6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO
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6 BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING
11 a 15 de abril de 2011 – Caxias do Sul – RS - Brasil
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April 11 to 15 , 2011 – Caxias do Sul – RS – Brazil
ESTUDO DAS DISTORÇÕES OCASIONADAS PELO PROCESSO
SOLDAGEM VIA ELEMENTOS FINITOS
Douglas Bezerra de Araújo, [email protected]
Louriel Oliveira Vilarinho, [email protected]
Diandro Bailoni Fernades, [email protected]
1Universidade Federal de Uberlândia
2
Universidade Federal de Uberlândia
3
Universidade Federal de Uberlândia
Resumo: Durante o processo de soldagem é comum o aparecimento de distorções das estruturas que estão sendo
confeccionadas, principalmente de grandes estruturas como, por exemplo, a fabricação de navios. Desta forma, tornatorna
se relevante um estudo mais detalhado das causas e conseqüências destes tipos de problemas. Já que isto pode
aumentar em muito os custos financeiros e de tempo da fabricação de tais embarcações. O recente trabalho tem como
o objetivo explorar detalhadamente fatores que causam estes problemas. Por meio da análise de elementos finitos foi
possível verificar a influência das restrições da chapa nas distorções do material pelo qual está sendo soldado.
Palavras-chave: Distorções,construção
construção de navios
1. INTRODUÇÃO
O processo de soldagem é o principal fator naa construção de estruturas metálicas tais como navios, pontes,
máquinas entre outros. Entretanto, este processo está intimamente associado à ocorrência de distorções, que podem ser
definidas como a expansão não uniforme e a contração do cordão de solda e do
do metal de base adjacente durante o ciclo
de aquecimento e resfriamento do processo de soldagem (VERHAEGHE,1999; ANDERSON, 2003; KOU, 2003;
DENG E MURAKAWA, 2008; WANG ET AL., 2008). Este tipo de problema pode além de degradar o desempenho da
estrutura comoo também aumentar o seu custo. Desta forma, torna-se
torna se imprescindível um estudo mais detalhado das
distorções em estruturas soldada.
Estas distorções podem ser classificadas em contração longitudinal e transversal, distorção rotacional,
distorção angular, distorção
istorção por arqueamento e distorção por flambagem. E são vários os fatores que as afetam, entre
elas o processo (COLEGROVE et al. ,2009), o calor imposto (RADAJ, 2003),, os parâmetros de soldagem (VEL
MURTUGAN E GUNARAJ, 2005), valores e tipos de restrições
restriçõ (TENG et al., 2001; JUNG E TSAI, 2004; SCHENK
et al., 2009; WANG et al., 2009), propriedades mecânicas e térmicas do material (MIKAMI et al., 2009) e geometria da
junta e da chapa (ALLEN, 2004).
Com o objetivo de se fazer um estudo mais detalhado na formação
formação das distorções em juntas soldadas em “T”,
foi utilizado a técnica de elementos finito. Através deste método, tem-se
se uma maior compreensão dos fatores mais
influentes e detalhes internos do material, quando este é aquecido e deformado plasticamente.
2. METODOLOGIA
Este trabalho é realizado através de um software comercial de elementos finitos (Ansys), e é composto de um
acoplamento de duas análises,, uma seria a análise térmica onde ocorre aquecimento e a dissipação do calor na peça e a
outra seria a análise estrutural, onde através dos resultados da primeira análise é possível observar a dilatação e a
contração de forma não homogênea no material, trazendo assim conseqüentemente uma deformação desigual em todo
material e geração de tensões.
3. ANÁLISE TÉRMICO-ESTRUTURAL
ESTRUTURAL
Na análise numérica de distorções e tensões residuais térmicas faz-se
faz se o acoplamento da análise térmica com a
análise estrutural. O campo de temperatura é calculado independentemente das tensões residuais e das distorções.
Porém, as tensões
ões residuais térmicas e as distorções são dependentes do campo de temperatura (Fig.1).
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ssociação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011
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Figura 1. Fluxograma ilustrando os tipos de análises e a conexão entre ambas as análises.
