Analysis of the effect of residual stresses on the reliability of a welded structure

Abstract

Residual stresses, those that persist within materials devoid of external influences, play a pivotal role in dictating the fatigue life of mechanical structures. These stresses, emerging predominantly from material deformation heterogeneities, often have profound implications for the performance and longevity of components, especially in industries such as boiler-making and pressure vessels. Welding, an assembly process extensively utilized in these sectors, induces thermomechanical constraints at the joint, a consequence of the techniques and temperatures involved. The crux of evaluating residual stresses lies in its potential to forecast admissible stress levels during the design phase, allowing for optimized structure sizing and the assessment of specialized stress treatments' efficacy. This research stems from an established theme within our team, focusing on the intricate study of pre-cracked mechanical structures, specifically emphasizing stainless steel subjected to complex stresses. The overarching objective of the research is encapsulated in its theme: "Forecast/evaluation reliable performance of structural mechanical systems and optimal mechanical design." Through an in-depth exploration of welding dynamics and the resulting residual stresses, the study offers insights into the nuanced interplay between welding techniques, material properties, and subsequent structural behavior. The findings are instrumental in providing guidelines for enhanced design strategies, paving the way for more resilient and efficient welded structures in practical applications. This extensive study thoroughly examines the intricacies involved in welding operations, with a specific emphasis on butt joints in austenitic pipes. Utilizing FEA, the study illuminated the impact of welding sequences on residual stresses and associated distortions. Emphasis was placed on the potential of multi-pass welding in enhancing joint strength and producing microstructures with reduced residual stresses. The research also explored innovative stress mitigation techniques, namely the IHSI and MSIP, underscoring their efficacy in combating stress-related vulnerabilities in welded structures. --------------------- الاجهادات البقائية، تلك التي تظل داخل المواد دون وجود تأثيرات خارجية، تلعب دورًا حاسمًا في تحديد عمر التعب للهياكل الميكانيكية. هذه الضغوط، التي تنشأ بشكل رئيسي من تفاوتات تشوه المواد، غالبًا ما تكون لها تأثيرات عميقة على الأداء وطول عمر المكونات، خاصة في صناعات مثل صناعة الغلايات وأوعية الضغط. اللحام، وهو عملية تجميع تستخدم على نطاق واسع في هذه القطاعات، يؤدي إلى قيود ميكانيكية حرارية في المفصل، نتيجة لتقنياتاللحام وتزايد درجة الحرارة. ويكمن جوهر تقييم الاجهادات البقائية في قدرته على التنبؤ بمستويات الإجهاد المسموح بها خلال مرحلة التصميم، مما يسمح بتحديد حجم الهيكل الأمثل وتقييم فعالية علاجات الإجهاد المتخصصة. تنبع هذه الأبحاث من موضوع معروف ضمن فريقنا، يركز على الدراسة المعقدة للهياكل الميكانيكية التي تم فحصها مسبقًا، مع التركيز بشكل خاص على الفولاذ المقاوم للصدأ الذي يخضع لضغوط معقدة. الهدف العام للبحث ملخص في موضوعهالمتمثل في: "توقع / تقييم الأداء الموثوق للأنظمة الميكانيكية الهيكلية وتصميم ميكانيكي مثالي." من خلال دراسة عميقة لعمليات اللحام والاجهادات البقائية الناتجة، توفر الدراسة رؤى حول التفاعل الدقيق بين تقنيات اللحام، وخصائص المواد، والسلوك الهيكلي التالي. تعتبر النتائج مفيدة في توفير مبادئ توجيهية لاستراتيجيات التصميم المحسنة، مما يمهد الطريق لهياكل ملحومة أكثر مرونة وفعالية في التطبيقات العملية. هذه الدراسة الشاملة تفحص بعناية تامة التعقيدات المتعلقة بعمليات اللحام، مع التركيز بشكل خاص على الوصلاتاللحامية في الأنابيب الأوستنيتية. باستخدام FEA، أضاءت الدراسة تأثير تسلسلات اللحام على الاجهادات البقائية والتشوهات المرتبطة بها. تم التركيز على إمكانية اللحام متعدد التمريرات في تعزيز قوة المفصل وإنتاج الهياكل ذات الاجهادات البقائية المنخفضة. كما استكشف البحث تقنيات مبتكرة لتحسين الضغط، وهي IHSI وMSIP، مركزا على فعاليتهما في مكافحة الضعف المرتبط بالاجهادات في الهياكل الملحومة.

-------------------- Les contraintes résiduelles, celles qui subsistent à l'intérieur des matériaux en l'absence d'influences extérieures, jouent un rôle crucial dans la détermination de la durée de vie à la fatigue des structures mécaniques. Ces contraintes, résultant principalement d'hétérogénéités de déformation du matériau, ont souvent des implications profondes pour la performance et la longévité des composants, en particulier dans des industries telles que la chaudronnerie et les récipients sous pression. La soudure, un processus d'assemblage largement utilisé dans ces secteurs, induit des contraintes thermomécaniques au niveau du joint, conséquence des techniques de soudage et l’évolutions de températures. L'essence de l'évaluation des contraintes résiduelles réside dans son potentiel de prévoir les niveaux de contraintes admissibles lors de la phase de conception, permettant une optimisation de la taille de la structure et l'évaluation de l'efficacité des traitements de contrainte spécialisés. Cette recherche issue d'un thème établi au sein de notre équipe, se concentrant sur l'étude complexe des structures mécaniques pré-fissurées, mettant spécifiquement l'accent sur l'acier inoxydable soumis à des contraintes complexes. À travers une exploration approfondie de la dynamique de soudage et des contraintes résiduelles résultantes, l'étude offre des éclairages sur l'interaction nuancée entre les techniques de soudage, les propriétés des matériaux et le comportement structurel subséquent. Les résultats sont essentiels pour fournir des lignes directrices pour des stratégies de conception améliorées, ouvrant la voie à des structures soudées plus résilientes et efficaces dans des applications pratiques. Cette étude approfondie examine minutieusement les complexités des opérations de soudage, en mettant particulièrement l'accent sur les joints bout à bout dans les tuyaux austénitiques.En utilisant la FEA, l'étude a éclairé l'impact des séquences de soudage sur les contraintes résiduelles et les distorsions associées. L'accent a été mis sur le potentiel de la soudure multi-passe pour renforcer la résistance des joints et produire des microstructures avec des contraintes résiduelles réduites. La recherche a également exploré des techniques innovantes d'atténuation des contraintes, à savoir l'IHSI et le MSIP, soulignant leur efficacité pour combattre les vulnérabilités liées aux contraintes dans les structures soudées.