A demanda crescente por energia tem motivado a procura por petróleo e gás natural em ambientes com condições extremas, como operações em águas profundas e o transporte de fluídos corrosivos. Avanços tecnológicos recentes favorecem o uso de tubos de aço contendo uma camada interna resistente a corrosão (comumente chamados de Lined ou Clad Pipes) para o transporte de tais fluidos agressivos. Além disso, as tubulações submarinas são sujeitas a condições de instalação muito severas e, um caso de interesse, é o procedimento de reeling que permite com que a fabricação e inspeção da tubulação seja feita em terra. Apesar de possuir vantagens econômicas, a avaliação da integridade estrutural e especificação dos tamanhos toleráveis de trinca em juntas soldadas, nestas condições, torna-se uma tarefa complexa, devido a natureza dissimilar dos materiais e ao grande nível de deformação plástica no processo. Dessa maneira, este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de um procedimento de avaliação de forças motrizes elasto-plásticas em tubos contendo juntas soldadas circunferenciais sujeitos a flexão, para uma extensa gama de configurações geométricas. Dois métodos distintos foram desenvolvidos e analisados: a metodologia EPRI e o procedimento que utiliza a curva de tensão vs. deformação equivalente. As análises numéricas 3D fornecem os parâmetros de fratura necessários para a resolução do problema e a acurácia dos procedimentos é verificada a partir de estudos de casos e análises paramétricas. / The increasing demand for energy has motivated the oil and natural gas exploration in very hostile environments, including very deep water operation and the transport of corrosive fluids. Technological advances favor the use of high strength steel pipelines either clad or mechanically lined with a corrosion resistant alloy (CRA), such as Alloy 625, for the transport of corrosive hydrocarbons. Moreover, these pipelines are subjected to severe installation conditions and a case of interest is the pipe reeling process, which allows pipe welding and inspection to be conducted at onshore facilities. While cost effective, fracture assessments and specification of critical flaw sizes for the girth welds of lined/clad pipes are more complex due to the dissimilar nature of these materials and the high levels of plastic strain imposed during installation. In particular, effective analyses of crack driving forces in undermatched or partially mismatched pipe girth welds remain essential to determine more accurate acceptable flaw sizes for the piping system based upon conventional ECA procedures. This work focuses on the development of a procedure to determine the elastic-plastic crack driving forces for pipe girth welds with circumferential surface cracks subjected to bending load for a wide range of geometries and weld mismatch levels based upon based methodologies: the GE-EPRI framework and the equivalente stress vs. strain curve. The study also addresses the potential effects of an undermatching girth weld on critical flaw sizes. The extensive nonlinear, 3-D numerical analysis provide the fracture parameters for cracked pipes and cylinders with mismatched girth welds which will be applied in case studies and parametric analyses in order to verify the accuracy of the methods.

