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.

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.

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.

Multivariable regression analysis and hot-spot stress approach into fatigue life estimations of welded joints

Kolmen eri hitsausliitoksen väsymisikä arvio on analysoitu monimuuttuja regressio analyysin avulla. Regression perustana on laaja S-N tietokanta joka on kerätty kirjallisuudesta. Tarkastellut liitokset ovat tasalevy liitos, krusiformi liitos ja pitkittäisripa levyssä. Muuttujina ovat jännitysvaihtelu, kuormitetun levyn paksuus ja kuormitus tapa. Paksuus effekti on käsitelty uudelleen kaikkia kolmea liitosta ajatellen. Uudelleen käsittelyn avulla on varmistettu paksuus effektin olemassa olo ennen monimuuttuja regressioon siirtymistä. Lineaariset väsymisikä yhtalöt on ajettu kolmelle hitsausliitokselle ottaen huomioon kuormitetun levyn paksuus sekä kuormitus tapa. Väsymisikä yhtalöitä on verrattu ja keskusteltu testitulosten valossa, jotka on kerätty kirjallisuudesta. Neljä tutkimustaon tehty kerättyjen väsymistestien joukosta ja erilaisia väsymisikä arvio metodeja on käytetty väsymisiän arviointiin. Tuloksia on tarkasteltu ja niistä keskusteltu oikeiden testien valossa. Tutkimuksissa on katsottu 2mm ja 6mm symmetristäpitkittäisripaa levyssä, 12.7mm epäsymmetristä pitkittäisripaa, 38mm symmetristä pitkittäisripaa vääntökuormituksessa ja 25mm/38mm kuorman kantavaa krusiformi liitosta vääntökuormituksessa. Mallinnus on tehty niin lähelle testi liitosta kuin mahdollista. Väsymisikä arviointi metodit sisältävät hot-spot metodin jossa hot-spot jännitys on laskettu kahta lineaarista ja epälineaarista ekstrapolointiakäyttäen sekä paksuuden läpi integrointia käyttäen. Lovijännitys ja murtumismekaniikka metodeja on käytetty krusiformi liitosta laskiessa.

Use of field measurements in fatigue analysis of forestry cranes

Tässä työssä on esitetty väsyttävän kuormituksen mittaamiseen ja mittausdatan jälkikäsittelyyn sekä väsymismitoitukseen liittyviä menetelmiä. Menetelmien sovelluskohteena oli metsäkoneen kuormain, joka on väsyttävästi kuormitettu hitsattu rakenne. Teoriaosassa on kuvattu väsymisilmiötä ja väsymismitoitusmenetelmiä sekä kuormitusten tunnistamiseen ja mittausten jälkikäsittelyyn liittyviä menetelmiä. Yleisimmin käytettyjen väsymismitoitusmenetelmien rinnalle on esitetty luotettavuuteen perustuvaa väsymismitoitusmenetelmää. Kuormainten suunnittelussa on keveys- j a kestoikävaatimusten takia erityisen suuri merkitys väsymisen huomioimisella. Rakenteille on ominaista tietyt toiminnan kannalta välttämättömät hitsatut yksityiskohdat, jotka usein määräävät koko rakenteen kestoiän. Koska nämä ongelmakohdat pystytään useimmiten tunnistamaan jo suunnitteluvaiheessa, voidaan yksityiskohtien muotoilulla usein parantaa huomattavasti koko rakenteen kestoikää. Näiden yksityiskohtien optimointi on osittain mahdollista toteuttaa ilman kuormituskertymätietoa, mutta useimmiten kuormitusten tunnistaminen on edellytys parhaan ratkaisun löytymiselle. Tällöin toistaiseksi paras keino todellisen väsyttävän kuormituksen tunnistamiseksi on pitkäaikaiset kenttämittaukset. Kenttämittauksilla selvitetään rakenteeseen kohdistuvat kuormitukset venymäliuskojen avulla. Kuormitusten tunnistamisella on erityisen suuri merkitys kun halutaan määrittää rakenteen kestoikä. Väsyminen ja väsyttävä kuormitus ovat kuitenkin tilastollisia muuttujia j a yksittäiselle rakenteelle ei ole mahdollista määrittää tarkkaa k estoikää. Tilastollisia menetelmiä käyttäen on kuitenkin mahdollista määrittää rakenteen vaurioitumisriski. Laskettaessa vaurioitumisriskiä suurelle määrälle yksittäisiä rakenteita voidaan muodostaa tarkkojakin ennusteita mahdollisten vaurioiden lukumäärästä. Tällöin kuormituskertymätiedosta voi olla tavanomaisen suunnittelun lisäksi laajempaa hyötyä esimerkiksi takuukäsittelyssä. Tässä työssä on sovellettu esitettyjä teorioita käytännössä metsäkoneen harvesterin puomiston väsymistarkasteluun. Kyseisen rakenteen kuormituksia mitattiin kahden viikon aikana yhteensä 35 tuntia, jonka perusteella laskettiin väsyttävän kuormituksen tilastollinen jakauma esimerkkitapaukselle. Mittauksen perusteella ei voitu tehdä kuitenkaan johtopäätöksiä tuotteen koko elinkaaren kuormituksista eikä muiden samanlaisten tuotteiden kuormituksista, koska mitattu otos oli suhteellisen lyhyt ja rajoittui vain yhteen käyttäjään ja muutamaan käyttökohteeseen. Menetelmien testaamiseksi kyseinen otos oli kuitenkin riittävä. Kuormituskertymätietoa käytettiin hyväksi myös laatumääritysten muodostamisessaesimerkkitapaukselle. Murtumismekaniikkaan perustuvalla menetelmällä arvioitiinharvesteripilarin valun mahdollisten valuvirheiden suurin sallittu koko. Luotettavuuteen pohjautuvan mitoitusmenettelyn tarve näyttää olevanlisääntymässä, joten pitkäaikaisten kenttämittausten tehokas hyödyntäminen tulee olemaan keskeinen osa väsymismitoitusta lähitulevaisuudessa. Menetelmiä olisi mahdollista tehostaa yhdistämällä kuormituskertymään erilaisia kuormitusten suhteen riippuvia tunnettuja suureita kuten käsiteltävän puun halkaisija. Todellisettuotekohtaiset tilastolliset jakaumat kuormituksista voitaisiin muodostaa mahdollisesti tehokkaammin, jos esimerkiksi kuormitusten riippuvuus metsätyypistä pystyttäisiin ensin määrittämään.

