SIMULAÇÃO NUMÉRICA DE DISTRIBUIÇÃO DE

TEMPERATURA E TENSÕES RESIDUAIS PARA

PROCESSOS DE SOLDAGEM

SETEMBRO - 2013

UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE

CENTRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA

MECÂNICA

Disciplina: Seminários

Professor: Carlos José

Aluno PPGEM: Jailson A. da Nóbrega

SUMÁRIO

1. Introdução;

2. Objetivo Geral;

3. Objetivos Específicos;

4. Fundamentação Téorica;

5. Metodologia Computacional;

6. Resultados Parciais;

7. Conclusões Parciais;

8. Etapas à desenvolver

9. Cronograma;

10. Referências.

2

Introdução

Crescimento dos investimentos dos diversos setores da indústria, das

quais podemos destacar:

• Petrolífera, química, siderúrgica e veicular ;

Setores Valores (R$ bilhões)

2006-2009 2011-2014

Crescimento

% % a.a

Petróleo e Gás 205 378 84 13,0

Extrativista Mineral 60 62 4 0,9

Siderúrgica 28 33 17 3,2

Química 22 40 78 12,3

Papel e Celulose 18 28 52 8,7

Veículos 25 33 31 5,6

Eletroeletrônica 20 29 48 8,2

Têxtil e Confecções 9 12 39 6,8

Indústria 387 614 59 9,7

Tabela 1: Crescimento dos investimentos estimados para 20011-2014. (Fonte: BNDES/ GT do investimento).

3

Introdução

Depende de um controle eficiente dos parâmetros, devendo obedecer

aos requisitos essenciais a cada processo.

Surgimento de vários estudos que visam à obtenção de juntas

soldadas com qualidade e com redução de custos, evitando prejuízos de natureza

financeira e ambiental.

Atualmente, a soldagem é considerada como o processo mais utilizado

industrialmente na ligação de metais. (ALMEIDA, 2012)

4

Introdução

Diferentes Técnicas são utilizadas para verificar o ciclo térmico enivel de Tensão Residual da região da solda.

Metalografia

Termopares

Difração por raio X

Problemática:

:

O desenvolvimento da tecnologia proporcionou o surgimento

de novas técnicas analíticas e computacionais permitindo assim, estimar

as solicitações a que um componente é submetido em serviço.(ALMEIDA 2012)

5

Introdução

Alternativa é o emprego da simulação via métodoscomputacional.

Software comercial ABAQUS® baseado noMEF ( Método de Elementos Finitos) para Analise de JuntaSoldada.

6

Objetivo Geral

7

Elaborar um procedimento para avaliar e prever astransformações metalúrgicas durante a soldagem, por meiode simulações de temperatura e tensões residuaisatravés do método de elementos finitos utilizando osoftware comercial Simulia ABAQUS®.

Objetivo Específico

8

Fazer revisão bibliográfica acerca do tema;

Implementar um modelo térmico matemático que descreva o sistema;

Simulação de Soldagem multipasse;

Simulação de soldagem multipasse variando os parâmetros de

processo, I e V ;

Adição do modelo estrutural estático para a análise de Tensões

Residuais;

Analisar os resultados obtidos na simulação;

Validar o modelo proposto tendo como base o resultado de trabalhos

experimentais.

Fundamentação Teórica

9

Energia de Soldagem

No processo de soldagem ao arco elétrico, uma fonte elétrica gera uma

diferença de potência U entre o eletrodo e o metal de base, induzindo a

formação de um arco elétrico percorrido por uma corrente I.

No processo, o sistema tem perdas por diversos fatores, dentre eles podemos

citar a convecção e a radiação no arco e no eletrodo, sendo apenas uma

parcela aproveitada na fusão do material, sendo necessária a adição de um

rendimento η.

