Simulação de Soldagem

Cenário atual do setor de soldagem

Estima-se que o mercado global de soldagem atinja um valor de US$392,91 bilhões em 2026. Projeta-se que o mercado alcance US$687,34 bilhões até 2035, expandindo a uma taxa composta de crescimento anual (CAGR) de 6,41% de 2026 a 2035.

Com níveis históricos de construção e investimento de capital em andamento, as expectativas em relação à conformidade com os códigos de soldagem são maiores e menos tolerantes. O desalinhamento entre projeto, procedimentos, qualificação e inspeção pode atrasar projetos, gerar retrabalho e introduzir riscos tanto na oficina quanto no campo.

Nesse cenário, a simulação virtual de soldagem possibilita a criação de um gêmeo digital do processo, antecipando problemas que só seriam detectados após o início da operação, reduzindo retrabalhos, custos e tempo de desenvolvimento. Com o Ansys LS-Dyna, é possível:

Prever distorções e contrações causadas pelas mudanças de fase do material durante a soldagem,
Avaliar a zona termicamente afetada e
Testar diferentes combinações de materiais e parâmetros operacionais.

A tecnologia também permite desenvolver sequências de soldagem mais eficientes, capazes de reduzir picos de temperatura e melhorar o desempenho estrutural do conjunto. Dessa forma, torna-se viável validar previamente se os parâmetros definidos para o processo estão adequados ao equipamento.

Além da análise térmica e metalúrgica, as especificações da solda também podem ser avaliadas estruturalmente por meio de simulações mecânicas no Ansys Mechanical. Com isso, é possível verificar a quantidade ideal de pontos de solda, identificar concentrações de tensão, analisar espessuras de cordão e comparar diferentes materiais, garantindo maior confiabilidade e desempenho ao produto final.

Como destacado pela Lincoln Electric, “A responsabilidade do projetista é fornecer um projeto que seja funcional, confiável e produzível a um custo mínimo. Para fazer isso, ele deve ter uma compreensão completa dos materiais a serem usados e dos processos disponíveis para fabricação. […] O bom projeto é a chave para o sucesso da soldagem. É o meio pelo qual as vantagens inerentes do processo de soldagem a arco são alcançadas. Um projeto bem concebido resulta em um produto com melhor aparência, menor peso e menor custo do que um mal projetado ou que seja mera cópia de uma peça fundida.” (LINCOLN ELECTRIC, 1973, p. 2.1-1).

Processo de soldagem

A soldagem é um processo de fabricação essencial para a união de materiais, principalmente metais, e pode ser executada por diferentes métodos. Entre os mais utilizados estão a soldagem por resistência, a soldagem a gás, a soldagem por arco elétrico e a soldagem exotérmica.

Neste blog, daremos ênfase aos processos de soldagem por fusão a arco elétrico, especificamente TIG, MIG/MAG e Eletrodo Revestido. Abordaremos as distorções térmicas causadas no metal de base, as tensões residuais geradas pela sequência de soldagem e as melhores práticas para minimizar esses efeitos.

Problemas de Soldagem

Dentre os principais problemas encontrados em juntas soldadas, destacam-se as distorções geométricas e as contrações, resultantes dos ciclos térmicos de aquecimento e resfriamento. Esses fenômenos, aliados a taxas de resfriamento inadequadas, induzem o surgimento de tensões residuais, que permanecem na estrutura após o resfriamento completo e podem comprometer a integridade mecânica do componente.

Ansys LS-Dyna para soldagem

É um solver explícito avançado com recursos nativos de soldagem (fontes de calor de Goldak, inclusão de material de adição, definição de contatos).

A distribuição de temperatura é determinada por meio do modelo de fonte de calor de duplo elipsóide de Goldak. A partir dos gradientes térmicos gerados, são calculadas a expansão térmica e as transformações de fase, permitindo a determinação das tensões residuais e das distorções na junta soldada.

Demonstração da ferramenta Ansys LS–Dyna

Para iniciar o desenvolvimento da análise é necessário que seja feita a descrição realista da fonte de calor aplicada ao cordão de solda; com isso é definido uma fonte de calor do tipo Goldak e o movimento da fonte de solda.

Durante a criação do modelo de movimentação da solda conseguimos:

Selecionar uma trajetória no cordão de solda;
Definir contato entre esta trajetória e uma viga;
Definir a velocidade de soldagem;
Direções de mira da tocha de soldagem;
Mover a fonte de calor

Configurar uma simulação de soldagem pode ser uma tarefa desafiadora, especialmente se o modelo contiver várias soldas. A GUI (Interface Gráfica do Usuário) de soldagem dentro do LS-PrePost foi implementada com o objetivo de facilitar essa configuração.

Para orientar melhor o usuário, a cor do botão fica verde se a soldagem ou a fixação estiverem configuradas corretamente, ou vermelha se forem necessários mais dados de entrada.

Na GUI (Interface Gráfica do Usuário) há possibilidade de executar a simulação em uma configuração acoplada, desacoplada ou apenas térmica.

Ao utilizarmos um exemplo simples de junta tipo T, conseguimos analisar plots de deformação e tensão e também visualizar a deformação assimétrica causada pela direção de soldagem. O tempo de subida da temperatura foi calibrado por meio de uma simulação térmica.

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Referências Bibliográficas

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