Strength of symmetrical fillet welded joints under bending load

Abstract

Existing design codes and guidelines do not present recommended fatigue strength assessment methods for load-carrying double fillet welded T- or cruciform joints under bending load. To evaluate the suitability of existing assessment methods, fatigue tests with bending and tensile loading were performed on load-carrying cruciform joints made of S960MC steel. The specimens were manufactured by welding 9 mm thick plates into a cruciform joint with robotized gas metal arc welding. Weld parameters were varied to study the effect of weld size on the criticality of the weld root in dynamic loading. The results were assessed with the nominal stress and effective notch stress approaches and linear elastic fracture mechanics. The difference of two stress distribution approaches, the plastic stress and the linear elastic stress distribution, for the nominal stress at the weld root were compared. Finite element analysis was used to calculate the stresses for the effective notch stress approach. The assessment based on the linear elastic fracture mechanics approach was also carried out with finite element analysis. Linear elastic fracture mechanics was also used to compare estimated and experimental crack paths of bending and tension loaded specimens. The nominal stress approach for bending loaded specimens, using the linear elastic stress distribution and taking the partial penetration into account yielded a characteristic FAT class equal to the recommended 36. The plastic stress distribution yielded more conservative results. The consideration of partial penetration had a strong effect on the obtained FAT classes. The recommended design FAT class of 225 was not reached with the effective notch stress approach. The linear elastic fracture mechanics approach yielded consistent results in terms of fatigue strength and estimated crack paths.

Nykyiset suunnittelustandardit ja -ohjeet eivät esitä menetelmiä kuormaa kantavien, symmetrisesti pienahitsattujen T- ja X-liitosten väsymislujuuden arviointiin, kun kuormitustyyppinä on taivutus. Olemassa olevien arviointimenetelmien soveltuvuutta tutkittiin tekemällä väsytyskokeita kuormaa kantaville, S960MC teräksestä valmistetuille pienahitsatuille X-liitoksille. Kuormitustyyppinä oli sekä taivutus että veto. Koekappaleet valmistettiin hitsaamalla 9 mm paksuisista levyistä X-liitoksia robotisoidulla MAG-hitsauksella. Erilaisia hitsausparametreja käyttämällä tutkittiin hitsin koon vaikutusta juuren puolen kriittisyyteen väsyttävässä kuormituksessa. Tuloksia arvioitiin nimellisen jännityksen, tehollisen lovijännityksen sekä lineaarielastisen murtumismekaniikan avulla. Nimellisjännitysmenetelmän osalta vertailtiin plastisen ja kimmoisen jännityksen jakaumamallin eroja. Elementtimenetelmää käytettiin tehollisen lovijännityksen laskentaan ja murtumismekaaniseen tarkasteluun. Murtumismekaniikan avulla vertailtiin myös laskennallista ja kokeellista murtuman etenemistä veto- ja taivutuskuormituksessa. Nimellisen jännityksen menetelmällä saatiin taivutuskuormitetuille kappaleilla FATluokaksi, suositusta vastaava 36, kun käytettiin kimmoisen jännityksen jakaumamallia ja otettiin osatunkeuma huomioon. Plastinen jännityksen jakaumamalli tuotti konservatiivisempia tuloksia. Osatunkeuman huomioimisella oli suuri vaikutus määritettyihin FAT-luokkiin. Tehollisen lovijännityksen menetelmällä ei saavutettu suositeltua 225:n suunnittelu FAT-luokkaa. Murtumismekaaninen tarkastelu tuotti johdonmukaisia tuloksia kestoiän ja arvioidun murtumareitin osalta.