A aplicação do calor de forma não uniforme em estruturas soldadas origina distribuições de temperatura altamente transientes, produzindo tensões térmicas não uniformes que, por sua vez, geram deformações plásticas, tensões residuais e deformações permanentes (distorções). As distorções são desvios geométricos indesejáveis na estrutura, causando grandes perdas. Em chapas espessas soldadas a topo, com chanfro em V, o principal problema são as distorções angulares, principalmente quando a estrutura é soldada sem restrição e com múltiplos passes. Uma das formas mais eficientes de controle da distorção angular é prever o seu valor antes da soldagem. Este trabalho teve como objetivo principal desenvolver métodos e modelos analíticos para previsão da distorção angular, os quais foram aplicados em juntas a topo em chanfro em V na soldagem multipasse. Para atingir tal objetivo, duas abordagens foram aplicadas. A primeira foi baseada em evidências experimentais e a segunda, em uma equação analítica disponível na literatura. Investigou-se, também, a relação existente entre a distorção angular e o comportamento termomecânico do material na junta soldada. Nos experimentos realizados, utilizou-se corpos de prova constituídos de chapas de aço estrutural ASTM A36, soldadas pelo processo de soldagem ao arco elétrico com proteção por gás e eletrodo consumível (doravante neste texto denominado “MAG”), nas espessuras de 9,75; 12,75; 16,0 e 19,0 mm. Os experimentos foram reunidos em nove grupos, classificados de acordo com as dimensões dos corpos de prova, parâmetros da fonte (tensão e corrente), velocidade de soldagem, energias de soldagem e número de passes Para os grupos 1-6, as distorções foram medidas ao longo dos passes através de LVDT – “Linear Variable Differential Transformer” (Transformadores Lineares Diferenciais Variáveis) - e, em todos os grupos, mediu-se a distorção final através de um goniômetro. Para investigar a relação entre a distorção angular e o comportamento termomecânico do material, termopares do tipo K e tipo S foram utilizados para obtenção dos ciclos térmicos. Em relação à abordagem baseada em evidências experimentais, os métodos e modelos foram obtidos em duas fases. A primeira fase, fundamentou-se no comportamento da distorção angular ao longo dos passes, na qual utilizou-se os resultados dos experimentos dos grupos 1-4 (espessuras 16,0 e 19,0 mm) e verificou-se que, independentemente da energia de soldagem utilizada em cada grupo, a distorção angular em um passe qualquer apresentava o mesmo valor. Essa constatação levou à escolha de um modelo analítico modelo B), a partir do qual se definiu uma metodologia envolvendo análise experimental em que é possível extrapolar a previsão da distorção. A segunda fase da abordagem experimental decorreu da análise dos resultados obtidos dos grupos 1-6 (espessuras 9,75; 12,75; 16,0 e 19,0 mm). A partir da constatação de que a distorção angular possuía o mesmo comportamento linear em função da energia de soldagem para as quatro espessuras e, além disso, utilizando os resultados obtidos na primeira fase, desenvolveu-se metodologias próprias com a finalidade de obter modelos analíticos para previsão da distorção angular (modelos D, E, F e G). Esses modelos permitem prever a distorção angular em função da energia de soldagem e espessura da chapa ou alternativamente, através da área da seção transversal do chanfro, nos intervalos de [0,35; 2,5] kJ/mm e [9,75; 19,0] mm. O comparativo preliminar dos modelos com resultados experimentais mostrou que eles podem ser utilizados para previsão da distorção angular, bem como novos modelos podem ser obtidos a partir da metodologia desenvolvida. Em relação à segunda abordagem, baseada na equação analítica para soldas “bead on plate” (deposição de cordão de solda sobre a superfície da chapa), o procedimento desenvolvido permitiu adequar a equação para prever a distorção angular em junta a topo com chanfro V. O método foi testado em diversas condições de soldagem, onde se observou concordância entre os resultados experimentais e analíticos para o valor final. Os estudos envolvendo a análise termomecânica do material na região da solda mostraram que o comportamento observado da distorção angular ao longo dos passes, para diferentes energias de soldagem, pode ser explicado pelas diferenças de temperatura entre a superfície da poça de fusão e superfície inferior da chapa, na raiz da solda. Além disso, o estudo mostrou que comportamento da distorção angular é significativamente influenciado pelos fenômenos que agem na resistência à deformação da estrutura, ou seja, resistência mecânica do material e seção resistente à medida que os passes de solda são realizados. / Non-uniform heat application in welded structures produce transient temperature