Simulation of the temperature field and the microstructure evolution during multi-pass welding of L485MB pipeline steel

• Autorzy: Koch F. , Enderlein M. , Pietrzyk M.

Warianty tytułu

PL

Symulacja rozkładu temperatury i rozwoju mikrostruktury podczas wielowarstwowego spawania stali l485mb do produkcji rurociągów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Against the background of safety assessment of welded joints in piping constructions, the welding process is simulated numerically in the present work. The paper focuses on manual multi-pass edge fillet welds at high-pressure pipelines made of steel L485MB (X70). The simulation is based on the finite element method and allows for the prediction of temperature fields and microstructure evolution during welding and cooling. To describe the heat input during welding the double-ellipsoidal Goldak heat source is implemented into the commercial software ABAQUS. To account for different bead shapes the Goldak heat source is modified by projecting it onto the bead shape of each welding pass. The microstructure evolution is analyzed by a phase transformation model based on the calculated transient temperature fields. The ferritic, pearlitic and bainitic transformations are simulated by the Avrami equation. Effects of reheating during multi-pass welding are taken into account. In order to validate the simulation extensive welding experiments are carried out. The experimental observations are presented and compared to the numerical results by means of macrosections and thermocouple measurements.

PL

W niniejszej pracy numeryczna symulacja jest zastosowana jako wstępne narzędzie wspomagania projektowania, optymalizacji i oceny połączeń spawanych w aspekcie ich bezpieczeństwa. Przykładowym zastosowaniem takich połączeń są rurociągi, w których jakość spawu odgrywa istotną rolę. W pracy skupiono się na wielowarstwowych połączeniach spawanych wykonywanych w celu zwiększenia długości lub naprawy rurociągów ze stali L485MB. Stal L485MB (X70) jest powszechnie stosowana na rurociągi o dużej średnicy do transportu gazów i cieczy pod dużym ciśnieniem. Wykonane symulacje przewidywały pola temperatury i rozwój mikrostruktury podczas spawania i chłodzenia po spawaniu. Wielostopniowe ręczne spawanie elektryczne symulowano za pomocą metody elementów skończonych (MES) wykorzystując program ABAQUS. W tym programie jako warunek brzegowy zaimplementowano podwójnie elipsoidalne źródło ciepła opisane modelem Goldaka. Aby uwzględnić różne kształty elektrody model Goldaka został zmodyfikowany poprzez rzutowanie go na kształt elektrody dla każdego przejścia przy spawaniu. Model rozwoju mikrostruktury zaimplementowany w procedurach post-processingu pozwolił na obliczanie kinetyki przemian fazowych w warunkach spawania. Przemiany ferrytyczna, perlityczna były symulowane za pomocą zmodyfikowanego równania Avrami'ego. Wpływ nagrzewania w czasie spawania w wielu przejściach został uwzględniony w obliczeniach. Dla weryfikacji modelu wykonano doświadczalne spawanie. Weryfikacji modelu dokonano przez porównanie zdjęć makro przekrojów i pomiarów temperatury. Zaobserwowano dobrą zgodność pomiarów i obliczeń temperatury w strefie wpływu ciepła.

Słowa kluczowe

EN

multi-pass welding; temperature field; microstructure; pipeline; L485MB; X70

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 13, No. 1
• Strony: 173--180
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys.

Twórcy

autor

Koch F.

• Technische Universität Bergakademie Freiberg, Institute of Mechanics and Fluid Dynamics Lampadiusstraße 4, 09599 Freiberg, Germany

autor

Enderlein M.

• Technische Universität Bergakademie Freiberg, Institute of Mechanics and Fluid Dynamics Lampadiusstraße 4, 09599 Freiberg, Germany

autor

Pietrzyk M.

• AGH University of Science and Technology, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• Avrami, M., 1939, Kinetics of phase change. I. General Theory, J. Chem. Phys., 7, 1103–12.
• Baehr, H. D., Stephan, K., 2011, Heat and mass transfer, Springer-Verlag, Berlin.
• Donnay, B., Herman, J.C., Leroy, V., Lotter, U., Grossterlinden, R and Pircher, H., 1996, Microstructure evolution of CMn steels in the hot deformation process: the stripcam model, Proc. 2nd Conf. Modelling of Metal Rolling Processes, eds, Beynon, J.H., Ingham, P., Teichert, H. and Waterson, K., London, 23-35.
• Goldak, J.A., Akhlaghi, M., 2005, Computational welding mechanics, Springer Science+Business Media Inc, Boston.
• Koch, F., Enderlein, M., 2012 Modelling and finite element analysis on multi-pass welding, Comput. Methods Mater. Sci., 12, no. 2, 104-112.
• Lan, L., Qiu, C., Zhao, D., Li, C., Gao, X., Du, L., 2011, Microstructural characters and toughness of different subregions in the welding heat affected zone of low carbon bainitic steel, Acta Metall. Sin., 47, 1046-1054.
• Li, C., Wang, Y., Han, T., Han, B., Li, L., 2011, Microstructure and toughness of coarse grain heat-affected zone of domestic X70 pipeline steel during in-service welding, J. Mat. Sci., 46, 727-733.
• Nishida, Y., Droste, W., Engler, S., 1986, The air-gap formation process at the casting-mold interface and the heat transfer mechanism through the gap, Met. Trans. B, 17B, 833-844.
• Pietrzyk, M., Madej, L., Koch, F., Enderlein, M., 2010, Determination of phase transformation models and data for the considered weld materials, subcontract to the Research project No. 04080238, TU Bergakademie Freiberg, (not published).
• Pietrzyk, M., Kuziak, R., 2012, Modelling phase transformations in steel, in: Microstructure evolution in metal forming processes, eds, Lin, J., Balint, D., Pietrzyk, M., Woodhead Publishing, 145-179.
• Scheil, E., 1935, Anlaufzeit der Austenitumwandlung. Archiv für Eissenhütt., 12, 565-567.
• Spur, G., Stöferle, T., 1987, Handbuch der Fertigungstechnik Band 4/2 Wärmebehandeln, Carl Hanser Verlag, München (in German).
• Szeliga, D., 2012, Selection of the appropriate phase transformation model for design of laminar cooling and continuous annealing of DP steels, Comput. Methods Mater. Sci., 12, 70-84.
• Zhang, W., Elmer, J.W., DebRoy, T., 2005, Integrated modeling of thermal cycles, austenite formation, grain growth and decomposition in the heat affected zone of carbon steel, Sci. Technol. Weld. Join., 10, 574-582.