ROTEIRO PARA ELABORAO DE RELATRIO FINAL DE ATIVIDADES DO ALUNO DE INICIAO CIENTFICA (IC) PIBIC/UFPE/CNPq

IDENTIFICAO

Nome do Orientador: Carlos Augusto do Nascimento OliveiraNome do Aluno: Bruno Rafael do Amaral SilvaTtulo do Projeto: Estudo do Campo de Temperatura em Juntas Soldadas de Materiais Dissimilares

RESUMO DO TRABALHO

Os objetivos e proposta deste trabalho consistem na determinao numrica do campo de temperatura, ciclos trmicos e reparties trmicas de juntas soldadas de materiais dissimilares para optimizao dos parmetros de processos de soldagem, visando sua maior aplicabilidade industrial. Todas as simulaes numricas apresentadas neste estudo foram realizadas atravs de um software baseado no mtodo dos elementos finitos (MEF). Atravs do MEF podem ser considerados alguns aspectos que fazem a modelagem matemtica do processo de soldagem complexa, tais como: as transformaes de fase e as consequentes variaes nas propriedades fsicas e mecnicas dos materiais em funo da temperatura, transitoriedade e velocidade do processo de soldagem e os diferentes mecanismos de troca de calor com o meio (conveco e radiao), todos associados a uma elevada no linearidade.

Sumrio1. INTRODUO32. OBJETIVOS42.1. OBJETIVOS GERAIS42.2. OBJETIVOS ESPECFICOS43. METODOLOGIA53.1. SIMULAO NUMRICA53.2. PROCEDIMENTO DE SOLDAGEM74. RESULTADOS E DISCUSSO85. CONCLUSES156. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS16DIFICULDADES ENCONTRADAS17ATIVIDADES PARALELAS DESENVOLVIDAS PELO ALUNO18

1. INTRODUO

Os processos de soldagem por fuso so amplamente utilizados para a fabricao em diversas aplicaes de engenharia como as indstrias aeroespacial, automotiva e naval. O termo soldagem abrange uma vasta gama de diferentes processos utilizados na fabricao e recuperao de peas. Entre esses processos, a soldagem TIG (Tungsten Inert Gas) que tem por princpio criar e manter um arco eltrico entre um eletrodo de tungstnio no consumvel e a pea, teve grande desenvolvimento na segunda guerra mundial com a necessidade de processos mais eficientes para materiais com baixa soldabilidade, por exemplo, alumnio e magnsio. Na dcada de 40, para resolver o problema trmico, eram propostos mtodos analticos, onde era considerada apenas uma fonte de calor concentrada. Modelos como esses so bem adaptados quando se considera o nfimo tamanho de zona fundida quando comparado s dimenses da pea. As ferramentas de simulao so muito teis para predizer tenses residuais e distores na soldagem na fase inicial do produto e desenvolvimento de processos de soldagem. Contudo, a complexidade dos processos de soldagem e as geometrias reais complexas dos componentes utilizados em engenharia tornaram a previso das tenses residuais em soldagem uma tarefa muito difcil. Neste trabalho foi desenvolvida uma metodologia numrica para determinar o campo de temperatura para uma junta soldada de materiais dissimilares. O modelo numrico se apoia no acoplamento de diferentes fenmenos fsicos de natureza trmica, mecnica e metalrgica. A soldagem TIG realizada em materiais como Ti (Titnio) e Ni (Nquel). Dentre os resultados so observadas as elevadas temperaturas envolvidas com a realizao de juntas entre o Ti e o Ni, o que pode estar relacionado a ajustes no modelo desenvolvido no Abaqus.

2. OBJETIVOS

2.1. OBJETIVOS GERAIS

O objetivo deste trabalho est na determinao numrica do campo de temperatura de juntas soldadas de materiais dissimilares.

