CILAMCE 2013

Proceedings of the XXXIV Iberian Latin-American Congress on Computational Methods in Engineering

Z.J.G.N Del Prado (Editor), ABMEC, Pirenpolis, GO, Brazil, November 10-13, 2013

SIMULAO NUMRICA DO CAMPO DE TEMPERATURAS DE

JUNTAS SOLDADAS DO AO API 5L X80, ATRAVS DO MTODO

DE ELEMENTOS FINITOS.

J. Alves da Nbregaa, D. David Silva Diniz

a, R. Henrique Falco de Melo

b ,

B. Allison Arajob, T. Moura Maciel

c, A. Almeida Silva

c, C. Neilor Santos

d

aPPGEM, Universidade Federal de Campina Grande, Departamento de Engenharia

Mecnica, Av. Aprigio Veloso, 882, Bodocong, CEP 58429-900, Campina Grande,PB,

Brasil, http://www.ppgem.ufcg.edu.br/

bPPGCEMat, Unidade Acadmica de Engenharia de Materiais, Universidade Federal de

Campina Grande, Av. Aprgio Veloso, 882, Bodocong, CEP 58429-900, Campina Grande,

PB, Brasil, http://dema.ufcg.edu.br/web/pos-graduacao/

cUnidade Acadmica de Engenharia Mecnica, Universidade Federal de Campina Grande,

Av. Aprgio Veloso, 882, Bodocong, CEP 58429-900, Campina Grande, PB, Brasil,

http://www.dem.ufcg.edu.br/

dInstituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia da Paraba Av. 1 de Maio, 720,

Jaguaribe, Joo Pessoa, PB, Brasil, CEP 58015-430 http://www.ifpb.edu.br/

Resumo. Muitas so as alteraes metalrgicas sofridas pelos materiais quando submetidos

a um ciclo trmico de soldagem, exercendo uma considervel influncia sobre as

propriedades mecnicas das estruturas soldadas. Portanto, o controle das variveis deste

ciclo trmico de fundamental importncia com relao preveno de possveis falhas. Na

fase de projeto, uma dessas alternativas para a avaliao das variveis do ciclo trmico de

soldagem seria o emprego de simulao via mtodos computacionais. Este trabalho teve

como objetivo avaliar o campo de temperatura em juntas soldada empregando o software

comercial ABAQUS, que baseado no Mtodo dos Elementos Finitos (MEF) para anlise

de uma junta soldada de ao API 5L X80. Foram considerados fenmenos complexos o que

possibilita uma modelagem matemtica do processo de soldagem de forma mais robusta, tais

como: variao das propriedades fsicas e mecnicas dos materiais em funo da

temperatura, a transitoriedade e velocidade do processo de soldagem e os diferentes

mecanismos de troca de calor com o meio (conveco e radiao). Foi utilizada uma fonte de

calor analtica proposta por Goldak para modelar o aporte de calor, considerando uma

soldagem multipasse atravs do processo soldagem GTAW (Gas Tungsten Arc Welding),

possibilitando avaliar as variaes do efeito de cada passe no processo. Foi possvel

determinar os campos de temperaturas decorrentes de cada passe na soldagem, onde foi

verificado que ocorrem mudanas do comportamento trmico na chapa durante o processo.

Palavras: Soldagem, campo de temperatura, ciclos trmicos, elementos finitos, simulao

computacional.

Simulao numrica do campo de temperatura de juntas soldadas, atravs do mtodo de elementos finitos.

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1 INTRODUO

Muitas so as transformaes envolvidas no processo de soldagem devido ao forte

aporte de calor localizado que acontece de forma no uniforme e transiente, principalmente na

soldagem por fuso, sendo de fundamental importncia o conhecimento da evoluo do

campo de temperatura na vizinhana do cordo de solda, a fim de minimizar os efeitos

trmicos atravs de pr-aquecimento e tratamentos trmicos. O aumento da temperatura de

pr-aquecimento causa um acrscimo na energia de soldagem do sistema, propiciando tempos

maiores para o resfriamento, o que causa transformaes de fases, contribuindo para a

diminuio no valor da dureza na ZTA. A fim de reduzir custos e a demanda de tempo atravs

de mtodos experimentais para obteno das distribuies de temperatura, e com o

desenvolvimento da tecnologia que possibilitaram estimar o campo de temperatura atravs de

tcnicas analticas (Almeida, 2012), este artigo tem como proposta simular e avaliar os

campos de temperaturas decorrentes da soldagem pelo processo GTAW em juntas multipasse

de ao API 5L X80, utilizando o software comercial ABAQUS, baseado no Mtodo dos

Elementos Finitos (MEF), o que permite avaliar os efeitos de cada passe no processo.

Para o modelamento trmico de soldagem empregado na simulao, conforme

mostrado na Tab. 1, so utilizadas equaes que expressam o fluxo de calor tridimensional ao

longo do material baseado na entrada de calor real pela fonte de soldagem, assim como as

perdas por conveco e radiao. A modelagem analtica da fonte de calor proposta por

Goldak foi utilizada para modelar a fonte de calor computacional de soldagem, sendo a mais

empregada na determinao das distribuies volumtrica de energia antes e aps a tocha

[W.m-3

], possibilitando a determinao do campo de temperatura (Guimares, 2010).

Tabela 1: Principais equaes trmicas empregadas na simulao (Guimares, 2010).

