Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University82210.18323/2782-4039-2023-1-69-81ArticlesСтатьиFatigue strength of 30ХГСА–40ХМФА welded joints produced by rotary friction weldingУсталостная прочность сварных соединений сталей 30ХГСА–40ХМФА, полученных ротационной сваркой трениемhttps://orcid.org/0000-0002-4571-2410PriymakElena Yu.ПриймакЕлена Юрьевна
Russian Federation

PhD (Engineering), Head of the Laboratory of Metal Science and Heat Treatment, assistant professor of Chair of Materials Science and Technology of Materials

кандидат технических наук, заведующий лабораторией металловедения и термической обработки, доцент кафедры материаловедения и технологии материалов

elena-pijjmak@yandex.ruKuzminaElena A.КузьминаЕлена Александровна
Russian Federation

Head of Technical Department

начальник технического отдела 

kuzmina0902@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3542-6242GladkovskiiSergey V.ГладковскийСергей Викторович
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering), chief researcher

доктор технических наук, главный научный сотрудник

gsv@imach.uran.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6508-6859VichuzhaninDmitry I.ВичужанинДмитрий Иванович
Russian Federation

PhD (Engineering), senior researcher

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

mmm@imach.uran.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4955-6435VeselovaValeria E.ВеселоваВалерия Евгеньевна
Russian Federation

junior researcher

младший научный сотрудник

veselova@imach.uran.ruZBO Drill Industries, Inc., OrenburgАО «Завод бурового оборудования», ОренбургOrenburg State University, OrenburgОренбургский государственный университет, ОренбургInstitute of Engineering Science of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, YekaterinburgИнститут машиноведения имени Э.С. Горкунова УрО РАН, Екатеринбург31032023169813103202331032023https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/822

Rotary friction welding (RFW) is used in the production of drill pipes for solid mineral prospecting. The need for the creation of the lightened drill strings for high-speed diamond drilling of ultradeep wells dictates the necessity of a greater focus on the study of a weld zone and setting the RFW technological parameters. This paper presents the results of experimental studies of a welded joint of a drill pipe of the H standard size according to ISO 10097, made of the 30ХГСА (pipe body) and 40ХМФА (tool joint) steels under the cyclic loads. The authors evaluated the influence of the force applied to the workpieces in the process of friction of the contacting surfaces (force during heating), and postweld tempering at a temperature of 550 °С on the cyclic life of welded joints, under the conditions of alternate tension-compression at the cycle amplitude stress of ±420 MPa. The study determined that with an increase in the force during heating, the microstructure changes occur in the zone of thermomechanical influence, contributing to an increase in the fatigue strength of welded joints. The authors identified the negative effect of postweld tempering on the fatigue strength of welded joints, which is expressed in the decrease in the number of cycles before failure by 15–40 %, depending on the magnitude of the force during heating. The optimal RFW mode of the specified combination of steels is determined, which provides the largest number of cycles before failure: the force during heating (at friction) Fh=120 kN, forging force Ffor=160 kN, rotational frequency during heating n=800 Rpm, and upset during heating l=8 mm. A series of fatigue tests have been carried out at various values of the cycle amplitude stress of the welded joint produced at the optimal mode and the 30ХГСА steel base metal; limited endurance curves have been plotted. It is shown that the differences in the limited endurance curves of the pipe body material (30ХГСА steel) and the welded joint are insignificant. The obtained results are supplemented by the microhardness measurement data and fractographs of fractured samples, revealing the mechanism of crack propagation under the cyclic loads.

Ротационная сварка трением (РСТ) используется при производстве бурильных труб для геологоразведки на твердые полезные ископаемые. Потребность в создании облегченных колонн бурильных труб для высокоскоростного алмазного бурения сверхглубоких скважин диктует необходимость более пристального внимания к изучению зоны сварного шва и назначению технологических параметров РСТ. В работе приведены результаты экспериментальных исследований сварного соединения бурильной трубы типоразмера H по ISO 10097 из сталей 30ХГСА (тело трубы) и 40ХМФА (замковая часть) в условиях воздействия циклических нагрузок. Оценивалось влияние силы, прикладываемой к заготовкам в процессе трения соприкасающихся поверхностей (силы при нагреве), и послесварочного отпуска при температуре 550 °С на циклическую долговечность сварных соединений в условиях знакопеременного растяжения-сжатия при напряжении амплитуды цикла ±420 МПа. Установлено, что с увеличением силы при нагреве в зоне термомеханического влияния происходят изменения микроструктуры, способствующие повышению усталостной прочности сварных соединений. Выявлено негативное влияние послесварочного отпуска на усталостную прочность сварных соединений, выражающееся в снижении количества циклов до разрушения на 15–40 % в зависимости от величины силы при нагреве. Определен оптимальный режим РСТ указанного сочетания сталей, обеспечивающий наибольшее количество циклов до разрушения: сила при нагреве (при трении) Fн=120 кН, сила проковки Fпp=160 кН, частота вращения при нагреве n=800 об/мин и осадка при нагреве l=8 мм. Проведена серия усталостных испытаний при различных значениях напряжения амплитуды цикла сварного соединения, полученного на оптимальном режиме, и основного металла стали 30ХГСА; построены кривые ограниченной выносливости. Показано, что различия в кривых ограниченной выносливости материала тела трубы (сталь 30ХГСА) и сварного соединения незначительны. Полученные результаты дополнены данными измерений микротвердости и фрактограммами разрушенных образцов, раскрывающими механизм распространения трещин в условиях воздействия циклических нагрузок.