A utilização de tubos de aços de alta resistência e baixa liga (ARBL) é comumente o mais indicado, segundo a norma American Petroleum Institute (API) 5L, para o transporte de óleo e de gás sob pressão. Em vista da necessidade de adequar as tubulações em campo de acordo com o relevo de cada região, são realizados curvamentos a quente em tubos. Durante este processo, o tubo sofre tratamentos térmicos, modificam sua microestrutura e propriedades mecânicas. Neste sentido, foram realizados, neste trabalho, tratamentos térmicos de têmpera e revenimento, com o objetivo de melhorar as propriedades mecânicas nas juntas soldadas. O material utilizado foi o tubo API 5L X80 com diâmetro de 40 polegadas e 16 mm de espessura. Foi realizada a soldagem circunferencial com passe de raiz pelo processo Metal Active Gas (MAG) com curto circuito controlado, gás de proteção 80% Ar e 20% CO2, passes de enchimento e acabamento pelo processo de soldagem com arame tubular (AT) e gás de proteção 75% Ar 25% CO2. Os consumíveis utilizados no passe de raiz foi arame sólido ER80S-G e nos passes de enchimento e acabamento o arame tubular E101T1GM-H8. Realizaram-se combinações de tratamentos térmicos de têmpera e revenimento com variações nas temperaturas de ambos. Para analisar a influência destes tratamentos térmicos foram realizados ensaios de tração, ensaios de microdureza e ensaios de impacto Charpy às temperaturas de -40 ºC e 0 ºC no metal de solda (MS) e na zona afetada pelo calor (ZAC). Alguns tratamentos térmicos realizados aumentaram a resistência à tração e a tenacidade em relação à condição como soldada, mas o melhor tratamento térmico foi o de tempera a partir de 900ºC seguindo de revenimento a 650 ºC. / The use of high strength low alloy steels tubes is commonly the most appropriate for transporting oil and gas under pressure, according to API 5L. In view of the need to adapt the pipes in the field according to the relief of each region, they are held hot bend in pipelines. During the process, the product undergoes thermal treatments which modify its microstructure and mechanical properties. It has been carried out, in this work, heat treatment of quenching and tempering, with the objective of obtaining the best mechanical properties in the welded joints. The material was API 5L X80 pipe with a 40 inch diameter and 16 mm thick. The circumferential welding pass root was done by GMAW with controlled short circuit transfer, shielding gas 80%Ar and 20% CO2. Filling and finishing passes were welded with FCAW using a shielding gas 75% Ar and 25% CO2. Consumables used in the root pass were ER80S-G and in the filling and finishing passes E101T1GM-H8. There were done four heat treatments of quenching and tempering for 2 hours. The results were analyzed by tensile test, hardness and Charpy V impact tests at temperatures of -40 °C and 0 °C in the weld metal and HAZ. The heat treatments influence statistically on the mechanical properties of welded joints related to as welded condition. The best result was quench heat treatment at 900°C followed by tempering at 650°C.

Este trabalho trata sobre o estudo numérico das forças motrizes (J e CTOD) em corpos-de-prova SE(T), usualmente extraídos da junta soldada do componente estrutural defeituoso, especificamente dutos submarinas (risers) com trincas circunferências alocadas no metal de solda. Durante o processo de instalação (reeling method) o duto é submetido a grandes carregamentos cíclicos (principalmente momentos de flexão) os quais introduzem fortes deformações plásticas (~2 e ~3%) afetando diretamente a integridade estrutural e a operação segura do sistema dutoviário. Procedimentos correntes aplicados na determinação da tenacidade à fratura de materiais, frequentemente, baseiam-se no coeficiente adimensional de proporcionalidade plástica (o fator n) e tem se mostrado válido em espécimes homogêneos. Para configurações com dissimilaridade mecânica, a aplicação direta deste método fica comprometida pelo grau de complexidade que existe entre a relação acoplada das forças motrizes (J e CTOD) e carregamento remoto com a dissimilaridade mecânica introduzida pelo processo de soldagem. O objetivo da presente tese é desenvolver um procedimento numérico de estimação de parâmetros de mecânica da fratura aplicáveis em configurações não padronizadas SE(T) para condições de dissimilaridade mecânica (weld strength mismatch). Uma extensiva análise de elementos finitos é desenvolvida na obtenção dos fatores n aplicáveis para espécimes SE(T) com várias profundidades de trincas (a/W) e níveis de dissimilaridade mecânica (My) para dois tipo de carregamento: garra (clamped end) e pino (pin loading). Três diferentes, mas correlatos métodos são aplicados para a obtenção acurada dos fatores n em condição de dissimilaridade mecânica, a saber, são: trabalho plástico, separação de cargas e carga limite. Os efeitos tridimensionais são analisados de forma sistemática para diferentes valores de espessura (B/W) e comprimentos do espécime (H/W) com a finalidade de avaliar a robustez das soluções obtidas das análises em estado plano de deformação. Finalmente, os resultados obtidos fornecem suporte para uso de espécimes SE(T) em procedimentos de avaliação de defeitos em dutos soldados submetidos a carregamento de flexão. / This work focuses on the numerical study of crack driving forces (J and CTOD) on single edge notch in tension (SE(T)) specimens usually extracted from defective structural components, specifically, circumferentially welded cracked pipes. The most efficient procedure to deploy submarine pipes (risers) on the sea floor is the reeling method. This procedure introduces a huge amount of cyclic loading to the girth welded pipe during the installation causing permanent plastic deformation (around ~2 to ~3%), which can affect the structural integrity and safe operation of the pipeline system. Current material fracture toughness procedures rely upon accuracy of proportionality plastic coefficient (also known n factor), which has to be effective for homogeneous condition. For mismatched configurations, where the strength of the weld metal is higher than the strength of base metal (also referred as overmatching), the direct applicability of such procedures remains a key aspect for defect assessment procedures and fitness for service codes, due to the complexity of the univocal relationship between crack driving forces and remote loading and the weld strength mismatch effect. The goal of the present thesis is to develop an estimation procedure of fracture mechanics parameters (J and CTOD) for SE(T) specimens in heterogeneous conditions. Extensive finite element analyses were conducted in order to obtain n factors for mismatched SE(T) specimens with varying crack lengths (a/W), different levels of overmatch (My) and two loading schemes (clamped and pin loading). Three different but related methods are applied to compute the n factor for welded mismatch configurations, namely the plastic work, load separation and limit load method. Also, the 3D effects are systematically analyzed for different thickness (B/W) and different specimen lengths (H/W) in order to prove the robustness of the proposed solutions derived from FE analyses in plane strain conditions. Finally, the results provide strong support for the use of constraint designed SE(T) specimens in fracture assessments of circumferential surface cracks in girth welded pipes subjected to bending moment.