MIG-juotto väsymiskestävyyden parantamismenetelmänä

Tässä tutkimuksessa esitellään MIG-juoton periaatteet ja tarkastellaan menetelmää siitä näkökulmasta, että menetelmä voisi toimia yhtenä varteenotettavana hitsattujen liitosten väsymiskestävyyden parantamismenetelmänä. Muiden parantamismenetelmien laajaa kirjoa esitellään lyhyesti. MIG-juoton soveltuvuutta parantamismenetelmäksi tutkittiin väsytyskokein. Kokeiden avulla määritettiin pelkästään MIG-juotetun liitoksen väsymiskestävyys erilaisissa tapauksissa. Lisäksi määritettiin väsymiskestävyys tapauksessa, jossa perinteisen MAG-pienahitsin rajaviivalle MIG-juotetiin ylimääräinen palko. Jälkimmäisessä tapauksessa menetelmä toimii väsymiskestävyyden parantamismenetelmänä. Väsytyskokeita tehtiin kaikkiaan 63 kpl.Kaikkiaan erilaisia väsytyskoesarjoja oli kymmenen, joista kuusi oli 8-10 koekappaletta käsittäviä varsinaisia tutkittavia tapauksia ja neljä pieniä, vain kaksi tai kolme koesauvaa käsittäviä pilottikoesarjoja. Koetuloksia verrattiin IIW:n(International Institute of Welding) suunnitteluohjeisiin ja suosituksiin. MIG-juotettujen liitosten väsymiskestävyys oli yleisesti ottaen hyvä. Päittäisliitosoli vähintään yhtä hyvä kuin tavanomaisesti hitsattu. Voimaa kantavassa taivutustapauksessa saatiin 110 % parempi väsymislujuus verrattuna IIW:n suunnitteluohjeeseen. Voimaa kantamattomissa poikittaisissa kiinnitysliitoksissa puolestaan saavutettiin paikallisia nimellisiä jännityksiä käyttäen 70-80 %:n parannus suunnitteluohjeeseen nähden. Pelkästään MIG-juotetun liitoksen ja 'parannetun' liitoksen väsymislujuudet olivat tässä tapauksessa likimain yhtä suuret. MIG-juottoa käytetään vaihtoehtoisena liittämismenetelmänä jo joissakin teollisissa sovelluksissa. Tämän tutkimuksen koetulokset antavat selviä viitteitä siitä, että menetelmä voisi toimia yhtenä varteenotettavana väsymiskestävyyden parantamiskeinona uusille tai korjatuille rakenteille. Vaaditaan kuitenkin vielä lisätutkimuksia, jotta menetelmää voisi soveltaa luottavaisin mielin tuotantokäytössä väsymiskestävyyden parantamismenetelmänä.