rotary friction weldingdrill pipeswelded jointfatigue strengthlimited endurance curve30ХГСА steel40ХМФА steelротационная сварка трениембурильные трубысварное соединениеусталостная прочностькривая ограниченной выносливостисталь 30ХГСАсталь 40ХМФАThe reported study was funded by RFBR according to the research project No. 20-38-90032. To perform mechanical tests, the equipment of the “Plastometry” Core Facility Center of Institute of Engineering Science of the UB RAS was used.Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-38-90032. При проведении механических испытаний использовалось оборудование, входящее в состав ЦКП «Пластометрия» Института машиноведения имени Э.С. Горкунова УрО РАН.Emre H.E., Kaçar R. Effect of Post Weld Heat Treatment Process on Microstructure and Mechanical Properties of Friction Welded Dissimilar Drill Pipe. Materials Research, 2015, vol. 18, no. 3, pp. 503–508. DOI: 10.1590/1516-1439.308114.Emre H.E., Kaçar R. Effect of Post Weld Heat Treatment Process on Microstructure and Mechanical Properties of Friction Welded Dissimilar Drill Pipe // Materials Research. 2015. Vol. 18. № 3. P. 503–508. DOI: 10.1590/1516-1439.308114.Banerjee A., Ntovas M., Da Silva L., Rahimi S., Wynne B. Inter-relationship between microstructure evolution and mechanical properties in inertia friction welded 8630 low-alloy steel. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2021, vol. 21, article number 149. DOI: 10.1007/s43452-021-00300-9.Banerjee A., Ntovas M., Da Silva L., Rahimi S., Wynne B. Inter-relationship between microstructure evolution and mechanical properties in inertia friction welded 8630 low-alloy steel // Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2021. Vol. 21. Article number 149. DOI: 10.1007/s43452-021-00300-9.Khadeer Sk.A., Babu P.R., Kumar B.R., Kumar A.S. Evaluation of friction welded dissimilar pipe joints between AISI 4140 and ASTM A 106 Grade B steels used in deep exploration drilling. Journal of Manufacturing Processes, 2020, vol. 56, pp. 197–205. DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.04.078.Khadeer Sk.A., Babu P.R., Kumar B.R., Kumar A.S. Evaluation of friction welded dissimilar pipe joints between AISI 4140 and ASTM A 106 Grade B steels used in deep exploration drilling // Journal of Manufacturing Processes. 2020. Vol. 56. P. 197–205. DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.04.078.Kumar A.S., Khadeer Sk.A., Rajinikanth V., Pahari S., Kumar B.R. Evaluation of bond interface characteristics of rotary friction welded carbon steel to low alloy steel pipe joints. Materials Science & Engineering A, 2021, vol. 824, article number 141844. DOI: 10.1016/j.msea.2021.141844.Kumar A.S., Khadeer Sk.A., Rajinikanth V., Pahari S., Kumar B.R. Evaluation of bond interface characteristics of rotary friction welded carbon steel to low alloy steel pipe joints // Materials Science & Engineering A. 2021. Vol. 824. Article number 141844. DOI: 10.1016/j.msea.2021.141844.Li P., Wang S., Xia Y., Hao X., Lei Z., Dong H. Inhomogeneous microstructure and mechanical properties of rotary friction welded AA2024 joints. Journal of Materials Research and Technology, 2020, vol. 9, no. 3, pp. 5749–5760. DOI: 10.1016/j.jmrt.2020.03.100.Li P., Wang S., Xia Y., Hao X., Lei Z., Dong H. Inhomogeneous microstructure and mechanical properties of rotary friction welded AA2024 joints // Journal of Materials Research and Technology. 2020. Vol. 9. № 3. P. 5749–5760. DOI: 10.1016/j.jmrt.2020.03.100.Nagaraj M., Ravisankar B. Effect of Severe Plastic Deformation on Microstructure and Mechanical Behaviour of Friction-Welded Structural Steel IS2062. Transactions of the Indian Institute of Metals, 2019, vol. 72, pp. 751–756. DOI: 10.1007/s12666-018-1527-1.Nagaraj M., Ravisankar B. Effect of Severe Plastic Deformation on Microstructure and Mechanical Behaviour of Friction-Welded Structural Steel IS2062 // Transactions of the Indian Institute of Metals. 