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Type: Tese
Title: Numerical investigation of temperature distribution of autogenous tig welding process
Authors: Pessoa, Dimitry Barbosa
Advisor: Marcondes, Francisco
Co-advisor: Motta, Marcelo Ferreira
Keywords in Brazilian Portuguese : EbFVM;Simulação 3D;Soldagem;Soldagem e corte oxiacetilenico
Keywords in English : EbFVM;3D simulation;Welding;Oxyacetylene welding and cutting
Knowledge Areas - CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA
Issue Date: 2025
Citation: PESSOA, Dimitry Barbosa. Numerical investigation of temperature distribution of autogenous tig welding process. 2025. 142 f. Tese (Doutorado em Engenharia e Ciência de Materiais) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.
Abstract in Brazilian Portuguese: É comum encontrar estruturas de aço soldadas na indústria, seja na produção de peças ou em casos que envolvam reparos. Existem diversos processos de soldagem utilizados para unir peças metálicas e o estudo dessas técnicas é essencial, tanto para a escolha dos parâmetros de soldagem, quanto para a escolha do método mais adequado para cada aplicação industrial e o tipo de estrutura que necessitará de reparo pelo processo de soldagem. Este trabalho se concentra no estudo do processo de soldagem TIG autógena. O grande aporte térmico em um processo de soldagem produz alterações microestruturais e tensões residuais que podem prejudicar a região soldada. Por esse motivo, justifica-se a busca incansável pelo aprimoramento dos processos de soldagem e dos principais efeitos causados ao material após a execução da solda. Entender a variação de temperatura ao longo do material soldado pode prevenir a ocorrência de falhas. Processos de pesquisa experimental são bastante demorados e onerosos. O uso de etapas de simulação numérica é recorrente para auxiliar em processos de soldagem experimental para aquisição de ciclos térmicos. Softwares fechados como ANSYS®, ABAQUS®, SYSWELD®, entre outros, são comumente usados para estágios de simulação numérica de levantamentos de ciclo térmico. Métodos numéricos como; diferença finita (FDM), elemento finito (FEM), volume finito (FVM) e Galerkin sem malha (EFG) são amplamente usados para levantamento do ciclo térmico de soldagem. Embora sejam métodos bastante robustos, eles precisam ser complementados. Visando desenvolver um simulador na linguagem Fortran voltado para análise numérica da distribuição de temperatura devido a um processo de soldagem. Este trabalho usa o método de volume finito baseado em elementos (EbFVM) como um pilar matemático, juntamente com malhas estruturadas e não estruturadas. Quatro fontes de calor diferentes; circular, semi-elipse, semi-elipsoide e duplo elipsoide foram usadas neste trabalho como um alvo de investigação numérica que melhor se adequava ao processo de soldagem TIG autógena. Parâmetros como: corrente elétrica, tensão, velocidade de soldagem, calor específico, condutividade térmica, eficiência de soldagem e temperatura da chapa são variáveis fundamentais para que os resultados sejam comparados com experimentos reais. Um primeiro teste com dados coletados da literatura foi realizado para validar os passos numéricos. Após a validação dos resultados e verificação da robustez do código escrito em FORTRAN®, foi necessária uma etapa experimental controlada em laboratório. Na etapa experimental, o aço utilizado foi o AISI 409 com dimensões de 160mm x 50mm x 6,3mm. Termopares tipo K foram utilizados para aquisição de ciclos térmicos locais. Os termopares foram fixados em pontos próximos à região fundida. Quatro passes de solda foram realizados na peça de aço com temperatura entre passes após o primeiro passe de solda. Ainda na etapa experimental, foram realizados ensaios metalográficos para mensurar com precisão as dimensões do cordão de solda e para serem utilizados nas fontes de calor do modelo numérico. Os resultados dos ciclos térmicos adquiridos no processo experimental para termopares fixados próximos ou dentro da zona termicamente afetada apresentaram resultados concordantes com os resultados numéricos ao comparar os valores de temperatura de pico, tempo de aquecimento e resfriamento e taxa de aquecimento e resfriamento para os quatro passes de soldagem. Para os ciclos térmicos adquiridos em regiões mais distantes da zona termicamente afetada, os resultados experimentais e numéricos foram concordantes nas taxas de aquecimento e resfriamento e no tempo de aquecimento e resfriamento para os dois valores de corrente elétrica utilizados.
Abstract: It is common to find welded steel structures in the industry, either in producing of parts or in cases that involve repairing them. There is several welding processes used to join metal parts and the study of these techniques is essential, both for choosing welding parameters, as well as for choosing the most appropriate method for each industrial application and the type of structure that will need repair by the welding process. This work focuses on studying the autogenous TIG welding process. The large thermal input in a welding process produces microstructural alterations and residual stresses that can harm the welded region. For this reason, the tireless search for the improvement of welding processes and the main effects caused to the material after the execution of the weld is justified. Understanding the temperature variation throughout the welded material can prevent failures from occurring. Experimental research processes are quite time consuming and costly. The use of numerical simulation steps is recurrent to assist in experimental welding processes for acquiring thermal cycles. Closed software such as ANSYS®, ABAQUS®, SYSWELD®, among others, are commonly used for numerical simulation stages of thermal cycle surveys. Numerical methods like; difference finite (FDM), finite element (FEM), finite volume (FVM) and meshless Element-Free Galerkin (EFG) are widely used to survey the welding thermal cycle. Although they are quite robust methods, they need to be complemented. Aiming to develop a simulator in the Fortran language aimed at numerical analysis of temperature distribution due to a welding process. This work uses the element-based finite volume method (EbFVM) as a mathematical pillar, together with structured and unstructured meshes. Four different heat sources; circular, semi-ellipse, semi-ellipsoid and double ellipsoid were used in this work as a numerical investigation target that best suited the autogenous TIG welding process. Parameters such as: electric current, voltage, welding speed, specific heat, thermal conductivity, welding efficiency and plate temperature are fundamental variables for the results to be compared with real experiments. A first test with data collected from the literature was performed to validate the numerical steps. After validating the results and checking the robustness of the code written in FORTRAN®, an experimental stage controlled in the laboratory was necessary. In the experimental stage, the steel used was AISI 409 with dimensions of 160mm x 50mm x 6.3mm. K-type thermocouples were used to acquire local thermal cycles. The thermocouples were fixed at points close to the fused region. Four weld passes were performed on the steel piece with inter-pass temperature after the first weld pass. Still in the experimental stage, metallographic tests were carried out to measure the dimensions of the weld bead accurately and to be used in the heat sources of the numerical model. The results of the thermal cycles acquired in the experimental process for thermocouples fixed close to or within the thermally affected zone showed results in agreement with the numerical results when comparing the values of peak temperature, heating and cooling time and heating and cooling rate for the four welding passes. For thermal cycles acquired in regions farther from the thermally affected zone, the experimental and numerical results were concordant in the heating and cooling rates and in the heating and cooling time for the two values of electric current used.
Description in Brazilian Portuguese: Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/83232
Author's ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0486-3228
Author's Lattes: http://lattes.cnpq.br/8614041892710199
Advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/2663181961083657
Co-advisor's ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1425-690X
Co-advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/1884420163035670
Access Rights: Acesso Aberto
Appears in Collections:DEMM - Teses defendidas na UFC

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