Estudo de metodologias para análise numérica do campo de temperatura no processo de soldagem MIG em chapas de aço inoxidável AISI 304L

Abstract

Os processos de soldagem em chapas envolvem fenômenos físicos e químicos muito complexos e, por isso, difíceis de serem modelados matematicamente. Embora os efeitos termo-mecânico-metalúrgico 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 das chapas. De modo geral, o campo térmico é independente do estrutural, permitindo que as soluções sejam realizadas em sequência (térmicoestrutural), sem necessidade de acoplamento. As análises mais adequadas dos processos de soldagem com deposição de material usam a técnica denominada de “element birth and death”, a qual considera a ativação dos elementos pertencentes ao cordão de 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 convencional. As chapas possuem 9,6 mm de espessura, 200 mm de comprimento e 50 mm de largura. As simulações numéricas são realizadas no software Ansys Multiphysics®, considerando os fenômenos de convecção e radiação, e propriedades térmicas do material (condutividade térmica, calor específico e massa específica) como dependentes da temperatura. A fonte de calor móvel é do tipo Gaussiana. Os formatos da poça de fusão, 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 na aplicação da técnica element birth and death 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 radiação. Assim, comparou-se os resultados de dois códigos: o primeiro que adota o método clássico, onde ocorre o impedimento de radiação para os elementos pertencentes aos passes intermediários, e outro que considera os efeitos de radiação no processo. Observou-se diferenças nos resultados pelo uso dos dois algoritmos, concluindo-se que os efeitos de radiação são muito importantes na região de deposição de material.

Welding processes on plates involve complex physical and chemical phenomena which make mathematical modeling difficult. Although coupled thermal-mechanical-metallurgical effects are important, good results can be found when numerical models based on heat transfer equation and governing equations of the structural behavior are used. In general, the thermal field is independent of the structural one since procedures can be carried out in one-way (thermal-structural), without the need of coupling. Adequate analyses of welding processes with material deposit have used the element birth and death technique, which considers activation of finite elements that belong to filler material as the heat source moves. This paper describes numerical analyzes of multi-pass butt welds with V chamfer of AISI 304L stainless steel by using the conventional MIG process. The plates are 9.5 mm thick, 200 mm long and 50 mm wide. Numerical simulations are carried out by Ansys Multiphysics® software which considers convection and radiation dissipations and temperature dependence of material properties (thermal conductivity, specific heat and specific mass). The moving heat source is the Gaussian type. The fusion zone shape, obtained by the experiments developed at a welding laboratory at the FURG, located in Rio Grande, RS, Brazil, is compared with numerical ones. One of the drawbacks of birth and death element technique application is the fact that the elements which belong to the intermediate passes have elements of other passes as their boundary neighbors, preventing the radiation effects from being considered. Therefore, results of two algorithms are compared: one of the algorithms adopts the classical method, in which the radiation is impeded by the elements that belong to intermediated passes, whereas the other one enables the radiation effects to happen. Results pointed out some differences which show the importance of the radiation effects on the region of material deposition.