Friction hydro-pillar processing of carbon steels : a numerical investigation of joint structure, properties and material flow

A Soldagem por Fricção com Pino Consumível (Friction Hydro Pillar Processing - FHPP) é uma técnica inovadora de união em estado sólido utilizada para reparar componentes de parede espessa. Durante o processo, o pino é rotacionado contra uma cavidade usinada no local do defeito para induzir aquecimento por fricção e fluxo do material plastificado para preenchimento adequado. Este trabalho apresenta uma investigação abrangente do FHPP, com foco na relação das variáveis de processo com a microestrutura, propriedades da junta, e fluxo do material. Buscando uma compreensão mais profunda e otimização dessa técnica de soldagem, três estudos foram realizados em diferentes tipos de aço, com uma abordagem conjunta experimental e numérica. No primeiro estudo, foram examinados os efeitos das variáveis do processo na microestrutura e nas propriedades da junta resultante, ou seja, estudou-se como a força, a velocidade de rotação do pino e o tempo de processamento, influenciam na obtenção da junta soldada por FHPP no aço ASTM A36. Um modelo numérico foi desenvolvido para examinar a taxa de geração de calor, o campo de temperatura transiente e sua correlação com as variáveis de processamento. A partir da análise experimental e numérica foi possível desenvolver um método para estimar a distribuição de dureza das juntas. Baseando-se no estudo anterior, o segundo artigo de pesquisa foca no FHPP de aço AISI 4140. Os resultados enfatizam a importância da otimização da taxa de força do pino e do tempo de processamento para obter juntas livres de defeitos e preenchimento adequado de furos de trincas. O terceiro estudo aborda o fluxo de material durante o FHPP, um aspecto pouco relatado na literatura. Por meio de uma combinação de análise teórica e experimentos de tomografia computadorizada por raios-x tridimensionais (XCT), utilizou-se um inserto de liga de titânio para rastrear o fluxo de material durante o FHPP de um substrato AISI 4140. Um modelo numérico termomecânico axissimétrico foi desenvolvido para rastrear o fluxo do material. Os resultados mostraram que a porção central do pino se deforma em uma série de planos de cisalhamento em camadas, enquanto que o material plastificado mais externo radialmente flui pela folga entre o pino e a peça, com o excesso de volume sendo expulso como rebarba.Friction hydro-pillar processing (FHPP) is a solid-state joint technique employed for repairing thick-walled components using an external stud. During the process, the stud is rotated against a crack-hole to induce friction heating and flow of plasticized material for proper filling. This Ph.D. thesis presents a comprehensive investigation of FHPP, focusing on the determination of joint structure, material flow, and properties while considering the effects of processing variables. Contributing to a deeper understanding and optimization of the technique, three critical studies were carried out on different types of steel substrates with a joint experimental and numerical approach. The first study investigates the effect of processing conditions - such as stud force, rotational speed and processing time - on joint structure and properties in FHPP of ASTM A36 steel. A numerical model was developed. in which the rate of heat generation, transient temperature field, and their correlation with processing variables were examined. From experimental and numerical analyses results, a method to estimate the hardness distribution within the joints was presented. Building upon the previous study, the second research paper focuses on FHPP of AISI 4140 steel. The results emphasize the importance of optimizing stud force rate and processing time to achieve defect-free joints and proper filling of crack holes, offering valuable insights into the systematic and quantitative aspects of the technique. The third study addresses the material flow during FHPP, an aspect that is often underreported in the literature. Through a combination of theoretical analysis and three-dimensional X-ray computer tomography (XCT) experiments, a Ti-alloy tracer material was used to track material flow during FHPP of an AISI 4140 substrate. A thermo-mechanical axi-symmetric numerical model was developed to further investigate and track the material flow. The findings reveal stationary layer-wise shear planes in the central portion of the plug and flow of plasticized material from the tapered interface through the clearance between the plug and the substrate, with excess volume being extruded as flash

