Simulação numérica do processo de soldagem MIG/MAG multipasse de topo em chapas de aço inoxidável 304L utilizando a técnica Element Birth and Death
Autor: Rodrigo Martins Farias (Currículo Lattes)
Resumo
Os processos de soldagem envolvem fenômenos físicos e químicos muito complexos e, por isso, difíceis de serem modelados matematicamente. Embora os efeitos térmicos, mecânicos e metalúrgicos acoplados sejam importantes, na maioria dos casos são encontrados bons resultados considerando modelos numéricos baseados nas equações da transferência de calor e nas que governam o comportamento estrutural do material. De modo geral, o campo térmico é independente do estrutural, permitindo que as soluções sejam realizadas em sequência, sem necessidade de acoplamento. As análises mais adequadas dos processos de soldagem com deposição de material utilizam a técnica denominada de element birth and death, a qual considera a ativação dos elementos pertencentes ao cordão de solda em uma malha de elementos finitos a medida que a fonte de calor se movimenta. Neste trabalho, são apresentadas análises numéricas de soldagem de topo multipasse, com chanfro em V, de chapas de aço inoxidável AISI 304L através do processo MIG/MAG convencional. As chapas possuem 9.6 mm de espessura, 200 mm de comprimento e 50 mm de largura. As simulações numéricas foram realizadas no software ANSYSc Multiphysics, considerando as transferências de calor na superfície da poça de fusão, e propriedades do material como dependentes da temperatura, tanto na simulação térmica quanto na mecânica. A fonte de calor móvel é do tipo Gaussiana de área. Os formatos da zona de fusão, ciclos térmicos e distorções finais da peça obtidos dos experimentos desenvolvidos no Laboratório de Pesquisa em Engenharia da Soldagem (LAPES - FURG) são comparados com os resultados das simulações numéricas. Um dos inconvenientes da simulação da soldagem multipasse é o fato de que os elementos pertencentes aos passes intermediários têm suas fronteiras vizinhas aos elementos dos outros passes, sendo impedidos, dessa forma, de contemplar os efeitos de transferência de calor para o ambiente. Assim, comparou-se os resultados de dois algoritmos: o primeiro que adota o método clássico, onde ocorre o impedimento destas transferências para o ambiente nos passes intermediários, e outro que considera estes efeitos na superfície do cordão de cada passe. Observou-se diferenças nos resultados pelo uso dos dois algoritmos, concluindo-se que estes efeitos térmicos são importantes na região de deposição de material. Na etapa mecânica foram simulados os campos de distorções e tensões residuais, sendo as distorções comparadas com os experimentos e as tensões comparadas com os comportamentos típicos esperados para chapas soldadas. Obteve-se razoável aproximação para o campo de distorções e foram encontrados comportamentos trativos e compressivos para as tensões residuais nos locais esperados. Ao final são sugeridos diversos tópicos que merecem destaque para pesquisas futuras sobre as simulações dos processos de soldagem com arco elétrico.