusão metálica é mais densa. Os resultados da inspeção não destrutiva mostram que as juntas soldadas híbridas não apresentam fissuras internas, porosidade extensa ou inclusões de escória, com taxa de defeitos de soldadura muito inferior à do processo de soldadura por arco submerso tradicional, melhorando significativamente a qualidade e consistência da formação da junta, o que favorece a redução da taxa de retrabalho dos tubos de aço acabados da Haiqianwei.
4.2 Características da Evolução da Microestrutura da Junta Soldada
Os resultados da observação da microestrutura metalográfica mostram que a largura da zona afetada pelo calor nas juntas soldadas por arco submerso tradicional é grande, o tempo de exposição a altas temperaturas de soldadura é prolongado, ocorrendo coarsening evidente dos grãos do metal base, sendo a microestrutura da junta composta principalmente por ferrite grosseira e perlite lamelar, com grande variação no tamanho dos grãos e baixa homogeneidade da microestrutura. A estrutura de grãos grosseiros reduz drasticamente a tenacidade a baixa temperatura e o desempenho à fadiga da junta soldada, tornando-se uma zona frágil de desempenho para o serviço de longo prazo dos componentes de tubagem.
O processo de soldagem compósito LASW tem entrada de calor precisa e controlável, e a taxa de resfriamento da soldagem é razoável, inibindo eficazmente o fenómeno de crescimento anormal dos grãos. A estrutura da solda e da zona de fusão é uniforme e densa, os grãos de ferrite são finos e uniformes, a perlita está distribuída de forma regular, sem a formação de estruturas frágeis e grossas. A estrutura de grãos refinada pode obstruir eficazmente a iniciação e propagação de fissuras, otimizar as propriedades mecânicas dos contornos dos grãos e melhorar a resistência, tenacidade e estabilidade estrutural globais das juntas soldadas a nível microscópico, adaptando-se melhor às necessidades da Hai Qianwei para produtos de tubulação em condições de trabalho em regiões frias e ambientes marinhos.
4.3 Análise das propriedades mecânicas das juntas soldadas
4.3.1 Propriedades de tracção
Os resultados dos testes de tracção à temperatura ambiente mostram que a resistência à tracção das juntas soldadas com ambos os processos satisfaz a norma de design dos tubos. A resistência à tracção das juntas soldadas com arco submerso tradicional flutua significativamente, e algumas amostras rompem na zona da solda; a resistência à tracção das juntas soldadas com LASW é globalmente mais elevada e a dispersão dos dados é menor, com todas as amostras rompidas na zona do metal base, o que indica que a resistência da solda do processo compósito é superior à do metal base, a compatibilidade da resistência das juntas é excelente, sem zonas de fraqueza de resistência, e o desempenho de resistência à pressão é mais fiável.
4.3.2 Tenacidade ao impacto a baixas temperaturas
Os dados dos testes de impacto a baixas temperaturas (-20℃) mostram que a energia de impacto das juntas soldadas com LASW é significativamente superior à das juntas soldadas com arco submerso tradicional. Os problemas de grãos grossos e fragilização da estrutura causados pelo processo de soldagem tradicional resultam numa redução significativa da capacidade de resistência ao impacto a baixas temperaturas da solda; o processo LASW refina os grãos e otimiza a estrutura da solda, melhorando eficazmente as características de fragilização a baixas temperaturas da solda, permitindo que a junta mantenha uma excelente reserva de tenacidade mesmo em condições de trabalho a baixas temperaturas, o que suporta a expansão da Hai Qianwei no mercado de fornecimento de tubulações em regiões frias.
4.3.3 Propriedades de flexão
Durante os testes de flexão direta e inversa, após a flexão da junta soldada com LASW ao ângulo especificado, não existem defeitos como fissuras, descamação ou rachaduras na solda, na zona de fusão e na zona afetada pelo calor, e a capacidade de deformação plástica da junta é excelente, provando que a fusão interna da solda é densa, sem defeitos internos, e a plasticidade estrutural e a adaptabilidade à deformação satisfazem os requisitos de utilização em engenharia. Alguns espécimes de soldagem tradicionais apresentaram pequenas fissuras durante o processo de flexão, com estabilidade plástica inferior à das juntas soldadas com LASW.
4.4 Análise da deformação da soldagem e das tensões residuais
Durante o processo de formação da soldagem de tubos de aço de grande diâmetro e parede espessa, a deformação e as tensões residuais causadas pela desigualdade de calor são problemas fundamentais que afetam a precisão dimensional e a vida útil dos tubos. Os dados de teste mostram que a soldagem com arco submerso tradicional acumula uma grande quantidade de calor, resultando numa maior deformação de ovalidade e deformação radial após a soldagem do tubo, e existem tensões residuais de tração elevadas na zona da solda, que podem facilmente causar riscos como corrosão por tensão e propagação de fissuras em fases posteriores, sendo também indicadores que necessitam de controlo prioritário na produção de tubos de parede espessa da Hai Qianwei.