2.2. OBJETIVOS ESPECFICOS

Definir os materiais para simulao da soldagem em funo das suas propriedades trmicas e mecnicas. Fazer um levantamento das propriedades dos materiais levando em considerao a emissividade, calor latente, massa especfica, expanso trmica que tm influncia no processo de soldagem. Definio dos parmetros de soldagem. Aplicao do Abaqus como software de simulao de soldagem.

3. METODOLOGIA

A seleo dos materiais levou em considerao a experincia dos pesquisadores envolvidos com o trabalho. Nesta etapa foram avaliados artigos e teses envolvendo a soldagem de materiais como Titnio, Nquel, Alumnio e outros. Durante o desenvolvimento do trabalho foram selecionados os materiais Titnio e Nquel ou as ligas de Ti-Ni. A tabela 1 apresenta as principais propriedades trmicas inerentes ao processo de soldagem e que so necessrios para alimentar a base de dados do software aplicado para a simulao da soldagem.

Tabela 1: Principais propriedades do Ti e Ni (INCROPERA, 1994).

3.1. SIMULAO NUMRICA

A simulao realizada para determinar o campo de temperatura e foi desenvolvida com o uso do software Abaqus. Este software um sistema computacional baseado no MEF (Mtodo de elementos finitos). A anlise realizada consiste em trs etapas distintas: pr-processamento, simulao e ps-processamento, conforme ilustrado na figura 3.1.

Arquivo de sada* .odb/.dat/.res/.fil

Simulao(Abaqus/Standard)Arquivo de entrada* inpPr-processamentoAbaqus/CAEPs-processamento(Abaqus/Viewer)

Figura 3.1: Etapas da modelagem computacional atravs do Abaqus (HIBBIT, 2007)

O Pr-processamento foi realizado atravs do mdulo Abaqus/CAE que consiste de uma interface grfica que permitiu a definio da geometria e gerao da malha de elementos finitos da situao proposta. Tambm foi realizada uma descrio completa do modelo numrico, tais como propriedades fsicas a temperatura. A simulao foi realizada atravs do modulo Abaqus/Standard (mtodo implcito) para obter a soluo numrica do problema. As sadas do modelo foram armazenadas em arquivos binrios do tipo (*.odb/.dat/.res/.fil) prontos para o ps-processamento, onde foram avaliados os resultados aps a simulao utilizando o mdulo Abaqus/Viewer, que permitiu utilizar recursos grficos e de animaes para interpretao dos resultados numricos. As etapas deste estudo so mostradas na figura 3.2.

Figura 3.2: Esquema das etapas de estudo para a modelagem numrica da soldagem (GUIMARES, 2010).

A figura 3.3 apresenta a placa que foi dividida em elementos do tipo DC3D8 para o modelo trmico. A malha teve um maior refinamento na zona fundida (Regio 1) e zona termicamente afetada (Regio 2) por serem regies em que ocorrem os fenmenos de maior importncia na soldagem.

Regio 3Regio 2Regio 1Linha de soldagem

Figura 3.3: Malha e suas regies utilizadas para soluo do problema trmico.Esses elementos so contnuos - 3D, de formulao linear e possuem cada um, 8 ns, conforme mostrado na figura 3.4. Para todos os elementos foram utilizadas espessuras de 1mm, permanecendo sempre 3 elementos ao longo da espessura da placa.

Figura 3.4: Elemento DC3D8 - 8 ns e formulao linear (HIBBIT, 2007)..

3.2. PROCEDIMENTO DE SOLDAGEM

Para a realizao da simulao numrica, o processo de soldagem TIG foi o indicado. Este processo j vem sendo estudado por outros pesquisadores no sentido de realizar soldagem de materiais dissimilares (CARVALHO, 2012). Para facilitar a modelagem da soldagem a posio de soldagem foi plana e a junta foi de topo. Os materiais a serem soldado tinham a forma de placas com de 60 mm x 50mm e 3mm de espessura. A figura 3.1 apresenta o esquema desenvolvido no Abaqus para soldagem das chapas de Ti e Ni.

