ESTUDO COMPUTACIONAL DA SOLDABILIDADE DE AÇOS PARA REPAROS DE INSTALAÇÕES NUCLEARES

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1 ESTUDO COMPUTACIONAL DA SOLDABILIDADE DE AÇOS PARA REPAROS DE INSTALAÇÕES NUCLEARES Larissa Agrizzi Ronqueti, 1 Darlene Souza da Silva Almeida, 1 Celio de Jesus Marcelo, 1 Carlos Roberto Xavier, 4 Jose Adilson de Castro, 1 Fabiane Roberta Freitas da Silva, 1 1 Universidade Federal Fluminense, Av. dos Trabalhadores, Vila Sta. Cecília, , Volta Redonda RJ. 4 UniFOA Centro Universitário de Volta Redonda, Av. Paulo Erlei Alves Abrantes, Três Poços, , Volta Redonda RJ. Resumo: Neste trabalho propõe-se o estudo da soldabilidade dos aços inoxidáveis austeníticos AISI 316 e AISI 304 através da adptação de um modelo computacional tridimensional e transiente. A aplicabilidade destes aços geralmente envolve processos de soldagem e possuem significativa importância em reparos de instalações nucleares. Aços inoxidáveis austeníticos são ligas Fe-Cr-Ni que apresentam à temperatura ambiente, microestrutura austenítica, baixo limite de escoamento, alto limite de resistência, elevada ductilidade e entre os aços inoxidáveis, os austeníticos são os que apresentam melhor soldabilidade. Visando obter o ciclo térmico de aquecimento e resfriamento destes aços durante o processo de soldagem GMAW, propõe-se uma metodologia que envolve a determinação das propriedades sob condições de soldagem e seus impactos nas peças soldadas através de um código computacional que simula numericamente a evolução dos campos de temperaturas ao longo da soldagem e resfriamento. Sendo assim, considerando aporte térmico de 1,5 kj/mm, termopares foram localizados no interior dos corpos de prova em posições que sofreram históricos de temperaturas distintos. Como resultados, obtiveram-se gráficos de variação da temperatura em função do tempo para diferentes posições dos termopares e da distribuição de temperaturas para as mesmas condições de aporte térmico (1,5 kj/mm) considerando diferentes instantes de tempo. Observa-se que a resposta térmica do aço 304 comparado ao aço 316 é mais rápida devido a sua maior difusividade térmica, resultando em maior temperatura de pico e consequentemente maior taxa de resfriamento local. Além disso, a metodologia apresentada neste estudo pode ser utilizada para determinar condições de aporte térmico mais adequada a cada tipo de aço, objetivando atingir as propriedades mecânicas desejadas. Palavra-chave: aços inoxidáveis austenítico, soldabilidade, simulação computacional. 1. INTRODUÇÃO A energia nuclear tem sido a alternativa mais amplamente utilizada no mundo dentre as fontes de energia limpa e renováveis. Juntamente à evolução desta fonte têm-se estudos de novas técnicas e materiais que tornam o processo cada vez mais seguro, crescendo desta forma, a necessidade de fabricação e manutenção de equipamentos por soldagem. Em usinas nucleares é comum à utilização de aço carbono baixa liga em vasos de pressão (pressurizador, geradores de vapor e vaso de pressão do reator) e de aço inoxidável austenítico em tubulações. Aços inoxidáveis são ligas ferrosas que contêm cromo, comumente, níquel e, em vários casos, outros elementos de liga (Modenesi, 2001). O cromo, presente com teor mínimo de 10 a 12%, é o principal responsável pela resistência à corrosão destes aços, em função da formação de um filme de passivação (camada de óxido de cromo) na superfície, que é aderente, impermeável e praticamente insolúvel em numerosos reagentes. Além da resistência a corrosão é ideal que estes aços apresentem adequada resistência à fluência, desta forma, o níquel além de melhorar a resistência à corrosão em alguns meios, em teores suficientemente elevados tende a alterar a estrutura cristalina do material para austenítica (CFC). Esta mudança de estrutura acarreta mudanças significativas nas características destes aços, influenciando principalmente nas propriedades mecânicas. Elementos como carbono, manganês, silício, nitrogênio, alumínio, molibdênio, nióbio, cobalto, etc... podem ser adicionados intencionalmente para facilitar a fabricação ou para modificar propriedades específicas.

