Simulation of Flash-Butt Welding Process of a Railway Steel. Part 2: Dilatometric and Numerical Analysis

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.

Key-words:
Flash butt welding; Rail steels; Dilatometry; Welding metallurgy, Finite element method

Authorship

Rodrigo Rangel Porcaro

Universidade Federal de Ouro Preto - UFOP, Rede Temática em Engenharia de Materiais - REDEMAT, Ouro Preto, MG, Brasil.Universidade Federal de Ouro PretoBrasilOuro Preto, MG, BrasilUniversidade Federal de Ouro Preto - UFOP, Rede Temática em Engenharia de Materiais - REDEMAT, Ouro Preto, MG, Brasil.

https://orcid.org/0000-0002-5832-9453

Francisco Célio de Araújo

Universidade Federal de Ouro Preto - UFOP, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil - PROPEC, Ouro Preto, MG, Brasil.Universidade Federal de Ouro PretoBrasilOuro Preto, MG, BrasilUniversidade Federal de Ouro Preto - UFOP, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil - PROPEC, Ouro Preto, MG, Brasil.

https://orcid.org/0000-0003-1894-3800

Leonardo Barbosa Godefroid

https://orcid.org/0000-0003-3217-7049

Geraldo Lúcio de Faria

https://orcid.org/0000-0002-5195-984X

Luiz Leite da Silva

Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear - CDTN, Comissão Nacional de Energia Nuclear - CNEM, Belo Horizonte, MG, Brasil.Centro de Desenvolvimento da Tecnologia NuclearBrasilBelo Horizonte, MG, BrasilCentro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear - CDTN, Comissão Nacional de Energia Nuclear - CNEM, Belo Horizonte, MG, Brasil.

https://orcid.org/0000-0002-2579-8114

E-mails: rodrigo.porcaro@ufop.edu.br (RRP), dearaujofc@gmail.com (FCA), leonardo@ufop.edu.br (LBG), geraldolfaria@yahoo.com.br (GLF), silvall@cdtn.br (LLS).

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Figures

Figures (11)

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Figura 1
Ciclos térmicos aplicados em corpos de prova do metal base em ensaios de dilatometria, aço perlítico para trilhos. (i) Austenitização a 900°C (60s), usado para obter o diagrama TRC do metal base. (ii) Austenitização a 1300°C (1s), usado para avaliar o efeito do tamanho de grão austenítico na transformação de fases (ZTA).

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Figura 2
- Malha de elementos finitos adotada para trilho ferroviário com perfil TR-57 em simulações térmicas e estáticas estruturais.

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Figura 3
Representação em CAD da geometria do modelo do trilho ferroviário. (a) Em destaque um corpo intermediário, utilizado como elemento de aquecimento volumétrico. (b) Destaque para aporte de calor superficial.

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Figura 4
Condições de contorno para o modelo estático estrutural equivalente ao processo FBW.

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Figura 4
Condições de contorno para o modelo estático estrutural equivalente ao processo FBW.

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Figura 5
Diagrama de transformação sob resfriamento contínuo do metal base, aço perlítico intermediário para trilhos. Temperatura de austenitização igual a 900°C.

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Figura 6
Micrografias obtidas em microscópio óptico de amostras de dilatometria do metal base para diferentes taxas de resfriamento: (a) 0,5°C/s; (b) 10°C/s; (c) 15°C/s; (d) 20°C/s; (e) 50°C/s e (f) 150°C/s. Aumento original de 500x, Nital 2%.

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Figura 7
Diagramas de transformação sob resfriamento contínuo do metal base, aço perlítico intermediário para trilhos comparando duas diferentes temperaturas de austenitização e diferentes tamanhos de grão austenítico prévio. Apresentam-se ainda valores de microdureza Vickers com 200gf.

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Figura 8
Morfologia perlítica, tamanho de grão austenítico prévio e microdureza Vickers em amostras de dilatometria resfriadas a 1°C/s e austenitizadas a diferentes temperaturas: (a) 900°C e (b) 1300°C.

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Figura 9
Ciclos térmicos monitorados em nó central na superfície de boleto nos dois modelos térmicos da soldagem elétrica por centelhamento de trilho ferroviário intermediário simulados: modelo padrão [¹⁰10 Porcaro RR, Araújo FC, Godefroid LB, Faria GL, Silva LL. Simulação do processo de soldagem elétrica por centelhamento de um aço para trilhos ferroviários. Parte 1: análise de tensões residuais via elementos finitos. Soldagem e Inspeção. 2019;24:e2412. http://dx.doi.org/10.1590/0104-9224/si24.12.
http://dx.doi.org/10.1590/0104-9224/si24... ] e ZTA estreita.

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Figura 10
Comparação entre a largura da ZTA em corte longitudinal central nos dois modelos térmicos da soldagem elétrica por centelhamento de trilho ferroviário intermediário simulados: (a) modelo padrão [¹⁰10 Porcaro RR, Araújo FC, Godefroid LB, Faria GL, Silva LL. Simulação do processo de soldagem elétrica por centelhamento de um aço para trilhos ferroviários. Parte 1: análise de tensões residuais via elementos finitos. Soldagem e Inspeção. 2019;24:e2412. http://dx.doi.org/10.1590/0104-9224/si24.12.
http://dx.doi.org/10.1590/0104-9224/si24... ] e (b) ZTA estreita. Temperaturas máximas durante as simulações.

