Validação dos ensaios de calorimetria para chapa na temperatura ambiente

Com o propósito de investigar a influência de 𝑚_𝐶𝑃 sobre os valores de 𝑚_{𝑣𝑎𝑝,0}, Pépe [3] realiza ensaios com diferentes valores de 𝑚_𝐶𝑃 para um mesmo material do CP (aço carbono), encontrando uma relação linear entre 𝑚𝑣𝑎𝑝,0 e 𝑚𝐶𝑃. Pépe [3] então

recomenda utilizar a equação ajustada de 𝑚𝑣𝑎𝑝,0 ao invés do valor experimental,

73 _{Nas regiões 1, 2 e 4 foi possível aproximar os pontos por funções polinomiais de primeira ordem,}

somente na região 3 foi preciso utilizar uma função não linear, obtendo-se um ajuste satisfatório ao se utilizar uma função polinomial logarítmica de segunda ordem.

informando que deste modo seriam obtidos valores mais acurados de 𝐸𝑎𝑏𝑠,0. Seguindo

a recomendação de Pépe [3], foram realizados os ensaios exploratórios apresentados na Tabela 4.6, para diferentes valores de 𝑚𝐶𝑃 para chapas de aço carbono ASTM

A36, ensaios estes que deram início à etapa 1 desta tese. Em relação às dimensões dos CP, utilizaram-se chapas de 200 mm de comprimento e 120 mm de largura74_,

conforme descrito na seção 4.1, e 6,35 mm para a espessura nominal75_{. Pode-se}

visualizar na Tabela 4.6, em todos os ensaios, encontrou-se um valor de 𝑅_{𝑒𝑣𝑎𝑝} maior na região 1 (𝑅_{𝑒𝑣𝑎𝑝,1}) do que na região 4 (𝑅_{𝑒𝑣𝑎𝑝,4})76_{. Neste estudo, para a obtenção dos}

valores 𝑚_𝑒𝑣𝑎, necessários para o cálculo 𝑚_{𝑣𝑎𝑝,0}, foram utilizados os valores de 𝑅𝑒𝑣𝑎𝑝,477. Por fim, conforme se pode observar na Figura 4.21, encontrou-se uma

relação linear entre 𝑚_𝐶𝑃 e 𝑚_{𝑣𝑎𝑝,0} similar à encontrada por Pépe [3], com um valor de 𝑅2 _{próximo de 1 para o ajuste da reta (em vermelho).}

Tabela 4.6: Comparação das taxas de evaporação do N2L em diferentes condições ambientais para

chapas de aço carbono ASTM A36 de diferentes massas.

Ensaio Data Hora 𝒎𝑪𝑷 𝒖𝟎 𝑻𝟎 𝑹𝒆𝒗𝒂𝒑,𝟏 𝑹𝒆𝒗𝒂𝒑,𝟒

𝒎𝒗𝒂𝒑,𝟎 (g) (%) (°C) (g/min) (g/min) 1 12/01/17 19:38 294,1 72 ± 5% 24,4 ± 1°C 4,86 2,93 121,7 2 12/01/17 20:05 294,1 74 ± 5% 23,9 ± 1°C 4,31 2,25 123,5 3 12/01/17 20:33 240,0 63 ± 5% 24,0 ± 1°C 4,29 2,65 103,9 4 13/01/17 18:42 294,1 72 ± 5% 23,9 ± 1°C 4,61 2,69 125,2 5 13/01/17 19:36 240,0 64 ± 5% 25,3 ± 1°C 4,24 2,89 100,3 6 13/01/17 20:40 240,0 69 ± 5% 24,9 ± 1°C 4,09 2,36 103,8 7 17/01/17 19:42 1206,6 72 ± 5% 24,6 ± 1°C 4,84 3,11 476,5 8 18/01/17 17:45 1197,5 79 ± 5% 23,1 ± 1°C 4,46 2,18 473,2 9 19/01/17 17:10 1211,7 78 ± 5% 22,9 ± 1°C 4,49 2,59 480,2 10 19/01/17 17:40 1206,8 79 ± 5% 22,7 ± 1°C 3,95 2,00 477,2 11 19/01/17 18:40 1197,5 79 ± 5% 22,5 ± 1°C 4,29 2,24 472,8 12 20/01/17 18:12 1213,6 72 ± 5% 24,4 ± 1°C 4,26 2,20 484,6 13 20/01/17 18:43 1208,1 73 ± 5% 23,4 ± 1°C 3,84 2,20 480,7 14 20/01/17 19:16 1203,9 76 ± 5% 22,7 ± 1°C 3,75 1,89 477,4 15 20/01/17 19:45 1197,5 77 ± 5% 22,6 ± 1°C 3,83 2,05 471,9

𝑢0 = umidade relativa do ar ambiente.