2 Em função da composição química, e após trabalho a quente, a microestrutura do aço inoxidável à temperatura ambiente, dependerá da capacidade de seus componentes em estabilizarem a austenita ou a ferrita. Com base na microestrutura formada os aços inoxidáveis podem ser classificados em quatro principais classes: aços inoxidáveis ferríticos, martensíticos, austeníticos e duplex. Devido ao vasto campo de aplicabilidade e propriedades, neste projeto serão estudados os aços inoxidáveis austeníticos AISI 304 e AISI 316 no processo de soldagem GMAW com modo de transferência pulsado. Segundo Modenesi et. al. (2012) a soldagem GMAW é atualmente o mais importante processo industrial para a união de ligas metálicas, particularmente os aços. Isto porque este processo apresenta diversas vantagens em relação ao processo de soldagem com eletrodos revestidos, entre tais, a possibilidade de ser mecanizada ou automatizada, a sua maior produtividade e maior facilidade de uso. Além disso, a utilização do modo de transferências pulsado gera a redução da entrada de calor no material durante o processo de soldagem, influenciando positivamente na obtenção das propriedades finais do mesmo. Dessa forma, considerando a simulação numérica do processo de soldagem, abordada neste projeto, pode-se reduzir o número de testes para o ajuste das condições de operação, prever um comportamento fiel do processo de soldagem, estudar diversos fenômenos importantes, e realizar comparações de ciclos térmicos de soldagem entre os dois aços inoxidáveis austeníticos, AISI 316 e AISI REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1. Aços inoxidáveis Austeníticos Definidos como ligas Fe-Cr-Ni, embora existam ligas em que parte ou todo o níquel foi substituído por manganês e nitrogênio, contém entre cerca de 6 e 26% de Ni, 16 e 30% de Cr e menos de 0,30% de carbono, e um teor total de elementos de liga de pelo menos, 26% (Modenesi, 2001). Possuem microestrutura predominantemente austenítica e estrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC) na temperatura ambiente. Entretanto, não são endurecíveis por tratamento térmico, sendo que o mecanismo de endurecimento predominante é o encruamento (deformação a frio). Além disso, apresentam baixo limite de escoamento, elevada ductilidade, coeficiente de expansão térmica e resistência mecânica elevados, baixa difusividade térmica e são entre os inoxidáveis, os materiais de melhor soldabilidade e resistência geral a corrosão. Entretanto, pode sofrer corrosão puntiforme ou sob tensão em ambientes contendo cloretos. Considerando o objetivo deste projeto, serão abordados os aços inoxidáveis austeníticos, por apresentarem tenacidade e ductilidade superiores à da maioria dos outros aços, e que são mantidas até temperaturas muito baixas. Estes aços são considerados para estruturas soldadas a serem utilizadas na temperatura de condensação do hélio (4K ou 269ºC), como, por exemplo, a estrutura de magnetos em reatores experimentais de fusão nuclear. Dentre os aços inoxidáveis austeníticos, o AISI 304 e o AISI 316 se destacam por serem empregados em diversas aplicações e mais utilizados entre os aços austeníticos. Apresentam, em geral, características similares, tais como: excelente resistência à corrosão, excelente capacidade de conformação, alto coeficiente de expansão térmica e boa soldabilidade. Entretanto, diferenças expressas entre o AISI 316 e o AISI 304 ocorrem em função da adição do molibdênio na composição química do AISI 316, isso justifica, por exemplo, sua melhor resistência à corrosão e oxidação. Entre tais considerações, estes aços tendem a serem aplicados nos mesmos tipos de indústrias, e suas propriedades