Effective notch method assessment of misalignment for fatigue loaded welds

 The objective of this thesis work was to assess axial misalignment in fatigue loaded welds using the effective notch method. As a result, the fatigue behaviour of non-load carrying cruciform fillet welded joint under cyclic tensile loading has been studied. Various degrees of axial misalignment have been found in one series of non-load carrying cruciform fillet welded joints used in a laboratory investigation. As a result, it was important to carry out a comprehensive investigation since axial misalignment forms part of thequality of fatigue loaded structure and can reduce the fatigue strength. To extend the study, the correlation between fatigue strength and stress ratio, as well as stress concentration factor, were also studied. Moreover, a closer investigation of place of crack initiation and its dependence on weld sequence and imperfections of test specimen (angular distortion) was studied. For the fatigue class calculations, FEM (finite element method) and the effectivenotch approach are used. The addressed variable is the axial misalignment whichis introduce by modeling the entire joint. Fracture mechanics based calculations are also used and quantitatively compared with effective notch and experimental results.

Constant and variable amplitude fatigue strength of high strength steel welds treated with ultrasonic impact treatment

Hitsattujen rakenteiden väsymiskestävyyttä pystytään parantamaan jälkikäsittelymenetelmillä, joistayksi, ultraäänikäsittely muokkaa hitsin geometriaa ja aiheuttaa puristusjäännösjännitystilan. Tässä tutkimuksessa verrataan kokeellisesti kuormaa kantamattoman hitsatun ja ui -käsitellyn rivan väsymislujuutta toisiinsa. Tutkimusohjelmaan kuuluu kahta teräslajia ja sekä vakio - että vaihtuva - amplitudista kuormitusta. Ultraäänikäsittelyllä saavutetaan väsymiskestoiän parantuminen vakio - ja vaihtuva - amplitudisella kuormituksella. Perusaineen lujuudella ei ole merkittää vaikutusta väsymislujuuteen kun liitos on hitsatussa tilassa. Tällöin väsymiskestävyyden määrää hitsin rajaviivan jännityskeskittymä. Ultraäänikäsitellyn hitsatunliitoksen väsymiskestävyys on suurempi korkeamman lujuuden omaavilla teräksillä. Tästä syystä korkealujuuksisten terästen käyttö ultraäänikäsiteltynä väsyttävästi kuormitetuissa kevytrakenteissa on perusteltua.

Analytical Study on the Influence of Geometrical Parameters on the Fatigue Strength of Welds with Undercuts

The purpose of this study is to analyze the influence of geometric parameters on the fatigue strength of the welded joint. The thesis includes the analytical study pertaining to variation of undercut and the weld toe radius. The theoretical part includes the concepts of fracture mechanics, different stages of the crack propagation and finally the results. The numerical results are obtained from FRANC2D/L. The results show that the fatigue strength of the welded structure depends on the parameters of the welds such as the weld toe radius, weld angle, height of the undercut and plate thickness. The results show that the fatigue life can be improved by having the undercut as minimum as possible. However there has been significant variation on the fatigue life of the structure when the weld toe radius is increased.

Modeling of residual stresses and distortion due to welding in fillet welds

Welding has a growing role in modern world manufacturing. Welding joints are extensively used from pipes to aerospace industries. Prediction of welding residual stresses and distortions is necessary for accurate evaluation of fillet welds in relation to design and safety conditions. Residual stresses may be beneficial or detrimental, depending whether they are tensile or compressive and the loading. They directly affect the fatigue life of the weld by impacting crack growth rate. Beside theoretical background of residual stresses this study calculates residual stresses and deformations due to localized heating by welding process and subsequent rapid cooling in fillet welds. Validated methods are required for this purpose due to complexity of process, localized heating, temperature dependence of material properties and heat source. In this research both empirical and simulation methods were used for the analysis of welded joints. Finite element simulation has become a popular tool of prediction of welding residual stresses and distortion. Three different cases with and without preload have been modeled during this study. Thermal heat load set is used by calculating heat flux from the given heat input energy. First the linear and then nonlinear material behavior model is modeled for calculation of residual stresses. Experimental work is done to calculate the stresses empirically. The results from both the methods are compared to check their reliability. Residual stresses can have a significant effect on fatigue performance of the welded joints made of high strength steel. Both initial residual stress state and subsequent residual stress relaxation need to be considered for accurate description of fatigue behavior. Tensile residual stresses are detrimental and will reduce the fatigue life and compressive residual stresses will increase it. The residual stresses follow the yield strength of base or filler material and the components made of high strength steel are typically thin, where the role of distortion is emphasizing.

