4 MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capítulo serão apresentados os materiais e métodos que foram utilizados para o desenvolvimento deste trabalho.
soldagem real. Para as simulações numéricas, foi utilizada a suite de softwares Ansys 2021 R1, a Figura 4.1 apresenta um fluxograma para as etapas planejadas.
Figura 4.1 Fluxograma retratando o processo de desenvolvimento das simulações termomecânicas empregadas nesse trabalho.
Aquisição de dados calibração da fonte de calor
Análogo ao realizado por Cezário et al. (2019), a obtenção dos perfis térmicos foi realizada por meio de três termopares tipo K soldados na chapa por resistência elétrica com aquisição de dados a cada 200 ms. A distância dos termopares foi de 10, 15 e 20 mm em relação à linha central, sendo o mais próximo e o mais distante soldados na parte inferior e o médio na parte superior da chapa, como ilustrado pela Figura 4.2.
O cordão de solda final e posição do termopar a 15 mm podem ser observados na Figura 4.3.
Figura 4.2 Representação esquemática com as dimensões da chapa soldada e posição relativa dos termopares. a) Vista superior; b) Vista lateral.
Figura 4.3 Posicionamento do termopar a 15 mm apontado pelo círculo vermelho.
O processo escolhido para soldagem de topo, autogena e suas subsequentes simulações numéricas foi o GTAW (Gas Tungsten Arc Welding), principalmente devido ao controle mais fácil das variáveis e ausência de metal de adição. Estas características auxiliam em seu modelamento numérico, sendo então necessárias menos aproximações e considerações, mantendo o modelo mais fiel ao processo real.
No procedimento foi estabelecida uma tensão de 10 V, de corrente continua de 115 A e eletrodo negativo, se deslocando a 2,5 mm/s com proteção de gás argônio. A soldagem foi efetuada sobre uma chapa de aço baixo carbono de dimensões 250x200x3 mm, na qual foi realizado um passe de solda no sentido longitudinal com um comprimento de aproximadamente 150 mm e ponto inicial a 50 mm da borda.
De modo a eliminar fatores humanos que poderiam afetar os resultados, foi utilizado o dispositivo mecânico desenvolvido e descrito em Tavares et al. (2020), Figura 4.4.
Por meio desse, foi possível manter um controle fino na angulação, alinhamento, velocidade de movimentação da tocha e comprimento de arco elétrico. A montagem final pode ser observada na Figura 4.5, os detalhes de aquisição de temperatura são apresentados na próxima seção.
Figura 4.4 Dispositivo de soldagem TIG mecanizado desenvolvido no projeto com destaque para os componentes de controle do funcionamento (a) imagem de topo; (b) imagem lateral. Tavares et al.
(2020).
Figura 4.5 Montagem do experimento de soldagem, mostrando a chapa preparada para o procedimento de soldagem, tocha TIG montada no aparato e sensor para aquisição dos dados dos
termopares.
Visando melhor ajustar os modelos numéricos, foram também adquiridas macrografias de secções perpendiculares ao cordão de solda. Utilizando o sentido do
cordão de solda e o meio da chapa como referências, quatro amostras foram retiradas para o preparo de macrografias, a primeira a 10 mm antes do meio, uma ao centro da chapa e as duas subsequentes a 10 mm e 20 mm após o centro, como na Figura 4.6.
Figura 4.6 Representação esquemática dos planos de cortes para retirada das amostras para macrografia representados pelas linhas pontilhadas. A linha pontilhada vermelha representa o corte
central da chapa.
As amostras foram embutidas em resina e submetidas a um preparo convencional para macrografia, passando por etapas de desbaste, lixamento com lixas de 180# a 1200#, e polimento com solução de alumina 1 µm, seguido por limpeza e um ataque químico com reagente nital a uma concentração de 2%. O resultado final pode ser observado na Figura 4.7. Com auxílio do software ImageJ© por meio de um microscópio óptico modelo DMRX da fabricante Leica, utilizando um aumento de 25 vezes, foram medidas as profundidades, larguras e áreas das zonas fundidas de cada uma das amostras.