físicas e mecânicas estão apresentadas nas Tabelas 1, 2, 3 e 4. Tabela 1. Propriedades físicas do aço inoxidável austenítico AISI 304 (304/304L(UNS S30400, S30403) W. Nr , ). Densidade (g/cm 3 ) Módulo de Elasticidade (GPa) Calor específico (J/kg-ºK) (0-100ºC) Condutividade Térmica (W/m-ºK) (100ºC) 7, ,3 Tabela 2. Propriedades mecânicas do aço inoxidável austenítico AISI 304 (304/304L(UNS S30400, S30403) W. Nr , ). Limite de escoamento a 0,2% Resistência a Tração (MPa) Alongamento (%) Dureza (HB) (MPa) 207 (mín.) 517 (mín.) 40 (mín.) 92 (máx.) Tabela 3. Propriedades físicas do aço inoxidável austenítico AISI 316 (316/316L (UNS S31600, S31603) W. Nr , ). Densidade (g/cm 3 ) Módulo de Elasticidade (GPa) Calor específico (J/kg-ºK) (0-100ºC) Condutividade Térmica (W/m-ºK) (100ºC) 7, ,6

3 Tabela 4. Propriedades mecânicas do aço inoxidável austenítico AISI 316 (316/316L (UNS S31600, S31603) W. Nr , ). Limite de escoamento a 0,2% Resistência a Tração (MPa) Alongamento (%) Dureza (HB) (MPa) 207 (mín.) 517 (mín.) 40 (mín.) 95 (máx.) 2.2. Processo de soldagem GMAW (MIG/MAG) Na soldagem a arco elétrico com gás de proteção (GMAW Gas Metal Arc Welding), um arco elétrico é estabelecido entre a peça e um consumível na forma de arame. O arco elétrico funde continuamente o arame, e o mesmo vai alimentando a poça de fusão. Para proteger o metal de solda da atmosfera utiliza-se um gás de proteção que pode ser inerte (MIG) ou ativo (MAG) (Fortes, 2005). São inúmeras as vantagens deste processo, entre elas: A soldagem pode ser executada em todas as posições, não há necessidade de remoção de escória, alta taxa de deposição do metal de solda, tempo total de execução de soldas é cerca da metade do tempo se comparado ao eletrodo revestido, altas velocidades de soldagem, menos distorção das peças, não há perdas de pontas como no eletrodo revestido, excelente qualidade da solda. Entretanto, apesar de suas vantagens, o processo GMAW apresenta elevada sensibilidade a variações de seus parâmetros operacionais, e consequentemente uma maior dificuldade de ajuste. Neste contexto, fatores como: a composição química do eletrodo e seu diâmetro, a composição do gás de proteção, a configuração geométrica do sistema, as características do metal de base e as características do equipamento podem afetar o processo de soldagem. Existem diferentes maneiras de transferência do metal do arame para a poça de fusão, tais maneiras são definidas como modo de transferência de metal. Os principais modos de transferências metálicas compreendem os modos curtocircuito, globular, spray e pulsado. Os fatores que determinam o modo de transferência de metal são a corrente de soldagem, o diâmetro do arame, o comprimento do arco (tensão), as características da fonte e o gás de proteção Soldabilidade dos aços inoxidáveis austeníticos A soldabilidade dos aços inoxidáveis austeníticos é relativamente boa. A ausência de transformação martensítica durante a soldagem e sua boa tenacidade implica em insensibilidade à fissuração pelo hidrogênio. A sensibilidade à formação de porosidade é baixa e a zona fundida (ZF) tem propriedades relativamente semelhantes às do MB (Modenesi, 2001). Entretanto, a soldagem destes aços pode apresentar problemas como: sensitização, trincas de solidificação e a corrosão sob tensão (Lippold e Kotecki, 2005). Segundo Dias (2005) uma estrutura completamente austenítica tende a formar trincas a quente, que podem se manifestar de diversas maneiras como trincas de cratera, na raiz, na zona termicamente afetada, longitudinais, transversais e mistas. Entretanto, sabe-se, que a suscetibilidade a trincas pode ser significativamente reduzida pela presença de ferrita, em porcentagens