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ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-3313-9207
Tipo de documento: Tese
Tipo de acceso: Acesso Embargado
Fecha de embargo: 2038-03-31
Título: Experimental study on interlayer temperatures in HSLA steel wire arc additive manufacturing aiming for self-tempering
Título (s) alternativo (s): Estudo experimental sobre temperaturas intercamadas na manufatura aditiva por arco com arame de aço HSLA visando ao autorrevenimento
Autor: Ghayour, Moheb Ali
Primer orientador: Scotti, Américo
Primer miembro de la banca: Silva, Leonardo Ribeiro da
Segundo miembro de la banca: Mello, José Daniel Biasoli de
Tercer miembro de la banca: Li, Huijun
Quinto miembro de la banca: Moradi, Mahmoud
Resumen: A Manufatura Aditiva com Energia Direcionada, por meio do processo de arco de soldagem com proteção gasosa (GMA-DED), de componentes de aços de alta resistência e baixa liga (HSLA) temperáveis, pode produzir depósitos duros e potencialmente frágeis, que requerem tratamento térmico posterior para atingir as propriedades desejadas. Nesta tese, foi desenvolvida e validada uma estratégia de gerenciamento térmico para paredes finas de HSLA fabricadas por GMA-DED, na qual temperaturas intercamada (IT) progressivamente crescentes foram ativamente controladas para manter toda a parede fina na mesma temperatura e intensificar um tratamento térmico in situ (autorrevenimento), preservando a geometria da parede e evitando perdas de produtividade decorrentes de tempos excessivos de espera entre camadas. O critério básico de análise foi manter sempre a mesma largura de parede, mantendo-se a velocidade de alimentação de arame constante e ajustando a velocidade de deslocamento, mesmo às custas de variações na energia da fonte de calor por unidade de comprimento das camadas depositadas. Sempre utilizando o consumível ER90S-B3 temperável, inicialmente estabeleceu-se a seleção do gás de proteção para a deposição de paredes finas sob transferência por curto-circuito, combinando métricas de estabilidade operacional com critérios baseados na geometria, o que resultou na seleção da mistura Ar + 8% CO₂. Esse gás proporcionou aos parâmetros selecionados a maior estabilidade operacional e a qualidade de parede mais consistente, sendo adotado como condição de referência para a investigação da influência de IT sobre a evolução microestrutural e geométrica da parede. Foi desenvolvida a abordagem Near-Immersed Active Radiation Heating (NIARH), que permitiu controlar a IT até 550 °C durante a deposição de paredes finas, mantendo a dinâmica estável da poça de fusão e da transferência por curto-circuito. Um sistema original baseado em pirometria foi projetado e avaliado para monitorar a IT, bem como a velocidade de resfriamento das camadas. Uma metodologia gráfica foi elaborada para estimar a diluição entre as camadas e prever a arquitetura dos tratamentos térmicos aplicados sequencialmente às camadas depositadas, sob a ação de múltiplos ciclos térmicos. Os resultados mostraram que o histórico térmico foi governado principalmente pela IT, contrabalançando os efeitos de pré-aquecimento com os de menor energia de deposição por unidade de comprimento das camadas (as velocidades de resfriamento ficaram independentes da IT, embora o tempo de permanência de cada camada na faixa de temperatura de revenido crescesse). Os níveis de porosidade foram medidos pelo princípio de Arquimedes e também não apresentaram efeito significativo da IT. Porém, a dureza mostrou clara dependência da IT: permaneceu relativamente alta e estável em baixas ITs e diminuiu à medida que a IT aumentava. As observações microestruturais das paredes indicaram a presença predominante de bainita, exceto na condição com a maior IT, que apresentou tendência de aumento da formação de carbonetos. De modo geral, os resultados demonstraram a viabilidade de promover o autorrevenimento in situ por meio de temperaturas intercamadas elevadas e controladas em paredes finas produzidas por GMA-DED, oferecendo um caminho prático para ajustar as propriedades, mantendo a integridade geométrica e a estabilidade do processo.
Abstract: Directed Energy Additive Manufacturing (GMA-DED) of hardened, high-strength, low-alloy (HSLA) steel components can produce hard, potentially brittle deposits that require subsequent heat treatment to achieve the desired properties. In this thesis, a thermal management strategy for HSLA thin walls manufactured by GMA-DED was developed and validated, in which progressively increasing interlayer (IT) temperatures were actively controlled to keep the entire thin wall at the same temperature and intensify an in situ heat treatment (self-tempering), preserving the wall geometry and avoiding productivity losses due to excessive waiting times between layers. The basic criterion of analysis was to maintain always the same wall width, keeping the wire feed speed constant and adjusting the deposition speed, even at the expense of variations in the heat source's energy per unit length of the deposited layers. Using the hardened ER90S-B3 consumable, the shielding gas for thin-wall deposition under short-circuit transfer was initially selected by combining operational stability metrics with geometry-based criteria, resulting in the choice of the Ar + 8% CO₂ mixture. This gas provided the selected parameters with the highest operational stability and the most consistent wall quality, and was adopted as a reference condition for investigating the influence of IT on the microstructural and geometric evolution of the wall. The Near-Immersed Active Radiation Heating (NIARH) approach was developed, which allowed control of the IT up to 550 °C during thin-walled deposition while maintaining stable weld pool dynamics and short-circuit transfer. An original pyrometry-based system was designed and evaluated to monitor the IT and the cooling rates of the layers. A graphical methodology was developed to estimate the dilution between layers and to predict the architecture of heat treatments applied sequentially to the deposited layers during multiple thermal cycles. The results showed that the thermal history was mainly governed by the IT, counterbalancing the effects of preheating with those of lower deposition energy per unit of layer length (the cooling rates were independent of the IT, although the permanence time of each layer in the tempering temperature range increased). Porosity was measured using Archimedes' principle and showed no significant effect of the TI. However, the harshness showed clear dependence on IT: it remained relatively high and stable at low ITs and decreased as IT increased. The microstructural observations of the walls indicated the predominant presence of bainite, except in the condition with the highest TI, which showed a tendency toward increased carbide formation. Overall, the results demonstrated the feasibility of promoting in situ self-tempering through high, controlled interlayer temperatures in thin walls produced by GMA-DED, offering a practical way to adjust properties while maintaining the process's geometric integrity and stability.
Palabras clave: GMA-DED
GMA-DED
WAAM
WAAM
Aço HSLA
HSLA steel
Temperatura intercamadas
Interlayer temperature
NIARH
NIARH
Seleção de gás de proteção
Shielding gas selection
Método de Archimedes
Archimedes' method
Análise gráfica
Graphical analysis
Cálculo de Dilution
Dilution calculation
Área (s) del CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROCESSOS DE FABRICACAO::PROCESSOS DE FABRICACAO, SELECAO ECONOMICA
Tema: Engenharia mecânica
Aço
Manufatura aditiva
Aditivo de fabricação
Idioma: eng
País: Brasil
Editora: Universidade Federal de Uberlândia
Programa: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Cita: GHAYOUR, Moheb Ali. Experimental study on interlayer temperatures in HSLA steel wire arc additive manufacturing aiming for self-tempering. 2026. 227 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026. DOI: https://doi.org/10.14393/ufu.te.2026.191
Identificador del documento: https://doi.org/10.14393/ufu.te.2026.191
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/49241
Fecha de defensa: 31-mar-2026
Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS): ODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação.
Aparece en las colecciones:TESE - Engenharia Mecânica

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