distributions, producing non-uniform thermal stresses, which in turn generate plastic deformations, residual stresses and permanent deformations (distortions). The distortions are undesirable geometric deviations in the structure, causing great losses. In thick plates, buttwelded (V-groove), the main problem is angular distortions, especially when the structure is welded without restriction and with multiple passes. One of the most efficient ways to control angular distortion is to predict its value before welding. The main objective of this research was to develop analytical methods and models for the prediction of the angular distortion in butt joints (V-groove) in multipass welding. To achieve this goal, two approaches have been applied. The first was based on experimental evidence and the second on an analytical equation available in the literature. The relationship between the angular distortion and the thermo-mechanical behavior of the material in the welded joint was also investigated. In the experiments, test specimens were made of ASTM A36 structural steel plates, welded by the process electric arc welding with gas protection and consumable electrode (hereinafter referred to as "MAG"), in the thicknesses of 9.75 ; 12.75; 16.0 and 19.0 mm. The experiments were grouped into nine groups, classified according to the dimensions of the specimens, welding parameters (voltage and current), travel speed, heat input and number of passes. For groups 1-6, the distortions were measured along the passes through LVDT - Linear Variable Differential Transformer - and, in all groups, the final distortion was measured through a goniometer To investigate the relationship between angular distortion and thermomechanical behavior of the material, type K and type S thermocouples were used to obtain the thermal cycles. In relation to the approach based on experimental evidences, the methods and models were obtained in two phases. The first phase was based on the angular distortion behavior along the passes, in which the results of the experiments of groups 1-4 (thicknesses 16.0 and 19.0 mm) were used and it was verified that, independently of the heat input used in each group, the angular distortion in any one pass had the same value. This finding led to the choice of an analytical model (model B), from which a methodology was defined involving experimental analysis in which it is possible to extrapolate the prediction of angular distortion. The second phase of the experimental approach resulted from the analysis of the results obtained from groups 1-6 (thicknesses 9.75, 12.75, 16.0 and 19.0 mm). From the observation that the angular distortion had the same linear behavior as a function of the heat input for the four thicknesses and, in addition, using the results obtained in the first phase, methodologies were developed with the purpose of obtaining analytical models for prediction of angular distortion (models D, E, F and G). These models allow to predict the angular distortion as a function of the energy and of the plate thickness or alternatively, through cross-sectional area of the groove, in the intervals of heat input [0.35; 2.5] kJ/mm and of thickness [9.75; 19.0] mm. The preliminary comparative of models with experimental results showed that they can be used to predict angular distortion, as well as new models can be obtained from the methodology developed. In relation to the approach based on the analytical equation for bead-on-plate welds, the developed methodology allowed to adapt the equation to predict the angular distortion in a V-groove butt weld. The method was tested in several welding conditions, where a good agreement was observed between the experimental and analytical results for the final value. The studies involving the thermomechanical analysis of the material in the welded region showed that the observed the angular distortion behavior along the passes, using different heat input, can be explained by the differences in temperature between the surface of the fusion (fusing puddle) and the lower surface of the plate at the root of the weld. In addition, the study showed that angular distortion behavior is significantly influenced by the phenomena that act on the resistance to deformation of the structure, that is, mechanical strength of the material and section resistant as weld passes are performed.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:www.lume.ufrgs.br:10183/172086 |
| Date | January 2017 |
| Creators | Adamczuk, Paulo Cezar |
| Contributors | Machado, Ivan Guerra |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFRGS, instname:Universidade Federal do Rio Grande do Sul, instacron:UFRGS |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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