3.1. Análise Térmica
O material utilizado em todo trabalho será o aço AH36 (Fig.2), um aço muito usado na construção naval.
Figura 2. Propriedades térmicas do aço AH36 (TSIRKAS S.A., PAPANIKOS P., KERMANIDIS T. 2002)
O elemento utilizado foi o PLANE77. É o elemento de maior ordem para análise térmica 2D. Primeiramente
utilizou-se uma malha regular com o elemento de 0.001 x 0.001 m para todo o corpo de prova (Fig.3). Ao se tentar
utilizar uma malha mais fina não se observou diferença no resultado da simulação.
A análise é do tipo transiente através de dois passos. O primeiro é a aplicação de uma temperatura na área do
cordão de solda do tipo “ramped”. Esta abordagem representa carregamentos aplicados e/ou modificados de forma
instantânea no tempo e permanece constante até o fim do carregamento. O segundo passo representa o instante no qual
a temperatura será desligada, permanecendo somente o resfriamento por convecção natural e condução, como mostrado
na Fig. 3.
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As condições de contorno do problema são dadas com convecção nas extremidades do corpo de prova e de
temperatura na área do cordão (Fig. 3). O valor da temperatura imposta é de 1500°C durante 0.5s, após este tempo a
condição de temperatura foi desligada e a análise continuou até os 30s.
Figura 3. A malha e as condições de contorno do problema.
3.2. Análise Estrutural
Para a análise estrutural foi utilizado o mesmo material AH36, cuja as propriedades mecânicas podem ser
vistas nas Fig. 4 e 5.
Figura 4. Propriedades mecânicas do aço AH36 (TSIRKAS S.A., PAPANIKOS P., KERMANIDIS T. 2002)
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Figura 5. Propriedades mecânicas do aço AH36 (TSIRKAS S.A., PAPANIKOS P., KERMANIDIS T. 2002)
Na analise estrutural serão utilizadas três tipos de elementos, um estrutural (Plane82) e mais dois elementos de
contatos. Sendo que um deles é o de contato propriamente dito (Conta175) e o outro seria o tipo de elemento do local do
contato (Targe169).
A aplicação das malhas pode ser observada na Fig. 6. O elemento estrutural (Plane82) é aplicado em toda a
geometria do material e do apoio da junta. Já os elementos de contato são aplicados nas linhas de contato (Fig.6), isto
porque é uma análise bidimensional.
Figura 6. Aplicação dos elementos no problema e as restrições de deslocamento.
As condições de contorno aplicadas na análise estrutural são as restrições aplicadas em certos pontos da
estrutura e a distribuição de temperatura para cada passo de tempo. Esta distribuição de temperatura amarrada com o
tempo vem da análise térmica realizada anteriormente. As restrições foram feitas de diversos tipos para verificar sua
influência nas distorções (Fig. 7). Nos casos 4 e 5 as restrições do lado direito foram impostas até 120 segundos e
depois retiradas.
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Caso 1
Caso 2
Caso 3
Caso 4
Caso 5
Figura 7. Casos analisados de restrições na junta em “T”
4. RESULTADOS
Como primeiro resultado tem-se a distribuição de temperatura, encontrada na primeira análise. A Fig. 8 mostra
a distribuição de temperatura ao longo de toda junta para o tempo de 0.5 segundos e 60 segundos.
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a- 0.5s
b- 60s
Figura 8. Distribuição de temperatura, a- para o tempo de 0.5s, b- para o tempo de 60s
Já de posse dos resultados da análise térmica, a análise estrutural pode ser obtida através das condições de
contorno de restrição e a condição de contorno de temperatura.
Como resultados da análise estrutural, obtiveram-se os deslocamentos na direção vertical da extremidade
direita da chapa horizontal depois de 150 segundos. Estes deslocamentos podem ser observados através da Fig. 9.
