Experimental and numerical investigation of the characteristics of flash-butt joints used in continuously welded rails

Abstract

Continuously welded rails are widely used in the Iran railway network, which are generally built using the flash-butt welding process. To accurately model the flash-butt welding process, thermal analysis, and prediction of the welding residual stresses, the influence of upsetting force on the total electrical resistance and a material model with consideration of the influence of temperature on the material properties are included in the numerical modeling. In this paper, numerical and experimental studies, including the finite element method, thermography, metallography, and hardness testing are performed to determine the characteristics of the welded UIC60 rail. By studying the fractured flash-butt welded UIC60 rails, it is shown that the location of the crack initiation and the rail failure in the web and heat affected zone of the welded rails was similar as compared to the maximum tensile residual stress calculated by numerical simulation. According to the numerical and experimental results, it is shown that four key parameters – such as the maximum temperature during the welding process, the total welding time, the upsetting time, and the upsetting force – control the size, microstructure, and the hardness profile of the heat affected zone which directly affects the characteristics and quality of welding.

Simulação do Processo de Soldagem Elétrica por Centelhamento de um Aço para Trilhos Ferroviários. Parte 1: Análise de Tensões Residuais Via Elementos Finitos

“…A fonte de calor equivalente à soldagem elétrica por centelhamento foi simulada por uma fonte de calor superficial simples, de modo semelhante ao adotado em [11,[15][16][17]. No entanto, diferentemente da idealização adotada por aqueles autores, a fonte de calor superficial equivalente, neste trabalho, não foi uniformemente distribuída na interface do modelo, pois os trabalhos de Mansouri e Monshi [6], Weingrill et al [14] e Porcaro et al [7] mostraram que a alma possui as maiores temperaturas de pico durante a soldagem FBW, sendo este um fator fundamental no desenvolvimento de tensões residuais na direção vertical.…”

“…Ressalta-se que a extremidade oposta ao plano A do modelo (Figura 5) possui todos os deslocamentos livres, pois corresponde ao trilho ligado ao eletrodo móvel durante o processo de soldagem por centelhamento. Também não se considerou a força de forjamento aplicada ao final da soldagem, estratégia comumente adotada em simulações de soldagem por centelhamento elétrico [11][12][13][14][15][16][17].…”

“…Um ponto que merece destaque em relação aos dados de tensões residuais experimentais é o fato de que o estado geral de tensões superficiais nas juntas soldadas é determinado pelas componentes de tensões normais, uma vez que os valores de tensões cisalhantes obtidos foram desprezíveis. Os resultados de tensões residuais obtidos nas juntas de trilho intermediário seguiram a mesma tendência de estudos anteriores [5,6,[10][11][12][13][14][15][16][17], com tensões normais trativas nos sentidos longitudinal e vertical na região da alma e tensões compressivas no boleto. O estado de tensão obtido pode ser explicado pelo desenvolvimento de intensa deformação de origem térmica, com deformação plástica localizada na alma durante o ciclo de aquecimento devido a sua maior temperatura durante o processo de soldagem.…”

“…Na Figura 14b, apresentam-se os resultados de tensões residuais normais longitudinais (eixo Z), que também são semelhantes aos reportados na literatura, com tensões normais trativas na região soldada na alma (ZTA) e tensões compressivas na superfície do boleto e patim. Diferenças entre os valores de tensões residuais obtidos experimentalmente e calculados em modelos numéricos por elementos finitos também foram reportados por todos os autores que já trataram deste tema na soldagem de trilhos por centelhamento elétrico [5,10,11,[15][16][17]. Os motivos para as diferenças incluem a simplificação dos modelos numéricos, por exemplo, a não consideração de fenômenos como recristalização e outros efeitos da deformação ao final do processo de soldagem por FBW; o não conhecimento preciso dos ciclos térmicos envolvidos em todas as regiões dos trilhos; simplificações no modelo dos materiais, etc.…”

“…Os valores nodais de temperatura no modelo são posteriormente utilizados como dados de entrada em um modelo mecânico com objetivo de simular o desenvolvimento de tensões residuais [12][13][14]. No segundo tipo (simulação termo-mecânica), um input de calor genérico equivalente àquele gerado durante a soldagem por centelhamento é aplicado como condição de contorno em uma simulação térmica transiente, sendo os valores de temperatura nos nós do modelo, em cada passo de tempo, posteriormente utilizados em um modelo mecânico para avaliar o desenvolvimento de tensões residuais [11,[15][16][17].…”