Prosessiparametrien vaikutus polymeerien diodilaserhitsaukseen

Diplomityössä tutkittiin polymeerien diodilaserhitsausta ja tavoitteena oli selvittää eri prosessiparametrien vaikutus hitsin laatuun. Kokeissa käytettyjä hitsausmenetelmiä olivat jatkuva hitsaus, puolisimultaanihitsaus ja Clearweld-menetelmä. Materiaaleina käytettiin polykarbonaattia ja ABS + PC -seosta. Kokeissa tarkasteltiin prosessiparametrien vaikutusta hitsin lujuuteen, leveyteen sekä hitsin tuhoutumiseen ja huokoisuuteen. Hitsin lujuus kasvoi hitsaustehoa nostettaessa tiettyyn pisteeseen asti, jonka jälkeen hitsi alkoi tuhoutumaan ja lujuus lähti laskuun. Hitsaustehon lisäksi hitsin lujuuteen vaikuttavia prosessiparametreja olivat hitsausnopeus ja ilmarako, joiden kasvaessa hitsin lujuus laski. Lisäksi puolisimultaanihitsauksessa pyyhkäisyjen määrä vaikutti hitsin lujuuteen; suuremmalla pyyhkäisyjen määrällä saatiin lujempi hitsi. Hitsin leveydellä ja lujuudella ei ollut vaikutusta toisiinsa, mutta hitsin tuhoutumisella ja huokosten määrällä hitsissä oli selkeä yhteys hitsin lujuuteen. Kun hitsissä alkoi esiintyä tuhoutumista, hitsin lujuus lähti laskuun. Clearweld-menetelmällä tarvittavat hitsaustehot olivat samaa suuruusluokkaa kuin jatkuvassa hitsauksessa. Hitsausparametrialueeseen, jolla saadaan aikaan laadukas hitsi, vaikuttavat hitsausteho, hitsausnopeus, ilmarako ja säteen tehotiheys sekä puolisimultaanihitsauksessa pyyhkäisyjen määrä. Hitsausnopeuden ja ilmaraon kasvaessa parametrialue kapenee. Paras liitos saadaan aikaiseksi, kun kappaleiden välillä ei ole ilmarakoa. Tällöin myös hitsausparametrialue on laajempi.

Materiaalimallin määrityksestä kylmämuovattujen putkipalkkien K-liitosten FE-analyysissä

Työssä on tutkittu kylmämuovattujen nelikulmaisten putkipalkkien K-liitosten mallinnusta epälineaarisella elementtimenetelmällä. Työn tärkeimpänä tavoitteena on ollut kehittää putkipalkin osien materiaalimalleja siten, että liitosten kestävyyttä voidaan tutkia laboratoriokokeiden ohella luotettavasti myös elementtimenetelmällä. Toisena tavoitteena on ollut tutkia, voidaanko putkipalkkien liitosten mitoitusohjeita turvallisesti soveltaa kylmämuovatuille putkipalkeille, joissa valmistusprosessi aiheuttaa muutoksia materiaaliominaisuuksiin, erityisesti muodonmuutoskykyyn. Työssä tehtyjen laboratoriokokeiden ja elementtianalyysien perusteella elementti-menetelmä on käyttökelpoinen työkalu putkipalkkiliitosten staattista kestävyyttä määritettäessä, kun materiaalimallit on määritetty oikein. Erityisesti liitoksen käyttö-rajatilan mukaisen kestävyyden laskennassa elementtimenetelmällä saadaan hyvin laboratoriokokeita vastaavia tuloksia. Tehdyt laboratoriokokeet osoittavat myös, että Eurocode 3:n mukaisia putkipalkkien liitosten mitoitusohjeita voi turvallisesti käyttää kylmämuovatuille putkipalkeille.

