21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais 09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil

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1 ANÁLISE NUMÉRICA DA INFLUÊNCIA DA CORRENTE DE SOLDAGEM NO CAMPO DE TEMPERATURA GERADO PELA SOLDAGEM DE UMA JUNTA DE TOPO DO AÇO API 5L X80 SOLDADA PELO PROCESSO GTAW. T. de S. Antonino 1, 2, R. dos S. Oliveira 1, E. da S. Nascimento 1, R. de S. Pereira 1, P. B. Guimarães 1, J. D. de Lira Junior 1, R. de A. Alécio 2, E. F. Rocha 2, R. A. S. Ferreira 2, Y. P. Yadava 2, J. M. de Sousa 2. Universidade Federal de Pernambuco, Departamento de Engenharia Mecânica, Avenida Professor Hélio Ramos s/n, Cidade Universitária, CEP: , Recife- PE. 1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Pernambuco, Campus Recife, Coordenação do Curso Técnico em Mecânica. 2 Universidade Federal de Pernambuco, Departamento de Engenharia Mecânica. RESUMO Neste trabalho foi estudada a influência da corrente de soldagem no campo de temperatura gerado pela soldagem de uma junta de topo do aço ARBL API 5L X80 através do método numérico de elementos finitos utilizando o software comercial ABAQUS. Uma subrotina em Fortran foi desenvolvida para modelar a fonte de calor em movimento utilizando a distribuição volumétrica de energia proposta por Goldak, além de considerar a variação das propriedades termofísicas do metal de base com a temperatura. O processo de soldagem simulado é o GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) sem material de adição. Os Resultados da simulação numérica mostraramse semelhantes com aqueles obtidos na literatura. Palavras-chave: Aço ARBL API 5L X80, Soldagem, Campo de Temperatura, Simulação Numérica. 6404

2 INTRODUÇÃO A soldagem é um processo de grande relevância para a indústria, como exemplo, a indústria do petróleo, e pode ser definida como processo de união que visa obter a coalescência localizada produzida pelo aquecimento até uma temperatura adequada, com ou sem a aplicação de pressão e de metal de adição (1). O aço ARBL API 5L X80 (2) é microligado e apresenta, em sua forma original mais simples, uma microestrutura típica de ferrita perlita. Sua composição química é similar a de um aço de baixo carbono, mas com microadições de elementos de liga de aproximadamente 0,1% (Nb+Ti+V) para garantir propriedades mecânicas superiores as dos aços comuns (3). O método numérico de elementos finitos (MEF) pode prever o campo de temperatura ao longo do componente soldado. A parte desafiadora de fornecer resultados numéricos precisos reside na aquisição de um conjunto de propriedades do material que reflitam o comportamento do componente modelado. Se, na simulação numérica, este conjunto de propriedades está disponível e a malha gerada tem refinamento suficiente, o campo de temperatura e, consequentemente, as tensões residuais devido à soldagem, podem ser obtidos com precisão ao longo do modelo, tornando o método de elementos finitos altamente eficaz (4). MATERIAIS E MÉTODOS Para o presente trabalho foi utilizado o aço ARBL API 5L X80, de grande aplicação na indústria do petróleo. A composição química deste material é mostrada na Tab. 1. Tabela 1 - Composição química do aço API 5L X80, % massa (2). C S N Al Si P Ti V 0,03 0,003 0,0054 0,027 0,21 0,013 0,017 0,023 Cr Mn Ni Cu Nb Mo B Ca 0,158 1,78 0,013 0,008 0,071 0,183 0,0001 0,0032 A modelagem computacional foi realizada utilizando o software comercial ABAQUS que é baseado no método de elementos finitos (MEF). 6405

3 A junta modelada é de topo, sendo composta por 2 chapas do aço apresentado, com dimensões 60mm x 50mm x 3mm. As transformações de fase no estado sólido serão consideradas e na análise térmica, além da transferência de calor por condução, foram levadas em conta as perdas de calor por convecção natural Eq. (1) e por radiação Eq. (2). (1) (2) Onde h C é o coeficiente de convecção térmica, T a temperatura, T a temperatura ambiente, σ o coeficiente de Stefan Boltzmann (5,67 x 10-8 Wm -2 K -4 ) e ε a emissividade térmica. Os valores de h C e ε foram obtidos experimentalmente como sendo 10Wm -2 K -1 e 0,7, respectivamente. Os valores do coeficiente de dilatação térmica (α), calor específico (c p ), difusividade térmica (λ) e codutividade térmica (k) do aço API 5L X80, em função da temperatura, foram obtidos experimentalmente (5). O elemento usado na malha do modelo de elementos finitos é o DC3D8, sendo um elemento tri-dimensional de geometria cúbica com oito nós cada um. Como modelo de fonte de calor de soldagem foi utilizado a dupla elipsoide de Goldak (6, 7). Este modelo é o mais preciso para simular o comportamento do processo em 3 dimensões. Foram simulados três casos, todos com tensão de 24V, velocidade de 1mm/s e correntes de 70, 80 e 90A. A Fig. 1 mostra os pontos utilizados para o levantamento dos ciclos térmicos. Estes pontos apresentam distâncias de 0, 2, 7 e 13mm do centro do cordão. Figura 1 Localização dos pontos para obtenção dos ciclos térmicos. 6406

