Effect of welding boundary conditions on the residual stresses and the fatigue strength of a transversal accessory joint

Abstract

Ultra-high strength steels (UHSS) and their fatigue properties are study fields of growing importance, as the modern industry and especially the end customers demand light-weight, long-lasting structures. In these materials of high yield strength, the welding-induced residual stresses are typically also high. Therefore, the study of welding residual stresses and the evaluation of their effect on the fatigue strength of UHSS joints have become research topics of significant value.

In this work, the influence of welding boundary conditions on both the residual stresses and the fatigue strength of a UHSS joint are studied. In addition, a proposal is made for the categorization of the welding residual stress components, according to how the equilibrium condition is formed in the structure. In experimental laboratory tests, a transverse attachment was fillet-welded on a baseplate under three different restraint conditions: free, fixed and semi-rigid support. The surface residual stress profiles in the vicinity of the weld were measured with X-ray diffractometry, and fatigue tests with constant amplitude uniaxial loading were made to determine the fatigue strengths. The studied base material was SSAB Strenx 1100 Plus.

The results indicate that the rigid boundary condition during welding creates substantially higher tensile residual stresses compared to the other boundary conditions, where the welding deformations were allowed to occur more freely. The fatigue life decreases alongside with the increase of the rigidity of the welding boundary condition.

Ultralujat teräkset (UHSS) ja niiden väsymisominaisuudet ovat alati tärkeämpiä tutkimusaloja nykyaikaisen teollisuuden sekä erityisesti loppuasiakkaiden vaatiessa kevyitä ja pitkäkestoisia rakenteita. Näissä korkean myötölujuuden omaavissa materiaaleissa myös hitsauksen aiheuttamat jäännösjännitykset ovat tyypillisesti korkeita. Tämän vuoksi hitsausjäännösjännitysten tutkiminen sekä niiden vaikutuksen arvioiminen ultralujien terästen hitsausliitosten väsymislujuuteen ovat muodostuneet erityisen huomionarvoisiksi tutkimuskohteiksi.

Tässä työssä tarkastellaan hitsauksen aikaisten reunaehtojen vaikutusta sekä UHSS-liitoksen jäännösjännityksiin että sen väsymiskestävyyteen. Lisäksi tehdään ehdotelma hitsausjäännösjännityskomponenttien luokittelusta. Luokittelu perustuu siihen, millä tavalla jäännösjännitysten tasapainotilanne rakenteessa muodostuu. Käytännön laboratoriokokeissa hitsattiin poikittaisripa pienahitsillä peruslevyyn kolmella erilaisella reunaehdolla: vapaalla, jäykällä ja puolijäykällä tuennalla. Pinnan jäännösjännitysprofiilit hitsin läheisyydessä mitattiin röntgendiffraktio-menetelmällä, ja väsymiskestävyydet määritettiin väsytyskokeilla, joissa kuorma oli vakioamplitudinen ja yksiaksiaalinen. Tutkittava perusmateriaali oli ultraluja teräs SSAB Strenx 1100 Plus.

Tulosten perusteella voidaan todeta, että hitsauksen aikainen jäykkä reunaehto tuottaa oleellisesti suurempia vetojäännösjännityksiä verrattuna muihin reunaehtotapauksiin, joissa hitsausmuodonmuutokset saivat tapahtua vapaammin. Väsymiskestoikä lyhenee, kun hitsausreunaehdon jäykkyyttä kasvatetaan eli muodonmuutosten syntymistä estetään.