Simulação por elementos finitos das tensões residuais no processo de soldagem a arco de chapas de aço - Galardo Junior, Marcio Romero (2022)
A análise de tensões residuais em chapas soldadas vem sendo cada vez mais discutida, devido a sua importância nos setores da indústria Metal-Mecânica tais como automobilístico, naval, siderúrgico, entre outros. As tensões residuais são decorrentes dos ciclos térmicos promovidos pelo intenso aporte de calor durante as etapas de soldagem e resfriamento de uma estrutura até a temperatura ambiente, os quais, associados às restrições geométricas e as transformações de fases, provocam distorções devido a deformações plásticas que tem lugar na estrutura. Na presente dissertação, foi realizado um estudo numérico para identificar e avaliar os principais fatores que influenciam as tensões residuais durante o processo de soldagem TIG (Tungsten Inert Gas) de chapas de aço carbono. Em primeiro lugar, são apresentados os modelos computacionais desenvolvidos para avaliação dos efeitos mecânicos, térmicos e metalúrgicos. Para tal, foi adotado o programa comercial de elementos finitos ABAQUS/Standard, por meio de sub-rotinas em Fortran para a consideração do termo fonte da tocha, com uma configuração de um duplo elipsoide conforme o modelo proposto por Goldak (1984). Ademais, os mecanismos de transferência de calor por radiação e convecção foram considerados nas análises dos campos térmicos. Foram desenvolvidos modelos em três dimensões de uma chapa considerando-se um plano de simetria, com soluções desacopladas para os campos de temperaturas e tensões e deformações. As propriedades físicas e mecânicas foram consideradas em função da temperatura de acordo com os dados disponíveis na literatura para um aço baixo carbono (S15C) e um outro aço médio carbono (S45C). Os efeitos de encruamento em função da temperatura foram considerados assumindo primeiro a hipótese de comportamento elasto-plástico perfeito e, em seguida, por meio de curvas de encruamento não-linear. Os efeitos devido a transformação de fases austenita-martensita foram considerados modelo de Lee e Van Tyne por meio de uma sub-rotina UEXPAN do programa ABAQUS/Standard, na qual, são descritos os efeitos de variações de deformação volumétrica associada com a transformação de fases. As previsões numéricas demonstraram que os parâmetros de processo que tem maior influência nas tensões residuais são a velocidade e eficiência da tocha. O aço S45C com maiores níveis de tensão de escoamento apresentou maiores valores de tensões residuais trativas em regiões próximas ao cordão de solda. Os efeitos de transformação de fases austenita-martensita devem ser considerados nas simulações, sobretudo, do aço com médio carbono (S45C) para o qual foram previstas tensões trativas na direção de soldagem nas regiões próximas ao cordão.