Study of residual stresses in welded joints using the blind hole drilling method

Authors

  • V. О. Lyaturinsky Department of machine parts and lifting and transport mechanisms, Zaporizhzhya National Technical University, 64, Zhukovskogo str., Zaporozhye 69063, Ukraine https://orcid.org/0000-0002-7487-0696
  • M. V. Sidorenko Department of machine parts and lifting and transport mechanisms, Zaporizhzhya National Technical University, 64, Zhukovskogo str., Zaporozhye 69063, Ukraine

Keywords:

residual stress, welding, heat affected zone, the blind hole method, strain measurements, finite element method

Abstract

In today's production of cranes’ welded structures objective information about the state of residual stresses after welding is needed. The greatest residual stresses (RS) in combination with a high propensity to ruin have heat-affected zones (HAZ) of welded joints. The calculated as well as experimental determination of RS in these areas is difficult. Purpose. The purpose of this article is selection, adaptation and further improvement of the methodology for RS determining in the HAZ of crane welded joints. Methodology. To analyze the HAZ of welded joints the experimental method of drilling blind holes was chosen. A high-speed multiple-step drilling with inverted-cone drills is used. The resulting response of surface deformation is captured by three-element strain gauge rosette. To improve the calculation stage of the experimental method for determining RS a finite element simulation in three-dimensional formulation was performed along with experiments. The technique of the experiment was simulated by finite element method; the influence of a number of boundary conditions on the calculations’ deviations was examined. Findings. The influence of the proximity of the weld bead on the error of the experiment has been analyzed. For different ratios of hole diameter to the diameter of the strain gauge rosette the errors from averaging deformation results on the basis of gauge were investigated. For low-carbon structural steel the abnormalities of the experimental results depending on the level of RS were presented. Originality. Methodology of RS experimental determination by the blind hole drilling method was improved. In particular, recommendations for the quantitative measurement of high RS (close to the yield point) by this method were introduced. Correctional coefficients for accounting the averaging deformation on the basis of the gauge in hole’s contour strain measurements were presented. Practical value. The obtained results extend the possibilities of the blind hole drilling methodology in the context of HAZ RS research on welded joints made from low-carbon structural steels. Based on the obtained results the 5...20 % increase of accuracy of the RS definition in the immediate vicinity of the fillet weld was achieved. Performing the RS measurements in the most problematic areas of welded metal structures will allow one to find ways to optimize the cranes’ steel structures production technology.

Author Biography

M. V. Sidorenko, Department of machine parts and lifting and transport mechanisms, Zaporizhzhya National Technical University, 64, Zhukovskogo str., Zaporozhye 69063

Cand. Sc. (Tech.) 

References

Вершинский А.В. Технологичность и несущая способность крановых металлоконструкций / А.В. Вершинский. - М.: Машиностроение, 1984. - 167 с.

Vershinskiy A.V. Tehnologichnost i nesuschaya sposobnost kranovyih metallokonstruktsiy [Manufacturability and carrying capacity of crane metal structures]. Moscow, Mashinostroenie., 1984. 167 p.http://books.zntu.edu.ua/book_info.pl?id=72291.

Лятуринский В.А. Моделирование послесварочного напряжённо-деформированного состояния коробчатых крановых балок с криволинейными швами / В.А. Лятуринский, М.В. Сидоренко // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - Запоріжжя, 2013. - №2. - С. 130-138.

Lyaturinsky V.A., Sidorenko M.V. Modelirovanie poslesvarochnogo napryazhonno-deformirovannogo sostoyaniya korobchatyih kranovyih balok s krivolineynyimi shvami [Simulation of post-weld stress-strain state of box crane girders with curved seams]. Novi materiali i tehnologyi v metalurgyi ta mashinobuduvanny [Innovative materials and technologies in metallurgy and mechanical engineering], 2013, no. 2, PP. 130-138. http://journal.zntu.edu.ua/nmt/files/NMT22013/NMT(2)_2013. pdf.

НПАОП 0.00-1.01-07. Правила будови і безпечної експлуатації вантажопідіймальних кранів. - Харків: Індустрія, 2008. - 368 с.