Sihtirummun väsymisominaisuuksien määrittäminen

Diplomityössä tutkittiin sihtirummun väsymisominaisuuksia. Sihtirumpu on laite, jota käytetään paperin valmistuksessa kuitumassojen käsittelyssä. Työn tavoitteena oli määrittää profiililankatyypin ja tukirenkaan erilaisten valmistustapojen vaikutus sihtirummun väsymiskestävyyteen. Lisäksi tutkittiin vauriomuotoa, jossa yksittäinen profiililanka irtoaa tukilangasta. Sihtirummun väsymisominaisuuksia määritettiin käyttämällä perinteisiä lujuusopin menetelmiä sekä FE-analyysiä ja väsytyskokeita. Teoreettisilla menetelmillä, jotka perustuivat loven vaikutuksen arviointiin, pyrittiin määrittämään perusaineen väsymislujuutta, ja väsytyskokeilla määritettiin sihtirummun hitsien väsymislujuuksia ja yksittäisen langan irtoamista. Sihtirummun hitsit olivat väsymislujuudeltaan huomattavasti perusainetta heikompia, eikä profiililankatyyppi vaikuttanut merkittävästi sihtirummun väsymiskestävyyteen. Hitsaamattoman tukirenkaan ja tukilangan liitoksen havaittiin nostavan sihtirummun väsymiskestävyyttä, mutta silloin ongelmana ovat tukirenkaan ja tukilangan väliin pääsevät kuidut. Yksittäisen profiililangan irtoamisen ei pitäisi rajoittaa sihtirummun väsymiskestävyyttä.

Hitsausparametrien vaikutus rakenneteräksen MAG-hitsin laatuun

Työn tavoitteena oli löytää teräksen S355 MAG alapienahitsaukselle, 6mm:n levypaksuudelle sellaiset parametri-ikkunat, joissa hitsin ja perusaineen liittyminen on mahdollisimman jouheva. Hitsin laadunja hitsausparametrien välille pyritiin löytämään matemaattista korrelaatiota. Työ painottui hitsin muotoon sekä hitsin ja perusaineen liittymiseen. Työstä saatuja tuloksia käytettiin hitsattaessa väsytyskoekappaleita mutta niiden tutkiminen ei sisältynyt tähän työhön. Työssä haettiin parametreja a-mitaltaan 4mm:n alapienahitsille kahdeksalle yleisesti käytetylle hitsauslangalle, joista kolme oli umpilankaa, neljä metallitäytelankaa ja yksi rutiilitäytelanka ja kaasuina käytettiin kahta argon hiilidioksidi seoskaasua ja kahta argon helium seoskaasua.

Statistical variation of weld profiles and their expected influence on fatigue strength

The general objective of this study was to conduct astatistical analysis on the variation of the weld profiles and their influence on the fatigue strength of the joint. Weld quality with respect to its fatigue strength is of importance which is the main concept behind this thesis. The intention of this study was to establish the influence of weld geometric parameters on the weld quality and fatigue strength. The effect of local geometrical variations of non-load carrying cruciform fillet welded joint under tensile loading wasstudied in this thesis work. Linear Elastic Fracture Mechanics was used to calculate fatigue strength of the cruciform fillet welded joints in as-welded condition and under cyclic tensile loading, for a range of weld geometries. With extreme value statistical analysis and LEFM, an attempt was made to relate the variation of the cruciform weld profiles such as weld angle and weld toe radius to respective FAT classes.

