Simulação do Processo de Soldagem Elétrica por Centelhamento de um Aço para Trilhos Ferroviários. Parte 1: Análise de Tensões Residuais Via Elementos Finitos

Resumo Trilhos longos, soldados pelo processo Flash Butt Welding (FBW), são a realidade das ferrovias brasileiras de média e alta carga por eixo. Embora apresentem características desejáveis do ponto de vista do comportamento dinâmico da via, as soldas são regiões de descontinuidade estrutural e mecânica onde se originam tensões residuais, e que estão associadas a falhas prematuras por fadiga. Simulações numéricas termomecânicas, fisicamente não-lineares, no domínio do tempo, pelo Método dos Elementos Finitos (MEF), foram empregadas para avaliar o desenvolvimento de tensões residuais originadas durante o processo de soldagem. Uma nova abordagem para a inclusão do aporte de calor envolvido no processo é proposta. Os resultados numéricos são comparados a medidas experimentais de tensões residuais superficiais e aspectos macrográficos das juntas, incluindo largura da Zona Termicamente Afetada (ZTA) e dados de taxas de resfriamento. Os resultados mostram boa correlação entre as análises numéricas e medidas experimentais de tensões residuais. Aspectos fundamentais relacionados ao desenvolvimento de tensões residuais são esclarecidos a partir da correlação entre análises numérica e experimental. Ademais, verifica-se que os modelos computacionais podem ser utilizados na previsão de pontos críticos para nucleação de trincas por fadiga e/ou avaliar efeitos de variáveis de processo sobre o campo de tensões residuais. Abstract Long rails, welded by the Flash-Butt Welding (FBW) process, are the reality of the Brazilian railroads for medium and high axle loads. Although they present desirable characteristics concerning the dynamic behavior of the track, welded joints are regions of structural and mechanical discontinuity where high residual stresses originate, and, consequently, premature fatigue failures may take place. This paper employs the Finite Element Method (FEM) to carry out transient, physically non-linear thermo-mechanical analyses to evaluate residual stresses evolved in the welding process. A new approach is proposed to take into account the heat input involved in the process. The numerical results are compared to experimentally measured surface residual stresses, and to the macrographic joint aspects, including the HAZ width and cooling rate data. The results show a good correlation between the numerical and experimental measurements of residual stresses. Fundamental aspects related to the development of residual stresses are clarified, correlating numeri