Estudo numérico e experimental dos processos de transferência de calor em prototipagem rápida por soldagem a arco

Abstract

Neste trabalho é realizado um estudo sobre a tecnologia aditiva de deposição de metal em camadas sucessivas por soldagem a arco, também chamada de prototipagem rápida por soldagem a arco. Primeiramente é realizada uma análise comparativa de tal tecnologia com métodos tradicionais de fabricação para uma possível aplicação aeroespacial, levando-se em conta o desperdício de material. Ainda nessa parte, com o intuito de simular o processo de prototipagem rápida por soldagem a arco e verificar suas implicações do ponto de vista metalúrgico, um estudo metalográfico detalhado de uma sequência de cordões de solda sobrepostos foi realizado, utilizando como materiais de base e de deposição aços amplamente utilizados na área espacial. Os resultados obtidos na avaliação metalográfica mostraram a necessidade de um estudo mais profundo em processos de transferência de calor em prototipagem rápida por soldagem a arco. Assim, foi criado um modelo numérico, discretizado por diferenças finitas, representativo do processo em estudo. Estudos experimentais nas mesmas condições do modelo numérico foram realizados e confrontados entre si. Um parâmetro adimensional de importância é proposto para análise dos resultados, sendo denominado “número de Fourier do processo de soldagem” (Fosold), o qual se mostrou importante do ponto de vista fenomenológico para as análises dos ciclos térmicos envolvidos no processo. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT

In this work, a study about additive technology by shape metal deposition with arc welding, also named as rapid prototyping by arc welding, is carried out. First, a comparative analysis of this technology compared with traditional manufacturing methods is made, looking at a possible aerospace application regarding the wasting of material. Still in this part, in order to simulate the arc welding rapid prototyping and to find out its metallurgical implications, a detailed metallographic study of a sequence of weld beads deposited in a layered pattern using base metal and filler wire composed of stainless steels widely used on the space field is also carried out. The results of the metallographic study showed the necessity of a deeper study in process of heat transfer in rapid prototyping by arc welding. Therefore, a numerical model representative of the process under study was developed and discretized by finite differences. Experimental studies in the same conditions of the numerical model were also made and compared to the numerical one. A dimensionless parameter of importance is proposed for the analysis of the results, being denominated as the “Fourier number associated with the welding process” (Fosold), which proved to be important from the phenomenological point of view for the analysis of the thermal cycles involved in the process.