blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2024-5-604-611blackmet-2798Research ArticleИННОВАЦИИ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ ПРОМЫШЛЕННОМ И ЛАБОРАТОРНОМ ОБОРУДОВАНИИ, ТЕХНОЛОГИЯХ И МАТЕРИАЛАХINNOVATIONS IN METALLURGICAL INDUSTRIAL AND LABORATORY EQUIPMENT, TECHNOLOGIES AND MATERIALSВлияние комбинированного теплового воздействия электродуговой сварки с алюмотермитной засыпкой на внутренние напряжения в стальной пластинеInfluence of combined thermal effect of electric arc welding with aluminothermic backfill on internal stresses in a steel platehttps://orcid.org/0000-0003-1795-0021ТкачеваА. В.TkachevaA. V.

Анастасия Валерьевна Ткачева, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник

Россия, 681005, Хабаровский край, Комсомольск-на-Амуре, ул. Металлургов, 1

Anastasiya V. Tkacheva, Cand. Sci. (Phys.-Math), Senior Researcher

1 Metallurgov Str., Komsomolsk-on-Amur, Khabarovsk Territory 681005, Russian Federation

4nansi4@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9308-1326АбашкинЕ. Е.AbashkinE. E.

Евгений Евгеньевич Абашкин, к.т.н., старший научный сотрудник

Россия, 681005, Хабаровский край, Комсомольск-на-Амуре, ул. Металлургов, 1

Evgenii E. Abashkin, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

1 Metallurgov Str., Komsomolsk-on-Amur, Khabarovsk Territory 681005, Russian Federation

abashkine@mail.ruИнститут машиноведения и металлургии Хабаровского Федерального исследовательского центра Дальневосточного отделения РАНРоссияInstitute of Metallurgy and Mechanical Engineering of the Khabarovsk Federal Research Center, Far-Eastern Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202430102024675604611Copyright © Ткачева А.В., Абашкин Е.Е., 20242024Ткачева А.В., Абашкин Е.Е.Tkacheva A.V., Abashkin E.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2798

Работа посвящена автоматической электродуговой сварке под слоем флюса с применением присадочного материала в виде алюмотермитной засыпки для соединения толстолистовых конструкций. Материал пластины принимается упругопластическим, деформации – малыми и состоящими из упругих и пластических. Обратимые (упругие) деформации связаны с напряжениями законом Дюамеля-Неймана, необратимые (пластические) зарождаются и растут благодаря пластическому течению в рамках ассоциированного закона пластического течения. За условие пластического течения принято модифицированное условие Мизеса, в котором учитывается вязкость. Источник тепла от автоматической электродуговой сварки моделируется двойным эллипсоидом, предложенным Джон А. Голдаком, а тепло от химической реакции в области фронта горения алюмотермита задается значением теплового потока. Упругие модули и предел текучести зависят от температуры. Рассматривались пластины с толщинами 12, 14, 16, 18 мм. Сравнивая интенсивность остаточных напряжений в верхнем и нижнем слоях пластин и по их толщинам, можно утверждать, что с повышением толщины возрастают области распространения высокой интенсивности остаточных напряжений и увеличиваются их значения. Эти области располагаются внутри материала в околошовной зоне на участке синеломкости. Анализируя распрямления полей температур для случая электродуговой сварки с присадочным материалом в виде алюмотермитной засыпки и без него, установлено, что в результате химической реакции температура в зоне шва повышается на 500 °С. Это дает возможность для применения данной технологии проведения сварочных работ при низких климатических температурах.

