TRATAMENTO TÉRMICO PÓS-SOLDAGEM PARA ALÍVIO DE TENSÕES RESIDUAIS EM CHAPAS DE AÇOS SOLDADAS: MODELAGEM E ANÁLISE EXPERIMENTAL
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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA CELSO SUCKOW DA FONSECA
Resumo
Welding is the main method among fabrication processes available for joining mechanical elements. It is a complex process where localized intensive heat input is furnished to a piece promoting mechanical and metallurgical changes. Phenomenological aspects of welding process involve couplings among different physical processes and its description is unusually complex. Basically, three couplings are essential: thermal, phase transformation and mechanical phenomena. Among the disadvantages related to the welding processes is the generation of the residual stress due to the thermal gradient imposed to the workpiece in association to geometric restrictions. In the presence of tensile stresses promoted by the operational loading conditions, both stresses are added resulting in much higher tensile stress levels than the ones predicted. The present contribution regards on study post weld heat treatments (PWHT) for residual stress relieving in welded steel plates using experimental analysis and a numerical model. First experimental analysis is used to assess the temperature evolution during welding using thermocouples and an infrared camera. The obtained experimental data is used to calibrate a coupled bidimensional thermo-elastoplastic finite element model with temperature-dependent thermomechanical properties. This parametric model is used to study the effect of the PWHT on the residual stresses of welded steel plates. Results indicate that the temperature levels of the PWHT affect the values of residual stresses. The proposed methodology can be used in complex geometries as a powerful tool to study and adjust PWHT parameters to minimize residual stresses on welded mechanical components.
Soldagem é o principal método entre os processos de fabricação disponíveis para unir elementos mecânicos. É um processo complexo onde um aquecimento localizado é fornecido a uma peça promovendo alterações mecânicas e metalúrgicas. Aspectos fenomenológicos do processo de soldagem envolvem o acoplamento entre diferentes processos físicos e sua descrição é bastante complexa. Basicamente, três acoplamentos são essenciais: térmico, transformação de fase e fenômenos mecânicos. Entre as desvantagens relacionadas com os processos de soldagem está a geração de tensões residuais devido ao gradiente térmico imposto à peça em associação com restrições geométricas. A presença de tensões residuais pode comprometer a integridade estrutural dos componentes mecânicos submetidos a carregamentos de fadiga. Na presença de tensões geradas pela condição de carregamento operacional, as tensões residuais podem ser adicionadas a estas resultando em níveis de tensão mais elevados do que o esperado. A presente contribuição apresenta um estudo do tratamento térmico pós-soldagem para alívio de tensões (TTAT) em chapas de aço soldadas utilizando análise experimental e um modelo numérico. A análise experimental é utilizada para avaliar a evolução da temperatura durante a soldagem utilizando termopares e uma câmera infravermelha. Os dados obtidos nos ensaios experimentais são usados para calibrar um modelo baseado no método de elementos finitos termo-elastoplástico acoplado bidimensional com propriedades termomecânicas dependentes da temperatura. Este modelo paramétrico é usado para estudar a efeito do TTAT sobre as tensões residuais de chapas de aço soldadas. Os resultados mostram que os níveis de temperatura do TTAT afetam os valores de tensões residuais. A metodologia proposta pode ser usada em geometrias complexas como uma ferramenta poderosa para ajustar os parâmetros de TTAT para aliviar as tensões residuais em componentes mecânicos soldados.
Soldagem é o principal método entre os processos de fabricação disponíveis para unir elementos mecânicos. É um processo complexo onde um aquecimento localizado é fornecido a uma peça promovendo alterações mecânicas e metalúrgicas. Aspectos fenomenológicos do processo de soldagem envolvem o acoplamento entre diferentes processos físicos e sua descrição é bastante complexa. Basicamente, três acoplamentos são essenciais: térmico, transformação de fase e fenômenos mecânicos. Entre as desvantagens relacionadas com os processos de soldagem está a geração de tensões residuais devido ao gradiente térmico imposto à peça em associação com restrições geométricas. A presença de tensões residuais pode comprometer a integridade estrutural dos componentes mecânicos submetidos a carregamentos de fadiga. Na presença de tensões geradas pela condição de carregamento operacional, as tensões residuais podem ser adicionadas a estas resultando em níveis de tensão mais elevados do que o esperado. A presente contribuição apresenta um estudo do tratamento térmico pós-soldagem para alívio de tensões (TTAT) em chapas de aço soldadas utilizando análise experimental e um modelo numérico. A análise experimental é utilizada para avaliar a evolução da temperatura durante a soldagem utilizando termopares e uma câmera infravermelha. Os dados obtidos nos ensaios experimentais são usados para calibrar um modelo baseado no método de elementos finitos termo-elastoplástico acoplado bidimensional com propriedades termomecânicas dependentes da temperatura. Este modelo paramétrico é usado para estudar a efeito do TTAT sobre as tensões residuais de chapas de aço soldadas. Os resultados mostram que os níveis de temperatura do TTAT afetam os valores de tensões residuais. A metodologia proposta pode ser usada em geometrias complexas como uma ferramenta poderosa para ajustar os parâmetros de TTAT para aliviar as tensões residuais em componentes mecânicos soldados.