Modelling of Residual Stresses and Distortions of the Wall on a Substrate Built by Wire-Arc Surfacing

Abstract

To study the arising of technological distortions and residual stresses in structures created by wire-arc surfacing, it is proposed to consider a wall consisting of ten layers deposited on a substrate. A wall is deposited with and without layer-by-layer forging on a fixed steel plate with AISI 308 LSi austenitic stainless steel wire and the deflection of a released wall on the substrate is measured. As for numerical modelling, the process was presented as successively solved problems: a) thermal — surfacing of ten layers of material, b) elastic-plastic — formation of eigenstrains and residual stresses due to cooling of the created structure with nonuniformly distributed temperature, c) thermo-elastic-plastic — forging of the workpiece with a pneumatic tool at elevated temperature (this stage may be excluded) and d) elastic-plastic — the structure distortion and changes in the field of residual stresses when the structure is released. Problems (a), (b), (d) were solved in the COMSOL Multiphysics software package, (c) — in LS-DYNA. It is established that tensile residual stresses are formed in the deposited wall near its upper face, and the forging of this face is accompanied by a decrease in longitudinal strains, distortion of the released specimen and inhomogeneity of the distribution of residual stresses by the wall height. The calculated deflection values correspond to our experimental data and the results of Cranfield University for the IN718 austenitic alloy. A rod-beam model of the built-up multilayer wall was developed, the results of the application of which correspond to numerical calculations

Для исследования формирования остаточных напряжений и искажений изделий, создаваемых проволочно-дуговой наплавкой, в зависимости от параметров технологического процесса предложено рассматривать стенку, состоящую из десяти слоев, наплавленных на подложку. На закрепленной стальной пластине проволокой из аустенитной нержавеющей стали AISI 308 LSi наплавлена стенка с послойной проковкой и без нее и измерен прогиб освобожденной конструкции. Для численного моделирования процесс представлялся в виде последовательно решаемых задач: а) тепловой — наплавки десяти слоев материала, б) упругопластической — формирования собственных деформаций и остаточных напряжений вследствие остывания созданной конструкции с неоднородным распределением температуры, в) упругопластической — проковки напряженной заготовки пневмоинструментом при повышенной температуре (этап может отсутствовать) и г) упругопластической — искажения конструкции и изменения поля остаточных напряжений при освобождении конструкции. Задачи (а), (б) и (г) решались в пакете программ COMSOL Multiphysics, (в) — в LS-DYNA. Установлено, что в наплавленной стенке вблизи ее верхней грани формируются растягивающие остаточные напряжения, а проковка этой грани сопровождается уменьшением продольных деформаций, искажения освобожденного образца и неоднородности распределения остаточных напряжений по высоте стенки. Рассчитанные величины прогибов соответствуют нашим экспериментальным данным и результатам Университета Крэнфилда для аустенитного сплава IN718. Разработана балочно-стержневая модель механики наращиваемой многослойной стенки, результаты применения которой соответствуют численным расчетам