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  • Foto do escritorPaulo Lobato

Trilhos ferroviários: Solda aluminotérmica

Atualizado: 1 de abr. de 2023


Introdução


Hoje, vamos discutir sobre soldagem aluminotérmica. Iremos abordar desde o simples conceito até o passo a passo e controle de qualidade da solda. Ela está presente tanto na contrução quanto na manutenção de vias férreas e é realizada em campo. Para entender mais sobre o assunto veja nossos posts anteriores sobre trilhos.



Conceitos


A soldagem aluminotérmica é realizada em campo, diferente das soldagens TIG e MIG. Podemos defini-la como a fusão de uma liga (porção de solda) por reação exotérmica (liberação de calor). Em suma, a soldagem aluminotérmica pode ser descrita pelo seguinte esquema:

A reação ocorre dentro de um cadinho e o material fundido preenche o vazio e os trilhos se unem em uma única peça.


É perceptível que o objetivo principal da soldagem é a união de trilhos e esta junção pode estar associada à montagem de trilhos longos contínuos, à eliminação de talas metálicas e à reparação de fraturas de trilho.


Materiais consumíveis


No Brasil, há dois excelentes fornecedores de material para solda, a Thermit e a Pandrol. Cada fabricante possui sua especificidade no procedimento de soldagem, sendo assim, o soldador deve ser treinado para cada fornecedor.


Porção de solda

Componentes químicos: Fe2O3 + 2Al + (Mn, Si, Cr)

A porcentagem de Mn, Si e cobre é determinada para cada tipo de trilho e processo. Sendo assim, há porções adequadas para cada perfil, resistência mecânica do trilho e processo de soldagem (sowos, skv).


Acendedor ou ignitor

O acendedor é um fósforo que entra em combustão com a temperatura de 130 °C à 150 °C, por isso, é necessário um maçarico para ascende-lo. Uma vez que o ignitor foi aceso ele atinge de 800 °C até 1300 °C, a qual é a temperatura adequada para iniciar a reação exotérmica da porção.


Fôrma

A fôrma contém o material fundido da porção de solda, garantindo que esse material preencha o espeço necessário para junção dos trilhos sem vazar.


Pasta/areia de vedação

A areia auxilia para que o material fundido não vaze, cobrindo as lacunas entre a fôrma e o trilho.


Cadinho

Os cadinhos podem ser de 3 tipos: longa vida, o qual dura vária utilizações e precisam ser limpos para serem reutilizados; descartáveis e; degradáveis – estes últimos duram apenas uma única utilização.

Dessa maneira, é válido destacar que todo material deve ser guardado e protegido da umidade.


Condições para soldagem


Condições dos trilhos

  • Os trilhos a serem soldados não devem apresentar defeitos superficiais na região de soldagem como: deformações, trincas, empenos e furos abertos com maçarico.

  • Recomenda-se que os trilhos a serem soldados não contenham furação. Existindo a furação, esta deve ser emassada com massa de vedação e deve se situar no mínimo a 4cm de distância da face (extremidade) do trilho.

  • Os topos a serem unidos pela solda devem corresponder-se, permitindo os alinhamentos horizontal e vertical pela linha de bitola entre os trilhos, observadas as dimensões especificadas da ABNT NBR 7590



Condições das juntas

  • Os trilhos e/ou barras devem estar alinhados e com correspondência entre os topos de forma a garantir uma folga entre os trilhos especificada pelo fornecedor da porção de solda de acordo com o processo de soldagem a ser utilizado.

  • As pontas defeituosas, como esmagamentos, fissurações da furação ou outros defeitos, devem ser eliminados por corte.

  • As rebarbas devem ser esmerilhadas em uma extensão de 15 cm, de modo a permitir colocação do molde.

  • Eventuais elementos externos ao perfil do trilho, como solda de cabo de bondeamento, devem ser igualmente esmerilhados ou retirados.

  • O corte do trilho deve ser a frio, com serra ou disco de corte (policorte).

  • O fornecedor da porção de solda deve especificar os procedimentos para a soldagem aluminotérmica de trilhos contendo furos para talas.

  • Quando houver necessidade pode ser autorizado o corte a maçarico, efetuado por soldador, desde que as faces dos trilhos sejam posteriormente cortadas com serra ou disco de corte (policorte), de modo a eliminar possíveis ranhuras e imperfeições causadas pelo maçarico.

  • Após o corte dos trilhos deve-se ter cuidado de limpar as extremidades dos seus perfis, com escova de aço, de modo a eliminar as partículas de óxido, rebarbas e impurezas.

  • Devem ser liberados no mínimo três dormentes para cada lado da junta.