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO Fig. 2. Os campos de temperaturas para os três casos estudados são mostrados na a) b) Figura 2 - Campo de temperatura da junta do aço ARBL API 5L X80 em função da corrente para um comprimento de cordão de 30mm. a) 70A, b) 80A e c) 90A. O campo de temperatura gerado pela soldagem de uma junta é influenciado pelos parâmetros da fonte de calor, aporte térmico de soldagem, velocidade de soldagem e as propriedades termofísicas do metal de base. A velocidade de soldagem empregada na simulação foi de 1 mm/s e conforme mostrado pela Fig. 2 pode-se observar que a Zona Termicamente Afetada (ZTA) é maior e possui maiores temperaturas para a corrente de 90A, devido seu maior aporte térmico. O c) 6407

5 aumento da corrente de soldagem além de gerar campos de temperatura maiores, e assim, produzindo uma maior Zona Termicamente Afetada (ZTA), provoca também um resfriamento da junta mais lento. Através do aumento da velocidade de soldagem os contornos das isotermas tendem a se alongar mais em direção ao sentido contrario a soldagem, afetando uma zona menor (8). Entretanto neste trabalho a velocidade de soldagem foi mantida constante A Fig. 3 mostra os ciclos térmicos referentes a cada corrente simulada. a) b) Figura 3 Esquemas dos ciclos térmicos em pontos situados na ZF e na ZTA da chapa do aço ARBL API 5L X80 em função da corrente. a) 70A, b) 80A e c) 90A. Pode-se observar na Fig. 3 que a medida que o ponto se afasta do centro a temperatura de pico diminui. Outro fator a ser observado são as curvas de resfriamento as quais são inversamente proporcionais as correntes usadas, ou seja, quanto maior for a corrente, mais lento será o resfriamento. c) 6408

6 Temperatura [ C] Temperatura [ C] Temperatura [ C] 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais Fig. 4. As curvas de repartição térmica para cada caso estudado são mostradas na A A Distância [mm] Distância [mm] a) b) A Distância [mm] c) Figura 4 Curvas de repartição térmica para os três casos estudados: a) 70A, b) 80A e c)90a. Resultados semelhantes aos obtidos neste trabalho foram encontrados por Attarha e Sattari Far (2011), estudando o campo de temperatura gerado pela soldagem de uma junta de topo de um aço carbono utilizando o processo GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) sem metal de adição (9). O mesmo comportamento foi encontrado por Shan et al. (2009), estudando o campo de temperatura gerado pela soldagem de uma junta de topo do aço inoxidável AISI 316L utilizando o processo de soldagem GTAW com material de adição (10). 6409

7 CONCLUSÃO O método de elementos finitos mostrou-se como uma ferramenta que pode ser utilizada para otimização dos parâmetros de soldagem. Os campos de temperatura e ciclos térmicos mostraram comportamentos bastante satisfatórios quando comparados com aqueles encontrados dentro da literatura, podendo servir assim de base para obtenção do campo de tensões residuais. O aumento da corrente gera campos de temperaturas maiores, e assim, produzindo uma maior ZTA e um resfriamento mais lento. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) AWS AMERICAN WELDING SOCIETY. Weldability, Welding Metallurgy, and Welding Chemistry (2) API- AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. Specification for line pipe API 5L. 44º Ed., (3) HIPPERT JR., E. Investigação Experimental do Comportamento Dúctil de Aços API-X70 e Aplicação de Curvas de Resistência J-Δa para Previsão de Colapso em Dutos Tese (Doutorado em Engenharia Naval e Oceânica) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, Departamento de Engenharia Naval e Oceânica. (4) HANSEN, J. L. Numerical Modelling of Welding Induced Stresses Ph.D. thesis - Technical University of Denmark, Department of Manufacturing Engineering and Management. (5) ANTONINO, T. S.; GUIMARÃES, P. B.; ALÉCIO, R. A.; YADAVA, Y. P.; FERREIRA, R. A. S. Measurements of the Thermophysical Properties of the API 5L X80 Steel. Materials Sciences and Applications. P , (6) GOLDAK, J. A.; AKHLAGHI, M. Computational Welding Mechanics. Spring New York (7) GOLDAK, J.; CHAKRAVARTI, A. A new finite element model for welding heat sources. Metallurgical Transactions. Vol. 15, p , (8) CHON, L. T.; CHIN, M. T. Heat Flow in Fusion Welding - Engineering Solutions and Empirical Correlation. ASM Handbook. Vol. 6, p , (9) ATTARHA, M. J.; SATTARI-FAR, I. Study on welding temperature distribution in thin welded plates through experimental measurements and finite element simulation. Journal of Materials Processing Technology. P , (10) SHAN, X.; DAVIES, C. M.; WANGSDAN, T.; O DOWD, N. P.; NIKBIN, K. M. Thermo-mechanical modelling of a single-bead-on-plate weld using the finite element method. International Journal of Pressure Vessels and Piping. P ,

8 NUMERICAL ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF WELDING CURRENT IN THE TEMPERATURE FIELD GENERATED BY WELDING OF A API 5L X80 STEEL BUTT JOINT WELDED BY GTAW PROCESS. ABSTRACT In this work the influence of welding current was studied in the temperature field generated by welding of a HSLA steel API 5L X80 butt joint through a numerical finite element method using the commercial software ABAQUS. A subroutine in Fortran was developed to model the heat source moving using the volumetric energy distribution proposed by Goldak, and to consider the change in thermophysical properties of the base metal with temperature. The welding process simulated is the GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) without filler material. Results of the numerical simulation were similar to those obtained in the literature. Key-words: HSLA API 5L X80 steel, Welding, Temperature Field, Numerical Simulation. 6411