O caso em que o deslocamento foi menor foi o caso número 1. Entretanto este é um caso muito complicado de
ser obtido experimentalmente. Já que este caso as chapas estão completamente livres, sem contatos. Já o caso número 3
foi o que apresentou a maior distorção angular. Isto pode ser explicado pelas restrições durante a dilatação fazendo com
que ocorram deformações plásticas no cordão e perto dele, e a liberdade de deslocamento no momento da contração
para o lado direito da junta. O caso que obteve menor deformação depois da totalmente livre foi o caso 5, o caso que
apresenta maior restrição, restrições que vão até perto do cordão.
Figura 9. Deslocamento da extremidade direita da chapa horizontal
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5. CONCLUSÃO
Com os resultados apresentados acima, é possível afirmar que o método de elementos finitos é uma poderosa
ferramenta no entendimento e na verificação de muitos problemas que ocorrem na área de fabricação. Este trabalho
mostrou a importância de verificar o nível das restrições utilizadas no processo de soldagem. Mostrou que o caso em
que apresenta um nível menor de distorção foi o caso número 1, entretanto é um caso que é muito difícil de ser aplicado
na prática. E o segundo de menor nível de distorção, porém podendo ser aplicado foi o caso número 5 o que apresenta o
máximo de restrições.
6. AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de agradecer à Fapemig e à Capes pelo auxílio financeiro.
7. REFERÊNCIAS
Allen, J. (2004). Job knowledge for welders. Acesso em 01 de 10 de 2009, disponível em TWI:
http://www.twi.co.uk/content/jk34.htm
Anderson, T. (2003). Distortion in Aluminum Welded Structures. Welding Journal , 82 (2), 28-30.
Colegrove, P., Ikeagu, C., Thistlethwaite, A., Williams, S., Nagy, T., Suder, W., et al. (2009). Welding process impact
on residual stress and distortion. Science and Technology of Welding and Joining , 14 (8), 717-725.
Deng, D., & Murakawa, H. (2008). Prediction of welding distortion and residual stress in a thin plate butt-welded joint.
Computational Materials Science , 43, 353-365.
Kou, S. (2003). Welding Metallurgy (2° ed.).
Jung, G. H., & Tsai, C. L. (2004). Fundamental Studies on the Effect of Distortion Control Plans on Angular Distortion
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Mikami, Y., Morikage, Y., Mochizuki, M., & Toyoda, M. (2009). Angular Distortion of Fillet Welded T Joint Using
Low Transformation Temperature Welding Wire. Science and Technology of Welding and Joining , 14 (2), 97-105.
Radaj, D. (2003). Welding Residual Stress and Distortion. DVS Verlag.
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Teng, T.-L., Fung, C.-P., Chang, P.-H., & Yang, W.-C. (2001). Analysis of residual stresses and distortions in T-joint
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Tsirkas, S. A., Papanikos, P., & Kermanidis, T. (2003). Numerical simulation of the laser welding process in butt-joint
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Vel Murtugan, V., & Gunaraj, V. (2005). Effects of Process Parameters on Angular Distortion of Gas Metal Arc
Welded Structural Steel Plates. Welding Journal , 165-171.
8. DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.
Os trabalhos escritos em português ou espanhol devem incluir (após direitos autorais) título, os nomes dos autores e
afiliações, o resumo e as palavras chave, traduzidos para o inglês e a declaração a seguir, devidamente adaptada para o
número de autores.
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STUDY OF DISTORTION DUE TO WELDING PROCESS THROUGH
FINITE ELEMENTS
Douglas Bezerra de Araújo, [email protected]
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Diandro Bailoni Fernades, [email protected]
1
Federal University of Uberlandia
Federal University of Uberlandia
3
Federal University of Uberlandia
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Abstract. During the welding process is common the occurrence of structural distortions that mainly of large structures such
as the shipbuilds. Thus, it becomes relevant a detailed study of the causes and consequences of these types of problems.
These problems can greatly increase the costs and time of manufacture of such ships. The recent work has
h as objective to
explore in detail the factors that cause these problems. Through finite element analysis has been possible to verify the
influence of the restrictions, imposed heat and geometry of the plate in the distortions of the material from which it is welded.
Keywords: distortions, shipbuilds
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