Novo método reduz até 40% a espessura das chapas de aço em estruturas soldadas

Investigadora do Fraunhofer IWM realiza ensaios de flexão em provetes com soldaduras, no âmbito do projeto ORka3D, para avaliar a resistência à fadiga e identificar os pontos de formação de fissuras. Créditos: Fraunhofer IWM. Fotografia: Kai-Uwe Wudtke.

As estruturas de aço são frequentemente dimensionadas com margens de segurança que não refletem a qualidade efetiva das soldaduras. Isto acontece porque os critérios utilizados para avaliar a sua resistência à fadiga são genéricos e não têm em conta as características específicas de cada união. O resultado pode ser a utilização de chapas mais espessas e de maiores quantidades de aço do que aquelas que seriam necessárias.

É este desperdício de material que o projeto de investigação ORka3D pretende reduzir. Liderada pelo Instituto Fraunhofer (IWM), na Alemanha, e financiada pelo Ministério Federal Alemão da Economia e da Energia (BMWE), a iniciativa desenvolveu um método que combina digitalização tridimensional (3D) e inteligência artificial para avaliar individualmente cada soldadura.

A resistência à fadiga é particularmente importante neste contexto, uma vez que as estruturas metálicas estão frequentemente sujeitas a cargas repetidas. Ao longo do tempo, estas solicitações podem provocar fissuras nas uniões soldadas e comprometer a integridade dos componentes.

O ponto mais vulnerável encontra-se frequentemente na zona de transição entre o cordão de soldadura e o material de base, designada por pé do cordão. A geometria desta área influencia a concentração de tensões e, consequentemente, o risco de formação de fissuras. No entanto, varia de uma soldadura para outra, dependendo do processo utilizado, da orientação da tocha e da execução do trabalho.

Como estas diferenças não são devidamente consideradas pelos critérios genéricos de avaliação, mesmo as soldaduras com características mais favoráveis acabam por ser dimensionadas segundo parâmetros conservadores. O método desenvolvido pelo ORka3D procura ultrapassar esta limitação, utilizando as características efetivamente medidas em cada união para estimar a sua resistência.

O processo começa com a digitalização 3D da superfície do cordão de soldadura, através de um scanner com uma resolução espacial de até cinco micrómetros. A partir da geometria recolhida, um algoritmo identifica automaticamente os principais parâmetros, em particular o raio de concordância na zona do pé do cordão.

Uma rede neuronal artificial analisa depois estes dados para calcular o fator de concentração de tensões e estimar a vida à fadiga do componente. Em vez de atribuir à soldadura uma classe de resistência predefinida, o sistema produz uma avaliação baseada nas suas características geométricas reais.

A metodologia foi validada em cerca de 400 provetes de ensaio e em estruturas reais, incluindo uniões de tubos e lanças de gruas. Os resultados permitiram passar da classe FAT 90 para valores até FAT 140. Esta evolução pode possibilitar a redução da espessura das chapas até 40% e diminuir para metade o tempo de soldadura, mantendo a segurança estrutural.

A energia eólica offshore é um dos setores em que a redução do consumo de aço pode ter maior expressão. Segundo o projeto, numa turbina eólica offshore de 10 MW, cuja torre pesa aproximadamente 600 toneladas, a avaliação otimizada das soldaduras poderá permitir poupar cerca de 180 toneladas de aço.

A tecnologia poderá também ser aplicada na construção de pontes, no fabrico de gruas e em equipamentos de construção. Os parceiros do projeto estão a trabalhar na integração dos resultados nos referenciais normativos, através da participação em comités técnicos especializados. O objetivo é complementar os critérios atualmente utilizados com avaliações individualizadas, baseadas em dados de medição.