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Figura 11
Tensões residuais normais na direção vertical (eixo Y) (a) e direção longitudinal (eixo Z) (b) obtidas por simulação numérica do processo de soldagem por centelhamento modelo ZTA estreita. Comparação entre os resultados de tensões residuais normais simuladas nas condições padrão e ZTA estreita e medidas experimentais (c) [¹⁰10 Porcaro RR, Araújo FC, Godefroid LB, Faria GL, Silva LL. Simulação do processo de soldagem elétrica por centelhamento de um aço para trilhos ferroviários. Parte 1: análise de tensões residuais via elementos finitos. Soldagem e Inspeção. 2019;24:e2412. http://dx.doi.org/10.1590/0104-9224/si24.12.
http://dx.doi.org/10.1590/0104-9224/si24... ].

Figura 1 Ciclos térmicos aplicados em corpos de prova do metal base em ensaios de dilatometria, aço perlítico para trilhos. (i) Austenitização a 900°C (60s), usado para obter o diagrama TRC do metal base. (ii) Austenitização a 1300°C (1s), usado para avaliar o efeito do tamanho de grão austenítico na transformação de fases (ZTA).

Figura 2 - Malha de elementos finitos adotada para trilho ferroviário com perfil TR-57 em simulações térmicas e estáticas estruturais.

Figura 3 Representação em CAD da geometria do modelo do trilho ferroviário. (a) Em destaque um corpo intermediário, utilizado como elemento de aquecimento volumétrico. (b) Destaque para aporte de calor superficial.

Figura 4 Condições de contorno para o modelo estático estrutural equivalente ao processo FBW.

Figura 3 Representação em CAD da geometria do modelo do trilho ferroviário. (a) Em destaque um corpo intermediário, utilizado como elemento de aquecimento volumétrico. (b) Destaque para aporte de calor superficial.

Figura 4 Condições de contorno para o modelo estático estrutural equivalente ao processo FBW.

Figura 5 Diagrama de transformação sob resfriamento contínuo do metal base, aço perlítico intermediário para trilhos. Temperatura de austenitização igual a 900°C.

Figura 6 Micrografias obtidas em microscópio óptico de amostras de dilatometria do metal base para diferentes taxas de resfriamento: (a) 0,5°C/s; (b) 10°C/s; (c) 15°C/s; (d) 20°C/s; (e) 50°C/s e (f) 150°C/s. Aumento original de 500x, Nital 2%.

Figura 7 Diagramas de transformação sob resfriamento contínuo do metal base, aço perlítico intermediário para trilhos comparando duas diferentes temperaturas de austenitização e diferentes tamanhos de grão austenítico prévio. Apresentam-se ainda valores de microdureza Vickers com 200gf.

Figura 8 Morfologia perlítica, tamanho de grão austenítico prévio e microdureza Vickers em amostras de dilatometria resfriadas a 1°C/s e austenitizadas a diferentes temperaturas: (a) 900°C e (b) 1300°C.

Figura 9 Ciclos térmicos monitorados em nó central na superfície de boleto nos dois modelos térmicos da soldagem elétrica por centelhamento de trilho ferroviário intermediário simulados: modelo padrão [¹⁰10 Porcaro RR, Araújo FC, Godefroid LB, Faria GL, Silva LL. Simulação do processo de soldagem elétrica por centelhamento de um aço para trilhos ferroviários. Parte 1: análise de tensões residuais via elementos finitos. Soldagem e Inspeção. 2019;24:e2412. http://dx.doi.org/10.1590/0104-9224/si24.12.
http://dx.doi.org/10.1590/0104-9224/si24... ] e ZTA estreita.

Figura 10 Comparação entre a largura da ZTA em corte longitudinal central nos dois modelos térmicos da soldagem elétrica por centelhamento de trilho ferroviário intermediário simulados: (a) modelo padrão [¹⁰10 Porcaro RR, Araújo FC, Godefroid LB, Faria GL, Silva LL. Simulação do processo de soldagem elétrica por centelhamento de um aço para trilhos ferroviários. Parte 1: análise de tensões residuais via elementos finitos. Soldagem e Inspeção. 2019;24:e2412. http://dx.doi.org/10.1590/0104-9224/si24.12.
http://dx.doi.org/10.1590/0104-9224/si24... ] e (b) ZTA estreita. Temperaturas máximas durante as simulações.

Figura 11 Tensões residuais normais na direção vertical (eixo Y) (a) e direção longitudinal (eixo Z) (b) obtidas por simulação numérica do processo de soldagem por centelhamento modelo ZTA estreita. Comparação entre os resultados de tensões residuais normais simuladas nas condições padrão e ZTA estreita e medidas experimentais (c) [¹⁰10 Porcaro RR, Araújo FC, Godefroid LB, Faria GL, Silva LL. Simulação do processo de soldagem elétrica por centelhamento de um aço para trilhos ferroviários. Parte 1: análise de tensões residuais via elementos finitos. Soldagem e Inspeção. 2019;24:e2412. http://dx.doi.org/10.1590/0104-9224/si24.12.
http://dx.doi.org/10.1590/0104-9224/si24... ].

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