Simulação Numérica da Soldadura por Impacto de Alumínio-Aço

Abstract

The present work aims to study, by numerical simulation, using the commercial hydrodynamic program Ansys Autodyn, the morphology and interfacial phenomena in welding aluminum plates to steel by impact. The effect of the impact velocity and the collision angle on the conditions developed at the plate interface, namely on the formation of the jet, on the formation and morphology of waves, the existence of fusion and the temperature and pressure reached, were considered. The numerical results were compared with experimental results obtained in previous studies. The study focused on the bonding of AA 6061-T6 aluminum to AISI 304 stainless steel and high hardness V250 carbon steel.In the Ansys Autodyn simulation software, the mesh method used to reproduce the formation of jet and wave formation more accurately was the Smoothed Particles Hydrodynamics method. The equation of state chosen for the metal plates was the Mie-Grüneisen shock equation, which was associated with the Steinberg-Guinan behavior model. A total of 50 numerical tests were performed.The Al-SS weldability window revealed that the simulations obtained are generally within the weldability limits, with good welding results and interfaces with well-defined waves. It was found that the ideal pressure to obtain the best results was between 2 GPa and 4 GPa. On the contrary, in the Al-CS weldability window, the results obtained in the simulations were not in line with the weldability limits. The interfaces obtained were, in most cases, flat, due to the high hardness of the steel, being quite difficult to connect the two metals. The pressure close to the interface estimated to provide the best welding results was from 4 GPa to 7 GPa.The numerical and experimental results, when compared, did not show total harmony with regard to the morphology of the interface, mainly due to the difference in hardness of welded metals in both approaches.

O presente trabalho tem como objetivo estudar, por simulação numérica, com recurso ao programa comercial hidrodinâmico Ansys Autodyn, a morfologia e os fenómenos interfaciais em soldadura de chapas de alumínio a aço por impacto. Foi considerado o efeito da velocidade de impacto e do ângulo de colisão nas condições desenvolvidas na interface das placas, nomeadamente na formação do jato, na formação e morfologia de ondas, a existência de fusão e a temperatura e pressão atingidas. Os resultados numéricos foram comparados com resultados experimentais obtidos em trabalhos anteriores. O estudo incidiu na ligação do alumínio AA 6061-T6 ao aço inoxidável AISI 304 e ao aço carbono V250 de elevada dureza.No software de simulação Ansys Autodyn, o método de malha utilizado para reproduzir com maior exatidão a formação de jato e de ondas foi o método Smoothed Particles Hydrodynamics. A equação de estado escolhida para as placas metálicas foi a equação de Shock de Mie-Grüneisen, que foi associada ao modelo de comportamento de Steinberg-Guinan. Foram realizados, no total, cerca de 50 ensaios numéricos.A janela de soldabilidade Al-SS revelou que as simulações obtidas estão, de modo geral, dentro dos limites de soldabilidade, com bons resultados de soldadura e interfaces com ondas bem definidas. Verificou-se que a pressão ideal para obter os melhores resultados situava-se entre os 2 GPa e os 4 GPa. Pelo contrário, na janela de soldabilidade Al-CS, os resultados obtidos nas simulações não estavam em sintonia com os limites de soldabilidade. As interfaces obtidas foram, na maior parte dos casos, planas, devido à elevada dureza do aço, sendo bastante difícil ligar os dois metais. A pressão próxima da interface estimada para proporcionar os melhores resultados de soldadura foi de 4 GPa a 7 GPa.Os resultados numéricos e experimentais, quando comparados, não mostraram total sintonia no que respeita à morfologia da interface, devido essencialmente à diferença de dureza dos metais soldados em ambas as abordagens.