Modelagem da distribuição de temperatura numa junta soldada do aço API 5L X80 com validação do modelo por imagens termográficas

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CAPES
Este trabalho visa realizar estudos de distribuição de temperatura num processo de soldagem com enchimento ao arco elétrico mediante aplicação de uma modelagem matemática e validados com o auxílio de equipamentos de medição de calor que operam no intervalo do espectro da radiação infravermelha. A metodologia numérica baseou-se no método de elementos finitos, suportados pelo software Abaqus 6.12 que permitiu realizar uma análise em três dimensões do calor envolvido neste enchimento. A modelagem da fonte de calor em movimento foi empreendida com base na dupla elipsoide de Goldak e consequente distribuição do volume de energia, onde incluem-se as propriedades termofísicas do material e respectivas condições de contorno inerentes ao sistema. O campo experimental serviu de base para alimentar os dados computacionais e neste, foram utilizados painéis retangulares de aço ASTM A36 medindo 300 mm x 200 mm x 4,76 mm com soldagem por enchimento, sem entalhe no cordão de solda, bem como o uso de painéis retangulares do aço API 5L X80 medindo 150 mm x 80 mm x 7,5 mm com profundidade de chanfro de 4mm, tendo sido realizados em ambos modelos, soldagem com sistema semi-automatizado na posição horizontal 2G, por intermédio do processo de soldagem GMAW (Gas Metal Arc Welding), especificamente MAG (Metal Active Gas). Os estudos para obtenção dos campos de temperatura foram realizados sob diferentes condições de aporte térmico, fazendo-se uso de dois sistemas independentes de termografia infravermelha aplicados na forma passiva: pirômetro e câmera termográfica. A primeira etapa coincide com o uso de ambos os sistemas de instrumentação quando estes, previamente calibrados, norteiam as respostas dos campos de temperatura e em comparação, pode-se validar a câmera termográfica como um instrumento confiável. Nesta fase, a temperatura captada na chapa atinge 670°C (≈ 943 K). A segunda etapa ocorreu em disposição semelhante, sendo captada temperaturas apenas através da câmera termográfica. Os resultados mostram que a chapa alcança a temperatura de 1.045ºC (≈ 1.318 K), sendo possível captar a curva completa do ciclo térmico de soldagem na face oposta ao cordão de solda. Propriedades térmicas dependentes no tempo, bem como, efeitos de mudança de fase foram considerados. Em substituição ao uso de termopares fora assumido aplicar-se a técnica da termografia infravermelha que, comparativamente à modelagem numérica, foram obtidos excelentes graus de coerência na quantificação dos demasiados campos térmicos vigentes na soldagem.
This work aims to conduct temperature distribution studies in a welding process that involves electric arc filling with the use of a mathematical model, where validation was performed with the aid of a heat measurement equipment operating in the infrared spectrum range. The numerical methodology was based on the finite element method, supported by Abaqus 6.12 software, which enabled a three-dimensional analysis of the heat involved in the filling. The modeling of the heat source in motion was based on Goldak's double ellipsoid and the consequent energy volume distribution, including the thermophysical properties of the material and the respective boundary conditions inherent to the system. The experimental field served as a basis for providing the computational data, in which rectangular panels made of ASTM A36 steel measuring 300 mm x 200 mm x 4.76 mm were used with welding by filling, without notch in the weld bead, as well as the use of rectangular panels made of API 5L X80 steel measuring 150 mm x 80 mm x 7.5 mm with a chamfer depth of 4 mm, where semi-automated welding system in the 2G horizontal position have been realized in both models through the GMAW welding process (Gas Metal Arc Welding), specifically MAG (Metal Active Gas). The studies required to obtain the temperature fields were carried out under different thermal input conditions, applying passively two independent infrared thermography systems: pyrometer and thermographic camera. The first step coincides with the use of both instrumentation systems which when previously calibrated, direct the temperature field responses and in comparison, it becomes possible to validate the thermographic camera as a reliable instrument. At this stage, the temperature captured on the plate reaches 670 ° C (≈ 943 K). The second stage occurred in a similar arrangement, with temperatures being captured only through the thermographic camera. The results show that the plate reaches a temperature of 1,045ºC (≈ 1,318 K), making it possible to capture the complete curve of the thermal welding cycle on the opposite side of the weld bead. Time-dependent thermal properties, as well as phase change effects were considered. In substitution to the use of thermocouples, the infrared thermography technique was applied, which, when compared to numerical modeling, demonstrated excellent coherence degrees with respect to other thermal fields in welding.