Prediction of Residual Stress Distribution in Flash Butt Welded Rails using Electro-Thermo-Mechanical Simulation

Abstract

Flash butt welding is commonly used in the manufacture of continuously welded rails. It is a resistance welding method, often performed in stationary plants, which consists of electrical heating and hydraulic forging of the rail ends. This method introduces a residual stress field in the foot, web and head of the rail. This investigation performs an electrothermo-mechanical analysis using finite element techniques to analyze the residual stress in two continuously welded rails. The residual stress results are compared with ASTM E837-99 standard test data.

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

“…Sendo assim, considerou-se um valor médio igual a 3x10 -5 /°C para o coeficiente de expansão térmica instantâneo, calculado a partir da derivada da deformação relativa em ensaios de dilatometria aplicado ao material [18] Para considerar as propriedades mecânicas em função da temperatura foi utilizado o modelo bilinear isotropic hardening Ansys [23]. Os valores do módulo de elasticidade, limite de escoamento e módulo tangente foram os mesmos usados por Haibatollahi e Tehrani [13], pois o aço simulado por aqueles autores possui propriedades mecânicas próximas ao aço perlítico intermediário tratado neste trabalho.…”

“…Ressalta-se que a extremidade oposta ao plano A do modelo (Figura 5) possui todos os deslocamentos livres, pois corresponde ao trilho ligado ao eletrodo móvel durante o processo de soldagem por centelhamento. Também não se considerou a força de forjamento aplicada ao final da soldagem, estratégia comumente adotada em simulações de soldagem por centelhamento elétrico [11][12][13][14][15][16][17].…”

“…Um ponto que merece destaque em relação aos dados de tensões residuais experimentais é o fato de que o estado geral de tensões superficiais nas juntas soldadas é determinado pelas componentes de tensões normais, uma vez que os valores de tensões cisalhantes obtidos foram desprezíveis. Os resultados de tensões residuais obtidos nas juntas de trilho intermediário seguiram a mesma tendência de estudos anteriores [5,6,[10][11][12][13][14][15][16][17], com tensões normais trativas nos sentidos longitudinal e vertical na região da alma e tensões compressivas no boleto. O estado de tensão obtido pode ser explicado pelo desenvolvimento de intensa deformação de origem térmica, com deformação plástica localizada na alma durante o ciclo de aquecimento devido a sua maior temperatura durante o processo de soldagem.…”

“…No primeiro tipo de abordagem, tenta-se uma simulação completa do fenômeno, incluindo-se, no modelo eletrotérmico transiente, a geração de calor por efeito Joule. Os valores nodais de temperatura no modelo são posteriormente utilizados como dados de entrada em um modelo mecânico com objetivo de simular o desenvolvimento de tensões residuais [12][13][14]. No segundo tipo (simulação termo-mecânica), um input de calor genérico equivalente àquele gerado durante a soldagem por centelhamento é aplicado como condição de contorno em uma simulação térmica transiente, sendo os valores de temperatura nos nós do modelo, em cada passo de tempo, posteriormente utilizados em um modelo mecânico para avaliar o desenvolvimento de tensões residuais [11,[15][16][17].…”

Simulação do Processo de Soldagem Elétrica por Centelhamento de um Aço para Trilhos Ferroviários. Parte 2: Análise Dilatométrica e Numérica

“…Para considerar as propriedades mecânicas em função da temperatura foi utilizado o modelo bilinear isotropic hardening Ansys (2016) [17]. Os valores do módulo de elasticidade, limite de escoamento e módulo tangente foram os mesmos usados por Haibatollahi e Tehrani [18], pois o aço simulado por aqueles autores possui propriedades mecânicas próximas ao aço perlítico intermediário tratado neste trabalho.…”