A construção em aço no Brasil vem crescendo significativamente de forma que muitas empresas tem disponibilizado vários tipos de perfis metálicos destinados à construção civil em especial a construção de edifícios de andares múltiplos. No ano de 2000 começou a fabricação dos perfis soldados por alta freqüência. Fabricados de acordo com os requisitos da ASTM A769: 2000, este tipo de perfil rompe a barreira imposta pelos sistemas convencionais de fabricação de perfis soldados por ser um processo contínuo, de grande velocidade (cerca de 30 m/min), ausência de material de deposição e a existência de um material excedente (rebarba) ao longo do cordão de solda. A necessidade de se conduzir ensaios que possam fornecer subsídios sobre o desempenho de qualquer sistema operacional, seja ele técnico, científico ou mesmo social é atualmente inquestionável. Uma das principais causas da diminuição da durabilidade dos materiais é, sem dúvida, a corrosão e uma das mais comuns e freqüentes é a corrosão atmosférica, já que a maioria dos sistemas, seja sob a forma de estrutura ou equipamento, é exposta diretamente á ação da atmosfera ambiente. Assim esta dissertação procurou avaliar os parâmetros de desempenho e durabilidade em serviço. Para isto foi elaborada uma série de ensaios que permitiram avaliar a influência das variáveis existentes nos processos fabricação, materiais e utilização no que refere a questão da corrosão atmosférica. No levantamento bibliográfico efetuado, foi possível constatar a carência de resultados de ensaios que abordassem os aspectos relacionados à corrosão para os perfis soldados por alta freqüência. Os estudos foram realizados na cidade de Ipatinga-Mg no Laboratório da Usiminas. Para análise da corrosão foram realizados diversos ensaios entre eles o ensaio acelerado em Câmara Salina ,com solução de 5% de NaCl para amostras pintadas e sem pintura conforme NBR 8094. Ficaram expostos por 1728 horas. A avaliação mostra pouca ou nenhuma influência da zona da eletrossolda no desempenho do perfil.

