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.

Fatigue of tube-to-plate fillet welds and methods for their improvement /

"July 1997."

A failure criterion for fillet welds

The work constitutes a study of the strength of mild steel fillet welds subject to static loading, and the behaviour of flange welded beam-column connections under combined bending and shear. Tests are conducted on short welds in the as-welded and stress relieved conditions, and also on full-size beam-column connections. It is shown that welds under compression have a lower strength than when under tension. Failure of the fillet weld is initiated at the weld root, the important factor controlling the initiation being weld ductility. The greater the residual stress, the lower the weld ductility and ultimate strength. Thermal stress relieving increases strength by as much as 30%. Weld failure plane is rarely at the throat and varies from 0° to 45° depending upon loading condition. Failure plane average stresses are related by a circular function which is expressed in terms of externally applied forces at limit state. The tension weld of a flange-welded beam-column connection always fails before the compression weld. The shear load sharing between the welds is a complex function of elastic compression of the web, elastic/plastic deformation of the flanges, load/deformation characteristics, and the type of load application. Bearing forces between the compression flange and column face produce low level bearing stresses and frictional forces which make a negligible contribution to shear load resistance. Three modes of connection failure are possible; 'end mode', 'bending mode' and 'shear mode', with a sudden change taking place between the two latter.

Pienahitsien staattisen kestävyyden mitoitus perinteisesti ja eri reunaehtoihin perustuvilla parannetuilla mitoitusmalleilla

Tässä tutkimuksessa oli tavoitteena tarkastella analyyttisen laskennan keinoin pienahitsin mitoittamista ja selvittää käytännön kokeissa havaittu a-mitasta poikkeavan vauriotason sijainti poikittain kuormitetuissa pienahitseissä. Perinteinen laskentamallin tarkastelu laa-jennettiin koskemaan mielivaltaisessa kulmassa olevaa laskentatasoa ja suurimman yhdistetyn jännityksen perusteella löydettiin kriittisin leikkaus tasakylkisessä hitsissä. Lisäksi tarkasteltiin voimatasapainon huomioon ottamista mitoituksessa ja luotiin kaksi eri mallia tämän pohjalta. Kolme teoreettisesti oikeampaa mitoitusmallia täydennettiin kattamaan myös erikylkiset hitsit ja todettiin, että kaikilla mitoitusmalleilla erikylkiset hitsit ovat tilavuudeltaan optimaalisempia verrattaessa samanlujuisiin tasakylkisiin hitseihin.

Eri MAG-hitsausprosessien ja -parametrien vaikutus suurlujuusteräksestä valmistetun otsapienahitsin äärikestävyyteen, muodonmuutoskykyyn ja vauriomuotoon

Työssä tutkittiin Ruukki Oyj:n suorasammutetusta S960QC-teräksestä valmistetun kuormaakantavan levyjen ristiliitoksen pienahitsien lujuutta, muodonmuutoskykyä ja vaurioitumismekanismia laajaan kokeelliseen aineistoon perustuen. Tärkeimpänä muuttujana koematriisissa olivat eri MAG-hitsausprosessit. Perinteisen kuumakaarihitsauksen vertailukohteena oli Kemppi Oy:n uusi adaptiivinen valokaaren pituutta säätävä WiseFusion-hitsaustoiminto kuuma- ja pulssikaarihitsauksessa. Näiden kolmen hitsausprosessin rinnalla varioitiin erisuuruisia a-mittoja, eri hitsauslisäaineita ja hitsin erikylkisyyttä. Lisäksi juuritunkeuman estämisen vaikutusta hitsien käyttäytymiseen tutkittiin täydentävällä koesarjalla, jossa tunkeuman muodostuminen estettiin levyjen väliin asetetulla volframilevyllä. Työn perimmäisenä tavoitteena oli selvittää syy aiemmassa tutkimuksessa havaitulle pienahitsien vaurioitumiselle leikkautumalla sularajaa pitkin. Sularajan suhteellista pituutta saadaan kasvatettua estämällä hitsin juuritunkeuma ja absoluuttista pituutta saadaan lisää kateettipoikkeaman avulla. Lisäksi tutkimuksessa oli tarkoitus tuoda esille suurlujuusteräksisen liitoksen eri mitoituslähtökohdat (mm. lämmöntuonnin kontrollointi). Tämän vuoksi hitsausparametrit mitattiin jännitteen ja virran hetkellisiin arvoihin perustuen, jolloin kuuma- ja pulssikaarihitsauksen laskennalliset hitsaustehot ovat vertailukelpoisia. Koehitseistä valmistettiin hieet hitsien tarkan geometrian määrittämiseksi ja liitoksen mekaaniset ominaisuudet tutkittiin vetokokeella. Tulosten perusteella sularajavaurio aktivoituu pulssikaarella hitsatuissa koekappaleissa. Tämä aiheutunee pulssi- ja kuumakaarihitsauksen sularajan mikrorakenteiden eroavaisuudesta. Sularajavaurio näyttää huonontavan hitsien muodonmuutoskykyä, mutta jatkokokeita tuloksen verifioimiseksi on tehtävä. S960QC-teräkselle ominaisen pehmenneen vyöhykkeen vaurio ei aktivoitunut, vaikka Ruukin antamat jäähtymisaikasuositukset ylitettiin reilusti.

