Determinação das tensões residuais e deformações resultantes do processo de soldadura TIG através do método dos elementos finitos

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Actualmente, os processos de soldadura têm um papel fundamental em várias indústrias, tais como a aeronáutica, automóvel, aeroespacial, metalomecânica, naval, civil, etc. No entanto, devido às elevadas variações de temperaturas a que os materiais são geralmente sujeitos, os detalhes soldados vão apresentar empenos, que são resultado das tensões residuais geradas pela distribuição da temperatura transiente e do arrefecimento subsequente. As tensões residuais resultantes podem ser responsáveis por potenciar fenómenos de corrosão, fadiga, fractura frágil e alterações na geometria do componente, justificando-se a importância do seu controlo durante a fase de fabrico e pós-fabrico de componentes soldados. Ao longo dos anos, vários engenheiros têm vindo a desenvolver tecnologias inovadoras para fazer a medição das tensões residuais presentes em detalhes estruturais soldados. A presente dissertação tem como objectivo calcular as tensões residuais e as distorções geradas por um processo de soldadura TIG (Tungsten Inert Gas) de duas placas fabricadas num aço inoxidável austenítico AISI 316L. Este tipo de processo de soldadura é frequentemente utilizado em aços inoxidáveis e ligas de alumínio. Para alcançar o objectivo da dissertação, utilizou-se o Método dos Elementos Finitos (MEF), de modo a simular o processo de soldadura e, consequentemente, se obter as distribuições de tensões residuais e as distorções existentes nas ligações soldadas. Contudo, devido à natureza complexa de um processo de soldadura, a sua simulação numérica é uma tarefa bastante complicada e a modelação do processo de soldadura foi feita tendo em consideração várias técnicas e simplificações sugeridas por diversos autores referidos na bibliografia. Em primeiro lugar, realizou-se uma análise térmica, com o intuito de se obter os campos de temperatura transientes na placa e, consequentemente, de se utilizarem os resultados térmicos na análise estrutural subsequente. A modelação do processo de soldadura por via do MEF foi validada através de dados experimentais inclusos na bibliografia deste trabalho. No final, compararam-se os resultados obtidos da análise estrutural, obtida por simulação numérica, com os resultados experimentais das tensões residuais medidos pelo método do furo. Paralelamente, fez-se a medição dos empenos da placa soldada através da utilização de um scanner com capacidade de digitalização tridimensional.