  • Os materiais sensíveis ao calor necessário à soldagem devem ser removidos das fixações (palmilhas, ombreiras plásticas, etc.). Se necessário, cortar a ponta do trilho para ajuste da folga.


  • A junta deve ser alinhada com a régua calibrada de 1m, usando cunhas de nivelamento e considerando a contra flecha. Essa contra flecha é necessária para compensar o esfriamento tardio do boleto com o consequente abaixamento da junta.

  • Verifique se há torção entre os trilhos e corrija-a com cunhas de nivelamento ou com reguladores de bitola.

  • No alinhamento lateral use cunhas ou reguladores de bitola.

  • O molde deve ser montado de forma centralizada com a junta.

  • Após a colocação do molde, os topos dos trilhos devem ser preaquecidos conforme especificado pelo fornecedor da porção de solda.


Condições atmosféricas

  • A solda de fechamento deve ser realizada na temperatura neutra ou utilizando tensor hidráulico para esticar o trilho. Você pode utilizar o termômetro da BRFERROVIA para saber a temperatura do trilho


  • Cálculo da Temperatura Neutra (TN) e da Faixa de Temperatura Neutra (FTN):



Condições do material

Antes de ir a campo, deve-se conferir os materiais, garantindo no mínimo as seguintes condições:

  • A porção de solda deve estar em embalagem estanque (ou seja, sem nenhum furo/dano), sem umidade ou contaminação. O rótulo da embalagem deve conter no mínimo as seguintes informações: perfil do trilho, processo de soldagem e dureza.

  • Devem ser aplicadas as porções de solda adequadas aos perfis de trilho diferentes a serem soldados; utilizar a porção específica para o trilho de maior perfil. De forma que a porção de solda utilizada produza um aço com dureza levemente superior à do aço do trilho soldado, para evitar um desgaste prematuro no local da solda, devendo alcançar os valores especificados abaixo:

Obs. Antes do processo de realização de impressões de dureza é necessário fazer um esmerilhamento de 0,5 mm na superfície de rolamento.

  • Os fósforos pirotécnicos devem ser armazenados e transportados separadamente das porções de solda, para evitar um acendimento indevido.

  • A fôrma deve ser pré-fabricada com uma mistura de areia de quartzo, óxido de ferro e silicato de sódio. O rótulo da embalagem deve conter no mínimo as seguintes informações: perfil do trilho e processo de soldagem.

  • O fornecedor da porção de solda deve providenciar um manual do processo, identificando todos os materiais de consumo e equipamentos utilizados, bem como o processo a ser seguido em todas as etapas de soldagem. O manual deve especificar os parâmetros críticos do processo de soldagem e seus limites seguros, bem como:

    • Características visuais;

    • Movimentação e estocagem;

    • Acondicionamento;

    • Propriedades químicas;

    • Propriedades físicas;

    • Orientações para descarte de resíduos, embalagens e material rejeitado



Procedimento de soldagem

Segurança


Já vimos em outras postagens o quanto a segurança é prezada em vários processos de manutenção de via permanente. Com a soldagem não seria diferente. Abaixo seguem alguns EPI’s específicos para esse processo:

  • Botina de segurança;

  • Calça em brim;

  • Avental de raspa, ou de kourion;

  • Óculos de segurança;

  • Camisa em brim de manga.

  • Para movimentação de materiais pesados robustos e quentes, recomenda-se o uso de luva de raspa de couro cano longo;

  • Para movimentação de materiais leves, recomenda-se o uso de luva de vaqueta com dorso em raspa;

  • Para a realização da solda, recomenda-se o uso de luva de grafatex com Kevlar;

  • Para esmerilhar, protetor facial simples com lente incolor;

  • É facultativa a utilização de capacete de segurança com protetor facial.

Também precisamos ter alguns cuidados como:


  • Verificar se não há vazamentos no equipamento de oxicorte e pré-aquecimento;

  • Antes de acender o maçarico, abrir primeiro a válvula de oxigênio, em seguida a de propano;

  • Para apagar o maçarico fechar primeiro a válvula de propano e depois a de oxigênio;

  • No caso de retrocesso da chama, caracterizado pelo assobio típico, fechar rapidamente a válvula de oxigênio e depois a de propano;

  • Durante o esmerilhamento, usar óculos de proteção e perneiras;

  • Não utilizar máquinas de esmerilhar sem protetor para o rebolo;

Passo-Passo:


1º Fixação da prensa universal

2º Ajuste da altura do maçarico

3º Montagem das formas

4º Posicionamento do cadinho


Obs. Recomendações sobre o cadinho longa vida

- A norma de soldagem aluminotérmica diz que o cadinho longa vida, antes de conter a porção de solda, deve ser limpo e seco a uma temperatura de cerca de 100°C, com o uso do maçarico de pré-aquecimento.