Equaes

(1)

2

2

2

2

2

2 3exp

3exp

3exp36,,

c

z

b

y

a

x

bca

UIfzyxq

ff

ff

(2)

2

2

2

2

2

2 3exp

3exp

3exp36,,

c

z

b

y

a

x

bca

UIfzyxq

rr

rr

(3)

A anlise de transferncia de calor na soldagem pelo processo GTAW foi feita atravs

de uma analise 3D na chapa de ao API 5L X80 (0,120 m x 0,360 m x 0,017 m), utilizando a

teoria de simetria e as propriedades termomecnicas de um ao baixo carbono em funo da

temperatura (Diniz et al., 2012). A chapa foi dividida em 1800 elementos do tipo DC3D8,

utilizando uma malha com gradiente de refinamento de tamanho dos elementos na direo Y,

na regio de movimentao da fonte de calor. Utilizou-se duas condies de soldagem, A e B,

com parmetros mostrados na Tab. 2 (Diniz et al., 2012), diferenciando apenas nas

temperaturas inicias de 25C e 100C, respectivamente, segundo Ordoes (2004). Foi

realizada uma soldagem multipasse com temperatura de interpasse fixado em 150C

conforme norma da Petrobras (N 133J), utilizando uma sub-rotina DFLUX no ambiente

J. Nbrega, D. Diniz, R. Melo B. Arajo, T. Maciel, A. Silva, C. Santos

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Fortran para fonte de calor com parmetros de af, ar, b e c, medidos experimentalmente.

Tabela 2: Parmetros empregados na simulao de soldagem (Diniz et al., 2012)

(%)

V

(m/s)

I

(A)

U

(V)

L

(J/g)

TL

(C)

TS

(C)

af

(m)

ar

(m)

b

(m)

c

(m)

65 0,005 130,8 19,73 270 1480 1430 0,0042 0,0168 0,0042 0,0044

2 RESULTADOS E DISCUSSES

Na Figura 1 mostrado a evoluo dos gradientes trmicos da simulao multipasse

para a condio A, sendo 1(a) a representao do primeiro passe e 1(b) do segundo passe de

soldagem 36 segundos e 141 segundos do incio do processo.

(a) (b)

Figura 1: Gradientes de temperatura multipasse para a condio A (To=25 C).

Como mostrado na Fig. 1, percebe-se que no centro da poa de fuso, no primeiro e

segundo passes de soldagem, a temperatura atingiu valores prximos a 1700C, sendo que a

concentrao de calor do primeiro passe acumulou energias trmicas no material,

contribuindo, assim, com uma maior temperatura atingida no segundo passe. Neste estudo de

simulao, foram examinados os ciclos trmicos multipasse de soldagem para as duas

condies e nos instantes de tempo da Fig. 1, na linha de fuso, 0,0023 m e a 0,005 m

distantes da linha de fuso do material, como mostrados na Fig. 2.

Conforme esperado, para as condies A e B, as temperaturas de pico no primeiro e

segundo passe foram maiores quando avaliados na linha de fuso dos materiais e menores

quando distanciados. Pode-se destacar que houve uma menor variao nas temperaturas de

picos para a condio B do que na condio A, haja vista que o material sofreu um pr-

aquecimento tornando as temperaturas de incio do primeiro e segundo passes mais prximos,

influenciando numa maior homogeneidade da temperatura no material. importante destacar

ainda que, na condio B, o material leva um maior tempo para resfriar at a temperatura

interpasse devido maior quantidade de energia trmica acumulada do pr-aquecimento, estes

Simulao numrica do campo de temperatura de juntas soldadas, atravs do mtodo de elementos finitos.

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mesmos fatos foram identificados experimentalmente por Sobrinho (2007), concluindo-se que

o modelo utilizado robusto e que os resultados so confiveis.

Figura 2: Ciclo trmico de Soldagem da condio A (To=25 C) e B (To=100 C), respectivamente.

3 CONCLUSES

Os resultados possibilitaram a confirmao da influncia da temperatura do segundo

passe de soldagem e do pr-aquecimento, sobre o gradiente de temperatura e sobre o

resfriamento da chapa, de acordo com o que dito na literatura, se mostrando bastante

satisfatrios. De forma geral, a ferramenta ABAQUS 6.9, aplicada avaliao do histrico

trmico na soldagem, mostrou-se promissora, podendo servir como base para anlise de

efeitos mecnicos/metalrgicos provocados pelos ciclos trmicos em juntas soldadas.

4 AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica da

UFCG, a CAPES-REUNI pela concesso do apoio financeiro para a realizao deste estudo.

5 REFERNCIAS

Almeida, D. F. F., 2012. Determinao das tenses residuais e deformaes resultantes do

processo de soldadura TIG atravs do Mtodo dos Elementos Finitos. Dissertao de

mestrado, Universidade de Lisboa/Lisboa.

Diniz, D. D. S., 2012. Simulao numrica de distribuio de temperatura para processos de

soldagem em ao API X80 via elementos finitos, In: Congresso Nacional em Engenharia

Mecnica, 2012, So Luiz. Anais... So Luiz, 2012.

Guimares, P.B., 2010. Estudo de campo de temperatura obtido numericamente para

posterior determinao das tenses residuais numa junta soldada de ao ASTM. Tese de

Doutorado, Universidade Federal de Pernambuco/Recife.

N-133 Soldagem, reviso setembro 2002, pp 28-29.

Ordoes, R. E. C., 2004. Soldagem e Caracterizao das Propriedades Mecnicas de Dutos

de Ao API 5L-X80 com diferentes Arames Tubulares. Dissertao de mestrado, Universidade

Federal de Campinas/Campinas.

Sobrinho, R. J. F., Alcntara, N. G., 2007. Anlise dos Ciclos Trmicos Obtidos na Zona

Afetada Termicamente da Junta Soldada de um Ao de Alta Resistncia. In: Congresso de

Pesquisa e Inovao da Rede Norte Nordeste de Educao Tecnolgica, 2007, Joo Pessoa.

Anais... Joo Pessoa, 2012.