Laser-MAG-hybridihitsauksen käyttöönotto laivan rungon valmistuksessa

Perinteisten kaarihitsausmenetelmien suhteellisen suuri lämmöntuonti aiheuttaa huomattavia muodonmuutoksia laivan rungon valmistusprosessin alkuvaiheessa. Muodonmuutosten seurauksena rakenteiden mitta- ja muototarkkuus heikkenee, mikä lisää oikaisu- ja sovitustyötä myöhemmissä työvaiheissa. Hitsausmuodonmuutoksia voidaan vähentää siirtymällä käyttämään laser-MAG-hybridihitsausta, jossa lämmöntuonti on merkittävästi pienempi kuin kaarihitsauksessa. Näin kyetään oleellisesti leikkaamaan oikaisu- ja sovitustyöstä syntyviä kustannuksia. Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää tuotantovalmiiksi kuitulaser- ja MAG-hitsauksen yhdistelmäprosessi Aker Yards Oy:n Turun telakalla loppuvuoden 2006 aikana. Hitsauslaitteiston asennus oli valmistunut kesäkuussa 2006, minkä jälkeen aloitettiin luokituslaitoksen hyväksymän koeohjelman hitsaukset. Käyttöönotto suunnitelmaan sisältyvä koehitsausohjelma oli laadittu Det Norske Veritaksen julkaisemaa ohjetta (Guidelines no. 19) mukaillen. Ensimmäiseksi määritettiin hitsauskokeiden avulla prosessille laadun ja tehokkuuden suhteen optimaalinen railogeometria. Seuraavaksi optimoitiin prosessin hitsausparametrit 6 mm:n aineenpaksuudelle hyödyntäen Taguchi-koesuunnittelumenetelmää. Tämän jälkeen optimiparametreilla hitsattiin koekappale väsytyskokeisiin, jotka suoritettiin Teknillisen korkeakoulun laivalaboratoriossa. Väsytyskoetulokset täyttivät luokituslaitoksen vaatimukset. Myös hitsauksen menetelmäkoe suoritettiin hyväksytetysti. Viimeinen koeohjelman mukainen hitsauskoesarja tehtiin prosessiparametrien sallittujen vaihtelurajojen määrittämiseksi. Diplomityön tavoite täyttyi joulukuussa 2006, jolloin 'laivan kansipaneeli hitsattiin ensimmäistä kertaa uudella hitsausprosessilla. Hitsauksen laatu korreloi hyvin menetelmäkokeen tulosten kanssa ¿ hitsit olivat tasalaatuisia ja ne täyttivät B-luokan vaatimukset.

Levyrakenteistentuotteiden hitsauksen automatisointi

Työn teoriaosassa esitellään automatisodun hitsauksen etuja ja vaatimuksia. Teoriaosuuden edetessä keskitytään erityisesti robotisoituun MIG/MAG -hitsaukseen sekä teknisestä että taloudellisesta näkökulmasta katsottuna. Työn kokeelliseen osaan osallistui kaksi metallialan yritystä Pohjois-Karjalan alueelta. Ensimmäisessä yrityksessä kartoitettiin nykyisestä tuotannosta robottihitsattavia tuotteita. Tarkasteluun valituille tuotteille määriteltiin sopiva hitsausrobottijärjestelmä. Yrityksen tuotannolle oli ominaista asiakasohjautuva tuotanto, suhteellisen pienet sarjat ja tuotteet, joissa oli vähän hitsattavaa. Toisessa yrityksessä eräästä tuoteperheestä otettiin yksi tuote. Tuotteen avulla tutkittiin tuoteperheen hitsauksen automatisoinnin mahdollisuuksia ja sen aiheuttamia ongelmia. Suurimmat ongelmat tuotteen hitsauksen automatisoituessa ovat liitosten luoksepäästävyys, muodonmuutokset hitsauksen aikana ja erilaisten käytettävien materiaalien runsaus. Ensimmäisessä yrityksessä hitsattavien materiaalien paksuudet ovat pääosin kolme millimetriä tai sen alle. Toisessa yrityksessä hitsattavien materiaalin paksuudet ovat pääsääntöisesti yli kolme millimetriä. Työn kokeellisessa osassa vertaillaan ohuiden ja paksujen levyrakenteisten tuotteidenhitsauksen automatisoinnin yhteneväisyyksiä ja eroja teorian- ja käytännön osuuksien valossa.