- A Thermit do Brasil, recomenda em seu manual do soldador, que:

- Deve-se remover a escória do cadinho longa vida, com a ajuda do extrator, somente quando a capacidade do cadinho ficar reduzida (cerca de 15 soldas).

- O limite da vida de um cadinho longa vida é reconhecido pelo avermelhamento em forma de um anel em volta da capa exterior (nem sempre visível à luz do dia).

5º Regulagem da chama do maçarico

6º Pré-aquecimento do trilho com maçarico

7º Ignição da porção

8º Retirada do cadinho

9º Retirada das presilhas

10º Rebarbamento

11º Esmerilhamento da junta soldada

A solda deve ser esmerilhada a partir do alto do boleto em direção aos seus lados para se obter um rolamento suave das rodas dos veículos ferroviários.

Durante a fase de esmerilhamento deve ser observado o seguinte:

  • O esmerilhamento deve ser controlado continuamente com régua de aço de 1 m de comprimento;

  • As tolerâncias após o esmerilhamento são +0,6 mm e – 0,2 mm na superfície de rolamento e + 0,3 mm na lateral do boleto. Caso a tolerância seja ultrapassada, pode-se deixa-lo desde que se suavize o defeito em uma extensão equivalente a 500 vezes o valor excedido.

12º Acabamento

  • Ao final da soldagem, deve ser realizada uma limpeza do local ao redor da solda e a remoção de restos da fôrma, escória, partículas e aparas de aço existentes;

  • A área embaixo do patim do trilho deve ficar livre de impurezas;

  • Como operação final, o local da solda deve ser protegido contra intempéries;

  • É necessário a inspeção final observando o posicionamento, o distanciamento e o calçamento dos dormentes, que eventualmente podem necessitar de intervenção da manutenção dos padrões e uma socaria final antes da liberação da via soldada.

13º Conferência final

  • Na conferência final, deve-se verificar o seguinte:

    • A integridade interna da solda através de, ultrassom e líquido penetrante, buscando identificar defeitos internos como: poros e inclusões de pasta de vedação ou escória.

  • A geometria da solda, ou seja, o alinhamento no topo e na face do boleto com régua retificada.

  • E a presença de defeitos externos como: falta de aço na superfície de rolamento, fissuras na solda e o incrustamento de escória.

Defeitos em soldas

  • A solda deve ser isenta de:

    • Falhas de continuidade na superfície de rolamento;

    • Defeitos;

    • Deformações no cordão de solda.

  • É proibido efetuar o enchimento de vazios ou outros defeitos da soldagem.

  • A solda defeituosa e/ou rejeitada deve ser imediatamente substituída.

  • A nova solda deve ser executada a uma distância mínima definida pela operadora. (Ou pode-se realizar a solda larga, eliminando totalmente a solda defeituosa.)

  • Quando não for possível puxar a barra, deve ser introduzido um pedaço de trilho com um comprimento mínimo definido pela operadora. (Geralmente o comprimento adotado é de 4-6 metros entre juntas.)

Os principais catalizadores de defeitos em solda são:

  • quinas de rebarbagem;

  • óxidos aprisionados;

  • inclusão de escória;

  • aquecimento impróprio.


Defeitos internos em soldas


Para ver exemplos sobre os defeitos internos de solda e ter conhecimento completo sobre trilhos em geral, adquira nosso e-book:


Controle de qualidade

Registro das soldas


É necessário fazer uma análise geral do controle de qualidade da solda, para que em caso de falha, a empresa executante seja responsabilizada. Além disso, ajuda a garantir que todos os passos foram executados corretamente.

  1. Executante;

  2. Soldador;

  3. Data;

  4. Fabricante da solda;

  5. Lote da solda;

  6. Posição da solda em relação à via;

  7. Temperatura básica do trilho;

  8. Temperatura neutra;

  9. Resultado das verificações e/ou ensaios;

  10. Parâmetros do processo de soldagem:

  11. Nivelamento e alinhamento;

  12. Tempo gasto no preaquecimento;

  13. Identificação completa dos trilhos a soldar (inclusive origem);

  14. Tempo de aguardo para o rebarbamento.

  15. Observações.

Ensaios de controle de qualidade em solda (Previsto em normas)


  • Composição química

    • A composição química da solda deve apresentar no máximo 0,05% de enxofre (S) e 0,05% de fósforo (P), além dos elementos necessários para o aço típico do trilho e dureza da solda.

