Влияние, оказываемое активным охлаждением, на неразъемное соединение, образованное в результате электродуговой сварки
Автор: Ткачева А.В., Абашкин Е.Е.
Статья в выпуске: 3, 2022 года.
Бесплатный доступ
Решается задача температурных напряжений. Моделируется процесс электродуговой сварки с гарантированным проваром стальных пластин различной толщины. Исследуется возможность уменьшения остаточных напряжений, образованных в результате сварки путем применения теплоотвода от поверхности околошовной области стальной пластины. Распределение температуры определяется с помощью решения нелинейного уравнения теплопроводности, в котором удельная теплоемкость и теплопроводность зависят от температуры. Источник тепла моделируется методом с использованием двойного эллипсоида, предложенным Джон А. Голдак. Теплоотвод подковообразной формы следует непосредственно за анодным пятном и задается тепловым потоком таким образом, чтобы основная температура пластины не снижалась меньше ее начальной температуры. Это ограничение снижает уровень температурного градиента, тем самым уменьшая напряжения в металлической пластине. Для иллюстрации воздействия активного теплоотвода сравнивается распределение температуры в верхнем слое в момент прекращения сварки с активным теплоотводом и без него. Материал принимается упруговязкопластическим, деформации малыми и складываемыми из обратимых и необратимых. Обратимые деформации связаны с напряжениями законом Дюамеля - Неймана. Необратимые деформации растут при выполнении условия пластического течения Мизеса, в котором присутствует компонента скорости пластической деформации, отвечающая за вязкость пластического течения. Упругие модули (модуль Юнга, коэффициент Пуассона) и предел текучести полагаются зависимыми от температуры. Решение механической части задачи находится методом простых итераций. Для пластин с различной толщиной приводятся эпюры остаточных напряжений, расположенных в центре пластины от шва к периферии. В результате работы по полученным распределениям остаточных напряжений в материале пластины делается вывод, что использование активного теплоотвода подковообразной формы с околошовной зоны при сварке тонких стальных пластин понижает остаточные напряжения, поэтому рекомендуется использование в сварочном процессе. Применение активного теплоотвода с обратной стороны пластины приводит к повышению уровня напряжений, поэтому не рекомендуется в использовании.
Сварка, температурные напряжения, упругость, пластичность, стальная пластина
Короткий адрес: https://sciup.org/146282545
IDR: 146282545 | УДК: 519.6 | DOI: 10.15593/perm.mech/2022.3.16
The influence exerted by active cooling on the permanent connection formed as a result of electric arc welding
The problem of temperature stresses is solved in the work. The process of electric arc welding with guaranteed penetration of steel plates of various thicknesses is simulated. The possibility of reducing residual stresses formed as a result of welding by applying heat removal from the surface of the near-weld region of a steel plate is being investigated. The temperature distribution is determined by solving a non-linear heat equation, in which the specific heat and thermal conductivity depend on temperature. The heat source is modeled using the double ellipsoid method proposed by John A. Goldak. The horseshoe-shaped heat sink follows immediately after the anode spot and is set by the heat flux in such a way that the main temperature of the plate does not decrease below its initial temperature. This limitation reduces the level of the temperature gradient, thereby reducing the stresses in the metal plate. To illustrate the effect of active heat sink, the temperature distribution in the top layer at the moment of termination of welding is compared with and without active heat sink. The material is assumed to be elastoviscoplastic, the deformations are small and consist of reversible and irreversible ones. Reversible deformations are related to stresses by the Duhamel - Neumann law. Irreversible strains increase when the von Mises plastic flow condition is satisfied, in which there is a plastic strain rate component responsible for the plastic flow viscosity. The elastic moduli (Young's modulus, Poisson's ratio) and the yield strength are assumed to be temperature dependent. The solution of the mechanical part of the problem is found by the method of simple iterations. For plates with different thicknesses, diagrams of residual stresses are given, located in the center of the plate from the seam to the periphery. As a result of the work, according to the obtained distributions of residual stresses in the plate material, it is concluded that the use of an active horseshoe-shaped heat sink from the near-weld zone when welding thin steel plates reduces residual stresses, therefore it is recommended to use in the welding process. The use of an active heat sink on the reverse side of the plate leads to an increase in the stress level, therefore it is not recommended for use.
Список литературы Влияние, оказываемое активным охлаждением, на неразъемное соединение, образованное в результате электродуговой сварки
- Experiments and numerical simulations for the mechanical properties of Ni-based superalloys fabricated by laser melting deposition [Электронный ресурс] / J. Zhang, Z. Huang, Y. Fang, Z. Gu, J. Xie, J. Lei // Optics & Laser Technology – 2021. – Vol. 140. – URL: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0030399221001468? via%3Dihub (дата обращения: 15.07.2022).