74 _{Para a realização dos ensaios com CP’s de menor massa (abaixo de 1kg), foram realizados cortes}

transversais nas chapas de 200 X 120 X 6,35 mm (Comprimento X Largura X Espessura).

75 _{Durante toda a etapa 1 foram utilizadas chapas de mesma espessura nominal de 6,35 mm.}

76 _{Formulou-se a hipótese de que, na região 4, a presença do CP oferece uma resistência mecânica}

para o movimento ascendente das bolhas de N2G, visto que, comumente, a chapa fica inclinada dentro

do dewar após o mergulho. Consequentemente, acaba ocorrendo a diminuição da taxa de evaporação.

77 _{A região de interesse para o cálculo de} 𝑚

𝑒𝑣𝑎 é a região 3, onde a chapa já está inserida no dewar, podendo-se supor que nesta região o valor de 𝑅𝑒𝑣𝑎𝑝 é mais próximo de 𝑅𝑒𝑣𝑎𝑝,4 do que de 𝑅𝑒𝑣𝑎𝑝,1.

Figura 4.21 – Relação entre a massa da amostra 𝑚𝐶𝑃 e a massa de nitrogênio vaporizada 𝑚𝑣𝑎𝑝,0 durante ensaios de calorimetria à temperatura ambiente.

A Tabela 4.7 apresenta a comparação entre a função ajustada neste estudo com a função obtida por Pépe [3] para a previsão de 𝑚𝑣𝑎𝑝,0, podendo-se constatar

equivalência entre as funções, possivelmente por que em ambos os casos foram utilizadas chapas de aço baixo carbono78_.

Tabela 4.7: Comparação entre modelos de previsão de massa vaporizada no ensaio de calorimetria

com nitrogênio líquido para chapas de aço carbono na temperatura ambiente.

Autor Material modelo 𝑹𝟐

Neste estudo ASTM A36 𝑚𝑣𝑎𝑝,0= 9,3528 + 0,3883 𝑚𝐶𝑃 0,9999

Pépe [3] Aço Carbono* 𝑚𝑣𝑎𝑝,0= 0,3747 𝑚𝐶𝑃 0,9992

Como intuito de averiguar o quanto a mudança de material afetaria a vaporização do N2L, foram realizados, neste estudo, ensaios com chapas de

diferentes materiais. A comparação entre as funções ajustadas pode ser observada na Figura 4.22. Encontrou-se que o material do CP afeta de forma significativa a vaporização do N2L, não se podendo utilizar a função ajustada de um aço carbono,

por exemplo, para prever a vaporização de N2L ao se utilizar outro material.

78 _{Pépe [3] não especifica o aço carbono utilizado mas apresenta a composição química do mesmo em}

seu trabalho. A composição química do aço de Pépe [3] é próxima à composição química apresentada na seção 5.1.1 para o aço ASTM A36, podendo-se afirmar que ambos são aços carbono similares.

y = 0,3883x + 9,3528 R² = 0,9999 0 250 500 750 0 250 500 750 1000 1250 1500 mvap ,s (g m_CP (g)

Figura 4.22 – Comparativo entre as funções ajustada neste estudo e no estudo de Pépe [3].

Após o aparente sucesso em ajustar modelos de previsão 𝑚_{𝑣𝑎𝑝,0} somente em função de 𝑚_𝐶𝑃 (𝑅2 ≅ 1), inclusive para diferentes materiais, excluiu-se, a priori, a hipótese de haver outros fatores significativos para 𝑚𝑣𝑎𝑝,0 como, por exemplo, a

temperatura ambiente 𝑇₀ ou a umidade relativa do ar 𝐻₀. Uma vez que somente 𝑚_𝐶𝑃 influenciasse no valor de 𝑚_{𝑣𝑎𝑝,0}, não haveria problema em realizar o segundo ensaio da chapa à 𝑇₀ horas após o primeiro ensaio (pós soldagem), mesmo que isso significasse realizar ensaios de em condições ambientais distintas79_{. Sendo esta}

prática adotada neste estudo, não se seguindo, portanto, a recomendação da literatura [7,75] de realizar o ensaio à temperatura ambiente imediatamente80 _{após o}

seu respectivo ensaio pós soldagem. Esta prática se mostrou ao mesmo tempo um erro e uma boa oportunidade. Mostrou-se um erro pois, conforme constatado a

posteriori, a baixa variação entre os valores de 𝑇0 nos experimentos exploratórios

(Tabela 4.6) de, aproximadamente, 3°C, mascarou o efeito de 𝑇0 sobre 𝑚𝑣𝑎𝑝,0.

