Estudo numérico-experimental para avaliação do campo de temperatura de uma junta soldada do aço API 5L X80

Abstract

No processo de soldagem, o material passa por rápidos ciclos de aquecimento e resfriamento. Podem ocorrer modificações microestrutural nos materiais sujeitos a transformações de fase, resultando em alterações nas suas propriedades mecânicas. O conhecimento do ciclo térmico para um dado ponto da junta fornece informações importantes, tais como a temperatura de pico e a taxa de resfriamento, indicadores de eventuais transformações de fase no material soldado. Neste trabalho foi desenvolvida uma metodologia numérico-experimental para determinar o campo de temperatura gerado pela soldagem de uma junta empregando o processo GMAW. Utilizando o método de elementos finitos através do software comercial ABAQUS, este trabalho realiza uma análise térmica tridimensional de uma junta de topo do aço API 5L X80, de grande aplicação na indústria do petróleo e gás natural, validando o uso deste método numérico para prever o campo de temperatura gerado pela soldagem da junta. Uma subrotina em Fortran foi desenvolvida para modelar a fonte de calor em movimento utilizando a distribuição volumétrica de energia baseada na duplaelipsoide de Goldak. Neste modelo numérico foram incluídos não linearidades no material tais como, propriedades termofísicas (coeficiente de dilatação térmica, calor específico, difusividade térmica e condutividade térmica) dependentes da temperatura, o calor latente do material, junto com complexas condições de contorno térmica (trocas de calor por convecção e radiação) e mecânica. O processo de soldagem simulado foi o GMAW utilizando um arame sólido “evenmatched” (metal de adição) e a mistura 25%CO₂ + 75%Ar como gás de proteção. Os resultados do campo de temperatura obtidos na simulação numérica foram comparados com resultados obtidos experimentalmente utilizando termopares colocados em pontos específicos da chapa para realização da soldagem. A junta soldada é de topo com chanfro em V e ângulo de bisel de 25° e composta de duas chapas de dimensões 150 mm x 80 mm x 7,5 mm. Este modelo mostrou-se viável à aplicação na indústria devido a sua capacidade em prever o campo de temperatura e consequentemente as tensões residuais podendo variar os parâmetros de entrada do processo de soldagem, tais como: corrente, tensão e velocidade de soldagem.