nznistuНауки о Земле и недропользованиеEarth sciences and subsoil use2686-99932686-7931Federal State Budget Educational Institution of Higher Education "Irkutsk National Research Technical University"10.21285/2686-9993-2023-46-1-72-83nznistu-272Research ArticleГорнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недрApplied mining and petroleum field geology, geophysics, mine surveying and subsoil geometryПути снижения остаточных сварочных напряжений в металлоконструкциях карьерных экскаваторовMethods to reduce residual welding stresses in mining excavator metal structuresМакаровА. П.MakarovA. P.

 Макаров Анатолий Павлович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры горных машин и электромеханических систем, Институт недропользованияг. Иркутск

 Anatoly P. Makarov, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor,Associate Professor of the Department of Mining Machines and Electromechanical Systems, Institute of Subsoil UseIrkutsk 

https://orcid.org/0000-0003-0590-0393ХрамовскихВ. А.KhramovskikhV. A.

 Храмовских Виталий Александрович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры горных машин и электромеханических систем,Институт недропользованияг. Иркутск

 Vitaly A. Khramovskikh, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Mining Machines and Electromechanical Systems, Institute of Subsoil UseIrkutsk 

НепомнящихК. А.NepomnyashchikhK. A.

 Непомнящих Кирилл Андреевич, аспирант, ассистент кафедры горных машин и электромеханических систем, Институт недропользованияг. Иркутск

 Kirill A. Nepomnyashchikh, Postgraduate Student,Assistant Professor of the Department of Mining Machines and Electromechanical Systems, Institute of Subsoil UseIrkutsk 

Иркутский национальный исследовательский технический университетРоссияIrkutsk National Research Technical UniversityRussian Federation2023070420234617283Copyright © Макаров А.П., Храмовских В.А., Непомнящих К.А., 20232023Макаров А.П., Храмовских В.А., Непомнящих К.А.Makarov A.P., Khramovskikh V.A., Nepomnyashchikh K.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.nznj.ru/jour/article/view/272

Остаточные напряжения в металлоконструкциях карьерного оборудования, вызванные сваркой, возникают из-за неравномерного одновременного нагрева и охлаждения локальных участков конструкций, переменных скоростей охлаждения в разных областях сварного шва, а также деформаций, связанных с металлургическими фазовыми преобразованиями. Остаточное напряжение в сварном соединении может существенно увеличить внешнюю нагрузку и привести к разрушению конструкции. Исследования по расчету, измерению и снижению остаточных напряжений при сварке являются важными вопросами при прогнозировании ресурса узлов металлоконструкций горных машин и оборудования. Точная количественная оценка остаточных напряжений в сварных изделиях, включая ремонтные швы, а также поиск основных принципов, лежащих в основе методов устранения остаточных деформаций, представляет значительный практический интерес, актуальный и для авторов данного исследования. В ходе работы нами была обобщена информация по последним исследованиям в области оценки и измерения остаточных напряжений, вызванных электрогазосварочным воздействием. Предложено использование в исследовании различных техник и аналитических методов для количественной оценки остаточных напряжений сварного шва на основе механики разрушения, что позволяет на ранних стадиях предпринимать упреждающие меры по снижению затрат на ремонт и техническое обслуживание сварных металлоконструкций карьерных экскаваторов. В результате проведенных работ сформированы предложения для снижения остаточных сварочных напряжений в металлоконструкциях карьерных экскаваторов.

Residual stresses in metal structures of mining machinery caused by welding occur due to simultaneous uneven heating and cooling of local sections of structures, variable cooling rates in the different areas of the weld and deformations caused by metallurgical phase transformations. Residual stress in the welded joint can significantly increase the external load that can lead to structural failure. Research on the calculation, measurement and relief of residual stresses under welding is an important issue when predicting the service life of metal structure units of mining machinery and equipment. An accurate quantitative estimation of residual stresses in welded products, repair welds included, as well as the search for the fundamental principles of the elimination methods of residual deformations are of considerable practical interest, which is relevant for the authors of this paper. The study involved a general review of the latest researches in the field of estimation and measurement of residual stresses caused by electrogas welding. It has been proposed to use various techniques and analytical methods for quantitative estimation of welded joint residual stresses on the basis of fracture mechanics, which enabled to take preventative measures at early stages to reduce the cost of repair and maintenance of welded metal structures of mining excavators. The conducted study resulted in formulating the proposals on relief of residual welding stresses in the metal structures of mining excavators.