Figura 4.1: Desenho da chapa de Ti e Ni.

Os parmetros de soldagem foram definidos em funo de pesquisa bibliogrfica (CK WORLDWIDE, INC; K-TIG.). Nesta pesquisa foram identificadas a voltagem e corrente de soldagem recomendadas em funo da espessura do material (CK WORLDWIDE, INC.). Para a nossa pesquisa, com uma chapa de espessura de at 3,0 mm foi selecionada a tenso de 18V. A corrente eltrica foi definida entre 160 e 200 A, sendo a corrente de 160 A usada na simulao de soldagem da junta entre Ti e Ti e Ni e Ni. A simulao de soldagem para juntas entre o Ti e o Ni foi realizada com as tenses de 160, 180 e 200 A. A tabela 2 apresenta os principais parmetros de soldagem aplicados na simulao. A velocidade da soldagem para todos os casos foi de 0,001 m/s e o tempo total da soldagem foi de 50 s.

Tabela 2: Parmetros de aporte trmico utilizados na simulao numricaAporte trmico para juntas Ti-Ni

Corrente (A)Tenso (V)Rendimento (%)Velocidade (m/s)

16018800,001

18018800,001

20018800,001

Aporte trmico para juntas Ti-Ti e Ni-Ni

Corrente (A)Tenso (V)Rendimento (%)Velocidade (m/s)

16018800,001

4. RESULTADOS E DISCUSSO

A soldagem atravs do modelo definido no Abaqus teve durao total de 50 segundos. Foi realizado um passe de soldagem para a junta de Ti-Ti, Ni-Ni e Ti-Ni. A evoluo do cordo de solda para a junta de Ti-Ti apresentada na figura 4.2. Nesta imagem possvel ver a evoluo do cordo de solda para os tempos de 10, 30 e 50 s. A temperatura mxima atingida, no centro do cordo de solda durante a soldagem foi de aproximadamente 4000C.

(a) (b)

(c)Figura 4.2: Evoluo do campo de temperatura [C] para junta Ti-Ti utilizando uma corrente de 160 A e 18 V em funo do tempo de soldagem (a) 10 s; (b) 30 s; (c) 50 s.

A figura 4.3 apresenta a evoluo do cordo de solda para a junta entre Ni-Ni. Nesta etapa do trabalho observou-se que a temperatura mxima no centro do cordo de solda flutuou em torno dos 2000C.

(a) (b)

(c)Figura 4.3: Evoluo do campo de temperatura [C] para o Nquel utilizando uma corrente de 160 A e 18 V em funo do tempo de soldagem (a) 10 s; (b) 30 s; (c) 50 s.

As figuras 4.4 e 4.5 apresentam os ciclos trmicos virtuais para as juntas de Ti-Ti e o Ni-Ni, respectivamente. Nestas figuras so apresentadas trs curvas do ciclo trmico que abordam as distncias de 3 mm, 5 mm e 8 mm do centro do cordo de solda.

Figura 4.4: Ciclos trmicos do Titnio para corrente de soldagem de 160A, de um ponto no centro da chapa, localizado a 3mm, 5mm e 8mm do centro do cordo de solda (Temperatura [C] e tempo [s]).

Figura 4.5: Ciclos trmicos do Nquel para corrente de soldagem de 160A, de um ponto no centro da chapa, localizado a 3mm, 5mm e 8mm do centro do cordo de solda (Temperatura [C] e tempo [s]).