Podemos expressar assim, a entrada real do calor pela expressão:

convecção e a

radiação

Fundamentação Teórica

10

Equações:

Equação Governante:

Dissipação da temperatura

nas três direçõesPropriedades do material em função

Da temperatura no instante de tempo

Q = ƞ . I . V

Fundamentação Teórica

11

Equações:

Perdas de calor por condução;

Perdas de calor por Convecção;

Mudança de fase, ( calor latente ) em função da entalpia;

Tensões Residuais longitudinais aproximadas empiricamente;

Fundamentação Teórica

12

Fluxo de Calor na Soldagem

Pode ser dividido, de maneira simplificada, em duas etapas básicas:

Fornecimento de calor à junta ;

Dissipação deste calor pela peça;

A transferência de calor causa alterações de temperatura na região adjacente

ao metal de base e depende da forma que o calor é difundido para o restante do

material soldado. (Modenesi et al,2006 e Marques et al., 2007)

Estas variações de temperatura provocam transformações de fase durante a

soldagem, alterando a microestrutura e provocando variações dimensionais

resultando em efeitos indesejáveis. (Okumura e Tanigushi, 1982 e Kou, 2003).

Figura 1: Isotermas na soldagem de chapas grossas (fluxo de calor

tridimensional) Fonte: (Guimarães, 2010).

13

Modelagem da Fonte de calor:

2

2

2

2

2

2 3exp

3exp

3exp36,,

c

z

b

y

a

x

bca

UIfzyxq

ff

ff

Fonte: (Guimarães, 2010 p. 27).

qf > Distribuição volumétrica de energia antes da

tocha [W/m³];

qr > Distribuição volumétrica de energia após a tocha

[W/m³];

ff > Repartição de energia antes da tocha;

fr > Repartição de energia após a tocha;

af > Comprimento da poça de fusão - energia

distribuída antes da tocha [m];

ar > Comprimento da poça de fusão - energia

distribuída após a tocha [m];

b > Semi-largura da poça de fusão [m];

c > profundidade da zona fundida [m].

2

2

2

2

2

2 3exp

3exp

3exp36,,

c

z

b

y

a

x

bca

UIfzyxq

rr

rr

Fundamentação Teórica

14

“Método Numérico que tem a capacidade de resolver equações diferenciais

através de aproximações, resolvendo equações que representam um

comportamento físico contínuo. Sua representação geométrica é construída a

partir de um modelo de elementos ou nós.”(ALMEIDA 2012)

Fonte: (http://eaiconvergiu.wordpress.com)

Metodologia computacional

15

Modelagem computacional desenvolvida com o auxilio do código de cálculo

ABAQUS ® 6.9, no qual é baseado no método de elementos finitos (MEF);

A peça modelada é uma placa 0,120m x 0,360 m x 0,017m, de um aço ARBL API

5L X80;

Porcentagem (%) em peso

C Mn Si P S Ni Mo Al Cr V Cu

0,084 1,61 0,23 0,01 0,011 0,17 0,17 0,035 0,135 0,015 0,029

Tabela 2: Composição química do aço API 5L X80 cedido pela USIMINAS.

Metodologia computacional

16

Processo de Soldagem.

Figura 4: Rendimento térmico para diferentes processos de soldagem. (Kou, 2003)

Rendimento teórico ou eficiência de fusão do processo.

Metodologia computacional

17

Parâmetros de Soldagem

Tabela 3:Parâmetros de soldagem empregados. ( Diniz, et al 2012)

Parâmetros utilizados com base na tese de Bruno Alisson Araújo (2013)

Condição I(A) U(V) v(mm/s) H(KJ/cm) T0 (ºC)

130,8 19,73 5,00 9,87 25

Modificação da velocidade

Alteração dos valores de corrente, voltagem e energias em cada passe.

Temperatura multipasse

Metodologia computacional

18

Propriedades Termofísicas

(Diniz et al. 2012) considerou que devido ao fato de se ter

poucas informações das propriedades físicas do aço API 5L X80 com a

temperatura, esses dados podem ser considerados como sendo de um aço de

baixo teor de carbono

T

(°C)

K

(W/m/°C)

C

(J/kg/°C)

hf

(W/m2/°C)

α

(10-5°C-1)

0 52 500 2,5 1,1

200 50 550 6,5 1,2

400 43 600 7 1,35

600 37 800 7,5 1,45

800 26 950 8 1,5

1000 28 950 8,2 1,5

1200 30 950 8,4 1,5

1400 33 950 8,6 1,5

1600 120 950 9,2 1,5

1800 120 950 9,2 1,5

2000 120 950 9,2 1,5

Tabela 4: Propriedades do aço baixo carbono em função da temperatura. Fonte: (Teng 2009).