Preventing Cracking at Diaphragm/Plate Girder Connections in Steel Bridges, HR-393, 1998

Some of the Iowa Department of Transportation (Iowa DOT) continuous, steel, welded plate girder bridges have developed web cracking in the negative moment regions at the diaphragm connection plates. The cracks are due to out-of-plane bending of the web near the top flange of the girder. The out-of-plane bending occurs in the "web-gap", which is the portion of the girder web between (1) the top of the fillet welds attaching the diaphragm connection plate to the web and (2) the fillet welds attaching the flange to the web. A literature search indicated that four retrofit techniques have been suggested by other researchers to prevent or control this type of cracking. To eliminate the problem in new bridges, AASHTO specifications require a positive attachment between the connection plate and the top (tension) flange. Applying this requirement to existing bridges is expensive and difficult. The Iowa DOT has relied primarily on the hole-drilling technique to prevent crack extension once cracking has occurred; however, the literature indicates that hole-drilling alone may not be entirely effective in preventing crack extension. The objective of this research was to investigate experimentally a method proposed by the Iowa DOT to prevent cracking at the diaphragm/plate girder connection in steel bridges with X-type or K-type diaphragms. The method consists of loosening the bolts at some connections between the diaphragm diagonals and the connection plates. The investigation included selecting and testing five bridges: three with X-type diaphragms and two with K-type diaphragms. During 1996 and 1997, these bridges were instrumented using strain gages and displacement transducers to obtain the response at various locations before and after implementing the method. Bridges were subjected to loaded test trucks traveling in different lanes with speeds varying from crawl speed to 65 mph (104 km/h) to determine the effectiveness of the proposed method. The results of the study show that the effect of out-of-plane loading was confined to widths of approximately 4 in. (100 mm) on either side of the connection plates. Further, they demonstrate that the stresses in gaps with drilled holes were higher than those in gaps without cracks, implying that the drilling hole technique is not sufficient to prevent crack extension. The behavior of the web gaps in X-type diaphragm bridges was greatly enhanced by the proposed method as the stress range and out-of-plane distortion were reduced by at least 42% at the exterior girders. For bridges with K-type diaphragms, a similar trend was obtained. However, the stress range increased in one of the web gaps after implementing the proposed method. Other design aspects (wind, stability of compression flange, and lateral distribution of loads) must be considered when deciding whether to adopt the proposed method. Considering the results of this investigation, the proposed method can be implemented for X-type diaphragm bridges. Further research is recommended for K-type diaphragm bridges.

