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Título: Simulação numérica de ciclos térmicos decorrentes do processo de refusão do aço ASTM A743-CA6NM
Título(s) alternativo(s): Numerial simulation of thermal cycles resulting from the remelting process of the ASTM A743-CA6NM
Autor(es): Martins, Camila Almeida
Orientador(es): Behainne, Jhon Jairo Ramirez
Palavras-chave: Aço - Tratamento térmico
Solda e soldagem
Métodos de simulação
Steel - Heat treatment
Solder and soldering
Simulation methods
Data do documento: 17-Fev-2014
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Ponta Grossa
Referência: MARTINS, Camila Almeida. Simulação numérica de ciclos térmicos decorrentes do processo de refusão do aço ASTM A743-CA6NM. 2014. 81 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Ponta Grossa, 2014.
Resumo: O processo de soldagem tem grande importância industrial, sendo empregado na fabricação de diversos componentes e estruturas, assim como na recuperação de peças danificadas ou desgastadas. Novas técnicas são atualmente objeto de pesquisa visando reduzir as desvantagens dos processos de soldagem. Uma delas é a aspersão térmica seguida da refusão do revestimento. O processo de refusão afeta o revestimento e o metal base, gerando uma zona termicamente afetada (ZTA), como resultado da grande quantidade de transferência de calor, podendo interferir na microestrutura do material. O estudo da distribuição de temperatura (ciclos térmicos) na peça tratada pode ser realizado por meios experimentais, modelos analíticos ou métodos numéricos. Ensaios ou testes experimentais nem sempre são viáveis economicamente, apresentando também dificuldades de medição em determinadas situações, não permitindo de forma ágil a variação dos parâmetros de estudo. Nesse sentido, os métodos numéricos mostram-se extremamente versáteis, tornando-se adaptáveis às alterações dos diversos parâmetros de soldagem e permitindo sua análise rápida e detalhada. Este trabalho teve como objetivo realizar a modelagem numérica de ciclos térmicos resultantes do processo de refusão do AÇO ASTM A743-CA6NM. O problema foi resolvido com o auxílio da ferramenta computacional ANSYS/FLUENT 14.5® para o caso tridimensional, que utiliza o método dos volumes finitos. A malha utilizada possui um total de 20 492 elementos, sendo mais refinada próximo ao cordão de solda. Para que fosse possível elaborar os gráficos dos ciclos térmicos, foram criados sensores (pontos de leitura das temperaturas) na mesma localização dos termopares utilizados nos experimentos de Oliveira (2011). Para simular o movimento da fonte, a linha de fusão foi subdividida em 20 áreas. As condições de contorno foram alteradas manualmente, de forma que os resultados da simulação anterior serviam de condições iniciais para a próxima simulação. Foram analisados os resultados para três diferentes intensidades de corrente: 90A, 110A e 130A. Para uma corrente de 90A, as maiores diferenças de temperatura encontraram-se próximos à linha de fusão (de 13,83% à 19,45%), chegando a atingir apenas 0,12% nos termopares mais distantes. Para a corrente de 110A, os piores índices encontraram-se nos termopares afastados da linha de fusão (de 5,69% a 29,15%). Para a corrente de 130A, as diferenças variaram de 3,43% a 9,62% nos termopares próximos à linha de fusão, atingindo 17,85% nos termopares mais distantes. Em geral, observou-se que, nas simulações, o corpo de prova resfria-se mais rapidamente. Isso pode ser consequência da simplificação considerada nas propriedades do material, assumidas constantes em relação à temperatura e de erros experimentais. No entanto, os resultados das simulações demonstram que, diante das simplificações adotadas, o modelo numérico conseguiu reproduzir satisfatoriamente os ciclos térmicos obtidos experimentalmente.
Abstract: The welding process is of great industrial importance, being used in the manufacturing process of many components and structures, as well as in the recovery of damaged or worn parts. New techniques are currently the object of research to reduce the disadvantages of welding processes. One is this techniques is remelting of thermal spray coating. However, the remelting process affects the coating and the base metal, creating a heat affected zone (HAZ), as a result of the large amount of heat transfer, which may interfere with the microstructure of the material. The study of temperature distribution (thermal cycles) can be performed experimentally, by analytical models or by numerical methods. Experimental tests are not always economically viable, and, in certain situation, also provide measurement difficulties, not allowing an agile variation of study parameters. In this direction, numerical methods tend to be extremely versatile, becoming adaptable to changes of various welding parameters and allowing their rapid and detailed analysis. This study aims to perform the numerical modeling of thermal cycles resulting from the remelting process of the ASTM A743-CA6NM. The problem was solved with the commercial software ANSYS/FLUENT 14.5® for the three-dimensional case, which uses the finite volume method. The mesh used has a total of 20 492 elements, being more refined near the weld bead. To make it possible to draw graphs of thermal cycles, sensors (reading points) were created in the same location of the thermocouples used in the experiments from Oliveira (2011). To simulate the motion of the source, the line of fusion was divided into 20 areas. The boundary conditions are manually changed, so that the results of the above simulation were used as initial conditions for the next simulation. The results were analyzed for three different electrical currents: 90A, 110A and 130A. For a current of 90A, the highest rates of errors were found near the fusion line (from 13.83% to 19.45%), reaching only 0.12% in the most distant thermocouples. For current 110A, the worst rates were recorded on thermocouples that are most distant from the line of fusion (between 5.69% and 29.15%). For the current of 130A, errors ranged from 3.43% to 9.62% in the thermocouples near the fusion line, reaching 17.85% in the most distant thermocouples. In general, it was observed that, in the simulations, the test body cools faster. This can be considered as a consequence of the simplification in material properties, assumed constant with respect to temperature and of experimental errors. However, the simulation results show that, in front the adopted simplifications, the numerical model was able to satisfactorily reproduce the thermal cycles obtained experimentally.
URI: http://repositorio.roca.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/7613
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