O presente trabalho tem como objetivo estudar a viabilidade de realizar soldas autógenas entre os reforçadores longitudinais e o revestimento de uma aeronave utilizando laser a fibra de alta potência. O estabelecimento dessa técnica tem um potencial de aplicação muito elevado na indústria aeronáutica, por se tratar de um projeto exploratório voltado à junção de reforçadores longitudinais ao revestimento de aeronaves. No método tradicional de junção, os reforçadores são fixados ao revestimento utilizando-se rebites. Embora o processo seja bastante automatizado, tal método oferece pouco potencial para o aumento da velocidade de produção e/ou redução de peso das aeronaves. Realiza-se um amplo levantamento experimental utilizando chapas de alumínio estrutural 6013-T4 com espessura de 1,6 mm. Os principais parâmetros de influência sobre o processo são analisados, permitindo a construção de uma base de dados. Os resultados indicam que é possível o ajuste de tais parâmetros para a obtenção de cordões de solda de penetração com boas características dimensionais, geométricas e com poucos defeitos. Também é avaliado o comportamento mecânico do conjunto soldado. São realizados ensaios visando a obtenção da resistência à tração do reforçador em relação ao revestimento. São conduzidos ensaios adicionais com aplicação de uma carga ao revestimento, simulando a pressurização da fuselagem de uma aeronave. Os resultados mostram uma resistência mecânica do cordão de solda de até 280 MPa, valor próximo aos de referência do material de base, entre 275 e 325 MPa. Resultados ainda mais expressivos são observados em conjuntos submetidos ao tratamento térmico pós-soldagem, onde a resistência mecânica alcança 310 MPa, representando uma eficiência de junção acima de 95% indicando ao menos, a possibilidade de substituição do material de adição - geralmente introduzido ao processo de soldagem a laser - por tal técnica.

Desde que foi patenteado, no início da década de 90, o processo de união por FSW (Friction Stir Welding) vem despertando a atenção das grandes indústrias aeronáuticas devido às suas vantagens quando comparado aos processos convencionais de junta. No entanto, este é um processo que ainda depende de muito estudo e validação. O trabalho presente visa apresentar um dispositivo de fabricação e montagem simples que pode ajudar neste processo. Ele foi concebido para testar a resistência da solda do tipo sobreposta de reforçadores integrados a impactos, utilizando o conceito largamente conhecido do Ensaio de Charpy.

Este estudo refere-se à análise de diferentes tipos de união, focando na comparação entre a utilização do processo de soldagem por fricção-mistura (Friction Stir Welding), em relação ao processo de rebitagem convencional, para união de peças em projetos aeronáuticos. Ambos os métodos de união são comparados por meio de análises de engenharia, englobando custos para os diferentes processos, análise de resistência mecânica e fadiga e aspectos referentes à produção, operação e manutenção de aeronaves. A solda por fricção-mistura apresenta inúmeras vantagens e ganhos produtivos em relação a outros tipos de solda ou à rebitagem. Ocorrendo em estado sólido, a solda por fricção-mistura não necessita de nenhum material de adição, como nos casos de soldagem por arco elétrico ou gás inerte, resultando em otimização de peso da aeronave e sendo mais "ecológica", além de não incorrer em problemas ocasionados pela fusão dos materiais base. As características mecânicas dos componentes soldados são iguais ou superiores às dos componentes rebitados.

