Resumo: Trilhos longos soldados por centelhamento elétrico (Flash Butt Welding - FBW) apresentam características desejáveis do ponto de vista do comportamento dinâmico da via, no entanto, as soldas são regiões de descontinuidade estrutural e mecânica onde se originam tensões residuais, e que estão associadas a falhas prematuras por fadiga. Ensaios de dilatometria foram empregados para simular os efeitos do tamanho de grão austenítico sobre a evolução microestrutural pós-soldagem. Simulações numéricas termomecânicas, não-lineares, no domínio do tempo, pelo Método dos Elementos Finitos (MEF), foram empregadas para avaliar os efeitos de modificações de parâmetros do processo de soldagem sobre as tensões residuais. Os resultados apresentados permitem compreender os mecanismos das alterações morfológicas da perlita na Zona Termicamente Afetada (ZTA) em termos de transformações de fases e podem ser utilizados para sistematicamente orientar mudanças nos parâmetros do processo ou controlar a taxa de resfriamento de modo a obter melhores condições metalúrgicas/mecânicas. Ademais, os resultados dos modelos numéricos mostram como a adoção de ZTA estreita influencia nas taxas de resfriamento e no desenvolvimento de tensões residuais em regiões críticas do componente.

Abstract: Long rails, welded by the Flash-Butt Welding process present desirable characteristics concerning the dynamic behavior of the track, however flash-butt-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 dilatometric analysis to simulate the austenitic grain size effects on the postweld microstructural evolution. Finite Element Method (FEM) is used to carry out transient, physically non-linear thermo-mechanical analyses to evaluate the effects of the welding parameters on residual stresses. The results allow understanding the mechanisms associated with the morphological changes of the pearlite in the HAZ in terms of phase transformation and can be used to systematically guide changes in the process parameters or to control the cooling rate in order to obtain better metallurgical/mechanical conditions. In addition, from the results of the numerical models, it is demonstrated how the adoption of narrow HAZ influences cooling rates and the development of residual stresses in critical regions of the welded component.

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 numerical and experimental analyses. In addition, it is verified that the computational models can be used to predict critical crack nucleation points by fatigue, and/or to evaluate effects of process parameters on the residual stress field.

Abstract Residual stresses are present in materials or structural component in the absence of external loads or changes in temperatures. The most common causes of residual stresses being present are the manufacturing or assembling processes. All manufacturing processes, such as casting, welding, machining, moulding, heat treatment, etc, introduces residual stresses into the manufactured object. The residual stresses effects could be beneficial or detrimental, depending on its distribution related to the component or structure, its load service and if they are compressive or tensile. In order to do the studies of residual stresses inside pipes, where the fatigue cracks normally initiate, an equipment that allows applying the Hole-Drilling Method was developed. The equipment efficacy was confirmed in this work by using it to detect residual strains inside a Mock-up that simulates the relief and security nozzle of Angra 1 Nuclear Power Plant (NPP) pressuriser.

A soldagem de metais dissimilares tem diversas aplicações na indústria. Notadamente na indústria alimentícia e na indústria nuclear, este tipo de junta, comum entre aço carbono A36 e aço inoxidável austenístico ou entre aço inoxidável austenístico e cobre e suas ligas, é sempre motivo de análise e cuidados especiais tendo em vista a necessidade de manter a integridade dos equipamentos. Variações térmicas e dimensionais durante o uso de equipamentos que possuem juntas de materiais dissimilares são sempre preocupantes porque nem sempre se conhece o histórico da fabricação ou mesmo da execução de alguma recuperação, dificultando o gerenciamento do envelhecimento. O conhecimento antecipado destas variações por meio do conhecimento da vida a fadiga pode contribuir muito no projeto, na escolha do processo de fabricação, na escolha do consumível de soldagem e obviamente na conservação e integridade do equipamento. Apresentam-se neste trabalho os resultados obtidos para as tensões residuais nas soldas dissimilares e as curvas S-N-P que relacionam tensão com o número de ciclos e a probabilidade de falha, para 4 metais: cobre eletrolítico, aço inoxidável AISI 304, aço inoxidável AISI 316L e aço carbono A36 que foram posteriormente soldados entre si.

The welding of dissimilar metals has many applications in industry. In special, in the food industry and nuclear industry, this type of joint, common between A36 carbon steel and austenitic stainless steel or between austenitic stainless steel and copper and its alloys, is always subject to analysis and special care to maintain equipments integrity. Thermal and dimensional variations during use of equipment that have dissimilar welds are always troubling because not always it is known the history of the manufacture or recovery, making the management of aging difficult. Advance knowledge of these variations through the knowledge of the fatigue life can greatly contribute in design, choice of manufacturing process, choice of consumables and obviously in the preservation and integrity of the equipment. This paper presents results achieved for the residual stresses in dissimilar welds and SNP curves relating tension with the number of cycles and the failure probability for four metals: electrolytic copper, austenitic AISI 304 and AISI 316L stainless steels and A36 carbon steel which were subsequently welded together.