Análise de Processos de Soldagem em Segmentos de Trilhos na Produção

Análise de Processos de Soldagem em Segmentos de Trilhos na Produção de Linhas Férreas - Aluminotermia e Soldagem a Topo por Centelhamento

(Analysis of Welding Processes in Rail Segments in the Manufaacture of Railways - Thermic and Flash Butt Welding

Arthur Araujo Ribeiro1, Luis Otávio Nogueira Campelo1, Caio Lages Ramos1.

Universidade Federal de Minas Gerais, Graduação em Engenharia Mecânica, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil, ribeiro.arthuraraujo@gmail.com , locampelo9@gmail.com, caiolagesramos@gmail.com 

Resumo

O presente trabalho busca discutir sobre os processos de soldagem utilizados na indústria ferroviária. A partir de uma revisão bibliográfica de artigos e demais textos sobre o tema, serão apresentadas as características do modal de transporte rodoviário (segundo mais utilizado no Brasil), assim como dois dos processos de soldagem utilizados para fabricação de trilhos, a soldagem por aluminotermia (Thermic) e a soldagem a topo por centelhamento (FBW). Também serão evidenciados os requisitos de qualidade para a fabricação de trilhos e a influência dos processos de soldagem nesses parâmetros. Ao final, evidenciamos comparações diretas entre os processos a partir dos requisitos de qualidade e manutenção futura.

Palavras-chave: soldagem, ferrovia, trilho, soldagem-por-aluminotermia, soldagem-a-topo-por-centelhamento

Abstract: The present article aims to discuss about the welding processes in the railway industry. From a bibliographical review of articles and other works on the subject, will be presented the characteristics of the railway transportation (second most used in Brazil), as well as two of the welding processes used in the manufacture of rails, Thermic Welding and Flash Butt Welding (FBW). Also, will be evidenced the quality requirements for rail manufacturing and the influence of welding processes on these parameters. In the end, we show direct comparisons between the processes, based on the quality requirements and future maintenance.

Key-words: welding, railway, rail, thermic-welding,, flash-butt-welding

1. Introdução

O transporte ferroviário é caracterizado por sua capacidade de movimentar grandes volumes com eficiência energética em longas distâncias(Bustamante, 1999). Historicamente o modal ferroviário está associado ao desenvolvimento de diversos países incluindo o Brasil, devido extensão territorial. Por outro lado há necessidade de investimentos de grande valor na implantação deste tipo de infraestrutura. Segundo a CNT (2014), atualmente, o Sistema Ferroviário Brasileiro totaliza 30.129 km de extensão, distribuído pelo país, o que corresponde a 20,7% da composição da matriz de transporte de carga nacional. A malha ferroviária brasileira é composta por doze malhas concessionadas, duas malhas industriais locais privadas e uma malha operada pelo estado do Amapá. São as empresas concessionárias responsáveis pela manutenção e investimentos das malhas que possuem.

No início do transporte sobre trilhos, os vagões eram tracionados por cavalos e os trilhos eram feitos de madeira. Após evoluíram para trilhos fundidos, posteriormente para trilhos forjados, em seguida para trilhos laminados a partir de lingotes, chegando atualmente a trilhos laminados a partir de tarugos obtidos por lingotamento contínuo. As ferrovias justificavam tal nome, pois, ao utilizarem trilhos de ferro fundido, eram mesmo estradas de ferro. Os trilhos, porém, apresentavam como inconveniente a presença do desgaste, o que encarecia a conservação das vias permanentes.

O perfil utilizado atualmente em trilhos ferroviários é do tipo Vignole, idealizado pelo engenheiro inglês “Vignole” , composto por boleto, alma e patim, definido pela ABNT NBR 7590 (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS 1991), conforme apresentado na figura 1. O boleto corresponde à parte do trilho destinada ao apoio e deslocamento da roda ferroviária. A grande massa concentrada no boleto é justificada pelo desgaste e atrito que o mesmo sofre no contato com as rodas do trem. “Essa configuração favorece a resistência a flexão, pois há maior concentração de massa onde atuam mais tensões normais, permitindo otimizar o uso deste material (PORTO 2004).” (SARTORI, 2010) A alma é definida como a parte do trilho compreendida entre o boleto e o patim. A resistência à flexão depende da espessura e da altura da alma e, evidentemente, deve-se ter uma espessura mínima para assegurar rigidez transversal. Caso a espessura da alma não seja adequada aos níveis de solicitação transversais, podem ocorrer o acúmulo de deformações ao longo da vida útil e provocar acidentes. O patim é a base inferior do trilho, através do qual o trilho é apoiado e fixado nos dormentes que recebem e transmitem os esforços produzidos pelas cargas ao lastro que geralmente são de pedra brita e cascalho. O patim não pode ser muito fino para garantir que a alma continue perpendicular ao dormente durante as solicitações transversais como, por exemplo, em curvas onde essas são mais pronunciadas.

[pic 1] 

Figura 1.1 - Desenho esquemático de um perfil de trilho ferroviário “Perfil Vignole” com as partes que o compõe (SKYTTEBOL 2005).

Para a produção das vias férreas, os segmentos de trilhos necessitam ser soldados e então surge a denominação de linhas contínuas soldadas (Continuous Welded Rails - CWR) ou Trilhos Longos Soldados (TLS). Um dos processo mais utilizados para unir os segmentos é a soldagem Aluminotérmica (Thermit), processo executado na via, com equipamentos e materiais de fácil manuseio e transporte. A figura 1.2 apresenta as linhas contínuas soldadas com seus respectivos elementos.

[pic 2] 

Figura 1.2 - Elementos básicos dos trilhos.

Os segmentos de trilhos são os componentes ferroviários que mais são suscetíveis à falha devido a diversos fatores, entre eles pode-se citar: alta pressão de contato das rodas em regime de carregamento cíclico e existência de tensões residuais causadas pela deformação plástica superficial pelo processo de soldagem, pela variação térmica na linha e pela tensão de projeto (tensão necessária para manter os trilhos alinhados) (SILVA 1977). Tais defeitos costumam ter origem nas juntas soldadas onde o acúmulo de tensões é maior, sendo sua conservação cerca de 40 por cento da mão de obra gasta na manutenção das vias.

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