Os grficos apresentados pelas figuras 4.4 e 4.5 mostram que com o aumento da distncia do centro da solda a temperatura mxima atingida diminui. As transformaes da microestrutura e em consequncia as propriedades da junta so determinadas por cada ponto do material nestes ciclos. Para o titnio as temperaturas mximas atingidas foram 1748,406 C; 1274,211 C e 941,512 C para os pontos distanciados a 3 mm, 5 mm e 8 mm respectivamente. Para o nquel as temperaturas mximas aproximadas foram 850,623 C; 667,582 C e 538,017 C. O campo de temperatura e os ciclos trmicos mostram-se com comportamentos bastante satisfatrios com os valores encontrados dentro da literatura.A figura 4.6 mostra a evoluo da temperatura em funo do tempo para os tempos de 10, 30 e 50 segundos. Neste grfico observa-se que com a evoluo do processo de soldagem a temperatura do cordo aumenta, este fato se deve a temperatura de incio da soldagem. No incio da soldagem os materiais encontram-se a temperaturas prximas da temperatura ambiente. O processo de conduo, principalmente, realiza a transferncia de calor para todo chapa. (WAINER, 2004)

Figura 4.6: Evoluo da temperatura pelo tempo de soldagemAs figuras 4.7 a 4.9 mostram a evoluo do campo de temperatura obtido durante a simulao da soldagem entre o Ti e o Ni com as correntes de soldagem de 160A, 180A e 200A. Nestas imagens so apresentados os dados para os tempos de soldagem de 10, 30 e 50 segundos.

(a) (b)

(c)

Figura 4.7: Evoluo do campo de temperatura [C] para uma corrente de 160A em funo do tempo de soldagem (a) 10 s; (b) 30 s; (c) 50 s.

(a) (b)

(c)

Figura 4.8: Evoluo do campo de temperatura [C] para uma corrente de 180A em funo do tempo de soldagem (a) 10 s; (b) 30 s; (c) 50 s.

(a) (b)

(c)

Figura 4.9: Evoluo do campo de temperatura [C] para uma corrente de 200A em funo do tempo de soldagem (a) 10 s; (b) 30 s; (c) 50 s.

O campo de temperatura influenciado pelos parmetros da fonte de calor e pelo aporte trmico de soldagem. Os contornos dos campos so influenciados pela velocidade em que a solda realizada, como mostrado pelas figuras 4.7, 4.8 e 4.9. A velocidade de soldagem foi mantida constante a 1 mm/s e nestas figuras podemos observar que a Zona Termicamente Afetada (ZTA) maior e com maiores temperaturas para junta realizada com a corrente de 200 A, fato que se deve ao maior aporte trmico desta condio. Estas figuras tambm apresentam notvel diferena em relao ao tamanho da ZTA para cada um dos materiais. A ZTA para o Titnio foi maior que a do Nquel e isso ocorre devido as diferenas de propriedades dos materiais em relao a transferncia de calor.As figuras 4.9 a 4.11 apresentam os ciclos trmicos para os materiais dissimilares (Ti e Ni) para as correntes de 160 A, 180 A e 200 A. Para a distncia de 3,0 mm foram encontradas temperaturas mximas de 9589,605 C; 10140,669 C e 10660,890 C para as correntes de 160 A, 180 A e 200 A, respectivamente. Para a distncia de 5 mm do centro do cordo as temperaturas mximas atingidas foram de 6111,856 C para 160 A; 6372,224 C para 180 A e 6610,724 C para 200 A. Essas temperaturas atingiram os valores de 5147,482 C; 5535,331 C e 5524,900 C, para uma distncia de 8,0 mm do cordo de solda. Nesta etapa da simulao foram encontradas temperaturas muito elevadas, o que sugere uma incoerncia no algoritmo estruturado para o procedimento de soldagem.

Figura 4.10: Ciclos trmicos do Ti-Ni para corrente de soldagem de 160A, de um ponto no centro da chapa, localizado a 3mm, 5mm e 8mm do centro do cordo de solda (Temperatura [C] e tempo [s]).

Figura 4.11: Ciclos trmicos do Ti-Ni para corrente de soldagem de 180A, de um ponto no centro da chapa, localizado a 3mm, 5mm e 8mm do centro do cordo de solda (Temperatura [C] e tempo [s]).

