Failure mechanism of a laser stake welded T-joint
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Helsinki University of Technology |
Diplomityö
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Authors
Date
2009
Department
Major/Subject
Laivanrakennusoppi
Mcode
Kul-24
Degree programme
Language
en
Pages
viii + 53 s. + liitt.
Series
Abstract
Ship collisions and groundings are one of the greatest operational risks in maritime transportation. In case of an accident, the consequences can be minimized primarily by the use of crashworthy structural solutions. Sandwich plates have shown their potential towards crashworthiness, but a failure process of T-joints in these plates has not thoroughly investigated. In the present study, a failure mechanism of a laser stake welded joint is investigated by using experimental methods. Breadths of the laser stake welds in this study are between 1,2 and 1,6 mm. Thus, it is difficult to investigate them by conventional material testing methods. Therefore, a state-of-the-art field measurement system, ARAMIS, is applied to identify the failure process of a joint. The system is based on an object grating method, where the grating is produced on the investigated surface by non-destructive methods. The primary aim of the study is to present a failure mechanism of a laser stake welded T-joint under tensile loading. This was investigated with a systematic image recording during the experiment. Based on the recorded images, the ARAIVIIS system calculated displacements on the surface of the specimen. From these displacements, the system was able to extract rigid-body motion, and strains in the specimen. Test results indicate that the boundary between the weld and the base material is the most critical cross-section in terms of failure due to high material property gradient. This area shows significant measurable strains, but its stresses cannot be defined consistently with available methods. Failure process of a T-joint can be divided into four phases: The process starts when a face plate reaches its material yield limit at a cross-section next to the weld. Consequently, the face plate deflects and opens crack-like root gaps between the web and face plates exerting the plate interface to shear and bending effects. Force continues to increase up to 1,54 kN/mm, which is the ultimate load of the joint. At this point, the von Mises strain in the middle of the weld is approximately 0,03, and the ultimate stress in the cross-section of the weld is 1035 MPa. This value is the same for engineering and true stresses. Corresponding hardness-based estimate is 12 % lower. Significant shear strains emerge to the weld and web material boundary until the final fracture, which occurs rapidly at the force of 1,44 kN/mm. The von Mises strain in the middle of the weld in the fracture point is 0,11 while the engineering and true stresses are 957 MPa and 1080 MPa, respectively.Laivojen törmäykset ja pohjakosketukset aiheuttavat suurimmat toiminnalliset riskit merikuljetuksissa. Vaurion sattuessa seurauksia voidaan ensisijaisesti pienentää törmäyksen kestävillä rakenteellisilla ratkaisuilla. Teräksiset kerroslevyt ovat osoittautuneet törmäyksen kestäväksi rakenteeksi, mutta niissä olevien T-liitosten vaurioprosessi on vain vähän tutkittu aihealue. Tässä tutkimuksessa käsitellään laserhitsatun liitoksen vauriomekanismia kokeellisin menetelmin. Tässä tutkimuksessa tutkitut laser-läpihitsausliitokset ovat leveydeltään 1,2 - 1,6 mm. Sen vuoksi niitä on vaikea tutkia perinteisillä materiaalikoemenetelmillä. Tutkimus tehdäänkin hyödyntäen optista ARAMIS siirtymä- ja muodonmuutoskenttämittalaitetta. Laite perustuu menetelmään, jossa kappaleen pinnalle muodostetaan hila ainetta rikkomattomalla menetelmällä. Tutkimuksen tärkein tavoite on esittää laser-läpihitsatun T-liitoksen vauriomekanismi vetokuormitustilanteessa sekä määrittää numeeriset arvot jännitykselle ja venymälle. Tämä toteutetaan kuvaamalla ajan suhteen säännöllisin välein liitoksen pintaa kuormituksen aikana. Kuvien perusteella ARAMIS laskee koekappaleessa tapahtuvat siirtymät. Siirtymistä järjestelmä erottelee jäykän kappaleen liikkeen ja kappaleen muodonmuutoksen. Koetulokset osoittavat, että hitsi- ja perusmateriaalin rajapinta on kriittisin alue vaurion kannalta johtuen materiaaliominaisuuksien gradientista. Alueella havaitaan suuria mitattavia venymiä, mutta jännityksiä ei pystytä määrittämään yksikäsitteisesti käytössä olevalla menetelmällä. Vaurio T-liitoksessa tapahtuu neljässä vaiheessa käynnistyen siten, että pintalevy saavuttaa materiaalin myötörajan hitsin vieressä olevassa poikkileikkauksessa. Tämä avaa särönkaltaiset juuriraot ydin- ja pintalevyn välissä altistaen liitoksen leikkaus ja taivutusvaikutuksille. Liitoksen äärikuorma on 1,54 kN/mm. Tässä pisteessä von Mises -venymä hitsin keskellä on noin 0,03, ja sekä insinööri- että todellinen jännitys poikkileikkauksessa on 1035 MPa. Kovuuspohjainen äärilujuus aliarvioi tätä jännitystä 12 %. Merkittäviä leikkausvenyviä syntyy hitsimateriaalin ja ydinlevyn perusmateriaalin välille ennen lopullista murtumista, joka tapahtuu nopeasti voiman laskettua 1,44 kN/mm:iin. von Mises -venymä murtopisteessä on 0,11, jolloin nimellinen jännitys on 957 MPa ja todellinen vastaavasti 1080 MPa.Description
Supervisor
Varsta, PetriThesis advisor
Romanoff, JaniEhlers, Sören
Remes, Heikki
Keywords
T-joint, T-liitos, laser stake weld, laserläpihitsi, ultimate strength, äärilujuus, field strain measurement, kentän muodonmuutosmittaus, object grating method, pintahilamenetelmä