Estudo das distorções em chapas finas de um aço com alta resistência mecânica e ao desgaste soldadas pelos processos MAG e TIG

Abstract

Aços de alta resistência mecânica e ao desgaste vêm sendo amplamente empregados na indústria agrícola, de mineração e aplicações militares. A soldagem de chapas de baixa espessura desse tipo de aço, é um grande desafio, pois o gradiente térmico não uniforme que é gerado em função da pequena quantidade de material para dissipação térmica, desencadeia deformações plásticas não controladas. O objetivo do presente trabalho foi estudar as distorções produzidas pelos processos de soldagem MAG convencional e TIG autógeno em chapas de aço Hardox® 450 de 1 mm de espessura, empregando dois níveis de energia. Foram realizadas medições dos ciclos térmicos, das geometrias das seções transversais dos cordões de solda, e a magnitude das distorções nas chapas soldadas. O foco do estudo consistiu na deformação longitudinal, transversal e contração angular. Para soldas MAG a diferencia de deformação foi menor a 20% entre os níveis de energia, e para soldas TIG foi de 15%. Fazendo a comparação entre os processos de soldagem, as chapas soldadas pelo processo MAG deformaram 33% mais que aquelas soldadas pelo processo TIG. A fim de simular o campo de distorções nos experimentos foi desenvolvido um modelo numérico no software Comsol Multyphysics®, onde foram considerados os mecanismos de dissipação de calor e as propriedades termomecânicas dependentes da temperatura do material. Foi implementado um modelo analítico adicional para fazer a validação e comparação dos resultados.Na análise térmica a diferença entre os resultados do modelo numérico e dos experimentos, foi inferior a 10% tanto para os testes de máxima e mínima energia nas soldas MAG e TIG. Na análise estrutural para os testes MAG, se teve diferenças entre o modelo e os experimentos inferior a 10% em referência da deformação máxima. No entanto, nos testes TIG a discrepância é maior, com diferenças de até 30% para os dois tipos de deformações. O modelo numérico foi comparado com um modelo analítico de contração angular. Nas soldas MAG a diferença foi menor a 30% e nos testes TIG foi, aproximadamente de 70%. O modelo analítico apresenta melhores resultados aos experimentos, em comparação com o modelo numérico, pois tem diferenças inferiores a 55% para os dois tipos de processo de soldagem.

High strength and wear resistance steels have been widely used in the agricultural, mining and military applications. The welding of thin sheets of this type of steel is a great challenge, since the non-uniform thermal gradient that is generated due to the small amount of material for thermal dissipation, triggers uncontrolled plastic deformations. The objective of the present work was to study the distortions produced by the conventional MAG and autogenous TIG welding processes in 1 mm thick Hardox® 450 steel plates, using two energy levels. Measurements of the thermal cycles, the geometries of the cross-sections of the weld beads, and the magnitude of the distortions in the welded plates were made. The focus of the study was on longitudinal, transverse and angular contraction. For MAG welds the deformation difference was less than 20% between the energy levels, and for TIG welds it was 15%. Comparing the welding processes, the plates welded by the MAG process deformed 33% more than those welded by the TIG process. To simulate the distortion field in the experiments, a numerical model was developed in the Comsol Multyphysics® software, where the heat dissipation mechanisms and the thermomechanical properties dependent on the material temperature were considered. An additional analytical model was implemented to validate and compare the results. In the thermal analysis, the difference between the results of the numerical model and the experiments was less than 10% for both the maximum and minimum energy tests in MAG and TIG welds. In the structural analysis for the MAG tests, there were differences between the model and the experiments below 10% about the maximum deformation. However, in the TIG tests, the discrepancy is greater, with differences of up to 30% for the two types of deformations. The numerical model was compared with an analytical model of angular contraction. In MAG welds the difference was less than 30% and in TIG tests it was approximately 70%. The analytical model presents better results for the experiments, in comparison with the numerical model, because it has differences of less than 55% for the two types of welding process.