2019. Vol. 72. P. 751–756. DOI: 10.1007/s12666-018-1527-1.Jeffrey W.S., Thomas G.H., McColskey J.D., Victor F.P., Ramirez A.J. Characterization of mechanical properties, fatigue-crack propagation, and residual stresses in a microalloyed pipeline-steel friction-stir weld. Materials and Design, 2015, vol. 88, pp. 632–642. DOI: 10.1016/j.matdes.2015.09.049.Jeffrey W.S., Thomas G.H., McColskey J.D., Victor F.P., Ramirez A.J. Characterization of mechanical properties, fatigue-crack propagation, and residual stresses in a microalloyed pipeline-steel friction-stir weld // Materials and Design. 2015. Vol. 88. P. 632–642. DOI: 10.1016/j.matdes.2015.09.049.Abdulstaar M.A., Al-Fadhalah K.J. Wagner L. Microstructural variation through weld thickness and mechanical properties of peened friction stir welded 6061 aluminum alloy joints. Materials Characterization, 2017, vol. 126, pp. 64–73. DOI: 10.1016/j.matchar.2017.02.011.Abdulstaar M.A., Al-Fadhalah K.J. Wagner L. Microstructural variation through weld thickness and mechanical properties of peened friction stir welded 6061 aluminum alloy joints // Materials Characterization. 2017. Vol. 126. P. 64–73. DOI: 10.1016/j.matchar.2017.02.011.Mc Pherson N.A., Galloway A.M., Cater S.R., Hambling S.J. Friction stir welding of thin DH36 steel plate. Science and Technology of Welding & Joining, 2013, vol. 18, pp. 441–450. DOI: 10.1179/1362171813Y.0000000122.Mc Pherson N.A., Galloway A.M., Cater S.R., Hambling S.J. Friction stir welding of thin DH36 steel plate // Science and Technology of Welding & Joining. 2013. Vol. 18. P. 441–450. DOI: 10.1179/1362171813Y.0000000122.Baillie P., Campbell S., Galloway A., Cater S.R., Mcpherson N.A. A Comparison of Double Sided Friction Stir Welding in Air and Underwater for 6mm S275 Steel Plate. International Journal of Chemical, Nuclear, Metallurgical and Materials Engineering, 2014, vol. 8, pp. 651–655. DOI: 10.13140/2.1.2306.2400.Baillie P., Campbell S., Galloway A., Cater S.R., Mcpherson N.A. A Comparison of Double Sided Friction Stir Welding in Air and Underwater for 6mm S275 Steel Plate // International Journal of Chemical, Nuclear, Metallurgical and Materials Engineering. 2014. Vol. 8. P. 651–655. DOI: 10.13140/2.1.2306.2400.Ericsson M., Sandstrom R. Influence of welding speed on the fatigue of friction stir welds, and comparison with MIG and TIG. International Journal of Fatigue, 2003, vol. 25, no. 12, pp. 1379–1387. DOI: 10.1016/S0142-1123(03)00059-8.Ericsson M., Sandstrom R. Influence of welding speed on the fatigue of friction stir welds, and comparison with MIG and TIG // International Journal of Fatigue. 2003. Vol. 25. № 12. P. 1379–1387. DOI: 10.1016/S0142-1123(03)00059-8.Yamamoto Y., Ochi H., Sawai T., Ogawa K., Tsujino R., Yasutomi M. Tensile Strength and Fatigue Strength of Friction-Welded SUS304 Stainless Steel Joints-Evaluation of Joint Strength by Deformation Heat Input in Upset Stage and Upset Burn-Off Length. Journal of the Society of Materials Science Japan, 2004, vol. 53, no. 5, pp. 512–517. DOI: 10.2472/jsms.53.512.Yamamoto Y., Ochi H., Sawai T., Ogawa K., Tsujino R., Yasutomi M. Tensile Strength and Fatigue Strength of Friction-Welded SUS304 Stainless Steel Joints-Evaluation of Joint Strength by Deformation Heat Input in Upset Stage and Upset Burn-Off Length // Journal of the Society of Materials Science Japan. 