O presente trabalho visa à caracterização, à avaliação e à comparação das propriedades mecânicas e microestruturais das juntas soldadas dos aços ultra-alta resistência baixa liga SAE 4140, 300M e dissimilar (SAE 4140/300M), utilizando processo de soldagem a arco transferido a plasma, através da técnica keyhole, em único passe, com metal de adição. Foram analisadas amostras dos aços soldados similares e dissimilares nas condições como recebido e tratados termicamente, e dos aços sem solda, nas condições temperado e revenido. Foram adotados critérios de aceitação macroestrutural da solda para verificar defeitos na região da solda, utilizando a técnica de inspeção visual e a radiografia, conforme norma AWS D17.1. A análise microestrutural da junta soldada foi realizada, após ataque químico, com solução de Nital 3%, com objetivo de identificar os microconstituintes, utilizando a Microscopia Ótica (MO). A superfície de fratura dos aços foi avaliada através da Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). Os resultados permitem compreender que predominam microestruturas de martensita nas juntas soldadas nas condições como recebido e tratados termicamente. Foram verificadas dendritas na zona fundida. O ensaio de microdureza Vickers apresentou, nas condições como recebido, elevados valores de dureza nas regiões da zona fundida e da zona termicamente afetada, devido ao endurecimento com a microestrutura martensita. O tratamento de revenimento diminuiu os valores de microdureza da condição anterior (como recebido), devido ao alívio de tensões. Na condição temperado e revenido, foi possível observar valores de microdureza mais uniformes em todas as regiões soldadas, já que ocorreu a recuperação e recristalização dos grãos. Nos aços dissimilares, foram constatados valores de microdureza semelhantes nas regiões da junta soldada, exceto no metal base. Os resultados do ensaio de tração indicam que o aço dissimilar possui excelentes propriedades mecânicas. Na condição temperado e revenido, o aço dissimilar possui propriedades semelhantes aos aços sem solda 300M e SAE 4140. As imagens da fractografia permitem relatar que todas as fraturas dos aços soldados ocorreram no metal base, com predominância de fratura dúctil, exceto a fratura mista, ocorrida no aço soldado 300M nas condições como recebido e revenido. No aço dissimilar, a fratura aconteceu no lado do aço SAE 4140, devido à composição química.

El presente proyecto de tesis consiste en la simulación numérica de un proceso de soldadura, para tal fin se desarrolla un modelo termo-mecánico tridimensional con prescripción de temperatura basado en la hipótesis de desacople del proceso de soldadura en tres grandes campos (campo de temperaturas, campo de esfuerzos y deformaciones y campo de estado microestructural) y la influencia mutua que existe entre ellos. Se llevan a cabo dos estudios, primero un estudio térmico transitorio con el fin de obtener la historia térmica, la misma que luego servirá como carga externa (información de entrada) para el estudio mecánico no lineal, con el fin de alcanzar el principal objetivo que es conocer la historia de esfuerzos a lo largo del proceso y la magnitud de los esfuerzos residuales. / Tesis

En el presente trabajo se estudió la soldabilidad de una unión disimilar formada por el acero estructural ASTM A36 y la aleación de aluminio AA5052-H34. Las uniones disimilares obtenidas no lograron alcanzar la resistencia mecánica mínima indicada en el código AWS B 2.1 que establece que este tipo de uniones como mínimo deben alcanzar 170 MPa de resistencia a la tracción. En esta investigación los mejores resultados obtenidos alcanzaron los 86 MPa de resistencia a la tracción, representando el 50,6% de lo requerido por el código. De los resultados se determinó que no es posible obtener uniones, entre el acero estructural ASTM A36 y la aleación de aluminio AA5052-H34, empleando un solo metal de aporte, pues se presentan problemas de soldabilidad básicamente entre el aporte y el acero. Se hace necesario realizar el proceso de enmantequillado o buttering en el lado del acero mediante el electrodo Cu-8Al. Luego de realizado el buttering, para la elaboración de los cupones de soldadura disimilares se emplearon diversos materiales de aporte y procesos de soldadura en la búsqueda de un procedimiento de soldadura que cumpla con lo estipulado en el código AWS B2.1. Para el desarrollo de este trabajo, se emplearon los procesos de soldadura más comunes en el medio como SMAW, GMAW y GTAW. El procedimiento de soldadura con el que se obtuvieron las mejores propiedades mecánicas fue el realizado mediante el buttering a cinco pasadas mediante el proceso SMAW (62 A, 25 V) y realizando la unión con el proceso GMAW usando un aporte de Al-5Si (15.4 V, 105 A). Estas uniones no cumplieron lo requerido por el código en resistencia mecánica, ni en el ensayo de doblado, pues durante ambos ensayos se produce desprendimiento del buttering y el metal de aporte. En el barrido de durezas realizado a la sección transversal del cordón, en las uniones mencionadas, se apreció que no existe mayor variación en los valores de dureza encontrados en las ZAC de ambos metales, lo que demuestra que se evitó la formación de zonas duras. / Tesis