ANÁLISE DA TEMPERATURA DURANTE A SOLDAGEM CIRCUNFERENCIAL DE TUBOS DE AÇO UTILIZANDO MODELOS BIDIMENSIONAIS E TRIDIMENSIONAIS DE ELEMENTOS FINITOS

Abstract

Steel pipes are commonly used in fluid transport systems and pressurized piping systems. The circumferential butt welding is a common type of joining process in pipe systems. Welding is a reliable and efficient metal joining process in the production of many components and its advantages are high efficiency and low fabrication cost. However, the welding process induces microstructural phase transformation, residual stresses and deformations that can compromise the integrity of welded part. The welding process is a complex problem that involves the coupling of mechanical, thermal and phase transformation phenomena. Numerical models based on the finite element method have become a popular tool for prediction of the welding effects. In order to reduce computer requirements, several authors employ bi-dimensional model considering a rotational symmetry condition (axisymmetric condition). Although axisymmetric model introduces some simplifications, as the application of heat flow simultaneously along the weld circumference, this approach can provide reasonable predictions of the thermal distributions for some situations. In this work bi-dimensional and tridimensional finite element models are used to study the transient temperature distribution prediction of welded pipes. Numerical results obtained with the bi-dimensional and the tri-dimensional models are used to identify conditions where both models furnished similar predictions. For such conditions, results indicate that the bi-dimensional model can be adequately used to predict the transient temperature distribution in welded pipes.

Os tubos são normalmente utilizados nos sistemas de transporte de fluidos e sistemas de tubulação pressurizados. A solda circunferencial de topo é uma forma comum de união nos sistemas de tubulação. Soldagem é um processo de união de metais confiável e eficiente na produção de diversos componentes e possui como vantagens a alta eficiência e baixo custo de fabricação. Entretanto, o processo de soldagem promove em transformações de fase microestruturais, deformações e tensões residuais que podem comprometer a integridade da junta soldada. O processo de soldagem é um problema complexo que envolve o acoplamento de fenômenos mecânico, térmico e transformação de fase. Modelos numéricos baseados no método de elementos finitos tornaram-se uma ferramenta popular na previsão dos efeitos de soldagem. Com o intuito de reduzir os esforços computacionais, diversos autores empregam modelos bidimensionais considerando a condição de simetria rotacional (condição axissimétrica). Embora o modelo axissimétrico introduza algumas simplificações, como a aplicação simultânea da fonte de calor ao longo da circunferência da solda, este método pode fornecer previsões razoáveis das distribuições térmicas para algumas situações. Neste trabalho, modelos de elementos finitos bidimensional (2D) e tridimensional (3D) são utilizados para estudar a previsão da distribuição de temperatura transiente em tubos soldados. Resultados numéricos obtidos com os modelos 2D e 3D são utilizados para identificar as condições onde ambos modelos fornecem previsões similares. Para determinadas condições, os resultados indicam que o modelo 2D pode ser utilizado adequadamente para prever a distribuição de temperatura transiente em tubos soldados.