Hitsauksen laadunvarmistus teräsrakentamisessa

Suomessa on tapahtunut 2000-luvulla neljä kappaletta ns. suuronnettomuuden vaaratilanteiksi luokiteltavaa teräsrakenteiden vaurioitumisesta aiheutunutta onnettomuutta, joista yksi johti ihmishengen menetykseen. Onnettomuuden syynä oli huonolaatuisten pienahitsien pettäminen kuormituksen alaisena, joka puolestaan oli seurausta puutteellisesta hitsauksen laadunvarmistuksesta. Teräsrakenteiden valmistus ja hitsaus eivät ole yhtä tarkan viranomaisvalvonnan alaista kuten esimerkiksi painelaitteiden valmistus, vaikka teräsrakenteiden vaurioitumisesta aiheutuvat riskit ovat erittäin merkittäviä. Työn tavoitteena oli tutustua onnettomuustapauksiin, teräsrakenteista annettuihin viranomaismääräyksiin sekä ohjeisiin ja esittää laadunvarmistustoimenpiteitä, joiden avulla voidaan varmistua hitsaustyön riittävästä laadusta teräsrakentamisessa. Näitä laadunvarmistustoimenpiteitä ovat mm. hitsaushenkilöstön pätevöinti, hitsausohjeiden käyttäminen, ainetta rikkomattomat tarkastukset ja rakennesuunnitelmien tarkastukset. Toisena tavoitteena oli kartoittaa rakenteiden valmistajien ja pääurakoitsijoiden nykyistä tilannetta laadunvarmistuksen osalta sekä selvittää kiinnostusta kolmannen osapuolen tarjoamiin laadunvarmistuspalveluihin. Kyselyiden perusteella laadunvarmistuspalveluille on olemassa kysyntää tietyin kustannuksiin liittyvin varauksin. Palveluista eniten kiinnostusta herättivät ainetta rikkomattomat tarkastukset ja rakennesuunnitelmien tarkastukset.

Fatigue analysis of brackets with and without scallop for bridge and other deck structure using effective notch stress.

Due to functional requirement of a structural detail brackets with and without scallop are frequently used in bridges, decks, ships and offshore structure. Scallops are designed to serve as passage way for fluids, to reduce weld length and plate distortions. Moreover, scallops are used to avoid intersection of two or more welds for the fact that there is the presence of inventible inherent initial crack except for full penetrated weld and the formation of multi-axial stress state at the weld intersection. Welding all around the scallop corner increase the possibility of brittle fracture even for the case the bracket is not loaded by primary load. Avoiding of scallop will establish an initial crack in the corner if bracket is welded by fillet welds. If the two weld run pass had crossed, this would have given a 3D residual stress situation. Therefore the presences and absence of scallop necessitates the 3D FEA fatigue resistance of both types of brackets using effective notch stress approach ( ). FEMAP 10.1 with NX NASTRAN was used for the 3D FEA. The first and main objective of this research was to investigate and compare the fatigue resistance of brackets with and without scallop. The secondary goal was the fatigue design of scallops in case they cannot be avoided for some reason. The fatigue resistance for both types of brackets was determined based on approach using 1 mm fictitiously rounded radius based on IIW recommendation. Identical geometrical, boundary and loading conditions were used for the determination and comparison of fatigue resistance of both types of brackets using linear 3D FEA. Moreover the size effect of bracket length was also studied using 2D SHELL element FEA. In the case of brackets with scallop the flange plate weld toe at the corner of the scallop was found to exhibit the highest and made the flange plate weld toe critical for fatigue failure. Whereas weld root and weld toe at the weld intersections were the highly stressed location for brackets without scallop. Thus weld toe for brackets with scallop, and weld root and weld toe for brackets without scallop were found to be the critical area for fatigue failure. Employing identical parameters on both types of brackets, brackets without scallop had the highest except for full penetrated weld. Furthermore the fatigue resistance of brackets without scallop was highly affected by the lack of weld penetration length and it was found out that decreased as the weld penetration was increased. Despite the fact that the very presence of scallop reduces the stiffness and also same time induce stress concentration, based on the 3D FEA it is worth concluding that using scallop provided better fatigue resistance when both types of brackets were fillet welded. However brackets without scallop had the highest fatigue resistance when full penetration weld was used. This thesis also showed that weld toe for brackets with scallop was the only highly stressed area unlike brackets without scallop in which both weld toe and weld root were the critical locations for fatigue failure when different types of boundary conditions were used. Weld throat thickness, plate thickness, scallop radius, lack of weld penetration length, boundary condition and weld quality affected the fatigue resistance of both types of brackets. And as a result, bracket design procedure, especially welding quality and post weld treatment techniques significantly affect the fatigue resistance of both type of brackets.