Todavia, conforme os experimentos avançaram, a variação entre os valores máximos e mínimos de 𝑇₀ aumentou, de modo que se constatou que o modelo apresentado na

Tabela 4.7 foi perdendo eficácia gradualmente, até o ponto em que erros significativos

79 Com valores de 𝑇

0 em 𝐻0 diferentes em relação ao primeiro ensaio pós soldagem.

80 _{Respeitando-se o tempo para o equilíbrio térmico do CP com o ambiente.} 0 250 500 750 1000 1250 1500 0 250 500 750 1000 1250 1500 mvap ,s (g ) m_CP (g) ASTM A36

Aço Carbono (Pépe, 2010) Aço Inox 304

identificação dos fatores que de fato influenciam em 𝑚_{𝑣𝑎𝑝,0} e, havendo mais algum fator além de 𝑚𝐶𝑃, seria gerado um novo modelo. Primeiramente, através da Regressão dos Melhores Subconjuntos81 _{(Apendice F), identificou-se que ao se utilizar}

como fatores as variáveis independentes: 𝑚_𝐶𝑃, 𝑇₀, 𝑅_{𝑒𝑣𝑎𝑝,1} e 𝑅_{𝑒𝑣𝑎𝑝,4} se obtinham os menores valores de erro quadrático S, menor valor de CP de Mallows. Tendo sido identificados os fatores mais significativos em 𝑚_{𝑣𝑎𝑝,0}, obteve-se o novo modelo apresentado na eq.(55) via regressão linear múltipla, após exclusão dos termos não significativos utilizando o método Stepwise. Os gráficos de resíduos desta regressão se encontram no Apendice G, podendo-se observar distribuição normal dos resíduos, atestando a qualidade da regressão.

𝑚_{𝑣𝑎𝑝,0} = 70,1 + 0,3428 𝑚_𝐶𝑃+ 7,05 𝑇₀− 48,7 𝑅_{𝑒𝑣𝑎𝑝,1}− 36,3 𝑅_{𝑒𝑣𝑎𝑝,4} + 0,01046 𝑚_𝐶𝑃 𝑅_{𝑒𝑣𝑎𝑝,1}− 2,036 𝑇₀ 𝑅_{𝑒𝑣𝑎𝑝,4}

+ 17,90 𝑅𝑒𝑣𝑎𝑝,1 𝑅𝑒𝑣𝑎𝑝,4

(55)

81 _{Tradução do inglês de Best Subsets Regression, técnica de “triagem” de fatores significativos em}

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES

Conforme mencionado na seção 4.4, os experimentos foram desenvolvidos ao longo de duas etapas distintas, denominadas etapas 1 e 2. No entanto, para o melhor entendimento dos resultados, este capítulo será apresentado em três seções. Na primeira parte, seção 5.1, serão apresentados alguns dos resultados da etapa 1, enquanto que nas seções 5.2 e 5.3 se apresentam os resultados da etapa 2. A seção

5.1 engloba, principalmente, os resultados dos experimentos realizados com o intuito

de investigar os efeitos do regime transiente na soldagem. Na sequência, encontra-se a seção 5.2, onde são apresentados e interpretados os modelos empíricos obtidos via MSR, focando principalmente nos resultados obtidos via calorimetria com N2L. Na

terceira e última parte, seção 5.3, são apresentados os resultados, respectivamente, dos experimentos para a obtenção dos ciclos térmicos e das simulações computacionais, ambos para chapas de diferentes espessuras relativas. Nesta última seção também será apresentado o passo a passo do desenvolvimento do modelo preditivo de taxa de resfriamento para diferentes valores de espessura relativa 𝜏. Por fim, encerrando o capítulo, o modelo desenvolvido será testado em relação à sua capacidade preditiva, sendo utilizado em conjunto com um modelo empírico de previsão de dureza na zona fundida.