An Assessment ofFatigue Strength of Load Carrying Welded Joints with Lack of Penetration
Oinonen, Ahti (2006)
Diplomityö
Oinonen, Ahti
2006
Tiivistelmä
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.
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.