Kylmämuovattujen putkipalkkien X-liitosten äärikestävyyden ja jäykkyyden määrittäminen sekä materiaalimallin kehittäminen

Työssä on tutkittu elementtimenetelmän avulla kylmämuovattujen nelikulmaisten putkipalkkien materiaalimallin kehittämistä ja putkipalkkien X-liitosten jäykkyyden ja äärikestävyyden määrittämistä. Työn tavoitteena on tutkia kylmämuovauksen vaikutuksia putkipalkkiprofiilin materiaaliominaisuuksiin materiaalikokeiden ja elementtianalyysien avulla sekä kehittää putkipalkille anisotrooppista materiaalimallia. Työssä määritettyjä materiaalimalleja on sovellettu X-liitosten elementtimalleihin, joiden käyttäytymistä on verrattu äärikestävyyskokeiden tuloksiin. Tutkimuksen perusteella Eurocode 3:n mitoitusohjeita voidaan turvallisesti soveltaa kylmämuovattujen putkipalkkien X-liitosten laskennassa. Työssä tehtyjen materiaalikokeiden ja elementtianalyysien perusteella materiaalin anisotrooppisuuden vaikutus liitoksen kestävyyteen on vähäistä, ja putkipalkin pituussuuntaista materiaalimallia voidaan soveltaa myös kehäsuuntaisille materiaaliominaisuuksille. Materiaalikokeiden simulointi osoittaa, että elementtimenetelmää voidaan käyttää materiaalimallin määrittämisen apuvälineenä.

Suurnopeuskompressorin modulaarisen runkosarjan suunnittelu

Tässä diplomityössä suunniteltiin parametrisesti modulaarinen koneen runko. Pyrkimyksenä oli suunnitella kokonaiskustannuksiltaan alhaisempi runkosarja jo olemassa oleviin suurnopeuskompressoreihin. Raportissa kerrotaan ensin modulaaristen tuoterakenteiden suunnittelusta ja käytettävästä suunnitteluohjelmistosta (SolidWorks). Sen jälkeen keskitytään suurnopeuskompressorin runkosarjan suunnitteluun esimerkkitapauksena. Aluksi keskitytään selvittämään rungolle asetettuja vaatimuksia ja ideoimaan erilaisia runkokonsepteja. Työ etenee ideoiden vertailun kautta modulaaristen konseptien luomiseen ja kahden moduulin moduulikohtaiseen suunnitteluun. Suunnitteluprosessissa käytetään rakenteen käyttäytymisen arviointiin äärellisten elementtien menetelmää (FEM). Työssä kehitettiin alkuperäisiin runkorakenteisiin verrattuna 10 % kustannuksiltaan edullisempi runkorakenneratkaisu, jonka purettavuus lisäksi alentaa rakenteen kuljetus- ja varastointikustannuksia.

Titaanisen valkaisutornin korjaussuunnitelma

Tämän työn tarkoituksena on poistaa toistuvasti esiintyneet vauriot titaanisessa valkaisutornissa Kuusankosken paperitehtailla. Vauriot esiintyivät melko pian käyttöönoton jälkeen ja niitä esiintyi toistuvasti jokaisen korjauksen jälkeen. Jatkuvatoimisen prosessin vuoksi käyttökatkokset eivät olleet suotavia. Aikataulu suunnittelulle ja korjaukselle oli erittäin tiukka, jolloin kenttämittauksia ei ollut mahdollista tehdä laskelmien tueksi. Tämän vuoksi tähän työtön parhaiten soveltuvaksi menetelmäksi valittiin FEA. Alkuperäisessä rakenteessa pääsäiliöön oli hitsattu pintatasku, jota käytettiin välisäiliönä varastoimaan suuri määrä vaarallista nestettä. Tämä aiheutti valkaisutornin vaipalle murtumia ja vuotoja sekä suuronnettomuuden riskin koko valkaisutornille. Kuormitustietojen puutteesta johtuen kuormitukset mallinnettiin virtuaalisesti FE-menetelmällä ja analyyttisin keinoin. Kuormitusten suuruudet arvioitiin konservatiivisesti. Tämän työn tärkein oivallus oli määritellä uudelleen pintataskun toiminto siten, että sitä ei enää käytetty nesteen välivarastona, vaan ohjaimena nesteelle. Tämä innovatiivinen ongelmankorjauskonsepti on havaittu onnistuneeksi, koska vaurioita ei ole enää esiintynyt viimeisimmän korjauksen jälkeen.