Kylmämuokatun austeniittisen ruostumattoman teräsputkipalkin hitsaus

Diplomityön tavoitteena on selvittää kylmälujitetusta austeniittisesta ruostumattomasta teräksestä valmistettavan putkipalkin pituussuunnassa hitsaamalla tapahtuvaa valmistusta. Työssä tarkastellaan eri hitsausprosessien lämmöntuonnin ja putkipalkin kylmämuovaamalla tapahtuvan valmistuksen ja hitsin jälkikäsittelynvaikutuksia putkipalkin pituushitsin mekaanisiin ominaisuuksiin. Teoriaosassa on perehdytty austeniittisen ruostumattoman teräksen hitsaukseen, kylmämuokkaamalla lujitetun teräksen käyttäytymiseen hitsauksessa, monipoltinkaari-, TIG-suurtaajuuspulssi- ja kaariavusteiseen laserhitsaukseen. Kokeellisessa osassaon suoritettu koehitsauksia edellä mainituilla menetelmillä kylmälujitetulle austeniittiselle ruostumattomalle teräkselle ja suoritettu saatujen koehitsien mekaanisien ominaisuuksien arviointia. Saatujen koetulosten perusteella ontodettu, että huolimatta hitsauksen lämmöntuonnin kylmämuokatun teräksen lujuusarvoja alentavasta vaikutuksesta on mahdollista valmistaa hitsin osalta perusaineen lujuusluokituksen täyttäviä putkipalkkeja. Tämä johtuu putkipalkin kylmämuovaamalla tapahtuvan valmistuksen ja hitsin jälkikäsittelyn hitsauksessa pehmentyneen vyöhykkeen lujuusarvoja takaisin perusaineen tasolle palauttavasta vaikutuksesta.

Kosketukseton hitsin pintageometrian määrittäminen

Yleisesti tiedetään hitsin pintageometrian vaikuttavan rakenteen väsymislujuuteen. Nopean, edullisen ja luotettavan pintageometrian mittausmenetelmän kehittäminen on askel kohti tarkempaa ja varmempaa rakenteen väsymislujuuden tarkastelua. Tässä työssä on tutkittu hitsejä, joiden pinnan geometria on mitattu norjalaisen SINTEF -yrityksen kehittämällä rakenteellisen valon menetelmällä. Osana työtä kehitettiin MatLab -pohjainen ohjelma, jolla jälkikäsitellään mittauksesta saadut x-y-z -mittapisteet. Mittausdatan jälkikäsittelyssä saadaan mittauksesta määritettyähitsin reunan pyöristys, liittymäkulma, a-mitta, reunahaava ja kateettisuhde. Kehitettyä menetelmää käyttämällä mitattiin lähes 300 voimaakantamatontaristiliitoksen hitsiä. Mittaustuloksia verrattiin vastaavista kappaleista tehtyihin hiemittauksiin. Manuaalisen hieestä tehdyn mittauksen havaittiin olevan tarkempi ja pystyttiin havaitsemaan paikallisempia muotoja. Rakenteellisen valon mittauksissa tapahtunut heijastelu saatiin pienenemään käsittelemällä mitattava pinta mattavalkoisella maalilla. Rakenteellisen valon mittatarkkuudeksi saatiin noin 0,2 mm. Pohjautuen mitattuun hitsin reunan pyöristykseen ja liittymäkulmaan voidaan yksinkertaista kaavaa käyttämällä laskea hitsin jännityskonsentraatio ja näin saada alkuarvaus väsymislujuudelle. Myös muiden tekijöiden tiedetään vaikuttavan hitsin väsymislujuuteen, joten pyöristyksen ja liittymäkulman avulla tehdyt arviot eivät ole absoluuttisen oikeita. Tämä havaittiin väsytyskokeilla, joista yhdessä väsymisvaurio ei syntynyt suurimmankaan jännityskonsentraation alueella.