- The effect of wire size on high deposition rate wire and plasma arc additive manufacture of Ti-6Al-4V [Электронный ресурс] / Ch. Wang, W. Suder, J. Ding, S. Williams // Journal of Materials Processing Tech. – 2021. – Vol. 288. – URL: https://www.sciencedirect.com/journal/journal-of-materials-processingtechnology (дата обращения: 15.07.2022).
- Surfacing of composite thermo- and wear-resistant alloys using materials containing nanoparticles of refractory chemical compounds / G.N. Sokolov, I.V. Zorin, A.A. Artemyev, S.K. Elsukov, S.A. Fastov, I.V. Fedosyuk, I.A. Polunin, N.V. Mokovozov, A.E. Kin // Proceedings of the Volgograd State Technical University. – 2019. – Vol. 227, no. 4. – P. 61–67.
- Numerical simulation of the kinetics of temperature and phase composition in a butt joint made from steel DC04 / O. Prokhorenko, S. Hainutdinov, V. Prokhorenko, C. Pulka // Procedia Structural Integrity. – 2022. – Vol. 36. – P. 290–297.
- A hybrid machine learning model for predicting continuous cooling transformation diagrams in welding heat-affected zone of low alloy steels / X. Geng, X. Mao, H.-H. Wu, S. Wang, W. Xue, G. Zhang , A. Ullah, H. Wang // Journal of Materials Science & Technology. – 2022. – Vol. – 107. – P. 207–215.
- García-García V., Mejía I., Reyes-Calderón F. Twodimensional Monte Carlo–Voronoi simulation of grain growth and nucleation in the heat affected zone of TWIP-Ti welds [Электронный ресурс] // Materialia. – 2019. – Vol. 5. – URL: https://www.sciencedirect.com/journal/materialia (дата обращения: 15.07.2022).
- Determination of residual stress evolution during repair welding ofhigh-strength steel components [Электронный ресурс] / B. Amadeus, S. Dirk, K. Arne, K. Thomas // Forces in Mechanics. – 2022. – Vol. 6. – URL: https://www.sciencedirect.com/journal/forces-in-mechanics (дата обращения: 15.07.2022).
- Effect of cooling conditions on microstructure and mechanical properties of friction stir welded 7055 aluminium alloy joints / H. Lina, Y. Wua, S. Liua, X. Zhoud // Materials Characterization. – 2018. – Vol. 141. – P. 74–85.
- The heat affected zone of X20Cr13 martensitic stainless steel after multiplerepair welding: Microstructure and mechanical properties assessment [Электронный ресурс] / Mohammad Shojaati, Seyed Farshid Kashani Bozorg, Masoud Vatanara, Morteza Yazdizadeh, Majid Abbasi // International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 2020. – Vol. 188. – URL: www.sciencedirect.com/journal/international-journal-of-pressure-vesselsand-piping (дата обращения: 15.07.2022).
- Dak G., Pandey Ch. Experimental investigation on microstructure, mechanical properties, andresidual stresses of dissimilar welded joint of martensitic P92 and AISI 304L austenitic stainless steel [Электронный ресурс] // International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 2021. – Vol. 194. – URL: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0308016121002313 (дата обращения: 15.07.2022).
- Effects of heat distribution during cold metal transfer arc welding on galvanized steel using volumetric heat source model / S.T. Selvamania, S. Velmurugan, V. Balasubramanian, K. Palanikumar // Journal of Materials Research and Technology. – 2020. – Vol. 9. – No 5. – P. 10097–10109. DOI: org/10.1016/j.jmrt.2020.07.004
- Sayed A.M., Alanazi H. Performance of steel metal prepared using different welding cooling methods [Электронный ресурс] // Case Studies in Construction Materials. – 2022. – Vol. 16. – URL: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214509522000857 (дата обращения: 15.07.2022).
- Benakis M., Costanzo D., Patran A. Current mode effects on weld bead geometry and heat affected zone in pulsed wire arc additive manufacturing of Ti-6-4 and Inconel 718 // Journal of Manufacturing Processes. – 2020. – Vol. 60. – P. 61–74.
