Modelagem do campo de temperaturas e distorções de uma junta do tipo T soldada pelo processo GMAW

Abstract

O elevado fluxo de calor envolvido no processo de soldagem de componentes favorece o aparecimento de tensões residuais, cujo alívio propicia o surgimento das distorções. Uma vez que essas distorções podem comprometer a utilização dos componentes, tornam-se relevantes pesquisas a respeito dos parâmetros, mensuração e previsão das distorções. Este trabalho tem como objetivo analisar as distorções na soldagem GMAW de uma junta tipo T, através do estudo termoestrutural em um modelo numérico pelo método dos elementos finitos com validação experimental. Para isso, o trabalho foi dividido em duas etapas sequenciais, sendo a primeira destinada à validação do modelo numérico e a segunda à elaboração de casos numéricos para análise. O modelo numérico utiliza elementos finitos tridimensionais para a obtenção do campo de temperaturas e distorções. Para a aplicação do fluxo de calor à peça utilizou-se a equação de Goldak como modelo de aporte de calor na análise térmica transiente. A dependência da temperatura na variação das propriedades físicas e mecânicas dos materiais foi considerada. A parte experimental da primeira etapa permitiu definir duas velocidades de soldagem mantendo a mesma energia do processo, originando dois conjuntos de parâmetros denominados como principais e alternativos. Na segunda etapa foram analisados oito casos, definidos através da combinação de três variáveis: variação da velocidade, sequência de soldagem e tempo de resfriamento entre filetes. O campo de temperaturas transiente é verificado pela medição de temperaturas em oito pontos, enquanto o campo de distorções é verificado utilizando um sistema de medição por coordenadas. Dentre os casos analisados, a menor distorção foi observada no caso 6 (velocidade mais rápida, sequência “vai-volta” e com intervalo de resfriamento) onde a distorção máxima foi de 4,31 mm, enquanto a maior distorção foi apresentada pelo caso 4 (velocidade mais lenta, sequência “vai-vai” e com intervalo de resfriamento) com distorção máxima de 6,41 mm.

The high heat flow involved in the component’s welding process favors the appearance of residual stress, which alleviation provides the appearance of distortions. Once these distortions can impair the use of the components, become relevant searches about the parameters, measurement and prediction of distortions. This work aims to analyze the distortions in GMAW welding of a T-type joint, through thermo-structural study in a numerical model by finite element method with experimental validation. For this, the work was divided in two sequential stages, the first aimed to the numerical model’s validation and the second to the development of numerical cases to analysis. The numerical model uses three-dimensional finite elements for obtainment the temperature field and distortions. For the application of heat flow to the part was used the Goldak’s equation as a model of heat input in transient thermal analysis. The temperature dependence in the variation of physical and mechanical properties of the materials was considered. The experimental part of the first stage allowed to define two welding speeds while keeping the same process energy, originating two sets of parameters called principal and alternative. In the second stage, eight cases were analyzed, defined by the combination of three variables: speed variation, sequence of welding and cooling time between fillets. The transient temperature field is checked by measuring temperatures in eight points, while the distortion field is checked using a coordinate measuring system. Among all cases analyzed, the lowest distortion was observed in case 6 (fastest speed, "going-back" sequence and cooling interval) in which the maximum distortion was 4.31 mm, while the largest distortion was presented by the case 4 (slower speed, "go-go" sequence and cooling interval) with maximum distortion of 6.41 mm.