superiores a 4% na austenita. De acordo com Modenesi (2001), a estrutura da solda depende da velocidade de resfriamento, da razão Cr/Ni e da composição química, principalmente da adição de outros elementos de liga que afetam na estabilidade relativa das fases. Dessa forma, têm-se elementos estabilizadores da ferrita (Cr, Mo, Si, Nb e Al) e da austenita (Ni, C, N, Mn). Para representar o efeito relativo da adição de elementos na formação de uma fase ou outra se utiliza um diagrama proposto por Schaeffler, representado na Figura 1, que relaciona a microestrutura de um aço trabalhado com a sua composição química. Figura 1. Diagrama de Schaeffler (Retirado de Portal Brasileiro da Soldagem. Coleção tecnológica SENAI, 1997)

4 Segundo Lippold e Kotecki (2005), o diagrama de Schaeffler não considera o efeito do nitrogênio, elemento fortemente formador da austenita, na microestrutura. Entretanto, DeLong propôs, na década 70, uma versão modificada deste diagrama que utiliza um equivalente de níquel similar ao anterior, mas acrescido de um termo igual a trinta vezes o teor de nitrogênio. Sendo assim, objetivando a soldagem de qualidade dos aços inoxidáveis austeníticos, deve-se reduzir o insumo de calor, sem pré-aquecer a junta de solda, objetivando evitar a precipitação de carbonetos; utilizar eletrodos estabilizados ao nióbio, titânio ou com conteúdo extra baixo de carbono (C 0,03%) e selecionar este eletrodo de maneira que a estrutura do metal depositado e diluído corresponda a da zona segura do diagrama de Schaeffler Modelagem e simulação aplicada a processos de soldagem Considerando a simulação numérica para soldagem de materiais, o método dos elementos finitos tem sido o mais difundido entre pesquisadores desta área. Considera-se que para a aplicação deste método, normalmente é necessária a realização de uma análise térmica e, em seguida, uma análise estrutural. Tais considerações são feitas, pois se entende que mudanças no estado mecânico não causam mudanças no estado térmico, ou seja, uma variação na tensão e deformação não causa uma variação na temperatura. Porém, uma mudança no estado térmico causa uma mudança no estado de tensões e deformações (Francis, 2002). Correlacionando a importância dos parâmetros de soldagem com a distribuição e variação da temperatura durante um processo, alguns modelos têm sido formulados. Porém, o modelo de distribuição superficial do fluxo de calor, proposto inicialmente por Pavelic et al. (1969) e posteriormente revisado por Krutz e Segerlind (1978), não representa de forma real o comportamento de um processo de soldagem, pois a distribuição total da energia térmica em uma superfície não considera o efeito ao longo da espessura. Dessa forma, considera-se a formulação de um modelo volumétrico de distribuição de calor, proposto por Goldak et. al. (1984), onde o fluxo de calor é distribuído em uma geometria tridimensional e todos os efeitos na direção dos três eixos são considerados. Este modelo, conhecido como distribuição em duplo elipsoide é constituído por um volume composto por duas semi-elipses, onde uma é representada pela metade frontal à fonte de calor e a outra é representada pela metade traseira à fonte de calor. A Figura 2 mostra este modelo sugerido por Goldak et al. (1984) para a distribuição de densidade de energia ao longo do eixo ξ. Figura 2: Modelo da fonte de calor duplo elipsoide, Goldak e Akhlaghi (2005). Neste trabalho de Goldak et al. (1984), o calor do arco de soldagem em movimento é aplicado como uma fonte de calor volumétrica com uma distribuição em duplo elipsoide seguindo as equações 1 e 2 : A metade frontal à fonte de calor é definida pela equação 1: (1) A metade traseira à fonte de calor é definida pela equação 2: (2) Onde: f f e f r : representam respectivamente as frações de calor depositado nas metades frontal e traseira à fonte de calor; Q: representa a magnitude do aporte térmico por unidade de tempo (Q = ηvi) onde η é o rendimento referente ao processo, V é a tensão em volts e I é a corrente em Ampère;