A entrada de calor total do processo de soldagem compósito LASW é baixa e a zona afetada pelo calor é estreita, o calor da soldagem concentra-se na zona da junta, melhorando significativamente a uniformidade de aquecimento do tubo global, reduzindo significativamente a deformação do tubo após a soldagem e proporcionando uma maior precisão dimensional. Ao mesmo tempo, os valores das tensões residuais das juntas soldadas compósitas são mais baixos e a distribuição das tensões é mais uniforme, evitando eficazmente o risco de falha estrutural causado pela concentração de tensões e melhorando a estabilidade de serviço a longo prazo dos componentes da tubulação.
4.5 Análise da eficiência de produção do processo
Os tubos de aço de grande diâmetro e parede espessa tradicionais necessitam de processos de soldagem multicamadas e multipasses, com múltiplas etapas de soldagem, longos ciclos de processamento, grande volume de trabalho de intervenção humana e pós-tratamento, limitando a eficiência de produção. O processo LASW, graças à vantagem técnica de uma única passagem com penetração profunda, pode reduzir significativamente o número de passes de soldagem de chapas espessas, simplificar as etapas de processamento e aumentar significativamente a velocidade de soldagem. Ao mesmo tempo, este processo tem uma baixa taxa de defeitos de soldagem, pouca necessidade de reparação e etapas de pós-tratamento simples, após a transformação e aplicação na linha de produção JCOE existente da Hai Qianwei, pode aumentar eficazmente a capacidade global da linha de produção, reduzir os custos de produção integrados como consumíveis, mão de obra e consumo de energia do equipamento, possuindo um excelente valor de promoção industrial.
V. Conclusões
Através da realização de estudos experimentais e caracterizações de desempenho do processo de soldagem compósito laser-arco LASW em tubos de aço de grande diâmetro e costas retas, com base nas condições da linha de formação JCOE da Hai Qianwei em Hebei, combinados com análises comparativas multidimensionais de formação macroscópica, estrutura microscópica, propriedades mecânicas e tensões estruturais, podem ser retiradas as seguintes conclusões:
1. A acoplamento de duas fontes de calor laser-arco pode realizar a complementaridade de processos, otimizando eficazmente o estado de fluxo do banho de soldagem em tubos de aço de grande diâmetro e parede espessa, reduzindo defeitos de soldagem típicos como poros, inclusões e fusão incompleta, a formação da solda é uniforme e plana, e a qualidade de formação global e a consistência das juntas soldadas são significativamente superiores ao processo tradicional de soldagem com arco submerso, ajudando a reduzir a taxa de reparação por inspeção de produtos acabados da Hai Qianwei.
2. A característica de entrada de calor baixa e controlável de forma precisa do LASW pode inibir eficazmente o comportamento de granulação da soldagem, refinar a estrutura microscópica da solda e da zona afetada pelo calor, otimizar a uniformidade da estrutura e melhorar fundamentalmente as propriedades mecânicas das juntas soldadas, com a resistência, tenacidade a baixas temperaturas e plasticidade das juntas sendo eficazmente melhoradas, adaptando-se aos requisitos de índices de desempenho dos produtos de tubulação de alta gama da empresa.
3. O processo de soldagem compósito pode reduzir significativamente os problemas de deformação térmica da soldagem e concentração de tensões residuais em tubos de aço, melhorar a precisão de processamento dimensional dos tubos, evitar riscos de segurança como corrosão por tensão e propagação de fissuras durante o serviço a longo prazo, podendo ser utilizado na fabricação de produtos de tubulação de alta pressão, baixas temperaturas e engenharia marinha da Hai Qianwei.
4. O processo de soldagem LASW é simples, tem alta eficiência de formação e baixa taxa de reparação, possuindo potencial de integração e transformação com base na linha de produção automatizada JCOE existente da Hai Qianwei, melhorando a eficiência de produção industrial enquanto garante a qualidade da soldagem, reduzindo os custos de produção, podendo ser utilizado como um processo alternativo para a produção inteligente e de alta gama de tubos de aço de grande diâmetro e costas retas, possuindo uma ampla perspectiva de aplicação em engenharia.
Estudos futuros podem focar-se na otimização da adaptação dos parâmetros do processo LASW para tubos de aço de parede espessa ultra-alta e tubos de aço com grau elevado como o X80, concluir a depuração da ligação entre a interface do equipamento e a linha de produção, estabelecer uma base de dados de parâmetros de processo de soldagem normalizada compatível com o sistema de controlo de qualidade existente da Hai Qianwei, promovendo ainda mais a aplicação em larga escala e normalizada da tecnologia de soldagem compósito laser no domínio da fabricação de tubulações.
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