The paper is devoted to automatic electric arc welding under a flux layer using filler material in the form of aluminothermic backfill for joining thick-plate structures. The plate material is assumed to be elastic-plastic, the deformations are small and consist of elastic and plastic. Reversible (elastic) deformations are associated with stresses by the Duhamel-Neumann law, irreversible (plastic) ones arise and grow due to plastic flow within the framework of the associated law of plastic flow. The modified Mises condition, which takes into account viscosity, is adopted as the condition of plastic flow. The heat source from automatic electric arc welding is modeled by a double ellipsoid proposed by John A. Goldak, and heat from chemical reaction in the region of aluminothermiс combustion front is specified by the heat flux value. Elastic moduli and yield strength depend on temperature. Plates with thicknesses of 12, 14, 16, 18 mm were considered. Comparing the intensity of residual stresses in the upper and lower layers of the plates and by their thicknesses, it can be stated that with increasing thickness, the areas of distribution of residual stresses high intensity increase and their values increase too. These areas are located inside the material in the near-weld zone in the area of blue brittleness. Analyzing straightening of temperature fields, for the case of electric arc welding with filler material in the form of aluminothermiс backfill and without it, it was found that as a result of a chemical reaction, the temperature in the weld zone increases by 500 °C, this makes it possible to use this technology for welding at low climatic temperatures.

