Simulação numérica do processo de soldagem MIG/MAG multipasse de topo em chapas de aço inoxidável 304L utilizando a técnica element birth and death

Abstract

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 ANSYS

c 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.

Welding processes on plates involve complex physical and chemical phenomena which make mathematical modelling difficult. Although coupled thermal-mechanical-metallurgical effects are important, in most cases good results can be found when numerical models based on heat transfer equation and governing equations of the structural behaviour are used. In general, the thermal field is independent of the structural one, allowing the solutions to be carried out in sequence, without the need for coupling. The most appropriate analyses of the welding processes with material deposition have used the element birth and death technique, which considers the activation of elements that belong to the weld bead in a mesh of finite elements, as the heat source moves. In this work, welding numerical analysis of multi-pass butt welds with V chamfer, of AISI 304L stainless steel, using the conventional MIG/MAG process are presented. The plates are 9.6 mm thick, 200 mm long and 50 mm wide. The numerical simulations were performed in ANSYS c Multiphysics software, considering the heat transfers on the surface of the weld pool and material properties as temperature-dependent, for both mechanical and thermal simulations. The moving heat source is the Gaussian type. The fusion zone shape, thermal cycles and final distortion of the plates obtained from the experiments carried out in the Research Laboratory of Welding Engineering (LAPES - FURG) are compared with numerical ones. One of the drawbacks of the simulation of multi-pass welding is the fact that the elements, which belong to the intermediate passes, have elements of other passes as their boundary neighbors, preventing the effects of the heat transfer to environment in this region. Therefore, results of two algorithms are compared: the first one adopts the classic method, where the impediment of these transfers to the environment occurs in intermediate passes, whereas the other one that considers these effects on the surface of the weld bed of each pass. There were differences in the results for the use of two algorithms, concluding that these thermal effects become important in the region of material deposition. In the mechanical analysis, distortion fields are compared with experimental ones, while residual stress fields are compared with the typical behaviour expected for welded plates. Reasonable approximation was obtained for the distortion field and the residual stress presented tensile and compressive behaviour in the expected locations. At the end, several topics are suggested for future research on numerical simulation of welding process using electric arc.