- Farias F.W.C., Passos A.V., Moraes e Oliveira V.H.P. Microstructural characterization of the physical simulated and welded heat-affected zone of 9 % Ni steel pipe // Journal of materials research and technology. – 2022. – Vol. 17. – P. 3033–3046 DOI: org/10.1016/j.jmrt.2022.02.019
- Farias R.M., Teixeira P.R.F., Vilarinho L.O. Variable profile heat source models for numerical simulations of arc welding processes [Электронный ресурс] // International Journal of Thermal Sciences. – 2022. – Vol. 179. – URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1290072922001314 (дата обращения: 15.07.2022).
- Sun Z., Yu X. Prediction of welding residual stress and distortion in multi-layer butt-welded 22SiMn2TiB steel with LTT filling metal // Journal of materials research and technology. – 2022. – Vol. 18. – P. 3564–3580. DOI: org/10.1016/j.jmrt.2022.04.031
- Equbala A., Equbal Md. I., Sood A.K. An investigation on the feasibility of fused deposition modelling process in EDM electrode manufacturing // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. – 2019. – Vol. 26. – P. 10–25 DOI: 10.1016/j.cirpj.2019.07.001
- Phase transformation and the mechanical characteristics of heat-affected zones in austenitic Fe–Mn–Al–Cr–C lightweight steel during post-weld heat treatment [Электронный ресурс] / Seonghoon Jeong, Youngchai Lee, Gitae Park, Bongyoon Kim, Joonoh Moon, Seong-Jun Park, Changhee Lee // Materials Characterization. – 2021. – Vol. 177. – URL: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1044580321002801?via%3Dihub (дата обращения: 15.07.2022).
- Effect of gas tungsten arc welding parameters on the corrosion resistance and the residual stress of heat affected zone [Электронный ресурс] / B.A. Kessala, C. Faresa, M. Hadj Meliania, A. Alhusseinb, O. Bouledrouaa, M. Françoisd // Engineering Failure Analysis. – 2020. – Vol. 107. – URL: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S135063071930946X?via%3Dihub (дата обращения: 15.07.2022).
- Пат. № RU 2232668, МПК B23K 9/16 Способ сварки в защитных газах с принудительным охлаждением шва и зоны термического влияния / Власов С.Н., Лапин И.Е., Савинов А.В., Лысак В.И., Потапов А.Н., Атаманюк В.И.; Заявл. 04.11.2002; опубл. 20.07.2004
- New technique for deposition and thermochemical treatment of small parts with complex geometry applied to machining inserts / R.O.C. Lima, C.A. Jr, A.C. Alves de Melo, S.M. Alves, L. Arau´ jo Filho // Journal of materials research and technology. – 2020. – Vol. 9. – P. 15811–15823. DOI: org/10.1016/j.jmrt.2020.11.047
- Anomalous sudden drop of temperature-dependent Young's modulus of a plastically deformed duplex stainless steel [Электронный ресурс] / X. Wang, J. Wana, J. Wang, L. Zhu, H. Ruan // Materials and Design. – 2019. – Vol. 181. – URL: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S026412751930509X?via%3Dihub (дата обращения: 15.07.2022).
- The delay loop phenomenon in high temperature elasticity modulus testby in-situ ultrasonic measurements [Электронный ресурс] / H. Xue, D. Liu, R. Ge, Libo Pan, W. Peng // Measurement. – 2020. – Vol. 160. – URL: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0263224120303717?via%3Dihub (дата обращения: 15.07.2022).
- Latella B.A., Humphries S.R. Young’s modulus of a 2.25 Cr–1Mo steel at elevated temperature Scripta Materialia. – 2004. – Vol. 51. – P. 635–639. DOI: org/10.1016/j.scriptamat.2004.06.028
- Lindgren L.-E., Back J.G. Elastic properties of ferrite and austenite in low alloy steels versus temperature and alloying [Электронный ресурс] // Material. – 2019. – Vol. 5. – URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2589152918302333?via%3Dihub (дата обращения: 15.07.2022).
- Rokilan M., Mahendran M. Elevated temperature mechanical properties of cold-rolled steelsheets and cold-formed steel sections [Электронный ресурс] // Journal of Constructional Steel Research. – 2020.– Vol. 167. – URL: eprints.qut.edu.au/199354/ (дата обращения: 15.07.2022).
- Буренин А.А., Ковтанюк Л.В. Большие необратимые деформации и упругое последействие. – Владивосток: Даль-наука, 2013. – 312 с.
- Goldak J.A., Akhlagi M. Computational Welding Mechanics. – New York: Springer Science & Business Media. – 2006. – 322 p.
- Казанцев Е.И. Промышленные печи. Справочник руководство для расчетов и проектирования. – М.: Металлургия, 1975. – 368 с.