Metodologia computacional

19

Geração da malha

Malha refinada;

Convergência dos Resultados;

Teoria da simetria;

Menor custo computacional;

Figura 5: Malha empregada na simulação.

Metodologia computacional

20

Condições de contorno ambiente

Figura 6: Condições de contorno do ambiente.

Convecção

Convecção

Convecção

Convecção

Convecção = 0

Convecção

Radiação = Toda a Região

Emissividade = 0,77

Stefan Boltzmann = 5,6697 x 10-8 W m-2 K4

21

Fonte de Calor

Parâmetros

dimensionais

da solda

af

(m)

ar

(m)

b

(m)

c

(m)

0,0042 0,0168 0,0042 0.0044

Tabela 5: Parâmetros dimensionais do cordão de solda.

Sub-rotina DFLUX, no ambiente Fortran

2

2

2

2

2

2 3exp

3exp

3exp36,,

c

z

b

y

a

x

bca

UIfzyxq

ff

ff

Fonte: (Guimarães, 2010 p. 27).

2

2

2

2

2

2 3exp

3exp

3exp36,,

c

z

b

y

a

x

bca

UIfzyxq

rr

rr

4. Metodologia computacional

Figura 8: Representação esquemática das etapas do estudo para modelagem

numérica em soldagem. Fonte: (Guimarães, 2010)

Resultados Parciais

23

Revisão Bibliográfica: (science direct, google, biblioteca UFMG, revisão

por pares)

Número de publicações( API 5L X80, soldagem,

elementos finitos, ciclo térmico,

tensão residual)

87

1 Norma

Tipo

Tese Dissertação Artigos

7 8 72

Período

2012-2007 2006-2002 Antes de 2001

49 18 20

Método

Experimental Numérico Ambos

36 16 35

Tabela 6: Revisão bibliográfica desenvolvida.

Resultados Parciais

24

Artigo: SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO CAMPO DE

TEMPERATURAS DE JUNTAS SOLDADAS DO AÇO

API 5L X80, ATRAVÉS DO MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS.

Condição I(A) U(V) v(mm/s) H(KJ/cm) T0 (ºC) Interpasse (°C)

A 130,8 19,73 5,00 9,87 25 150

B 130,8 19,73 5,00 9,87 100 150

Tabela 7: Parâmetros de soldagem empregados.

Objetivo: Avaliar os campos de temperaturas decorrentes da soldagem pelo

processo GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) em juntas multipasse de aço API

5L X80 através do uso de um software ABAQUS®, baseado no Método dos

Elementos Finitos (MEF) possibilitando avaliar as variações e o efeito de

cada passe no processo.

Norma da Petrobras (N 133J).

Resultados Parciais

25

Artigo: SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO CAMPO DE

TEMPERATURAS DE JUNTAS SOLDADAS DO AÇO

API 5L X80, ATRAVÉS DO MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS.

Figura 9 : Animação da simulação em temperatura ambiente e com pré-aquecimento de 100 °C.

(a) (b)

Resultados Parciais

26

Figura 10:Gradientes de temperatura multipasse para a condição A (To=25 ºC).

Resultados Parciais

27

Figura 11: Gradientes de temperatura multipasse para a condição B (To=100 ºC).

Resultados Parciais

28

Figura 12: Pontos de análise do

ciclo térmico.

Sentido da Soldagem

Linha de Fusão

0,0023m

0,005 m Figura 13 : Ciclo térmico de Soldagem da condição A (To=25 ºC).

Figura 14: Ciclo térmico de Soldagem da condição B (To=100 ºC).

Resultados Parciais

29

Figura 15: Ciclo térmico realizado com temperatura ambiente e pré-aquecimento de 100 °C.