2004. Vol. 53. № 5. P. 512–517. DOI: 10.2472/jsms.53.512.Paventhan R., Lakshminarayanan P.R., Balasubramanian V. Fatigue behaviour of friction welded medium carbon steel and austenitic stainless steel dissimilar joints. Materials and Design, 2011, vol. 32, no. 4, pp. 1888–1894. DOI: 10.1016/j.matdes.2010.12.011.Paventhan R., Lakshminarayanan P.R., Balasubramanian V. Fatigue behaviour of friction welded medium carbon steel and austenitic stainless steel dissimilar joints // Materials and Design. 2011. Vol. 32. № 4. P. 1888–1894. DOI: 10.1016/j.matdes.2010.12.011.Sahin M. Joining with friction welding of high speed and medium carbon steel. Journal of Materials Processing Technology, 2005, vol. 168, no. 2, pp. 168–202. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2004.11.015.Sahin M. Joining with friction welding of high speed and medium carbon steel // Journal of Materials Processing Technology. 2005. Vol. 168. № 2. P. 168–202. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2004.11.015.Atamashkin A.S., Priymak E.Yu., Tulibaev E.S., Stepanchukova A.V. Endurance limit and mechanism of fracture of friction welded joints of exploration drill pipes in the conditions of multi-cycle fatigue. Chernye metally, 2021, no. 5, pp. 33–38. DOI: 10.17580/chm.2021.05.06.Атамашкин А.С., Приймак Е.Ю., Тулибаев Е.С., Степанчукова А.В. Предел выносливости и механизм разрушения фрикционных сварных соединений геологоразведочных бурильных труб // Черные металлы. 2021. № 5. С. 33–38. DOI: 10.17580/chm.2021.05.06.Belkahla Y., Mazouzi A., Lebouachera S.E.I., Hassan A.J., Fides M. Hvizdoš P., Cheniti B., Miroud D. Rotary friction welded C45 to 16NiCr6 steel rods: statistical optimization coupled to mechanical and microstructure approaches. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2021, vol. 116, pp. 2285–2298. DOI: 10.1007/s00170-021-07597-z.Belkahla Y., Mazouzi A., Lebouachera S.E.I., Hassan A.J., Fides M. Hvizdoš P., Cheniti B., Miroud D. Rotary friction welded C45 to 16NiCr6 steel rods: statistical optimization coupled to mechanical and microstructure approaches // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2021. Vol. 116. P. 2285–2298. DOI: 10.1007/s00170-021-07597-z.Selvamani S.T., Vigneshwar M., Nikhil M., Hariharan S.J., Palanikumar K. Enhancing the Fatigue Properties of Friction Welded AISI 1020 Grade Steel Joints using Post Weld Heat Treatment Process in Optimized Condition. Materials Today: Proceedings, 2019, vol. 16-2, pp. 1251–1258. DOI: 10.1016/j.matpr.2019.05.222.Selvamani S.T., Vigneshwar M., Nikhil M., Hariharan S.J., Palanikumar K. Enhancing the Fatigue Properties of Friction Welded AISI 1020 Grade Steel Joints using Post Weld Heat Treatment Process in Optimized Condition // Materials Today: Proceedings. 2019. Vol. 16-2. P. 1251–1258. DOI: 10.1016/j.matpr.2019.05.222.Mercan S., Aydin S., Özdemir N. Effect of welding parameters on the fatigue properties of dissimilar AISI 2205–AISI 1020 joined by friction welding. International Journal of Fatigue, 2015, vol. 81, pp. 78–90. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2015.07.023.Mercan S., Aydin S., Özdemir N. Effect of welding parameters on the fatigue properties of dissimilar AISI 2205–AISI 1020 joined by friction welding // International Journal of Fatigue. 2015. Vol. 81. P. 78–90. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2015.07.023.Barrionuevo G.O., Mullo J.L., Ramos-Grez J.A. Predicting the ultimate tensile strength of AISI 1045 steel and 2017-T4 aluminum alloy joints in a laser-assisted rotary friction welding process using machine learning: a comparison with response surface methodology. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2021, vol. 116, pp. 1247–1257. DOI: 10.1007/s00170-021-07469-6.Barrionuevo G.O., Mullo J.L., Ramos-Grez J.A. Predicting the ultimate tensile strength of AISI 1045 steel and 2017-T4 aluminum alloy joints in a laser-assisted rotary friction welding process using machine learning: a comparison with response surface methodology // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2021. Vol. 116. P. 1247–1257. DOI: 10.1007/s00170-021-07469-6.Lukin V.I., Ovsepyan S.V., Kovalchuk V.G., Samorukov M.L. Features of rotary friction welding of high-temperature nickel alloy VZh175. Trudy VIAM, 2017, no. 12, pp. 3–12. DOI: 10.18577/2307-6046-2017-0-12-1-1.Лукин В.И., Овсепян С.В., Ковальчук В.Г., Саморуков М.Л. Особенности ротационной сварки трением высокожаропрочного никелевого сплава ВЖ175 // Труды ВИАМ. 2017. № 12. С. 3–12. DOI: 10.18577/2307-6046-2017-0-12-1-1.Fang Y., Jiang X., Mo D., Zhu D., Luo Z. A review on dissimilar metals’ welding methods and mechanisms with interlayer. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2019, vol. 102, pp. 2845–2863. DOI: 10.1007/s00170-019-03353-6.Fang Y., Jiang X., Mo D., Zhu D., Luo Z. A review on dissimilar metals’ welding methods and mechanisms with interlayer // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2019. Vol. 102. P. 2845–2863. DOI: 10.1007/s00170-019-03353-6.Kuzmina E.A., Priymak E.Yu., Kirilenko A.S. Optimization of parameters of friction stir welded unlike joints of medium-carbon alloy steels 30KhGSA and 40KhMFA. Metal Science and Heat Treatment, 2023, vol. 64, no. 9-10, pp. 596–602. DOI: 10.1007/s11041-023-00855-9.Кузьмина Е.А., Приймак Е.Ю., Кириленко А.С. Оптимизация параметров ротационной сварки трением разнородных сварных соединений среднеуглеродистых легированных сталей 30ХГСА и 40ХМФА // Металловедение и термическая обработка металлов. 2022. № 10. С. 52–59. DOI: 10.30906/mitom.2022.10.52-59.Vill V.I. Svarka metallov treniem [Friction welding of metals]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1970. 176 p.Вилль В.И. Сварка металлов трением. М.: Машиностроение, 1970. 176 с.Priymak E.Yu., Lobanov M.L., Belikov S.V., Karabanalov M.S., Yakovleva I.L. Structure Formation Patterns and Crystallographic Texture in Welded Joints of Medium-Carbon Alloy Steels in the Process of Rotary Friction Welding. Physics of Metals and Metallography, 2022, vol. 123, no. 6, pp. 559–566. DOI: 10.1134/S0031918X22060126.Priymak E.Yu., Lobanov M.L., Belikov S.V., Karabanalov M.S., Yakovleva I.L. Structure Formation Patterns and Crystallographic Texture in Welded Joints of Medium-Carbon Alloy Steels in the Process of Rotary Friction Welding // Physics of Metals and Metallography. 2022. Vol. 123. № 6. P. 559–566. DOI: 10.1134/S0031918X22060126.Kuzmina E.A., Priymak E.Yu., Kirilenko A.S., Semka Ya.S. Influence of the heating force in rotational friction welding on mechanical properties and tensile fracture mechanism of dissimilar welded joints of 30KhGSA and 40KhMFA steels. Chernye metally, 2022, no. 12, pp. 49–57. DOI: 10.17580/chm.2022.12.07.Кузьмина Е.А., Приймак Е.Ю., Кириленко А.С., Сёмка Я.С. Влияние силы нагрева при ротационной сварке трением на механические свойства и механизм разрушения при растяжении разнородных сварных соединений сталей 30ХГСА и 40ХМФА // Черные металлы. 2022. № 12. С. 49–57. DOI: 10.17580/chm.2022.12.07.Atamashkin A.S., Priymak E.Yu. The influence of postweld tempering on mechanical behavior of friction welded joints of 32G2 and 40HN steels under high-cycle fatigue. Vektor nauki Tolyattinskogo gosudarstvennogo universiteta, 2021, no. 3, pp. 7–18. DOI: 10.18323/2073-5073-2021-3-7-18.Атамашкин А.С., Приймак Е.Ю. Влияние послесварочного отпуска на механическое поведение фрикционных сварных соединений сталей 32Г2 и 40ХН в условиях многоцикловой усталости // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2021. № 3. С. 7–18. DOI: 10.18323/2073-5073-2021-3-7-18.