5 v é a velocidade de soldagem; t é o tempo de soldagem; x 0 é a posição da fonte de calor na direção x quando t é zero (t=0); a f, a r, b e c: são parâmetros que estão relacionados com as características do arco de soldagem, definindo o tamanho e a forma da elipse e, consequentemente, a distribuição do calor através da fonte. Segundo Xavier (2009), Ronda & Olivier (2000) propuseram um modelo termo-mecânico-metalúrgico (TMM), onde neste processo o estado do material pode ser definido por quatro variáveis essenciais: tensão, taxa de deformação, fração de fases e temperatura. Este modelo considera que os fenômenos mais significativos que ocorrem na ZTA são aqueles relacionados à dilatação térmica, às transformações de fases no estado sólido e às transformações induzidas por plasticidade acompanhadas por efeitos de deformação volumétrica, ao aquecimento e resfriamento, às transformações elásticas e inelásticas e à solidificação da poça de fusão. Para a resolução deste modelo TMM, utiliza-se a técnica de elementos finitos. 3. METODOLOGIA 3.1. Materiais A Tabela 5 apresenta a análise química dos aços inoxidáveis austeníticos AISI 316 e AISI 304, analisados neste projeto. Tabela 5. Composição química (% em peso) dos aços inoxidáveis austeníticos AISI 316 e 304. AISI C Mn Si P S Cr Ni Mo Cu N 316 0,0126 1,37 0,443 0,0343 0, ,67 9,91 1,96 0,0931 0, ,0166 1,17 0,486 0,0431 0, ,42 8,08 0,0031 0,0312 0,0623 As dimensões das chapas dos aços inoxidáveis austeníticos AISI 316 e AISI 304 são: - Comprimento: 215 mm - Largura: 64 mm - Espessura: 10 mm 3.2. Processo de Soldagem O processo de soldagem considerado neste projeto é a soldagem GMAW (Gas Metal Arc Welding), com gás de proteção composto de 98% de argônio e 2% de oxigênio, aporte térmico fixo de 1,5 KJ/mm e arame de adição E316L com diâmetro de 1 mm. A Tabela 6 apresenta a composição química do mesmo. Tabela 6: Composição química do arame de adição E316L de acordo com a ESAB (2005) (% em peso). C Cr Ni Mo Mn Si P e S < 0,03 18,0 0,0 11,0 14,0 2,0 3,0 1,0 2,5 0,25 0,6 0,03 O arame de adição E316L é um eletrodo revestido inoxidável de extra baixo teor de carbono, tipo CrNiMo 19/12/3 para soldagem de aços inoxidáveis austeníticos tipo AISI 316, resistente a corrosão por pitting, por soluções de cloretos em suspensão e a formação de carepa até 850ºC. Para a realização deste projeto foi selecionado o modo de transferência pulsado, pois, este pode ser utilizado em aplicações específicas e permite um melhor controle dimensional do material soldado, ou seja, tem-se a possibilidade de controle da corrente média pela variação na frequência de pulsação e a imposição de calor ao material base pode ser distribuída de forma melhor. Além disso, termopares em diferentes posições foram considerados a fim de simular a variação da temperatura em função da posição para os dois aços inoxidáveis austeníticos Modelagem computacional A modelagem computacional aplicada objetiva comparar por meio de simulação numérica os ciclos térmicos de soldagem dos aços inoxidáveis austeníticos AISI 316 e AISI 304 (com aporte térmico de 1,5 KJ/mm), a fim de prever as suas propriedades quando soldados. Este modelo se baseia na resolução da equação diferencial para a conservação da energia (3): (3)