Fonte: (Reis Sobrinho, 2007)

Resultados Parciais

30

Condição A (s) Condição B (s)

1 passe 2,3186 3,0178

2 passe 2,909 3,52

Condição A (s) Condição B (s)

1 passe 2,5521 3,129

2 passe 3,2404 3,746

Tabela 8: Tempos de resfriamento entre 800 - 500°C para as condições A e B na linha de fusão.

.

Tabela 9: Tempos de resfriamento entre 800 - 500°C A e B a 0.0023 m da linha de fusão.

Maior precisão na avaliação (∆t8/5)

31

Figura 16: Gradiente de resfriamento no inicio do segundo passe de soldagem da condição A.

Figura 17: Gradiente de resfriamento no inicio do segundo passe de soldagem da condição B.

Conclusões Parciais

32

Os resultados obtidos na simulação mostraram-se bastante satisfatórios

permitindo-se obter os efeitos proporcionados pela alteração nos parâmetros de

soldagem, mais especificamente a temperatura de pré-aquecimento;

Os resultados possibilitaram a confirmação da influência da temperatura do

segundo passe de soldagem e do pré-aquecimento, sobre o gradiente de

temperatura e sobre o resfriamento da chapa, de acordo com o que é dito na

literatura;

De uma forma geral o modelo ABAQUS® 6.9, aplicado à avaliação do histórico

térmico na soldagem mostrou-se promissor podendo servir como base para

análise de efeitos mecânicos/metalúrgicos provocados pelos ciclos térmicos em

juntas soldadas.

Etapas à desenvolver

33

Simulação Multipasse variando as propriedades do cordão de soldagem

(GTAW na raiz e GMAW no passe de enchimento);

Acoplamento do modelo térmico ao modelo mecânico para análise de

Tensão Residual;

Comparativo entre o modelo realizado em simulação juntamente com

os resultados experimentais;

Utilização de um plugin de soldagem 2D para análise nas deformações

pertinentes da soldagem.

Resultados Parciais

34

Cronograma de atividade

2012.3 2013.1 2013.2 2013.3 2014.1 2014.2Cronograma

Disciplinas ofertadas

Levantamento bibliográfico e

aprofundamento do tema

Modelamento no ambiente

abaqus®

Simulação de soldagem no

ambiente computacional

Análise dos resultados

Publicações em eventos e

redação da dissertação

Referências

35

Almeida, Diogo Filipe Ferreira. Determinação das tensões residuais e deformações resultantes do processo

de soldadura TIG através do Método dos Elementos Finitos, Dissertação de mestrado em Engenharia

Mecânica – Faculdade de ciências e tecnologia, Universidade de Lisboa, Lisboa 2012.

Concer, Dionei. Previsão de fadiga térmica de matrizes para injeção de aluminio sob pressão utilizando a

equação de brasquin e elementos finitos, Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica – Universidade

Federal do Parana. Curitiba, PR 2011.

Diniz, Diego David Silva. Simulação numérica de distribuição de temperatura para processos de soldagem

em aço API X80 via elementos finitos, In: Congresso Nacional em Engenharia Mecânica – São Luiz, MA 2012.

Guimarães, Pablo Batista. Estudo de campo de temperatura obtido numericamente para posterior

determinação das tensões residuais numa junta soldada de aço ASTM, Tese de Doutorado em Engenharia

Mecânica – Universidade Federal de Pernambuco. Recife, PE 2010.

Moura, Maria Luiza de Melo et al. Obtenção Numérica do Campo de Temperatura, Ciclos Térmicos e

Repartição Térmica de uma Junta Soldada de Aço Inoxidável AISI 304, in Congresso Norte Nordeste de

pesquisa e inovação – Palmas, TO 2012.

Vieira, Leandro C et al. Modelagem Térmica do processo de soldagem TIG via Elementos finitos, in

congresso Nacional de Engenharia Mecânica – Ilha Solteira SP 2005.

N-133 – Soldagem, revisão setembro 2002, pp 28.

36

OBRIGADO.