An Assessment ofFatigue Strength of Load Carrying Welded Joints with Lack of Penetration

On yleisesti tiedossa, että väsyttävän kuormituksen alaisena olevat hitsatut rakenteet rikkoutuvat juuri hitsausliitoksista. Täyden tunkeuman hitsausliitoksia sisältävien rakenteiden asiantunteva suunnittelu janykyaikaiset valmistusmenetelmät ovat lähes eliminoineet väsymisvauriot hitsatuissa rakenteissa. Väsymislujuuden parantaminen tiukalla täyden tunkeuman vaatimuksella on kuitenkin epätaloudellinen ratkaisu. Täyden tunkeuman hitsausliitoksille asetettavien laatuvaatimuksien on määriteltävä selkeät tarkastusohjeet ja hylkäämisperusteet. Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia geometristen muuttujien vaikutusta kuormaa kantavien hitsausliitosten väsymislujuuteen. Huomio kiinnitettiin pääasiassa suunnittelumuuttujiin, joilla on vaikutusta väsymisvaurioiden syntymiseen hitsauksen juuren puolella. Nykyiset määräykset ja standardit, jotka perustuvat kokeellisiin tuloksiin; antavat melko yleisiä ohjeita hitsausliitosten väsymismitoituksesta. Tämän vuoksi muodostettiin kokonaan uudet parametriset yhtälöt sallitun nimellisen jännityksen kynnysarvon vaihteluvälin, ¿¿th, laskemiseksi, jotta vältettäisiin hitsausliitosten juuren puoleiset väsymisvauriot. Lisäksi, jokaiselle liitostyypille laskettiin hitsin juuren puolen väsymisluokat (FAT), joita verrattiin olemassa olevilla mitoitusohjeilla saavutettuihin tuloksiin. Täydentäviksi referensseiksi suoritettiin useita kolmiulotteisia (3D) analyysejä. Julkaistuja kokeellisiin tuloksiin perustuvia tietoja käytettiin apuna hitsausliitosten väsymiskäyttäytymisen ymmärtämiseksi ja materiaalivakioiden määrittämiseksi. Kuormaa kantavien vajaatunkeumaisten hitsausliitosten väsymislujuus määritettiin käyttämällä elementtimenetelmää. Suurimman pääjännityksen kriteeriä hyödynnettiin murtumiskäyttäytymisen ennakoimiseksi. Valitulle hitsatulle materiaalille ja koeolosuhteille murtumiskäyttäytymistä mallinnettiin särön kasvunopeudella da/dN ja jännitysintensiteettikertoimen vaihteluvälillä, 'K. Paris:n yhtälön numeerinen integrointi suoritettiin FRANC2D/L tietokoneohjelmalla. Saatujen tulosten perusteella voidaan laskea FAT tutkittavassa tapauksessa. ¿¿th laskettiin alkusärön jännitysintensiteettikertoimen vaihteluvälin ja kynnysjännitysintensiteettikertoimen, 'Kth, perusteella. ¿Kth arvoa pienemmällä vaihteluvälillä särö ei kasva. Analyyseissäoletuksena oli hitsattu jälkikäsittelemätön liitos, jossa oli valmis alkusärö hitsin juuressa. Analyysien tulokset ovat hyödyllisiä suunnittelijoille, jotka tekevät päätöksiä koskien geometrisiä parametreja, joilla on vaikutusta hitsausliitosten väsymislujuuteen.

It is well-known fact that welded structures subject to cyclic fatigue loadingfail at the welded connections. Professional design and modern manufacturing methods of full penetration welds have virtually eliminated fatigue cracks in the welded structures. Nevertheless, increasing the fatigue strength of the load carrying welded joints by a strict full penetration requirement is an uneconomical alternative. Quality specifications of critical welds have to contain definite inspection and rejection criteria for the full penetration welds. The scope of this thesis was to study theeffects of the geometrical variables on fatigue strength of the load carrying welded joints. An attention was focused mainly on the design variables which have effect on fatigue cracking from a weld root. The existing fatigue design guidelines based on experimental S-N curves give quite general instructions for the fatigue assessment of the welded joints. Therefore, completely new parametric equations for the allowable threshold value of the nominal stress range, '¿th, were derived in order to avoid growth of the fatigue cracks from the root side of welds. In addition, fatigue classes (FAT) of the weld root side for each joint type were calculated.The obtained results of the fatigue classes were compared with the results calculated by the existing design rules. For additional references, several three-dimensional (3D) fatigue analyses were calculated. The published experimental data was used to help understand a unique fatigue behavior of welded joints and relevance of the recommended material constants. The fatigue strength of the load carrying welded joints with lack of penetration was determined by using the linear elastic fracture mechanics (LEFM). The maximum hoop stress theory was exploited to predict a direction of the crack growth. For a given welded material and set of testconditions, the crack growth behavior was described by the relationship between cyclic crack growth rate, da/dN, and range of the stress intensity factor, K ¿ , i.e. by Paris' law. Numerical integration of the Paris' equation was carried out automatically by the computer simulation program FRANC2D/L. The obtained results can be used for calculating FAT in each case. Calculation of ¿¿th was based on the range of the stress intensity factor of the initial crack and the threshold stress intensity factor range, 'Kth. If the value of ¿K is less than ¿Kth, no root crack growth is expected. An as-welded condition was assumed and no crack initiation periodwas considered. The results of analyses can be assistance to designersmaking considered decisions regarding the effect of variation of the geometrical parameters of the as-welded joints based on fatigue strength.