6 Onde: ρ: densidade do aço C p : calor específico k: Condutividade térmica : vetor velocidade da tocha T: temperatura S: termo fonte Entretanto para a solução deste modelo é necessário prever o campo de temperatura acoplado com evolução dinâmica do processo de soldagem e das propriedades termofísicas. A fim de modelar o processo de soldagem, são considerados os fenômenos de transferência de calor por convecção, radiação e condução, acoplados a transferência de massa, fusão e solidificação. As propriedades termofísicas variam em função da composição e dependem da temperatura. Para a modelagem são consideradas as seguintes Condições Térmicas de Contorno: 1) Utilizando o modelo de fonte de calor na forma de duplo-elipsoide, proposto por Goldak et al. (1984), foi considerada a entrada de energia (calor) ao processo de soldagem. Representada pelas equações (1) e (2). 2) No processo de soldagem, a troca de calor na superfície da placa se dá por convecção e radiação, e segue a equação (4), que considera os dois efeitos. Onde: T 0 (temperatura) = 25 C ε (emissividade) = 0,6 σ (constante de Stefan-Boltzman) = 5,67 x10-8 W/(m 2.K 4 ) h (coeficiente de convecção) = 150 W/ (m 2. K) A condição inicial adotada assume que a temperatura de todas as faces será considerada 25 C. A solução para a equação diferencial para a conservação da energia (3) pode ser obtida formulando-a através de volumes finitos em coordenadas generalizadas. Onde a mesma é integrada em um volume de controle arbitrário. Integrando a equação no espaço e no tempo e, posteriormente, fazendo-se os devidos arranjos algébricos, obtemos a equação algébrica, Eq(6), que representa a conservação de energia para um volume de controle discretizado como função das temperaturas dos volumes vizinhos que formam as interfaces com o volume considerado. Os termos da equação (6) representam os fluxos de energia transportada, sendo que seus coeficientes podem ser obtidos através do esquema numérico denominado power law, encontrado na literatura (Patankar, 1979). A solução da equação discretizada é então obtida utilizando o método de varredura linha por linha descrito por Patankar (Patankar, 1979) com auxilio do algoritmo de solução de um sistema tri-diagonal. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO Nesta seção são apresentados resultados de previsão da evolução térmica de chapas utilizadas em ensaios de soldagem para estudo da soldabilidade de aços inoxidáveis. Visando comparar a evolução local de temperaturas no interior do corpo de prova foram localizados termopares no interior dos mesmos em posições que sofrerão históricos de temperaturas distintos. A Fig 3 apresenta um comparativo da evolução temporal das temperaturas nas posições dos termopares(t1 e T3) para os aços 304 e 316, respectivamente. Observa-se que a resposta térmica do aço 304 comparado ao aço 316 é mais rápida devido a sua maior difusividade térmica, resultando em uma temperatura de pico por volta de 50ºC maior e consequente maior taxa de resfriamento local. (4) (5) (6)

7 Figura 3: Variação da temperatura em função do tempo para diferentes posições dos termopares nos aços inoxidáveis austeníticos AISI 304 e AISI 316. a)304 b)316 Figura 4: Distribuição de temperaturas no interior do corpo de prova no estágio inicial de formação do cordão(1s)

8 a) Evolução da formação do cordão no aço 304 b) Evolução da formação do cordão no aço 316 Figura 5: Distribuição de temperaturas no interior do corpo de prova (t=17s) As Figs. 5 (a) e (b) mostram as distribuições de temperaturas para o instante t=17s, que corresponde à chegada do cordão na região de localização do termopar T1. Em linhas gerais a forma da frente térmica mostra-se muito similar, diferindo nas distâncias relativas das superfícies de isovalores.