остаточное напряжение и деформацияэлектрогазовая сваркаконечный элементный анализresidual stress and deformationelectrogas weldingfinite element analysisReferencesGuo J., Fu H., Pan B., Kang R. Recent progress of residual stress measurement methods: a review // Chinese Journal of Aeronautics. 2021. Vol. 34. Iss. 2. P. 54–78. https://doi.org/10.1016/j.cja.2019.10.010.Guo J., Fu H., Pan B., Kang R. Recent progress of residual stress measurement methods: a review // Chinese Journal of Aeronautics. 2021. Vol. 34. Iss. 2. P. 54–78. https://doi.org/10.1016/j.cja.2019.10.010.Zerbst U., Ainsworth R.A., Beier H.Th., Pisarski H., Zhang Z.L., Nikbin K., et al. Review on fracture and crack propagation in weldments – a fracture mechanics perspective // Engineering Fracture Mechanics. 2014. Vol. 132. P. 200–276. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2014.05.012.Zerbst U., Ainsworth R.A., Beier H.Th., Pisarski H., Zhang Z.L., Nikbin K., et al. Review on fracture and crack propagation in weldments – a fracture mechanics perspective // Engineering Fracture Mechanics. 2014. Vol. 132. P. 200–276. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2014.05.012.Joseph A., Rai S.K., Jayakumar T., Murugan N. Evaluation of residual stresses in dissimilar weld joints // International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2005. Vol. 82. Iss. 9. P. 700–705. https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2005.03.006.Joseph A., Rai S.K., Jayakumar T., Murugan N. Evaluation of residual stresses in dissimilar weld joints // International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2005. Vol. 82. Iss. 9. P. 700–705. https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2005.03.006.Hensel J., Nitschke-Pagel T., Tchoffo Ngoula D., Beier H.-Th., Tchuindjang D., Zerbst U., Welding residual stresses as needed for the prediction of fatigue crack propagation and fatigue strength // Engineering Fracture Mechanics. 2018. Vol. 198. P. 123–141. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2017.10.024.Hensel J., Nitschke-Pagel T., Tchoffo Ngoula D., Beier H.-Th., Tchuindjang D., Zerbst U., Welding residual stresses as needed for the prediction of fatigue crack propagation and fatigue strength // Engineering Fracture Mechanics. 2018. Vol. 198. P. 123–141. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2017.10.024.Michaleris P., Dantzig J., Tortorelli D.A. Minimization of welding residual stress and distortion in large structures // Welding Journal. 1999. Vol. 78. Iss. 11. P. 361.Michaleris P., Dantzig J., Tortorelli D.A. Minimization of welding residual stress and distortion in large structures // Welding Journal. 1999. Vol. 78. Iss. 11. P. 361.Xu S., Thermal Stress Analysis of dissimilar welding joints by Finite Element Method // Procedia Engineering. 2011. Vol. 15. P. 3860–3864. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2011.08.722.Xu S., Thermal Stress Analysis of dissimilar welding joints by Finite Element Method // Procedia Engineering. 2011. Vol. 15. P. 3860–3864. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2011.08.722.Larsen M.L., Arora V., Clausen H.B. Finite element shape optimization of weld orientation in simple plate structure considering different fatigue estimation methods // Procedia Structural Integrity. 2021. Vol. 31. P. 70–74. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2021.03.011.Larsen M.L., Arora V., Clausen H.B. Finite element shape optimization of weld orientation in simple plate structure considering different fatigue estimation methods // Procedia Structural Integrity. 2021. Vol. 31. P. 70–74. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2021.03.011.Зива В.В., Косухина А.А., Осадчий С.О. Анализ факторов, влияющих на результаты теплового анализа методом конечных элементов // Студенческий форум. 2020. № 26. С. 28–32 [Электронный ресурс]. URL: https://nauchforum.ru/archive/studjournal/26%28119%29.pdf (15.12.2022).Ziva V.V., Kosukhina A.A., Osadchii S.O. Analysis of factors affecting the results of thermal analysis performed by the finite element method. Studencheskii forum. 2020;26:28-32. Available from: https://nauchforum.ru/archive/studjournal/26%28119%29.pdf [Accessed 15th December 2022]. (In Russ.).