Strain-based approach to fatigue strength assessment of laser-welded joints
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Faculty of Engineering and Architecture |
Doctoral thesis (monograph)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2008-03-07
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
121
Series
TKK dissertations, 102
Abstract
New laser-based welding technology leads to differences in the geometrical and mechanical properties of welded joints as compared to those encountered in conventional arc-welded joints. The present work concentrates on the effects of these properties on the fatigue resistance of steel butt joints welded using laser-based methods. The investigation exploited both experimental and theoretical methods. In laser-based joints, the mechanical properties within the joint varied strongly, affecting notch stresses and strains. Therefore, the response analysis based on Neuber's rule requires a separate structural and local approach. The structural analysis, based on the stress-strain curve of parent material, gives the loading for the weld notch. This is applied to the local analysis, where the stress-strain curve of the heat-affected zone (HAZ) is used. The initiation life of macro cracks of laser-based joints was observed to form an essential part of the total fatigue life, suggesting that the mechanical properties of the material in the weld notch have a strong influence on fatigue resistance. The strain-based approach was applied with several discrete growth steps to model the propagation of short cracks up to the length of a macro crack in the weld notch. Within each step, the number of load cycles causing the increase of fracture was calculated with the Coffin-Manson formula. The length of a discrete growth step, which describes the damage zone, was based on the multiple of the averaged grain size of the HAZ material. This growth length also defines the averaging distance of effective notch stresses and strains. The approach was validated with the results of fatigue tests, using welded miniature and plate specimens. The new theoretical approach with several discrete growth steps was especially relevant to laser-based joints with fine-grained microstructure in the HAZ. The short crack modelling was required to attain reliable predictions for the fatigue resistance of welded butt joints when the life of the macro crack initiation constituted a significant portion of the total fatigue life or the initiation life varied as the function of the applied stress range. The outcome of this important result explained the increase of the slope of S-N curves from the generally accepted value of 3.0 for arc-welded joints up to values above 10 for laser-based joints. The main reason for the differences in the initiation process of fatigue crack between the laser-based and arc-welded joints was the dissimilar grain size in the HAZ. The average grain size of the laser-based joints was about seven times smaller than that of the arc-welded joint. The other parameters causing the difference were the hardness of the weld materials and the weld size, which affected the joint stiffness, and thus the notch stresses and strains.Laserhitsaus aiheuttaa hitsausliitokselle perinteiseen kaarihitsaukseen verrattuna erilaiset geometriset ja mekaaniset ominaisuudet. Tässä työssä on selvitetty näiden ominaisuuksien vaikutusta laser- ja laserhybridihitsatun päittäisliitoksen väsymislujuuteen. Tutkimuksessa on hyödynnetty sekä kokeellisia että teoreettisia menetelmiä. Laser- ja hybridihitsatun liitoksen materiaaliominaisuudet muuttuvat voimakkaasti hitsiliitoksessa, mikä vaikuttaa reunaloven jännityksiin ja venymiin. Tämän johdosta Neuberin malliin perustuva vasteen laskenta edellyttää erillistä rakenteellista ja paikallista analyysiä. Rakenteellisessa analyysissä käytetään perusmateriaalin jännitys-venymäkäyrää ja tuloksena on hitsin reunaloveen kohdistuva kuormitus. Tämän perusteella suoritetaan paikallisanalyysi käyttäen muutosvyöhykkeen jännitys-venymäkäyrää. Väsytyskuormituksessa makrosärön ydintymiseen kuluneen ajan havaittiin laser- ja hybridihitsatuille liitoksille muodostavan oleellisen osan liitoksen väsymisiästä, jolloin reunaloven materiaaliominaisuuksilla on merkittävä vaikutus väsymislujuuteen. Lyhyiden säröjen kasvun kuvaamiseen käytettiin venymämenetelmää ja usean diskreetin kasvuaskeleen mallia. Yhden diskreetin kasvuaskeleen kesto laskettiin Coffin-Manson yhtälöstä. Vaurioalueen kokoa kuvaava askelmitta määräytyi hitsin muutosvyöhykkeen keskimääräisen kidekoon monikerran perusteella. Tämä askelmitta määrittää myös pituuden tehollisen lovijännityksen ja -venymen keskiarvoistukselle. Kehitetty laskentamenetelmä validoitiin väsytyskokeiden tulosten avulla, joissa koekappaleet sisälsivät eri hitsimateriaalista valmistetut sauvat ja päittäisliitokset. Uusi teoreettinen laskentamenetelmä sisältäen diskreettisen särön kasvumallin osoittautui toimivaksi erityisesti laser- ja hybridihitseillä, joilla muutosvyöhykkeen mikrorakenne oli hienorakenteinen. Lyhyen särön kasvun mallintaminen oli edellytys luotettavan väsymislujuusennusteen saamiseksi liitoksille, kun makrosärön ydintymisaika muodosti merkittävän osan liitoksen väsymisiästä. Vastaava havainto tehtiin tapauksissa, joissa makrosärön ydintymisaika suhteessa koko väsymisikään muuttui käytetyn jännityksen vaihteluvälin funktiona. Tämän merkittävän tuloksen avulla pystyttiin selittämään S-N-käyrän kulmakertoimen muutos laser- ja hybridihitsatuille liitoksille yleisesti hyväksytystä arvosta 3.0 arvoon 10 tai jopa yli sen. Pääasiallisin syy laser- ja kaarihitsatun liitoksen väsymissärön ydintymisprosessin eroavuuteen oli muutosvyöhykkeen erilainen kidekoko. Keskimääräinen kidekoko laser- ja hybridihitsatuille liitoksille oli noin seitsemäsosa kaarihitsatun vastaavasta kidekoosta. Muita tekijöitä, jotka aiheuttivat väsymislujuuksien eroavuutta, olivat hitsimateriaalin kovuus ja hitsin koko. Jälkimmäinen vaikutti liitoksen jäykkyyteen ja siten lovijännityksiin ja -venymiin.Description
Keywords
fatigue, macro crack initiation, strain-based approach, weld notch, butt joint, laser hybrid welding, väsyminen, makrosärön ydintyminen, venymämenetelmä, reunalovi, päittäisliitos, laserhybridihitsaus