Ultralujasta teräksestä valmistetun liitoksen pienahitsin staattinen kestävyys

Ultralujat teräkset ovat teräksiä, joiden lujuus on reilusti suurempi verrattuna perinteisiin rakenneteräksiin. Niiden ominaisuuksia hyödynnetään eniten nosto- ja kuljetusvälinete¬ollisuudessa. Ultralujien terästen käyttö avaa suunnittelijalle uusia mahdollisuuksia suun¬nitella ulottuvampia ja kevyempiä rakenteita, jolloin voidaan saavuttaa säästöjä niin val¬mistus- kuin polttoainekustannuksissakin. Ultralujille teräksille ei kuitenkaan ole ole¬massa niitä vastaavia suunnitteluohjeita tai standardeja. Teräsrakenteiden liitosten suun¬nitteluun mitoitusohjeita antava standardi SFS-EN 1993-1-8 ei huomioi teräksiä, joiden myötölujuus on yli 460 MPa. SFS-EN 1993-1-12 on 1993-1-8:n laajennus, joka on voi¬massa myötölujuuteen 700 MPa asti. Tässä diplomityössä tutkittiin ultralujista teräksistä valmistettujen pienahitsiliitosten käyttäytymistä vetokokeiden ja elementtimenetelmän avulla. Tulosten avulla voitiin mää¬rittää matalalujuuksisten terästen mitoitusohjeiden soveltuvuutta ultralujille teräksille. Kokeissa käytetty teräs oli Ruukin valmistama Optim 960 QC.

Pienahitsin sijainnin vaikutus kuormaa kantamattoman T-liitoksen väsymiskestävyyteen

Hitsatuissa rakenteissa on paljon hitsien aiheuttamia epäjatkuvuuskohtia, jotka ovat alttiita vaurioitumaan väsyttävän kuormituksen alaisina. Standardit ja normit auttavat suunnittelua rakenneyksityiskohtien analysoinnissa, mutta ohjeiden arvot vaihtelevat paljon. Onkin tär-keää päättää, mitä standardia tai normia käytetään ja saada tutkimustuloksia tukemaan ohjeen käyttöä. Tämä työ on tehty Konecranes Finland Oy:lle. Työn tarkoituksena on etsiä käytössä olevi-en ohjeiden joukosta suunnittelun kannalta parhaiten todellista rakennetta kuvaava. Työssä esitellään käytössä olevia standardeja ja normeja sekä vertaillaan niiden välisiä eroja rakenneyksityiskohdan väsymiskestävyyden määrittämisessä. Työssä tarkastellaan myös hitsatun rakenteen väsymiseen vaikuttavia tekijöitä sekä väsymisanalyysissä käytet-täviä menetelmiä. Tutkittavaan liitokseen valittiin kolme erilaista hitsiä, yksi –ja kaksipuolinen pienahitsi sekä katkopienahitsi. Elementtimenetelmän avulla luotiin malleja koekappaleista ja laskettiin niille väsymiskestävyydet. Tämä lisäksi väsymistä tarkasteltiin väsytyskokeilla, jotka suoritti Lappeenrannan Teknillisen Yliopiston Teräsrakenteiden laboratorio. Lopputuloksena työstä saatiin tietoa hitsien väsymiskestävyyksistä. Liitosten väsymiskes-tävyydet olivat hyviä ja varsinkin katkopienahitsin tulokset olivat odotettua paremmat. Kat-kopienahitsin väsymiskestävyys vaatii tämän työn tulosten perusteella lisää tutkimista.

Ultralujien terästen pienahitsien staattinen lujuus

Kandidaatintyön tarkoituksena oli selvittää hitsausliitosten mitoitusohjeita ultralujille teräksille. Työhön kuului laboratoriotestauksia, joiden avulla tarkasteltiin laskujen soveltuvuutta ultralujille teräksille. Laskuissa verrattiin erityisesti kimmoteorian ja plastisuusteorian toimivuutta. Työn tuloksena tuotettiin mitoitusohjeet otsapienahitseille, eli mitoitusvoimaan nähden poikittaisille hitseille. Myös kylkipienahitseille, eli mitoitusvoimaan nähden yhdensuuntaisille hitseille saatiin alustavia tuloksia.