порошковый присадочный материалалюмотермияэлектродуговая сваркаупругостьпластичностьзасыпканизкая температураpowder filler materialaluminothermyelectric arc weldingelasticityplasticityfillinglow temperatureРабота выполнена в рамках государственного задания Хабаровского федерального научного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук.The work was performed within the framework of the state assignment of the Khabarovsk Federal Research Center, Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences.ReferencesLi L., Mi G., Wang Ch. A comparison between induction pre-heating and induction post-heating of laser-induction hybrid welding on S690QL steel. Journal of Manufacturing Processes. 2019;43(A):276–291. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2019.05.003Li L., Mi G., Wang Ch. A comparison between induction pre-heating and induction post-heating of laser-induction hybrid welding on S690QL steel. Journal of Manufacturing Processes. 2019;43(A):276–291. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2019.05.003Charkhi M., Akbari D. Experimental and numerical investigation of the effects of the pre-heating in the modification of residual stresses in the repair welding process. International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2019;171:79–91. https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2019.02.006Charkhi M., Akbari D. Experimental and numerical investigation of the effects of the pre-heating in the modification of residual stresses in the repair welding process. International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2019;171:79–91. https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2019.02.006Ji Sh., Li Zh., Ma L. Joint formation and mechanical properties of back heating assisted friction stir welded Ti–6Al–4V alloy. Materials & Design. 2017;113:37–46. http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2016.10.012Ji Sh., Li Zh., Ma L. Joint formation and mechanical properties of back heating assisted friction stir welded Ti–6Al–4V alloy. Materials & Design. 2017;113:37–46. http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2016.10.012Ткачева А.В., Абашкин Е.Е. Влияние предварительного подогрева кромки стальной пластины на интенсивность остаточных напряжений, образованных в результате электродуговой сварки. Морские интеллектуальные технологии. 2023;(2–1(60)):304–314. https://doi.org/10.37220/MIT.2023.60.2.038Tkacheva A.V., Abashkin E.E. Effect of preheating of the edge of a steel plate on the intensity of residual stresses formed as a result of electric arc welding. Marine Intelligent Technologies. 2023;(2–1(60)):304–314. (In Russ.). https://doi.org/10.37220/MIT.2023.60.2.038Инструкция по автоматической дуговой под флюсом и электрошлаковой сварке с порошковым присадочным материалом (ПММ) ВСН 375–77. Москва: Центральное бюро научно-технической информации; 1978.Instructions for Automatic Submerged Arc and Electroslag Welding with Powder Filler Material (PMM) VSN 375–77. Moscow: Central Bureau of Scientific and Technical Information; 1978. (In Russ.).Горохова М.Н., Чурилов Д.Г. Влияние полярного эффекта и материала электродов на перенос присадочного порошкового материала при электроимпульсном способе. Труды ГОСНИТИ. 2012;109(2):51–56.Gorokhova M.N., Churilov D.G. Influence of polar effect and electrode material on transfer of filler powder material using the electric pulse method. Trudy GOSNITI. 2012;109(2): 51–56 (In Russ.).Ranjan R., Das A.K. Protection from corrosion and wear by different weld cladding techniques: A review. Materials Today: Proceedings. 2022;57(4):1687–1693. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.12.329Ranjan R., Das A.K. Protection from corrosion and wear by different weld cladding techniques: A review. Materials Today: Proceedings. 2022;57(4):1687–1693. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.12.329Tusek J., Suban M. High-productivity multiple-wire submerged-arc welding and cladding with metal-powder addition. Journal of Materials Processing Technology. 2003;133(1):207–213.Tusek J., Suban M. High-productivity multiple-wire submerged-arc welding and cladding with metal-powder addition. Journal of Materials Processing Technology. 2003;133(1):207–213.Zhilin P.L., Gavrilov G.N., Melnichenko O.P. Welding and cladding with pre-heated additional filler wire. Materials Today: Proceedings. 2021;38(4):1622–1626. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.08.168Zhilin P.L., Gavrilov G.N., Melnichenko O.P. Welding and cladding with pre-heated additional filler wire. Materials Today: Proceedings. 2021;38(4):1622–1626. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.08.168Шишов А.Ю., Третьяков Р.С., Третьяков Е.С., Ставертий А.Я. Перспективы разработки технологии лазерно-плазменной сварки изделий больших толщин в судостроении с использованием порошкового присадочного материала. Вестник московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. 2012;(6(6)):15–22.Shishov A.Yu., Tretyakov R.S., Tretyakov E.S., Sta­verty A.Ya. Prospects for the development of laser-plasma welding technology for large-thickness products in shipbuilding using powder filler material. Bulletin of the Bauman Moscow State Technical University. 2012;(6(6)):15–22. (In Russ.).Zhang Zh., Zhao Y., Shan J., Wu A., Sato Y.S., Tokita Sh., Kadoi K., Inoue H., Tang X. The role of shot peening on liquation cracking in laser cladding of K447A nickel superalloy powders over its non-weldable cast structure. Materials Science and Engineering: A. 2021;823:141678. https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141678Zhang Zh., Zhao Y., Shan J., Wu A., Sato Y.S., Tokita Sh., Kadoi K., Inoue H., Tang X. The role of shot peening on liquation cracking in laser cladding of K447A nickel superalloy powders over its non-weldable cast structure. Materials Science and Engineering: A. 2021;823:141678. https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141678Zhu Y., Cai Y., Wang Y. Effects of He content in shielding gases on high-efficient hybrid laser arc welding with C-276 filler metal. Journal of Materials Processing Technology. 