Занин А.В., Квасов И.Н. Расчет врезки трубопровода с использованием программного продукта ANSYS и анализ с помощью метода конечных элементов // Динамика систем, механизмов и машин. 2019. Т. 7. № 2. С. 103–113. https://doi.org/10.25206/2310-9793-7-2-103-113.Zanin A.V., Kvasov I.N. Analysis of tie-in calculations for the pipeline using ANSYS software and analysis with finite element method. Dinamika sistem, mekhanizmov i mashin = Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). 2019;7(2):103-113. (In Russ.). https://doi.org/10.25206/2310-9793-7-2-103-113.Борискина З.М., Барышникова О.О. Анализ деформированного состояния металлоконструкций подъемно-транспортных машин с использованием метода конечных элементов // Проблемы механики современных машин: материалы V Междунар. конф. (г. Улан-Удэ, 25–30 июня 2012 г.). Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2012. Т. 2. Ч. 1. С. 53–56.Boriskina Z.M., Baryshnikova O.O. Analysis of the deformed state of hoisting and transport machine metal structures using the finite element method. In: Problemy mekhaniki sovremennykh mashin: materialy V Mezhdunar. konf. = Problems of modern machinery mechanics: materials of the 5th International conference. 25–30 July 2012, Ulan-Ude. Ulan-Ude: East Siberia State University of Technology and Management; 2012, vol. 2, pt. 1, p. 53–56. (In Russ.).Liu F., Tao C., Dong Z., Jiang K., Zhou S., Zhang Z., et al. Prediction of welding residual stress and deformation in electro-gas welding using artificial neural network // Materials Today Communications. 2021. Vol. 29. P. 102786. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2021.102786.Liu F., Tao C., Dong Z., Jiang K., Zhou S., Zhang Z., et al. Prediction of welding residual stress and deformation in electro-gas welding using artificial neural network // Materials Today Communications. 2021. Vol. 29. P. 102786. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2021.102786.Mathew J., Moat R.J., Paddea S., Fitzpatrick M.E., Bouchard P.J. Prediction of residual stresses in girth welded pipes using an artificial neural network approach // International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2017. Vol. 150. P. 89–95. https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2017.01.002.Mathew J., Moat R.J., Paddea S., Fitzpatrick M.E., Bouchard P.J. Prediction of residual stresses in girth welded pipes using an artificial neural network approach // International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2017. Vol. 150. P. 89–95. https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2017.01.002.Na M.-G., Kim J.-W., Lim D.-H. Prediction of residual stress for dissimilar metals welding at nuclear power plants using fuzzy neural network models // Nuclear Engineering and Technology. 2007. Vol. 39. Iss. 4. P. 337–348. https://doi.org/10.5516/NET.2007.39.4.337.Na M.-G., Kim J.-W., Lim D.-H. Prediction of residual stress for dissimilar metals welding at nuclear power plants using fuzzy neural network models // Nuclear Engineering and Technology. 2007. Vol. 39. Iss. 4. P. 337–348. https://doi.org/10.5516/NET.2007.39.4.337.Макаров А.П. Развитие усталостных трещин в металлоконструкциях экскаваторов // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2011.№ 11. С. 105–109.Makarov A.P. Development of fatigue cracks in excavator metal structures. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2011;11:105-109. (In Russ.).Макарчук А.В., Макарчук Н.В., Старцев В.Н. Разработка математической модели многопроходной дуговой сварки // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. 2017. № 1. С. 121–131.Makarchuk A.V., Makarchuk N.V., Startsev V.N. Mathematical model elaboration of multi-pass arc welding. Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S.O. Makarova. 2017;1:121-131. (In Russ.).Серенко А.Н. Оценка влияния остаточных напряжений на кинетику развития усталостных трещин в сварных соединениях. Часть I // Вісник Приазовського Державного Технічного Університету. Серія: Технічні науки. 2011. № 22. С. 156–161.Serenko O.M. Estimation of effects of residual stresses on kinetics of fatigue cracks development in welded joints. Part 1. Vestnik Priazovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Tekhnicheskie nauki = Reporter of the Priazovskyi State Technical University. Section: Technical sciences. 