A temporary connection for an aluminium space frame

This thesis examines theoretically and experimentally the behaviour of a temporary end plate connection for an aluminium space frame structure, subjected to static loading conditions. Theoretical weld failure criterions are derived from basic fundamentals for both tensile and shear fillet welds. Direct account of weld penetration is taken by incorporating it into a more exact poposed weld model. Theoretical relationships between weld penetration and weld failure loads, failure planes and failure lengths are derived. Also, the variation in strength between tensile and shear fillet welds is shown to be dependent upon the extent of weld penetration achieved/ The proposed tensile weld failure theory is extended to predict the theoretical failure of the welds in the end plate space frame connection. A finite element analysis is conducted to verify the assumptions made for this theory. Experimental hardness and tensile tests are conducted to substantiate the extent and severity of the heat affected zone in aluminium alloy 6082-T6. Simple transverse and longitudinal fillet welded specimens of the same alloy, are tested to failure. These results together with those of other authors are compared to the theoretical predictions made by the proposed weld failure theories and by those made using Kamtekar's and Kato and Morita's failure equations, the -formula and BS 8118. Experimental tests are also conducted on the temporary space frame connection. The maximum stresses and displacements recorded are checked against results obtained from a finite element analysis of the connection. Failure predictions made by the proposed extended weld failure theory, are compared against the experimental results.

Hitsin juurenpuolen kriittisyys suurlujuus teräksillä

Kandidaatintyön tarkoituksena oli selvittää pienahitsin juuren kriittisyyttä. Työ oli saanut aiheen rakenneputki kokeiden yhteydessä tehdyistä havainnoista. Työssä tutustuttiin millaiset ovat pienahitsin mitoitus menetelmät ja tausta tutkimusta kuinka sitä sovelletaan käytäntöön suurlujuusteräksille. Työssä esitellään käytetyt tutkimusmenetelmät kuinka menetelmätriangulaatio saavutettiin. Tutkimuskysymyksenä oli hitsien kestävyyden mitoituksen riittävyys. Tutkimukset suoritettiin tarkastellen staattisesti kuormitettuja pienahitsejä. Pienahitsi kappaleista tehtiin laboratoriokoekappale ja FEM-laskentamalli joista vertailtiin tuloksia. Laboratoriokokeessa mittaus menetelmänä käytettiin DIC-mittausta, jolle voitiin tehdä jälkikäsittelyjä ja sieltä määrittää haluttuja datapisteitä. Laskennassa suurimmat jännityskeskittymät syntyivät hitsin kohdalle mutta vetokokeessa koekappaleeseen syntyi vauriot sularajalle ja vetokorvakkeen kiinnityshitsin rajaviivalle. Tällä kohtaa todettiin materiaalimalli riittämättömäksi, koska siihen ei ollut määritelty muutosvyöhykkeen parametreja.

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.

Collision probabilities in the rarefaction fan of asymmetric exclusion processes

We consider the one-dimensional asymmetric simple exclusion process (ASEP) in which particles jump to the right at rate p is an element of (1/2, 1.] and to the left at rate 1 - p, interacting by exclusion. In the initial state there is a finite region such that to the left of this region all sites are occupied and to the right of it all sites are empty. Under this initial state, the hydrodynamical limit of the process converges to the rarefaction fan of the associated Burgers equation. In particular suppose that the initial state has first-class particles to the left of the origin, second-class particles at sites 0 and I, and holes to the right of site I. We show that the probability that the two second-class particles eventually collide is (1 + p)/(3p), where a collision occurs when one of the particles attempts to jump over the other. This also corresponds to the probability that two ASEP processes. started from appropriate initial states and coupled using the so-called ""basic coupling,"" eventually reach the same state. We give various other results about the behaviour of second-class particles in the ASEP. In the totally asymmetric case (p = 1) we explain a further representation in terms of a multi-type particle system, and also use the collision result to derive the probability of coexistence of both clusters in a two-type version of the corner growth model.