Viranomaisvaatimusten mukaisten putkistojen hankinta, asennus ja korjaus

Tämän työn tarkoituksena oli kirjallisuustutkimuksen ja aikaisemmin valmistuneiden putkitöiden avulla määritellä ohjeistus viranomaisvaatimusten mukaisten putkistojen valmistamista varten. Tarkasteluesimerkkeinä oli kolme erilaista putkityötä. Näiden seikkojen kautta vahvistui käsitys ohjeistuksen tarpeellisuudesta, mikä oli jo työn tavoitteissa yhtenä päämääränä. Aluksi selvitetään lainsäädäntöä ja sitä, mitä laki vaati putkistoilta. Seuraavaksi tarkastellaan standardeja valmistuksen näkökannalta ja siitä seurauksena syntyi valmistusohje. Sen jälkeen käsitellään putkistoista tehtyjä dokumentaatioita, joita oli jo valmistettu lainsäädännön vaihtumisen jälkeen. Kokoamalla em. tutkimukset on saatu aikaiseksi ohjeistus, jota seuraamallavalmistaja voi valmistaa putkiston, joka täyttää lain ja asetuksen vaatimuksen.Tässä työssä ei tarkasteltu tuotannon tehostamista asennusolosuhteissa eikä laatutavoitteita. Tuloksena syntyi ohjeistus, joka huomioi erilaiset lait ja asetukset, kun kyseessä on putkistojen hankinta, asennus tai korjaus putkistoissa, joita viranomaismääräykset ja asetukset valvovat. Putkistojen asennuksen ja tuotannon tehostaminen sekä automatisoinnin tai mekanisoinnin käyttö hitsauksessa ja hitsauksen laadun varmistus voivat olla tämän diplomityön jälkeisiä tutkimusaiheita.

Fatigue Analysis of Welded Cruciform Joints with Cold Laps

Työssä on tutkittu vetojännityskuormituksen alaisena olevien hitsattujen kuormaa kantamattomien X-liitosten hitsin paikallisen geometrian variaation vaikutusta väsymislujuuteen. Muuttujina olivat reunan pyöristyssäde, kylmäjuoksun suuruus ja kylkikulma. Geometristen muuttujien parametrinen riippuvuussuhde on analysoitu usealla elementtimallilla. Väsymistarkastelu on suoritettu käyttämällä lineaaris-elastista murtumismekaniikkaa (LEFM) tasovenymätilassa ja materiaalina terästä. Särönkasvun suunnan ennustamisessaon käytetty maksimipääjännityskriteeriä sekä jännitysintensiteettikertoimet on määritetty J-integraalilla. Särön ydintymisvaihetta ei ole otettu huomioon. Rakenteen on oletettu olevan hitsatussa tilassa ja jännitysheilahdus on kokonaan tehollinen. Särön kasvunopeuden ennustamiseen on käytetty Paris'n lakia. Väsymislujuustulokset on esitetty karakteristisina väsymisluokkina (FAT) ja sovitettu parametriseksi yhtälöksi. Lopuksi väsymisanalyysin ennustamia tuloksia on verrattu saatavilla oleviin väsytystestituloksiin.