NPAOP 0.00-1.01-07. Pravila budovi i bezpechnoyi ekspluatatsiyi vantazhopidiymalnih kraniv [Rules of construction and safe operation of cranes]. Kharkov, Industry., 2008. 368 p. http://zakon4.rada.gov.ua/laws/show/z0784-07/page.

Чернышев Г.Н. Остаточные напряжения в деформируемых твердых телах / Г.Н. Чернышев, А.Л. Попов, В.М. Козинцев, И.И. Пономарев. - М.: Наука. Физматлит, 1996. - 240 с.

Chernyishev G.N., Popov A.L., Kozintsev V.M., Ponomarev I.I. Ostatochnyie napryazheniya v deformiruemyih tverdyih telah [Residual stresses in deformable solids]. Moscow, Nauka., 1996. 240p. http: //www. rfbr.ru/rffi/ru/books/ o_17891.

ASTM E837-08. Standard Test Method for Determining Residual Stresses by the HoleDrilling Strain-Gage Method. ASTM International, West Conshohocken, PA, 2008. 6. Beghini M. An account of plasticity in the hole-drilling method of residual stress measurement / M. Beghini, L. Bertini, P. Raffaelli // Journal of strain analysis, Vol 30, No. 3, 1995. http://www.researchgate.net/publication/239407780_An_account_of__plasticity_in_the_hole-drilling_method_of_residual_stress_measurement.

Flaman M.T. Brief investigation of induced drilling stresses in the center-hole method of residual-stress measurement / M.T. Flaman // Experimental Mechanics, January 1982, PP. 26-30. http://link.springer.com/article/10.1007/BF02325700.

Mahmoudia A.H., Trumanb C.E., Smithb D.J., PavierM.J. The effect of plasticity on the ability of the deep hole drilling technique to measure axisymmetric residual stress // International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 53, Issue 11, November 2011, PP. 978-988.http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0020740311001676.

MTS3000 - Restan. Automatic System for Residual Stress Measurement by Hole-Drilling. - SINT Technology s.r.l., 2014. 8 p.http://www.sintechnology.com/strain-gauge measurements/ RESTAN_MTS3000.html.

Nau A., Scholtes B. Evaluation of the High-Speed Drilling Technique for the Incremental Hole-Drilling Method / Experimental Mechanics, 2012, Vol. 53, PP. 531-542. http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11340-012-9641-1.

Preckel U. Erweiterung der Verfahrensgrenzen beim Bohrlochverfahren zur Ermittlung von Eigenspannungen // Industrie Anzeiger, Kurzberichte der Hochschulgruppe Fertigungstechnik 108, Nr. 8, 1986, PP. 18-26.

Schajer G.S. Relaxation Methods for Measuring Residual Stresses: Techniques and Opportunities // Experimental Mechanics, No 10, 2010; pp. 1117-1127. http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11340-010-9386-7.

Schajer G. Measurement of Non-Uniform Residual Stresses Using the Hole-Drilling Method. Part I, II / G. Schajer // Journal of Engineering Materials and Technology, Vol. no. 110, 1988, p. 338-349. http://materialstechnology.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1424124.

Schwarz T. The hole-drilling method - the best technique for the experimental determination of residual stresses in many fields of application / T. Schwarz, H. Kockelmann // MTB 29, 1993, Vol. 2, p. 33-38.

-38.

Downloads

Published

2015-04-20

Issue

No. 80 (2015)

Section

Proceedings in memory of Starodubov

License

Редакція  Видання категорично засуджує прояви плагіату в статтях та вживає всіх можливих заходів для його недопущення. Плагіат розглядається як форма порушення авторських прав і наукової етики.

При виявлені у статті більш ніж 25% запозиченого тексту без відповідних посилань та використання лапок, стаття кваліфікується як така, що містить плагіат. У цьому випадку стаття більше не розглядається редакцією, а  автор отримує перше попередження.

Автори, в статтях яких повторно виявлено плагіат, не зможуть публікуватися в усіх журналах Видавництва ДВНЗ «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури».

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

  1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
  2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
  3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).