Repair Welding Effects on the Bending Fatigue Strength of AISI 4130 Aeronautical Steel used in a Critical to the Flight-Safety Structure

The aim of this study was to analyze the effect of successive TIG (tungsten inert gas) welding repairs on the reverse bending fatigue strength of AISI 4130 steel, which is widely used in components critical to the flight-safety. In order to simulate the abrupt maneuvers, wind bursts, motor vibration and helixes efforts, which generate cyclic bending loadings at the welded joints of a specific aircraft component called motor cradle, experimental reverse bending fatigue tests were carried out on specimens made from hot-rolled steel plate, 1.10 mm (0.043 in) thick, by mean of a SCHENK PWS equipment, with load ratio R = -1, under constant amplitude, at 30 Hz frequency and room temperature. It was observed that the bending fatigue strength decreases after the TIG (Tungsten Inert Gas) welding process application on AISI 4130 steel, with subsequent decrease due to re-welding sequence as well. Microstructural analyses and microhardness measurements on the base material, heat-affected zone (HAZ) and weld metal, as well as the effects of the weld bead geometry on the obtained results, have complemented this study.

Mekanisoidun hitsauksen käyttö ydinvoimalaitoksella

Diplomityössä päätavoitteena oli selvittää kuinka mekanisointia voitaisiin hyödyntää Fortum Power & Heat Oy:n Loviisan voimalaitoksen hitsauksissa. Työn osatavoitteisiin kuului mm. tutkia saadaanko mekanisoinnin käytön seurauksena parannettua laatua pienennettyä säteilyannoksia tai kustannuksia. Käytännön esimerkkinä oli pääkiertopumpun pesän tiivistepinnan korjaushitsaus. Teoriaosuus käsittelee nykyaikaisia hitsausmenetelmiä sekä hitsauksen mekanisoinnista ja automatisoinnista saatavia etuja. Käytännön osuudessa käytiin läpi Loviisan voimalaitoksen mekanisoidun hitsauksen historia ja hitsauksen nykytila ja tulevaisuus. Tulevaisuuden tarkastelussa kartoitettiin kohteita missä mekanisoinnin käytöstä saataisiin hyötyä ja mietittiin miten kyseinen kohteen mekanisointi voitaisiin toteuttaa. Tarkastelujen perusteella Loviisan voimalaitokselta löytyi kolme kohdetta, jossa hitsauksen mekanisointi olisi järkevä toteuttaa tavoitteiden puitteissa. Mekanisoitavissa olevat kohteet olivat putkiston hitsaus, suurien säiliöiden vuorauksien hitsaus ja suurien tiivistepintojen pinnoitushitsaus. Pääkiertopumpun pesän tiivistepinnan hitsaukselle löydettiin kolme laitteistovaihtoehtoa, joiden pohjalta lopullinen päätös voidaan tehdä.

Kunnossapitohitsaus vaneritehtaassa

Diplomityöni tavoitteena on selvittää mekaanisen puunjalostuksen kunnossapitohitsauksessa huomioitavat asiat ja laatia niiden pohjalta vaneritehtaan käyttöön kunnossapitohitsauksen ohjeistus. Diplomityössä käsiteltiin yhtä kunnossapidon aluetta, hitsausta. Työssä esiteltiin erilaisia hitsaukseen liittyviä määritelmiä ja menetelmiä. Käytännön kokeet oli valittu esimerkkitehtaalle tärkeistä kohteista. Diplomityö tehtiin vaneriteollisuuden koneita suunnittelevaan ja toimittavaan yritykseen. Käytännön kokeet suoritettiin toimivassa vaneritehtaassa. Teoriaosassa keskityttiin sellaisiin osa - alueisiin, jotka liittyvät vaneritehtaan jokapäiväiseen kunnossapitohitsaukseen. Käytännön osuudessa havaittiin tiettyjä kokeesta toiseen toistuvia puutteita. Tällaisia olivat mm. vajaa hitsautumissyvyys, lisäaineiden käsittely, puikon koon valinta ja railon valmistus. Näiden seikkojen kautta vahvistui käsitys ohjeistuksen tarpeellisuudesta, joka oli jo työn tavoitteissa yhtenä päämääränä. Ongelmia esiintyi myös eräiden materiaalien hitsauksessa. Tämä alue tulee hoitaa kuntoon koulutuksella pikimmiten. Tilanne esimerkkitehtaassa kunnossapitohitsauksen osalta oli parempi kuin alun perin oletettiin. Muutamien puutteiden poistamisen, ohjeistuksen ja koulutuksen jälkeen tilanne tulee olemaan hyvä. Innostusta hitsauksen salojen selville saamiseen on kunnossapidon työntekijöiden joukossa.