Simulação numérica do processo de soldagem de tubos por atrito com anel rotativo

Tubos de aço inoxidável duplex (AID) são utilizados na indústria petroquímica para transporte de óleo e gás em ambientes agressivos e em condições de corrosão sob tensão. O processo de soldagem destes tubos impõem grandes dificuldades, como longos períodos de soldagem e formação de intermetálicos devido a baixas taxas de resfriamento. Visando investigar alternativas para este processo, o Laboratório de Metalurgia Física (LAMEF) desenvolveu um equipamento (MASF 1500) capaz de realizar o processo de Soldagem de Tubos por Atrito com Anel Rotativo (STAAR). Este processo é mais rápido e não prejudica as propriedades mecânicas como a soldagem convencional, porém apresenta o viés da formação de rebarbas no tubo que precisam ser removidas para transporte de fluidos. Para investigar a formação de rebarba, os campos de deformação e a distribuição térmica na peça, um modelo utilizando o método dos elementos finitos (MEF) foi desenvolvido a partir de resultados experimentais. O modelo termomecânico desenvolvido com o software ABAQUS se baseia apenas nos parâmetros de entrada do equipamento, e se mostrou capaz de reproduzir os resultados de soldagem de força e deslocamento com erros abaixo 15% e 4% respectivamente. A formação de rebarba interna dos tubos foi calculada com erros abaixo de 5% e as distribuições de temperatura e deformação plástica foram analisadas. Considerando que a formação de fases intermetálicas é um dos principais problemas na soldagem convencional dos AID, as temperaturas calculadas com o modelo foram utilizadas para estimar a formação de fase sigma no tubo, tendo valores calculados abaixo de 1%.Duplex stainless steel pipes are used in oil and gas transport while in aggressive environment and stress corrosion cracking conditions. The common welding process of these pipes is difficult due to long welding periods and intermetallic phase formation by slow cooling rate. As an alternative for this process, the Physical Metallurgy Laboratory (LAMEF) at UFRGS University developed a machine (MASF 1500) capable of performing tube friction welding with a rotary ring process (STAAR – Soldagem de Tubos por Atrito com Anel Rotativo). This process is faster and does not diminish original mechanical properties of the component, however the process presents flash formation which must be removed for fluid transportation. To investigate flash formation, strain fields and thermal fields in the welded samples, a FEM model was developed based on experimental results. The thermo-mechanical model developed in ABAQUS environment is solely based in process input parameters, showing results of force and displacement with errors smaller than 15% and 4% respectively. The internal flash formation calculation showed less than 5% error and the thermal distribution and plastic deformation were analyzed. Considering that intermetallic phases are one of the biggest concerns on duplex stainless steel arc welds, sigma phase formation was calculated from model’s thermal output, showing less than 1% sigma formation

Material flow during friction hydro-pillar processing

Friction hydro-pillar processing (FHPP) is a novel technique that involves solid-state joining of an external plug onto a substrate by plastic deformation. A systematic investigation on material flow during FHPP is required but rarely reported. The present work reports a coupled theoretical and a three-dimensional X-ray computer tomography-based experimental study using a Ti-alloy as a tracer material to realise the material flow during FHPP of a AISI 4140 steel substrate. The cumulative results showed that the central portion of the plug deformed in a series of layerwise shear planes. However, the plasticised material towards the outer area of the plug flowed through the clearance between the plug and the substrate with excess volume moving out as flash

Simulação numérica do processo de soldagem de tubos por atrito com anel rotativo

Tubos de aço inoxidável duplex (AID) são utilizados na indústria petroquímica para transporte de óleo e gás em ambientes agressivos e em condições de corrosão sob tensão. O processo de soldagem destes tubos impõem grandes dificuldades, como longos períodos de soldagem e formação de intermetálicos devido a baixas taxas de resfriamento. Visando investigar alternativas para este processo, o Laboratório de Metalurgia Física (LAMEF) desenvolveu um equipamento (MASF 1500) capaz de realizar o processo de Soldagem de Tubos por Atrito com Anel Rotativo (STAAR). Este processo é mais rápido e não prejudica as propriedades mecânicas como a soldagem convencional, porém apresenta o viés da formação de rebarbas no tubo que precisam ser removidas para transporte de fluidos. Para investigar a formação de rebarba, os campos de deformação e a distribuição térmica na peça, um modelo utilizando o método dos elementos finitos (MEF) foi desenvolvido a partir de resultados experimentais. O modelo termomecânico desenvolvido com o software ABAQUS se baseia apenas nos parâmetros de entrada do equipamento, e se mostrou capaz de reproduzir os resultados de soldagem de força e deslocamento com erros abaixo 15% e 4% respectivamente. A formação de rebarba interna dos tubos foi calculada com erros abaixo de 5% e as distribuições de temperatura e deformação plástica foram analisadas. Considerando que a formação de fases intermetálicas é um dos principais problemas na soldagem convencional dos AID, as temperaturas calculadas com o modelo foram utilizadas para estimar a formação de fase sigma no tubo, tendo valores calculados abaixo de 1%.Duplex stainless steel pipes are used in oil and gas transport while in aggressive environment and stress corrosion cracking conditions. The common welding process of these pipes is difficult due to long welding periods and intermetallic phase formation by slow cooling rate. As an alternative for this process, the Physical Metallurgy Laboratory (LAMEF) at UFRGS University developed a machine (MASF 1500) capable of performing tube friction welding with a rotary ring process (STAAR – Soldagem de Tubos por Atrito com Anel Rotativo). This process is faster and does not diminish original mechanical properties of the component, however the process presents flash formation which must be removed for fluid transportation. To investigate flash formation, strain fields and thermal fields in the welded samples, a FEM model was developed based on experimental results. The thermo-mechanical model developed in ABAQUS environment is solely based in process input parameters, showing results of force and displacement with errors smaller than 15% and 4% respectively. The internal flash formation calculation showed less than 5% error and the thermal distribution and plastic deformation were analyzed. Considering that intermetallic phases are one of the biggest concerns on duplex stainless steel arc welds, sigma phase formation was calculated from model’s thermal output, showing less than 1% sigma formation

