Study of Local Combined Heat Impact on Permanent Joints

Abstract

В работе исследуется воздействие локального теплового перегрева зоны соединения толстостенной пластины, осуществляемое с помощью электродуговой сварки с порошковой проволокой из алюмотермитного наполнителя, а также ее влияние на физико-механические свойства материала по сравнению с традиционной технологией электродуговой сваркой проволокой сплошного сечения. Строится математическая модель деформирования упругопластической пластины, производимого путем нагрева движущегося источника тепла. За основу модели берется модель Прандтля-Рейса, в которой закон Гука заменяется законом Дюамеля-Неймана, а условие Мизеса дополняется функцией деформационного упрочнения Джонсона-Кука. Упругие модули, как и предел текучести, полагаются зависимыми от температуры. Для нахождения коэффициентов функции деформационного упрочнения Джонсона-Кука проводится серия экспериментов на растяжение образцов. Образцы вырезаются из основного металла и сварочного материала шва и деформируются на разрывной машине при различных скоростях, в результате определяется зависимость скорости деформирования и упрочнения.Решается поставленная термоупругопластическая задача в перемещениях с использованием численного метода сеток и итерационного метода Ньютона. В результате решения задачи строятся эпюры остаточных напряжений как продольных, так и поперечных. Для подтверждения произведенных расчетов проводится эксперимент, в котором с поверхности соединенных пластин, полученных с использованием электродуговой сварки с порошковой проволокой из алюмотермитного наполнителя и традиционной проволокой сплошного сечения, фиксируются остаточные напряжения с помощью агрегата RIGAKU MSF-3M. Экспериментально полученные значения напряжений с небольшим отклонением совпадают с рассчитанными напряжениями, что подтверждает построенную математическую модель и позволяет судить о характере напряженного состояния в материале пластины.В ходе сравнения полученных результатов делается вывод, что применение электрода в виде порошковой проволоки с алюмотермитным наполнителем, представляется предпочтительным в сравнении с вариантами получения неразъемного соединения проволокой сплошного сечения. The paper studies the impact of local overheating of thick plate joining area with arc welding using flux-cored wire with aluminothermic filler as well as its impact on physical and mechanical properties of material in comparison to the traditional arc welding using solid wire. A mathematical model is made for elastoplastic plate deformation due to the heat from a moving source. The model is based on the Prandtl-Reuss model where Hooke's law is replaced with Duhamel-Neumann's law and Von Mises condition is modified with Johnson-Cook strain-hardening function. Elastic moduli as well as yield stress are assumed to depend on temperature. A number of tensile strength experiments is performed to obtain Johnson-Cook strain-hardening function coefficients. Samples are cut from the base metal and weld filler material and deformed on a tensile testing machine at varying speeds. This determines the connection between deformation and hardening speeds.The thermo-elastic-plastic problem is solved by movements applying numerical grid method and Newton's iterative method. As the result of solving the problem, diagrams of residual stresses (both axial and lateral) are plotted. An experiment has been performed to confirm the calculations conducted where RIGAKU MSF-3M unit detects residual stresses on the surface of plates welded with arc welding using flux-cored wire with aluminothermic filler as well as traditional arc welding using solid wire. Experimentally obtained stresses only slightly deviate from the calculated stresses which confirms the plotted mathematical model and allows to make conclusions on the characteristics of plate material stress state.A conclusion is made in the course of comparing the obtained results that using flux-cored wire electrode with aluminothermic filler is preferable to permanent joining using solid wire.