2022;299:117367. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2021.117367Zhu Y., Cai Y., Wang Y. Effects of He content in shielding gases on high-efficient hybrid laser arc welding with C-276 filler metal. Journal of Materials Processing Technology. 2022;299:117367. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2021.117367Alvarães C.P., Jorge C.F., Souza L., Araújo L.S., Men­des M.C., Farneze H.N. Microstructure and corrosion properties of single layer Inconel 625 weld cladding obtained by the electroslag welding process. Journal of Materials Research and Technology. 2020;9(6):16146–16158. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.11.048Alvarães C.P., Jorge C.F., Souza L., Araújo L.S., Men­des M.C., Farneze H.N. Microstructure and corrosion properties of single layer Inconel 625 weld cladding obtained by the electroslag welding process. Journal of Materials Research and Technology. 2020;9(6):16146–16158. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.11.048Sergejevs D., Mikhaylovs S. Analysis of factors affecting fractures of rails welded by alumino-thermic welding. Transport Problems. 2008;3(4-2):33–37.Sergejevs D., Mikhaylovs S. Analysis of factors affecting fractures of rails welded by alumino-thermic welding. Transport Problems. 2008;3(4-2):33–37.Kargin V.A., Tikhomirova L.B., Galay M.S. Improving service properties of welded joints produced by aluminothermic welding. Welding International. 2015;29(2):155–157. https://doi.org/10.1080/09507116.2014.897809Kargin V.A., Tikhomirova L.B., Galay M.S. Improving service properties of welded joints produced by aluminothermic welding. Welding International. 2015;29(2):155–157. https://doi.org/10.1080/09507116.2014.897809Manakov A.L., Abramov A.D., Ilinykh A.S., Galay M.S. Improvement of aluminothermic welding on the basis of the experimentally-theoretical research of welding seam cooling process. Journal of Physics: Conference Series. 2018;1050:012051. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1050/1/012051Manakov A.L., Abramov A.D., Ilinykh A.S., Galay M.S. Improvement of aluminothermic welding on the basis of the experimentally-theoretical research of welding seam cooling process. Journal of Physics: Conference Series. 2018;1050:012051. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1050/1/012051Ткачева А.В., Абашкин Е.Е. Воздействие предварительного подогрева кромки пластины из стали 30ХГСА на распределение остаточных напряжений при электродуговом процессе. Морские интеллектуальные технологии. 2023;(3–1(61)):188–199. https://doi.org/10.37220/MIT.2023.61.3.019Tkacheva A.V., Abashkin E.E. The effect of preheating the edge of a plate made of steel 30KhGSA on the distribution of residual stresses in the electric arc process. Marine Intelligent Technologies. 2023;(3–1(61)):188–199. (In Russ.). https://doi.org/10.37220/MIT.2023.61.3.019Ткачева А.В., Абашкин Е.Е. Влияние локального комбинированного теплового воздействия на величину и распределение остаточных напряжений в пластине из стали 20. Металлург. 2023;(6):85–93. https://doi.org/10.52351/00260827_2023_06_85Tkacheva A.V., Abashkin E.E. Effect of local combined thermal action on the magnitude and distribution of residual stresses in a steel plate 20. Metallurg. 2023;(6):85–93. (In Russ.). https://doi.org/10.52351/00260827_2023_06_85Franks J., Wheatley G., Zamani P., Nejad R.M., Macek W., Branco R., Samadi F. Fatigue life improvement using low transformation temperature weld material with measurement of residual stress. International Journal of Fatigue. 2022;164:107137. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2022.107137Franks J., Wheatley G., Zamani P., Nejad R.M., Macek W., Branco R., Samadi F. Fatigue life improvement using low transformation temperature weld material with measurement of residual stress. International Journal of Fatigue. 2022;164:107137. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2022.107137Huang W., Wang Q., Ma N., Kitano H. Characteristics of residual stress distribution in wire-arc additive manufactured layers of low transformation temperature material. International Communications in Heat and Mass Transfer. 2023;148:107066. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2023.107066Huang W., Wang Q., Ma N., Kitano H. Characteristics of residual stress distribution in wire-arc additive manufactured layers of low transformation temperature material. International Communications in Heat and Mass Transfer. 2023;148:107066. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2023.107066Feng Z., Aung T.L., Shao Ch., Lu F., Tsutsumi S., Ma N. A design method of tensile triangles and low transformation temperature weld metal for reduction of stress concentration and residual stress of welded joints. Marine Structures. 2020;72:102759. https://doi.org/10.1016/j.marstruc.2020.102759Feng Z., Aung T.L., Shao Ch., Lu F., Tsutsumi S., Ma N. A design method of tensile triangles and low transformation temperature weld metal for reduction of stress concentration and residual stress of welded joints. Marine Structures. 2020;72:102759. https://doi.org/10.1016/j.marstruc.2020.102759Goldak J.A., Akhlagi M. Computational Welding Mechanics. New York: Springer Science & Business Media; 2006:322.Goldak J.A., Akhlagi M. Computational Welding Mechanics. New York: Springer Science & Business Media; 2006:322.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.