9 a) 304 (t=34,5s) b) 316 (t=34,5s) Figura 6: Distribuição de temperaturas para os aços 304 e 316 para as mesmas condições de aporte térmico (1,5 kj/mm) As Figs. 6(a) e (b) apresentam os resultados de previsão dos campos de temperaturas no instante t=34,5s para os aços austeníticos 304 e 316, respectivamente. Para estes dois aços a evolução das temperaturas no interior do corpo de prova apresenta similaridade, porem com valores distintos e taxas de aquecimento e resfriamento levemente diferentes, o que pode ser importante para evitar formação de fases deletérias. A metodologia apresentada neste estudo pode ser, portanto utilizada para determinar condições de aporte térmico mais adequadas a cada tipo de aço.

10 a) 304 b)316 Figura 7: Distribuição de temperaturas para os aços 304 e 316 para as mesmas condições de aporte térmico (1,5 kj/mm) no instante t=52s De forma análoga, as Figs 7(a) e (b) apresentam os campos de temperaturas para os aços 304 e 316 para o instante t=52s. Observa-se o avanço da frente de aquecimento enquanto o resfriamento encontra-se pronunciado nos pontos onde os efeitos da fonte de calor já não são relevantes. Deve-se ressaltar que essencialmente as diferenças tanto do histórico de aquecimento quanto resfriamento para os dois aços são devidas a suas propriedades termofísicas, que embora pareçam pequenas podem ter papel relevante para a formação de fases deletérias dependendo do aporte térmico. Nas Figs. 8(a) e(b) mostra-se instantes após cessar a fonte de calor e se estabelecer regime de resfriamento em toda a peça. Observa-se que nas regiões próximas das bordas experimentam condições de resfriamento mais severas.

11 a) 304(resfriamento) b) 316(resfriamento) Figura 8: Distribuição de temperaturas para os aços 304 e 316 para as mesmas condições de aporte térmico (1,5 kj/mm) no instante t=69s 5. CONCLUSÃO Neste estudo um modelo tridimensional e transiente foi adaptado para simular as condições de soldagem nos aços inoxidáveis austeníticos AISI 304 e AISI 316. Com este modelo pontos no interior da peça são monitorados e ajustes no aporte térmico podem ser providenciados visando obter o ciclo térmico de aquecimento e resfriamento ideal para conferir as propriedades mecânicas desejadas, além disso, o modelo é capaz de prever numericamente a evolução dos campos de temperaturas ao longo da soldagem e resfriamento. Os resultados de previsão dos campos de temperaturas para diferentes instantes de tempo nestes dois aços demonstram que o histórico de aquecimento e resfriamento no interior dos corpos de prova apresenta similaridade. Porém, deve-se considerar que as pequenas diferenças no histórico de aquecimento e resfriamento destes materiais ocorrem em função de suas propriedades termofísicas, que podem ter papel relevante para a formação de fases deletérias dependendo do aporte térmico. Além disso, constata-se que a resposta térmica do aço 304 comparado ao aço 316 é mais rápida devido a sua maior difusividade térmica, resultando em uma temperatura de pico por volta de 50ºC maior e consequente maior taxa de resfriamento local.