Lakisääteiset hitsaustyöt ja niiden laadunhallinta

Tässä diplomityössä selvitettiin UPM Kaukaan tehtailla esiintyviin lakisääteisiin hitsauskohteisiin liittyvää lainsäädäntöä ja lainsäädännön vaikutusta hitsaukselle. Lakisääteisiä hitsauskohteita ovat räjähdysvaaralliset tilat, painelaitteet, kemikaaliputkistot, kemikaalisäiliöt, maakaasulaitteet sekä kantavat teräsrakenteet. Diplomityössä selvitettiin lisäksi hitsauksen laadunhallintaa huomioiden korjaushitsaustyöt sekä uuden rakentaminen. Lakisääteet tuovat hitsauksen suorittamiselle usein tarkasti määritellyt velvoitteet koskien esimerkiksi dokumentointia, hitsaushenkilöstön pätevyyksiä, materiaaleja ja niin edelleen. Lakisääteet lisääntyvät jatkuvasti ja soveltamisalueet laajenevat, jolloin asioiden ylläpitäminen vaatii jatkuvaa seurantaa. Työssä luotiin ohjeistus koskien yleisesti hitsausta ja lisäksi käyttäjän ja omistajan velvoitteita koskevat ohjeet painelaitteista, maakaasulaitteista ja kemikaalilaitteista. Hitsauksen yleisohje koskee jokaista hitsaustapahtumaa korjaushitsauksesta uuden rakentamiseen. Ohje soveltuu lisäksi sopimusliitteeksi hitsaustyön tilauksissa.

Effects of several TIG weld repairs on the axial fatigue strength of AISI 4130 aeronautical steel-welded joints

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Fatigue strength of tungsten inert gas-repaired weld joints in airplane critical structures

In this work the effect of Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) repairs on the axial fatigue strength of an AISI 4130 steel welded joint used in airframe critical to the flight-safety was investigated. Fatigue tests were performed at room temperature on 0.89 mm thick hot-rolled plates with constant amplitude and load ratio of R = 0.1, at 20 Hz frequency. Monotonic tensile tests, optical metallography and microhardness, residual stress and weld geometric factors measurements were also performed. The fatigue strength decreased with the number of GTAW repairs, and was related to microstructural and microhardness changes, as well as residual stress field and weld profile geometry factors, which gave origin to high stress concentration at the weld toe. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Considerations about the welding repair effects on the structural integrity of an airframe critical to the flight-safety

Structures critical to the flight-safety are commonly submitted to several maintenance repairs at the welded joints in order to prolong the in-service life of aircrafts. The aim of this study is to analyze the effects of Tungsten Inert Gas (TIG) welding repair on the structural integrity of the AISI 4130 aeronautical steel by means of experimental fatigue crack growth tests in base-material, heat-affected zone (HAZ) and weld metal. The tests were performed on hot-rolled steel plate specimens, 0.89 mm thick, with load ratio R = 0.1, constant amplitude, at 10 Hz frequency and room temperature. Increase of the fracture resistance was observed in the weld metal but decreasing in the HAZ after repair. The results were associated to microhardness and microstructural changes with the welding sequence. (C) 2010 Published by Elsevier Ltd.

Operator, organizational, and direct support maintenance manual, including repair parts and special tools lists : welding shop, trailer mounted, Libby model unassigned, FSN 3431-935-7821.

"February 1972."

Direct support, general support, and depot maintenance repair parts and special tools lists : welding machine, arc, AC/DC, 300 amp, transformer rectifier, constant current, base mounted (Eutectic Corp. model MD301 FED), FSN 3431-235-4728.

"October 1971."

Organizational, DS, GS, and depot maintenance manual including repair parts : welding machine, arc, generator, electric motor driven, 300-amp DC arc, 220/440-V, 60-cycle, 3-phase, wheel mounted (Harnischfeger model W300 MG), FSN 3431-226-1569).

"April 1965."

Organizational maintenance repair parts and special tools lists : welding set, ARC, inert gas shielded, plastic or metal lined gun; for 3/64 in. wire; DC, 115V., (Linde model SWM-9-A) FSN 3431-972-7672.

"May 1970."

Organizational, direct and general support, and depot maintenance repair parts and special tools list : welding machine, ARC, G.E.D. generator, 300 amp, DC, constant current, consistant potential, skid mounted, (Libby welding model LTO 300), FSN 3431-253-0558.

"March 1971."

Organizational, DS, GS and depot maintenance repair parts and special tools list : welding set, ARC, inert gas shielded, air cooled, metal lined gun for 3/64 in. wire, (Westinghouse model SA-136), FSN 3431-121-5878.

"July 1971."

Organizational, maintenance repair parts, and special tools lists : welding machine, arc, generator, GED, 300 amp, DC (Libby welding models) (model LE-300) FSN 3431-810-9696, (model LEW-300) FSN 3431-991-2961, (model LEB-300) FSN 3431-072-0327.

"January 1971."

Organizational and direct support maintenance repair parts and special tools list : welding set, arc, inert gas shielded, water cooled, aluminum welding, general purpose (Airco model 23511209), FSN 3431-731-4163.

"December 1970."