Figura 4.12: Ciclos trmicos do Ti-Ni para corrente de soldagem de 200 A, de um ponto no centro da chapa, localizado a 3mm, 5mm e 8mm do centro do cordo de solda (Temperatura [C] e tempo [s]).

A figura 4.13 apresenta a evoluo das temperaturas mximas observadas durante a evoluo do cordo de solda para as trs condies de corrente de soldagem. Como foi observado na simulao para as condies com o Titnio e o Nquel, a temperatura aumenta com o tempo. Uma exceo foi observada para a corrente de 180 A que onde mostrou uma diminuio da temperatura ao fim do perodo de soldagem. Para a solda entre os materiais dissimilares Ti e Ni, as temperaturas da simulao se apresentaram na ordem dos 20.000 C, valor excessivo em relao ao esperado em solda entre estes materiais.

Figura 4.13: Evoluo da temperatura pelo tempo de soldagem para diferentes correntes

5. CONCLUSES

O algoritmo desenvolvido no Abaqus foi eficiente para realizar a soldagem entre juntas de Titnio e juntas de Nquel. As temperaturas obtidas entre as Juntas de Titnio e as Juntas de Nquel se mostram dentro dos valores observados na soldagem de materiais como o ao. Foi observada uma diferena significativa na ZTA para as juntas formadas entre Ti e Ni. Neste caso a ZTA maior no lado da chapa formado pelo titnio. A simulao no Abaqus dos materiais dissimilares (junta entre Ti e Ni) mostrou temperaturas muito elevadas e que no condizem com a literatura.

6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

CARVALHO, Sheila Medeiros. Estudo da soldabilidade a laser e a TIG do titnio comercialmente puro grau 2 empregado em sistemas pneumticos de aeronaves. 158p. Tese (Doutorado em Engenharia de Materiais) Universidade de So Paulo, Lorena, 2012.

CHATTERJEE S. ABINANDANAN T.A., CHATTOPADHYAY K.; Phase formation in Ti/Ni dissimilar welds. Materials Science and Engineering A 490 (2008) 715

CK WORLDWIDE, INC. Technical specifications for tig welding. USA.

HIBBIT, KARLSSON & SORENSON Inc. Abaqus Getting Started with Abaqus Keywords Edition - Verso 6.7. USA. Section 1-4;8-10, 2007.

HIBBIT, KARLSSON & SORENSON Inc. Abaqus / CAE Users Manual - Verso 6.7. USA. Section 1-8, 2007.

INCROPERA F. P. Fundamentals of heat and mass transfer, J. Wyley & Sons, USA, 1994.

GONG Wei-huai, CHEN Yu-hua, KE Li-ming. Microstructure and properties of laser micro welded joint of TiNi shape memory alloy. Trans. Non ferrous Met. Soc. China 21(2011) 2044-2048

GUIMARES, Pablo Batista. Estudo do campo de temperatura obtido numericamente para posterior determinao das tenses residuais numa junta soldada de ao ASTM AH36. 2010. 100p. Tese (Doutorado em Engenharia Mecnica) - Universidade Federal de Pernambuco, Recife, 2010.

MARQUES, Paulo Vilani. Soldagem: Fundamentos e tecnologia. 3. ed. Belo Horizonte: UFMG, 2011.

WAINER, Emilio. Soldagem: Processos e tecnologia. 4. ed. So Paulo: Edgard Blcher LTDA, 2004.

DIFICULDADES ENCONTRADAS

Encontrar as propriedades de cada material usado na simulao em funo de temperatura. Utilizao do programa Abaqus para a simulao numrica.

ATIVIDADES PARALELAS DESENVOLVIDAS PELO ALUNO

Estudo do funcionamento de softwares que utilizam o modelo de elementos finitos

_________________________________________Data e assinatura do orientador

_________________________________________Data e assinatura do aluno