12 6. REFERÊNCIAS Dias, A. O., Análise da Influência dos Parâmetros de Pulsação na Soldagem do Aço Inoxidável AISI 304 Através do Arame Tubular AWS E316LT1-4, 2005, Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Itajubá, Minas Gerais. Fortes C., 2005, Soldagem MIG/MAG, Assistência técnica consumíveis ESAB BR. p Disponível em: < Francis, J. D., 2002, Welding Simulations of Aluminum Alloy Joints by Finite Element Analysis. Dissertação de Mestrado. Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University. Goldak, J.; Chakravarti, A.; Bibby, M., 1984, A New Finite Element Model for Welding Heat Sources, Mettalurgical Transactions B, v. 15B, pp Goldak, J. A.; Akhlaghi, M., 2005, Computatiol Welding Mechanics, Springer. Krutz, G.W.; Sergerlind, L.J., 1978, Finite element analysis of welded structures, Welding Journal Research Supplement, Vol. 57. Lippold, J.C., Kotecki, D. J., 2005, Welding Metallurgy and Weldability of Stainless Steels, editora John Wiley & Sons, EUA. Modenesi, P. J., 2001, Soldabilidade dos Aços Inoxidáveis, Coleção Tecnologia da Soldagem, Vol. 1, SENAI-SP, São Paulo, Brasil. Modenesi P. J., Matildei S., Cançado G. L. Q., Melo C. E. D., 2012, Um programa de computador para simular alguns aspectos operacionais da soldagem MIG/MAG, vol.17, São Paulo, Brasil. O portal brasileiro da soldagem, 1997, Soldabilidade dos aços inoxidáveis, Soldagem Coleção tecnológica SENAI 1ª ed. Disponível em: < soldabilidade-dos-acos-inoxidaveis.html> Patankar, S.V., 1979, Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. McGraw-Hill.USA. Pavelic, V., Tanbakuchi, R., Uyehara, O. A., Myers, 1969, Experimental and computed temperature histories in gas tungsten arc welding of thin plates, Welding Journal Research Supplement, Vol. 48. pp 295s-305s. Ronda, J., Olivier, G. J., 2000, Consistent Termo-Mechano-Metallurgical Model of Welded Stell with Unified Approach to Derivation of Phase Evolution Laws and Transformation-Induced Plasticity, Computer Methods in applied Mechanics and Engineering, v. 189.p Xavier, C. R., 2009, Simulação numérica da soldabilidade dos aços ferríticos T/P23 e T/P24, Dissertação (Mestrado em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais), Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre RS, Brasil. 7. RESPONSABILIDADE AUTORAL Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo deste trabalho. COMPUTATIONAL STUDY OF WELDABILITY OF STEELS FOR REPAIR OF NUCLEAR INSTALLATIONS Larissa Agrizzi Ronqueti, larissa_agrizzi@yahoo.com.br 1 Darlene Souza da Silva Almeida, darlene.s.s@hotmail.com 1 Celio de Jesus Marcelo, celiomarcelo@ig.com.br 1 Carlos Roberto Xavier, xavier@metal.eeimvr.uff.br 4 Jose Adilson de Castro, joseadilsoncastro@id.uff.br 1 Fabiane Roberta Freitas da Silva, fabiane.roberta@gmail.com 1 1 Universidade Federal Fluminense, Av. dos Trabalhadores, Vila Sta. Cecília, , Volta Redonda RJ. 4 UniFOA Centro Universitário de Volta Redonda, Av. Paulo Erlei Alves Abrantes, Três Poços, , Volta Redonda RJ. Abstract. In this work we propose to study the weldability of austenitic stainless steel AISI 316 and AISI 304 through the adaptation of a three dimensional and transient computational model. The applicability of these steels usually involves welding processes and have significant importance in repairing nuclear installations. Austenitic stainless steels are Fe-Cr-Ni alloys that exhibit at room temperature an austenitic microstructure, a low yield strength, a high tensile strength, a high ductility and among stainless steels, austenitic grades are the ones that have better weldability. In order to obtain the thermal cycle of heating and cooling of these steels during GMAW welding process, we propose a methodology that involves the determination of the properties under welding conditions and their impact on weldments through a computer code that numerically simulates the evolution of temperature field along the welding and cooling. Thus, considering the heat input of 1.5 kj / mm, thermocouples were located inside the specimens in positions that experienced distinct historical temperatures. As a result, we obtained graphs of temperature versus time for different

13 positions of the thermocouples and temperature distribution for the same conditions of heat input (1.5 kj / mm) considering different time instants. It is noted that the thermal response to 304 compared to 316 is faster due to its higher thermal diffusivity, resulting in higher peak temperature and consequently higher rate of local cooling. Furthermore, the methodology presented in this study can be used to determine the most suitable conditions for each type of steel heat input, aiming to achieve the desired mechanical properties. Keyword : austenitic stainless steels, weldability, computer simulation.