Influence of geometrical variation on the fatigue strength of laser-hybrid welded joints
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Author
Date
2014-06-09
Department
Major/Subject
Teknillinen mekaniikka
Mcode
K3006
Degree programme
Konetekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
47 + 21
Series
Abstract
The industry is seeking for weight reductions of large steel structures by utilizing high-strength steels and thin-plated structures together with laser-based welding processes. However, the fatigue strength of welds in thin-plated structures with plate thickness below 5 mm is observed to have large variation, which brings challenges to fatigue strength assessment. One challenge is related to the increased influence of actual weld geometry that is neglected in common fatigue strength assessment approaches utilizing geometry idealization. This thesis studied the influence of actual weld geometry and its variation on the fatigue strength of laser-hybrid welded butt-joints with plate thickness of 3 mm and 6 mm. By employing detailed laser microscope weld geometry measurements, the specimens were analyzed using the notch stress approach. Fatigue-effective notch stresses were determined for a large amount of two-dimensional geometries utilizing FEA and stress averaging concept according to Neuber. Statistical approaches were applied to examine the fatigue characteristics of the weld samples. This thesis brought information about the significance of geometrical variation to the fatigue strength assessment of laser-hybrid welded joints. The geometry measurements revealed significant weld geometry variation, which was reflected to the variation of weld notch stresses. Observations made in this study imply that the measurement of weld notch geometry is crucial for accurate fatigue strength assessment of thin-plated laser-hybrid welded butt-joints. In the welded joints with 3 mm plate thickness, narrow weld geometry and varying axial misalignment causes sharp, fatigue critical geometrical discontinuities on the root side. For assessing the influence of these discontinuities on fatigue strength, the determination of correct stress averaging length is important. Results show that this length is considerably smaller than the commonly used value in fatigue strength assessment of welded joints with plate thickness above 5 mm. By analyzing the actual weld geometry with the proper stress averaging length, the fatigue strength scatter band of thin-plated 3 mm thick welded joints becomes very similar to that of joints with plate thickness of 6 mm. In the present study, the best results were derived using stress averaging lengths close to the material-strength-dependent values defined earlier by Neuber for non-welded structural steel. The present study considered butt-joints with plate thicknesses of 3 mm and 6 mm. To define the exact stress averaging lengths for laser-hybrid welded materials, more fatigue tests and notch stress analyses should be carried out for different joint types and steel grades.Teollisuudessa pyritään vähentämään suurien teräsrakenteiden painoa hyödyntämällä korkealujuusteräksiä ja laser-hitsattuja ohutlevyrakenteita. Näissä ohutlevyrakenteissa, joissa levynpaksuus on alle 5 mm, on kuitenkin havaittu suurta hajontaa hitsausliitosten väsymislujuudessa tehden väsymislujuuden arvioimisesta haastavaa. Eräs haaste liittyy hitsin todellisen geometrian vaikutuksen huomioon ottamiseen. Tätä todellista geometriaa ei huomioida tavallisissa väsymislujuuden arviointimenetelmissä, jotka perustuvat idealisoituun hitsigeometriaan. Tässä diplomityössä tutkittiin hitsin todellisen geometrian ja geometriavaihtelun vaikutusta laser-hybridihitsattujen päittäisliitosten väsymislujuuteen 3 mm ja 6 mm paksuissa levyissä. Tarkkojen lasermikroskoopilla suoritettujen geometriamittausten avulla tulokset analysoitiin lovijännitysmenetelmällä. Teholliset lovijännitykset määritettiin suurelle määrälle kaksiulotteisia geometrioita käyttämällä elementtimenetelmää ja Neuberin jännityksen keskiarvostusperiaatetta. Hitsinäytteiden väsymisominaisuuksia tutkittiin tilastollisten menetelmien avulla. Tämä diplomityö toi tietoa geometrisen vaihtelun merkityksestä laser-hybridihitsausliitosten väsymislujuuden arvioimiseen. Hitsien geometriamittaukset paljastivat merkittävää geometriavaihtelua, joka näkyi määritetyissä lovijännityksissä. Tutkimuksen perusteella hitsin lovigeometrian mittaus on erittäin tärkeää ohuiden laser-hybridihitsattujen päittäisliitosten väsymislujuuden arvioimisessa. Hitsatuissa liitoksissa, joissa levynpaksuus on 3 mm, kapea hitsisauma yhdessä vaihtelevan aksiaalivirheen kanssa aiheuttaa teräviä, väsymiskriittisiä geometrian epäjatkuvuuskohtia juuren puolelle. Näiden epäjatkuvuuksien vaikutuksen arvioimiseksi on tärkeää määrittää oikea jännityksen keskiarvostuspituus väsymisanalyysiin. Tuloksien perusteella tämä pituus on huomattavasti pienempi kuin mitä hitsien väsymisluujuden arvioimisessa yleisesti käytetään yli 5 mm paksuissa levyissä. Analysoimalla hitsin todellista geometriaa oikeaa jännityksen keskiarvostuspituutta käyttäen, ohuiden 3 mm paksujen liitosten väsymislujuushajonta on hyvin lähellä 6 mm paksujen liitosten tuloksia. Tässä tutkimuksessa parhaat tulokset saavutettiin keskiarvostuspituuksilla, jotka olivat lähellä Neuberin hitsaamattomille rakenneteräksille määrittämiä, lujuudesta riippuvia arvoja. Tässä tutkimuksessa käsiteltiin päittäisliitoksia levyissä, joiden paksuus oli 3 mm ja 6 mm. Laser-hybridihitsattujen materiaalien tarkempien jännityksen keskiarvostuspituuksien määrittämiseksi tarvitaan lisää väsytyskokeita ja lovijännitysanalyysejä eri liitostyypeille ja teräslaaduille.Description
Supervisor
Tuhkuri, JukkaThesis advisor
Remes, HeikkiLehto, Pauli
Keywords
fatigue strength, weld, butt joint, laser-hybrid, geometry, topography, notch stress, väsymislujuus, hitsi, päittäisliitos, laser-hybridi, geometria, topografia, lovijännitys