Numerical simulation of friction welding process of ASTM A36 steel pipe and API flange

Este trabalho é sobre a modelagem numérica de um processo de solda por fricção entre dutos e flanges de aço ASTM A36 e a comparação de resultados numéricos e experimentais de temperatura. Para o modelo, foi utilizada uma análise termo-mecânica bidimensional com elementos axissimétricos que consideram deformações por torção, o que permitiu aplicar tensão cisalhante e utiliza-la diretamente na geração de calor. O fluxo de calor na interface de contato foi definido utilizando a lei de Coulomb limitada pela tensão cisalhante de escoamento do material variável pela temperatura. Um procedimento de refazer a malha periodicamente foi utilizado para comportar as grandes deformações envolvidas no processo. Três corpos de prova foram gerados experimentalmente no Laboratório de Metalurgia Física da UFRGS (LAMEF) com diferentes parâmetros de soldagem e suas aquisições de temperatura, obtidas em quatro pontos por amostra, foram comparadas aos dados obtidos com as rotinas de pós-processamento das simulações. O modelo proposto se mostrou capaz de simular os três casos estudados e gerar as curvas de temperatura, que apresentaram diferenças máximas entre 250ºC e 100ºC quando comparados valores de temperatura máxima numérico e experimental.A numerical model was developed to simulate a friction welding process of ASTM A36 steel pipe and API flange for comparison of simulated results and experimental data. The thermal-mechanical bi-dimensional analysis, using axisymmetric elements accounting for twist, allowed the usage of shear stress and its use on the heat flux equations. The heat flux was defined using the Coulomb law limited by the temperature dependent shear yield strength. Due to the severe strains involved in the process, a periodical remesh procedure was used. Three specimens were welded at the Physical Metallurgy Laboratory of UFRGS (LAMEF) with different weld parameters. The temperature data obtained in four points per sample was compared to the data acquired with the post-processing routines simulated results. The model was able to simulate the process and generate temperature data, which differed from the experimental results by values between 250ºC and 100ºC when maximum temperature was compared

An investigation on friction hydro-pillar processing

<p>Friction hydro pillar processing (FHPP) is a novel technique to fill in crack-holes in thick-walled metal structures by an external stud and forming a solid-state bond between the stud and the metal substrate. During the process, the stud is rotated against the crack-wall to facilitate friction heating and flow of plasticized material for proper filling of the crack-hole. We present here a coupled experimental and numerical study on FHPP of ASTM A36 steel to understand the effect of processing conditions on the joint structure and properties. An axi-symmetric heat transfer analysis is carried out to compute the temperature field. The computed thermal cycles are used to estimate the hardness distribution across the joint. The estimated thermal cycles and hardness distribution are tested with the corresponding experimentally measured results.</p

An investigation on girth friction welding of duplex stainless steel pipes

Girth friction welding is a novel technique to join co-axial linepipes with an external ring (girth) in solid state and without melting of materials. The ring or the girth is rotated between two pipes under an axial force resulting in frictional heat generation and plastic deformation along the pipe-girth interfaces. The rotation of the girth is stopped after a preset displacement of the pipes while the force is maintained to consolidate the deformed material and form the joint along the girth-pipe interfaces. Since the girth is only rotated and the pipeline sections remain stationary, the process simplifies the in situ assembly operations and enables the joining of complex configurations. As the melting of pipes and girth is avoided, the formation of harmful intermetallic compounds and deterioration of toughness in the heat affected zone are minimized. A comprehensive numerical model is reported in the present work to analyse the influence of key process variables on the rate of heat generation, resulting temperature field and thermal cycles, and the nature of material flow along the pipe-girth interfaces in girth friction welding of duplex stainless steel pipes. The computed results of thermal cycles and joint shapes are validated with the corresponding experimentally measured results. The results showed a favorable balance of the ferrite and austenite phases, and very little presence of the harmful sigma phases in the recrystallized weld-zone, which is difficult in fusion welding processes of similar materials