    • Estes elementos são especificados pelo fornecedor da porção de solda.

  • Dureza Brinnel

    • Os ensaios de dureza Brinnel devem ser conduzidos de acordo com a ABNT NBR NM ISO 6506-1, usando:

      • Esfera com diâmetro de 10 mm;

      • Carga de diâmetro aplicada de 3.000 kgf.;

      • Tempo de aplicação de 15s

    • A dureza deve ser medida no cordão de solda abaixo da zona de descarbonetação (5 mm abaixo da superfície de rolamento).

    • Três valores de dureza devem ser determinados para cada solda, sendo considerada como dureza da solda a média destas três leituras.


  • Flexão estática

    • O trilho soldado deve ser submetido a um ensaio de flexão estática com carga crescente no centro da solda até a ruptura.

    • O macho da prensa deve incidir sobre o boleto no local de solda equidistante dos apoios.

    • Os pontos de apoios devem possuir uma forma cilíndrica com diâmetro de 30mm a 50mm, e a distância entre eles deve ser de 1.000mm.

    • O corpo de prova deve ter um comprimento aproximado de 1.400mm à temperatura ambiente.

    • Tudo isso conforme a figura abaixo:

  • Os cálculos dos valores mínimos das cargas de ruptura devem ser feitos pela seguinte equação:

F= 0,0032 Wx

Onde, Wx é o valor numérico do módulo de resistência do patim, expresso em mm³.

  • Para os trilhos especificados na ABNT NBR 7590, estes valores são os apresentados na tabela baixo:


  • Resistência à fadiga

    • A aparelhagem para realização do ensaio deve ser composta de um atuador com dispositivo em forma de cutelo duplo, centrando sobre os apoios e sobre o local da solda.


  • O corpo de prova deve ser composto de dois segmentos de trilho, com no mínimo 610mm de comprimento cada, soldados e com esmerilhamento do boleto.

  • O raio dos apoios e dos cutelos deve ser de 20mm.

  • Procedimento:

1. Posicionar o corpo de prova na aparelhagem

2. Submeter o corpo de prova a uma solicitação cíclica, gerada pelo atuador, até completar 2 x 106 ciclos.

Nota 1: A frequência de pulsação é de 300 ciclos por minuto, admitindo-se uma variação de mais ou menos cinco ciclos por minuto. Nota 2: O ensaio pode ter seu procedimento interrompido e retomado até que seja completado o número de ciclos especificado.


3. Calcular as cargas mínima (Pmín) e máxima (Pmáx) a serem fornecidas pelo atuador utilizando as seguintes equações:

Onde, σmín = 50 MPa σmáx = 230 Mpa Wx= módulo de resistência do patim (mm) L= distância entre apoios (mm) Lo= distância entre cutelos (mm)

4. O relatório do ensaio deve conter no mínimo as seguintes informações:

  1. Identificação do corpo de prova;

  2. Anormalidades verificadas no corpo de prova (principalmente na zona fundida, antes e após o ensaio);

  3. Número de ciclos aplicados e se ocorreu ou não a ruptura do corpo de prova;

  4. Cargas máxima e mínima fornecidas pelo equipamento de ensaio, em quilonewtons;

  5. Referência à norma;

  6. Data de execução do ensaio.


Conclusão


Encerramos mais um post, desta vez falamos sobre soldagem aluminotérmica. Foi possível compreender o passo a passo para realização desta atividade, bem como os materiais usados e as condições que o procedimento deve ser feito. Para entender mais sobre o mundo ferroviário adquira nosso curso sobre Fundamentos da Manutenção de Via Permanente. A BRFERROVIA também oferece treinamento de soldagem, para que você possa realizar este trabalho, entre em contato com a gente para mais informações.


Texto adaptado do Manual do Soldador da Thermit do Brasil e do Manual Técnico de Manutenção da Ferrovia Centro-Atlântica.


Escrito por Paulo Lobato e Laura Lima

Especialista em manutenção de via permanente ferroviária e gestão de projetos com 15 anos de experiência profissional

Engenheiro Civil formado pela UFMG em 2010 com curso de extensão em ferrovia e transportes pela École Nationale des Ponts et Chaussées em Paris/França

Certificado em Gestão de Projetos pelo Project Management Institute (PMI)

Pós-graduado em Engenharia Ferroviária pela PUC-Minas

Pós-graduado em Gestão de Projetos pelo IETEC

Pós-graduado em Restauração e Pavimentação Rodoviária pela FUMEC

Contato: (31) 98789-7662

E-mail: phlobato01@gmail.com


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