2011;22:156-161. (In Russ.).Заворин А.С., Любимова Л.Л., Буваков К.В., Кулеш А.С., Ташлыков А.А., Кулеш Р.Н. Влияние остаточных напряжений в зонах сварного узла на сопротивление хрупким разрушениям // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2018. Т. 329. № 10. С. 128–142. https://doi.org/10.18799/24131830/2018/10/2112.Zavorin A.S., Lyubimova L.L., Buvakov K.V., Kulesh A.S., Tashlykov A.A., Kulesh R.N. Influence of residual stresses on resistance to brittle fracture in weldment zones. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov = Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering. 2018;329(10):128-142. (In Russ.). https://doi.org/10.18799/24131830/2018/10/2112.Авдеев А.Н., Храмовских В.А. Анализ отказов базовых узлов экскаваторов, работающих в районах Крайнего Севера // Горное оборудование и электромеханика. 2005. № 1. С. 53–55.Avdeev A.N., Khramovskikh V.A. Analysis of failures of excavator basic units operating in the Far North. Gornoe oborudovanie i elektromekhanika = Mining Equipment and Electromechanics. 2005;1:53-55. (In Russ.).Храмовских В.А. Оценка ресурса базовых узлов металлоконструкций карьерных экскаваторов на основе обработки статистической информации // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2005. № 1. С. 167.Khramovskikh V.A. Estimating service life of mining excavator basic unit metal structures based on statistical information processing. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2005;1:167. (In Russ.).Hensel J., Nitschke-Pagel T., Tchoffo Ngoula D., Beier H.-Th., Tchuindjang D., Zerbst U. Welding residual stresses as needed for the prediction of fatigue crack propagation and fatigue strength // Engineering Fracture Mechanics. 2018. Vol. 198. P. 123–141. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2017.10.024.Hensel J., Nitschke-Pagel T., Tchoffo Ngoula D., Beier H.-Th., Tchuindjang D., Zerbst U. Welding residual stresses as needed for the prediction of fatigue crack propagation and fatigue strength. Engineering Fracture Mechanics. 2018;198:123-141. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2017.10.024.Макаров А.П. Шевченко А.Н., Павлов А.М. Определение критической длины трещины в металлоконструкциях карьерных экскаваторов // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2015. № 12. С. 57–63.Makarov A.P. Shevchenko A.N., Pavlov A.M. Crack critical length determination in mining shovel metal structures. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2015;12:57-63. (In Russ.).Серебренников А.В., Демченко И.И., Серебренников В.Л. Оценка методов и приборов для измерения механических напряжений в конструкционных материалах горных машин // Безопасность труда в промышленности. 2013. № 11. С. 56–62.Serebrennikov A.V., Demchenko I.I., Serebrennikov V.L. Assessment of the methods and devices for measuring mechanical stresses in the construction materials of the mining machines. Bezopasnost' truda v promyshlennosti = Monthly Journal of Research and Production. 2013;11:56-62. (In Russ.).Panfilova O.R., Dyorina N.V., Velikanov V.S. Substantiation of parameters of metal structure elements of mining transport machines // Известия Уральского государственного горного университета. 2020. № 2. С. 110-116. https://doi.org/10.21440/2307-2091-2020-2-110-116.Panfilova O.R., Dyorina N.V., Velikanov V.S. Substantiation of parameters of metal struc-ture elements of mining transport machines. Izvestiya Ural'skogo gosudarstvennogo gornogo universiteta = News of the Ural State Mining University. 2020;2:110-116. https://doi.org/10.21440/2307-2091-2020-2-110-116.Серебренников А.В., Демченко И.И., Серебренников В.Л., Левченко Е.А. Способ измерения локальных напряжений в металлоконструкциях горных машин // Безопасность труда в промышленности. 2016. № 6. С. 42–46.Serebrennikov A.V., Demchenko I.I., Serebrennikov V.L., Levchenko E.A. Way of measurement of local tensions in the steel structures of mining machines. Bezopasnost' truda v promyshlennosti = Monthly Journal of Research and Production. 2016;6:42-46. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.