Numerical investigation of residual stresses, distortion and microstructure evolution in multi-pass welded steel components

Abstract

Boru hatlarında kullanılan yüksek mukavemetli düşük alaşımlı çeliklerde ve yüzeysel çok pasolu kaynaklarda ve yüzey kaynak işlemlerinde kalıntı gerilmenin ve çarpılmanın oluşumu ve içyapı değişimi sayısal olarak incelenmiştir. Sıcaklık dağılımının, gerilme-şekil değiştirme durumunun ve faz değişimlerinin analizi için ESI SYSWELD & VISUAL WELD yazılımları kullanılarak üç boyutlu bir sonlu eleman prosedürü geliştirilmiştir. Simulasyonlardan elde edilen sonuçlar, erimiş havuz profili kalibrasyonu, içyapı inceleme, sertlik ölçümleri, X-ışını kırınımı ile kalıntı gerilme ölçümleri gibi çeşitli deneylerin ve ölçümlerin sonuçlarıyla karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Ardışık kaynak pasolarının, pasolar arası sıcaklığın ve parça sabitlemenin sona erdirilmesi sıcaklığının kalıntı gerilme ve çarpılmaya etkileri incelenmiştir. Ardışık pasoların önceki pasolara ısıl işlem etkisi gösterdiği ve pasolar arası sıcaklığın artması ile kalıntı gerilme değerinin düştüğü ancak şekil bozulmasının önemli derecede arttığı tespit edilmiştir. İlave olarak, yüzey kaplama kaynağı işleminde yanyana yapılan kaynak pasosu yönünün ve sıralamasının etkisi üç farklı durum için araştırılmıştır. En düzensiz kaynaklamanın daha homojen kalıntı gerilme alanına ve deformasyona sebep olduğu anlaşılmıştır.

Formation of residual stresses, distortion and microstructure evolution in multi-pass welding and surfacing welding on pipeline HSLA steels were numerically investigated. A procedure for three-dimensional finite element analysis of temperature field, stress-strain state and phase changes in weldments was developed by using ESI SYSWELD & VISUAL WELD software. Numerical results were verified by comparisons with the results of various tests and measurements, such as molten pool profile calibration, microstructure investigation, hardness measurement, residual stress measurement by XRD. Influences of the subsequent weld passes, the interpass temperature, and the unclamping temperature on the residual stress state were investigated. Subsequent weld passes accomplish partial PWHT on the previous weld passes. Higher interpass temperature decreases residual stresses, but shows greater effect on distortion. Besides, the effects of weld pass sequence and welding direction in surfacing welding were studied for three different cases. It was observed that the most uneven weld deposition mode results in more uniform residual stress field and deformation.