Effect of Shielding Gases in Laser Welding of Aluminium Alloys

High reflectivity to laser light, alloying element evaporation during high power laser welding makes aluminium alloys highly susceptibility to weld defects such as porosity, cracking and undercutting. The dynamic behaviour of the keyhole, due to fluctuating plasma above the keyhole and the vaporization ofthe alloying elements with in the keyhole, is the key problem to be solved for the improvement of the weld quality and stabilization of the keyhole dynamics isperhaps the single most important development that can broaden the application of laser welding of aluminium alloys. In laser welding, the shielding gas is commonly used to stabilize the welding process, to improve the welded joint features and to protect the welded seam from oxidation. The chemicalcomposition of the shielding gas is a key factor in achieving the final qualityof the welded joints. Wide range of shielding gases varying from the pure gasesto complex mixtures based on helium, argon, nitrogen and carbon dioxide are commercially available. These gas mixtures should be considered in terms of their suitability during laser welding of aluminium alloys to produce quality welds. The main objective of the present work is to study the effect of the shielding gascomposition during laser welding of aluminium alloys. Aluminium alloy A15754 was welded using 3kW Nd-YAG laser (continuous wave mode). The alloy samples were butt welded with different shielding gases (pure and mixture of gases) so that high quality welds with high joint efficiencies could be produced. It was observed that the chemical composition of the gases influenced the final weld quality and properties. In general, the mixture gases, in correct proportions, enabled better utilisation of the properties of the mixing gases, stabilized the welding process and produced better weld quality compared to the pure shielding gases.

Mangaaniseosteisen duplex-teräksen hitsattavuus

Diplomityön tavoitteena oli selvittää mangaaniseosteisen LDX2101 duplex-teräksen ja LDX2101 hitsauslisäaineiden hitsausparametrit puikkohitsaus-, MAG-täytelankahitsaus- ja plasmahitsausprosessilla. Toisena tavoitteena oli selvittää lämmöntuonnin vaikutuksia hit-sausliitosten mekaanisiin ominaisuuksiin, iskusitkeyteen (-40 °C) ja ferriitti- / austeniittipitoi-suuksien jakaantumiseen. Tutkittavat hitsit olivat päittäishitsejä ja koelevyjen aineenpaksuus oli 6 mm. Koetulosten perusteella tehtiin hitsausohjeet kyseisille hitsausprosesseille. Työn kirjallisessa osassa on selvitetty yleisesti duplex-terästen käyttökohteita, mekaanisia ja kemiallisia ominaisuuksia sekä duplex-terästen korroosio-ominaisuuksia. Lisäksi on käsitelty eri hitsausprosesseja ja duplex-terästen hitsattavuutta, jossa selvitetään mm. terästen jähmet-tymistä, erkaumia ja faaseja, lämmöntuonnin vaikutuksia ja hitsausliitosten korroosionkestä-vyyttä. Teoriaosassa on kerrottu myös hitsausliitosten tarkastuksesta ja hitsiluokista. Työn kokeellisessa osassa esitellään kokeiden suoritus sekä ainetta rikkova ja ainetta rikko-maton tarkastus. Liitoksille suoritettava koestusohjelma noudatti pääosin menetelmäkoestan-dardin SFS-EN 15614-1 ohjetta. Hitseille tehtiin ainetta rikkomaton tarkastus, joka käsittää silmämääräisen tarkastuksen, pintatarkastuksen ja röntgentarkastuksen. Rikkovaa aineen-koetusta tehtiin sisältäen kovuusmittaukset, vetokokeet, taivutuskokeet jaiskusitkeyskokeet. Lisäksi valmistettiin metallografiset hieet, joita tutkimalla selvitettiin hitsausliitoksen metal-lurgiaa ja määriteltiin ferriitti- ja austeniittipitoisuudet. Kokeiden perusteella on laadittu hit-sausohjeet kullekin hitsausprosessille. Lisäksi kokeellisessa osassa on esitelty tulokset syö-pymäkokeesta, jossa selvitettiin eri materiaalien syöpymiskestävyyttä valkolipeäliuoksessa. Tutkimustuloksien perusteella LDX2102 duplex-materiaali onhyvin hitsattavaa laajalla hit-sausparametrialueella. Mekaaniset ominaisuudet, kuten lujuus- ja iskusitkeysarvot täyttävät materiaalistandardin SFS-EN10028-7 niille asettamat vaatimukset. Taivutussitkeys ja murto-venymät jäivät kuitenkin osalla koekappaleista vaatimustasoa alhaisemmiksi. Austeniitti- ja ferriittipitoisuudet vastaavat materiaalistandardin vaatimuksia.