Figura 4.7 Amostras perpendiculares ao cordão de solda após embutimento e preparo para macrografia. Em ordem da esquerda para a direita, amostra a 10 mm antes do centro da chapa, no
centro da chapa, a 10 mm após o meio e 20 mm após o meio.
Modelamento da fonte de calor
Como discutido em Araújo et al. (2013), a aplicação de um modelo complexo como o duplo elipsoide de Goldak torna-se desnecessário para chapas finas. Assim, escolheu-se a utilização do modelo de fonte de calor bidimensional Gaussiana, devido à facilidade de utilização e pequena diferença nos resultados quando comparada ao modelo de Goldak. A implementação da fonte de calor foi feita por meio de um snipped de código APDL (Ansys Parametric Design Language) no ambiente Ansys Mechanical©, ilustrado pela Figura 4.8. Nesta, pode-se notar a presença de três principais variáveis que devem ser introduzidas no código: X equivalente a velocidade da fonte de calor; Y referente ao termo 2𝑠2 presente na Equação 3.5; e Z o resultado da Equação 3.6.
Figura 4.8 Snipped APDL que descreve a fonte de calor, são destacados os valores de: X, velocidade da fonte; Y, referente ao termo 2𝑠2 presente na Equação 3.5; Z, o resultado da Equação 3.6.
Condições de contorno térmicas
Como ponto de partida foram seguidas as condições de contorno propostas por Araújo et al. (2013). Sendo consideradas a temperatura inicial das chapas a 22 °C e coeficiente de radiação de 0.8 e coeficiente de convecção de 20 W/m2K aplicadas a todas as faces expostas do modelo. A partir de então, os valores de coeficiente de radiação, coeficiente de convecção, eficiência de arco elétrico e distancia radial foram ajustados de forma iterativa levando em consideração os valores previamente listados na Tabela 3.3. Esse processo foi repetido até que se alcançou um modelo cujas temperaturas fossem próximas às observadas nos dados de termopares e cujas medidas da zona fundida simulada fossem similares as verificadas nas macrografias.
Definição da malha
A calibração da fonte térmica foi realizada a partir da geometria apresentada pela Figura 4.9 criada por meio do programa de CAD (Computer Aided Design) SpaceClaim, presente na suite Ansys 2021 R1. Nesse modelo, o cordão de solda se localiza no centro da chapa, no sentido longitudinal e a fonte de calor inicia seu
movimento na face superior da chapa apontada pelo ponto 1 e se desloca com uma velocidade constante pela superfície da chapa seguindo o sentido positivo do eixo Y, até o ponto 2. Para sua construção, foi considerada uma seção de três sólidos formando uma única peça; os sólidos laterais com dimensões de 100x88x3 mm e o central possui 100x24x3 mm, totalizando um corpo com 100x200x3 mm. Essas dimensões foram escolhidas de modo que apresente um tamanho suficiente para o desenvolvimento completo do perfil térmico evitando os efeitos de borda e um modelo de tamanho excessivo, o que aumentaria desnecessariamente o tempo de simulação.
Figura 4.9 Caminho programado para a fonte de calor simulada, cujo movimento se inicia no ponto 1 e termina no ponto 2 seguindo, o sentido positivo do eixo Y.
Após estudos de convergência do modelo térmico, refinamentos e analises dos resultados finais para várias malhas foi definido como modelo final para a calibração da fonte térmica a malha observada na Figura 4.10, possuindo 11760 elementos e aproximadamente 55887 nós. Com o propósito de diminuir o tempo computacional, foi escolhida a aplicação de uma malha mais grosseira para os corpos laterais, como explicado na Seção 3.2.2.
Figura 4.10 Malha aplicada para modelo em CAD para simulação por FEM para a calibração da fonte de calor do processo de soldagem GTAW.
4.3 Modelos de material para calibração térmica e as simulações de tensão