Investigation of tube materials

Abstract

In this thesis ultimate static and impact capacities of welded tubular joints made of four different materials are research. Tubes have circular hollow section and are made of high strength steel. Joints are welded using TIG, MAG and MAG-brazing welding processes. The goal is to compare different material behaviors and find the most reliable combination of material and welding process. The capacity of weld works as a reference value for the capacity of joints and is also under investigation. The researched joint types in this thesis are T-joint with bended chord member and X-joint. The joints are studied by practical tests and utilizing FE-analysis. Tests are mainly performed as tensile and impact tests at room temperature. The joints are welded into equal strength compared to the base material using slightly under-matched or equal filler material. The concrete results are force-displacement graphs. FE-analysis is utilized to compare and verify the validity of the test results. It is also used to determine the magnitude of stress concentrations at critical points in the joint. Examination of tubular materials showed that their behavior can be different depending on the type of joint. At the X-joint, C turned out to be the worst, even though the results could be better based on the material properties. In the T-joint, C behaved in the same way as A and B. D achieved the highest forces from materials in both types of joints, but was also the most brittle. In D, the fracture was always located in the weld, so with a stronger filler material the results could be better. A and C always broke from the base material and B varied from weld to base material. The welding process did not affect the maximum force in the T-joints but mainly the deformation at fracture. Overall, TIG welded joints achieved the highest deformation before fracture and brittle fracture proved not to be critical under impact loading. Other welding processes affected the results on a material-by-material basis.

Tässä diplomityössä tarkastellaan neljästä eri materiaalista hitsattujen putkiliitoksien staattista äärikestävyyttä sekä iskukestävyyttä. Putket ovat pyöreitä ja valmistettu lujista teräksistä. Liitokset hitsataan TIG, MAG ja kaarijuotto prosesseilla. Tavoitteena on verrata eri materiaalien käyttäytymistä sekä löytää luotettavin materiaalin sekä hitsausprosessin yhdistelmä. Hitsin kapasiteetti toimii referenssinä liitoksen kestävyydelle ja on myös yksi tutkimuksen kohteista. Työssä tutkitut liitostyypit ovat T-liitos taivutetulla paarteella sekä X-liitos. Liitoksia tutkitaan käytännön kokeilla sekä hyödyntämällä FE-analyysiä. Testit suoritetaan pääasiassa veto- ja iskukokeina huoneenlämpötilassa. Liitokset hitsataan tasalujiksi perusmateriaaliin nähden käyttäen hieman alilujaa tai tasalujaa lisäainetta. Havainnolliset tulokset ovat voima-siirtymä kuvaajia. FE-analyysiä hyödynnetään testituloksien luotettavuuden varmistamiseen sekä vertailuun. Sitä käytetään myös jännityskonsentraatioiden suuruuksien määrittämiseen liitoksen kriittisissä kohdissa. Putkimateriaalien tutkiminen osoitti, että niiden käyttäytyminen voi olla erilaista liitostyypistä riippuen. X-liitoksessa C osoittautui huonoimmaksi, vaikka materiaaliarvoista päätellen tulos olisi voinut olla parempi. T-liitoksessa C käyttäytyi samalla tavalla kuin A ja B. D saavutti materiaaleista suurimmat voimat molemmissa liitostyypeissä, mutta oli samalla haurain. D:ssä murtuma sijaitsi aina hitsissä, joten lujemmalla lisäaineella tulokset voisivat olla parempia. A sekä C hajosivat aina perusmateriaalista ja B vaihtelevasti hitsistä sekä perusmateriaalista. Hitsausprosessi ei vaikuttanut T-liitoksissa maksimivoiman suuruuteen vaan lähinnä muodonmuutokseen murtumahetkellä. Kokonaisuudessaan TIG hitsatuissa liitoksissa saavutettiin suurimmat muodonmuutokset ennen murtumaa eikä haurasmurtumakaan osoittautunut kriittiseksi iskumaisessa kuormituksessa. Muut hitsausprosessit vaikuttivat tuloksiin materiaalikohtaisesti.